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为探究糖识别中配体相对取向的影响，研究人员以正交光开关糖簇（1）为对象，研究其对甘露糖特异性细菌黏附的抑制作用。结果发现，单糖开关 E 异构体抑制力更强，而（1）和（2）的异构体影响较复杂。该研究为糖识别机制提供新见解。
在微观的细胞世界里，碳水化合物与蛋白质之间的相互作用就像一场精密的 “分子舞会”，它们的每一次 “牵手” 都对众多细胞过程起着至关重要的作用。其中，细菌依靠特定的碳水化合物 - 蛋白质相互作用黏附在细胞表面，引发感染，这一过程成为了科学家们重点关注的对象。然而，这场 “分子舞会” 的规则十分复杂，尤其是糖配体在三维空间中的取向以及多价糖配体的次级相互作用如何影响亲和力，一直是未解之谜。为了揭开这些神秘的面纱，深入理解和操控碳水化合物 - 蛋白质相互作用，进而抑制碳水化合物特异性细菌黏附，研究人员开启了一场探索之旅。
此次研究由未知研究机构的科研人员开展。他们聚焦于一种新型的正交光开关糖簇，该糖簇结合了偶氮苯 α - D - 甘露糖苷和偶氮苯 β - D - 葡萄糖苷单元（记为 1），并将其作为研究核心。研究结果显示，对于单价偶氮苯糖开关 4 和 5，E 异构体在 FimH 介导的细菌黏附中表现出比 Z 异构体更高的抑制效力，约为 2 至 3 倍。而对于二价的糖簇 1 和 2，虽然不同异构体在细菌黏附抑制实验中展现出各异的效果，但难以从理论层面清晰解释。这一研究意义重大，它为碳水化合物识别机制提供了全新的视角，让我们对糖配体取向在细菌黏附过程中的作用有了更深入的理解，为未来开发新型抗菌策略提供了潜在的方向。该研究成果发表在《Beilstein Journal of Organic Chemistry》上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是化学合成技术，合成了多种糖簇及相关配体，包括同二价糖簇 6αMan3αMan（2）、糖偶氮苯功能化的甘露糖苷 6βGlc（3）、6αMan（4）和 3αMan（5）等；其次是光致变色性质研究技术，通过不同波长的光照射样品，利用 NMR 光谱和 UV - vis 光谱测定 E/Z 比例、光稳态（PSS）以及热弛豫动力学参数；最后是生物测试与分子建模技术，使用表达绿色荧光蛋白（GFP）的大肠杆菌菌株 PKL1162 进行黏附抑制实验，测定抑制常数 IC50和相对抑制效力（RIP），并运用分子对接和 MM - GBSA 计算研究糖簇与细菌凝集素 FimH 的相互作用。
合成
研究人员精心设计并成功合成了多种关键化合物。以制备同二价糖簇 6αMan3αMan（2）为例，从已知的甘露糖基硫代乙酸酯出发，经过多步反应，包括 α - 选择性反应、化学选择性脱保护、Buchwald - Hartwig - Migita 交叉偶联反应以及 Zemplén 脱乙酰化反应等，最终以较高的产率得到目标产物。同时，还合成了糖簇 1 和 2 中包含的糖偶氮苯天线，如 6βGlc（3）、6αMan（4）和 3αMan（5），这些化合物的成功合成为后续研究奠定了坚实的物质基础。
光致变色性质
