《ACS Physical Chemistry Au》：Toward Expanded Genetic Alphabets: Insights into Functionalized Ds–Px Unnatural Base Pairs
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疏水非天然碱基对（UBPs）扩展了遗传字母表，但控制其稳定性的分子因素仍不清楚。在此，研究人员报告了对非天然碱基对Ds–Px及其13种变体（先前由Hirao及其合作者合成）在B-DNA环境中的量子化学研究。碱基对相互作用较弱但有利，且主要以色散力驱动，不同于以
疏水非天然碱基对（UBPs）扩展了遗传字母表，但控制其稳定性的分子因素仍不清楚。在此，研究人员报告了对非天然碱基对Ds–Px及其13种变体（先前由Hirao及其合作者合成）在B-DNA环境中的量子化学研究。碱基对相互作用较弱但有利，且主要以色散力驱动，不同于以氢键主导的Watson–Crick碱基对。选定的修饰，例如在稠环中引入额外的氮原子，适度增强了静电互补性。相比之下，π–π堆积相互作用显著更强，超过了天然堆积碱基对。这些UBPs呈现出与B-DNA的典型36°相匹配的最佳扭转角，证实了几何兼容性。溶剂化降低了配对和堆积能量，但在高介电常数下达到平台。总体而言，这些发现表明Ds–Px型UBPs主要通过色散驱动的堆积稳定，并为未来扩展遗传字母表的设计提供了分子见解。
扩展遗传字母表是化学生物学的重要目标，旨在增加核酸的结构与功能多样性。非氢键非天然碱基对（UBPs）依赖π–π堆积相互作用实现稳定性和选择性，其中Hirao课题组开发的Ds–Px体系（Ds为7-(2-噻吩基)咪唑并[4,5-b]吡啶，Px为2-硝基-4-丙炔基吡咯）在适体（aptamer）应用中展现出增强靶标结合的能力。然而，Ds是否是最优的第五个字母仍存疑问，且其稳定性的分子机制尚未阐明。为此，研究人员对Ds–Px及其13种结构变体在B-DNA环境中进行了系统的量子化学研究，旨在揭示配对和堆积相互作用的分子决定因素。该研究发表于《ACS Physical Chemistry Au》。
研究人员采用的主要技术方法包括：基于色散校正密度泛函理论（ZORA-BLYP-D3(BJ)/TZ2P水平）的量子化学计算，利用Amsterdam Density Functional（ADF）程序；使用类导体屏蔽模型（COSMO）模拟溶剂效应；通过能量分解分析（EDA）将相互作用能分解为静电、Pauli排斥、轨道相互作用和色散项；运用Voronoi变形密度（VDD）方法分析电荷分布；并采用非共价相互作用（NCI）分析可视化弱相互作用区域。所有计算针对13个变体（源自Hirao的实验合成）进行，在B-DNA骨架约束下构建模型。
**碱基对相互作用**：计算显示Ds–Px的配对结合能为?3.9 kcal mol
–1，远弱于天然A–T（?16.5 kcal mol
–1）和G–C（?30.3 kcal mol
–1）。能量分解表明色散贡献占主导（60%），静电和轨道贡献分别占18%和21%，与氢键主导的天然碱基对截然不同。通过NCI分析确认了Ds–Px中色散驱动的弱接触（如S···H–C、C–H···H–C和C–H···O）。变体中，Ps–Px和Es–Px因稠环引入额外氮原子形成N···H–C相互作用，配对能量增强至?5.7和?5.6 kcal mol
–1。溶剂化效应（氯仿、甲醇、水）使所有配对能量减弱