通过对糖偶氮苯功能化的甘露糖苷 3、4 和 5 进行不同波长（365nm、435nm 和 520nm）的光照实验，研究人员发现它们分别达到了三种光稳态（PSS）。利用1H NMR 光谱积分末端糖单元的端基质子，精确测定了各光稳态下的 E/Z 比例。例如，365nm 光照使 3 和 4 的 E/Z 比例为 18:82，5 的为 3:97。同时，研究还发现 435nm 光照可使这些化合物几乎回到相同的 E/Z 比例（64:36 和 65:35）。对于同二价光开关糖簇 6αMan3αMan（2）和异二价糖簇 1，同样测定了其不同光稳态下的 EE/ZE/EZ/ZZ 异构体混合物比例。此外，研究人员还深入研究了亚稳 ZZ 和 Z 异构体的热弛豫过程，通过1H NMR 光谱和 UV - vis 光谱分别监测 2 以及 3、4、5 的热弛豫动力学，计算出了速率常数、半衰期（τ1/2）和活化能（Ea）。结果表明，ABF4单元的热弛豫比 AB 单元慢，且孤立的糖偶氮苯天线比同二价糖簇 2 中的相应部分弛豫更快。
生物测试
在生物测试环节，研究人员选用了 1 型菌毛化的大肠杆菌进行黏附抑制实验。实验中，表达 GFP 的菌株 PKL1162 被应用于甘露聚糖包被的微孔板，通过检测荧光强度来反映黏附的细菌细胞数量。将光开关 1 - 5 作为细菌黏附抑制剂进行系列稀释实验，得到剂量 - 反应抑制曲线，进而推导出每个抑制剂的 IC50值，并与甲基 α - D - 甘露糖苷（MeMan）比较得出 RIP 值。实验结果显示，所有包含与偶氮苯单元结合的 α - D - 甘露吡喃糖配体的光开关（1、2、4 和 5）都表现出比 MeMan 更强的抑制效力。其中，糖偶氮苯天线 4 和 5 的抑制效力明显依赖于偶氮苯光开关的构型（E 或 Z），E 异构体的 RIP (MeMan) 值显著高于 Z 异构体。对于二价糖簇 1 和 2，在不同的异构体状态下测试其抑制效力，发现不同异构体的 RIP (MeMan) 值差异较大，且二者的抑制效力排名不同。另外，虽然 6βGlc（3）理论上无抑制效果，但实验中表现出比 MeMan 更高的抑制效力，不过这主要归因于溶解样品使用的 DMSO。
分子建模
为了深入理解实验现象背后的机制，研究人员开展了分子建模研究。对包含甘露糖苷配体的偶氮苯糖缀合物 1、2、4 和 5 的不同异构体与细菌凝集素 FimH 进行对接研究，计算对接分数和结合能。结果发现，对于 4 和 5，与 FimH 关闭构象结合的计算结合能比开放构象更能反映实验数据，E 异构体的结合能比 Z 异构体更低，表明其与 FimH 的结合更稳定，这与实验测定的抑制效力趋势一致。进一步采用诱导契合对接（IFD）和结合构象元动力学模拟（MD）对分子模型进行优化和分析，发现计算得到的结合能与实验数据相符，证实了 E 异构体与 FimH 形成的复合物更稳定。然而，对于糖簇 1 和 2，实验结果难以通过对接研究进行合理解释，尽管分子建模展示了不同异构体与 FimH 的结合模式差异，但结合能趋势与测量的 RIP 值并不匹配。不过，分子建模揭示了所有异构体中，末端 α - D - 甘露糖苷配体都在 FimH 碳水化合物结合口袋内形成经典氢键网络，且二价糖簇中未结合在 FimH CRD 内的部分与 FimH 的次级相互作用因异构体状态不同而有所差异。
研究结论表明，偶氮苯糖缀合物中偶氮基团的异构体状态能够显著影响其连接的糖配体的取向，进而影响其生物学性质，如对碳水化合物特异性细菌黏附的抑制作用。正交光开关糖缀合物为研究糖配体取向提供了有力工具，但像 1 和 2 这样的复杂糖簇，由于其构象的多样性，通过光异构化精确控制分子形状存在一定的局限性，同时其水溶性也有待提高。此外，研究还为未来研究指明了方向，建议应用固定化的正交糖偶氮苯光开关，这可能会为研究配体取向在碳水化合物识别中的作用带来更明确的见解。这项研究综合了合成、光致变色性质分析、生物测试和分子建模等多方面的研究，为碳水化合物识别领域提供了丰富的信息，为后续研究开辟了新的道路，有望推动抗菌策略以及糖科学领域的进一步发展。
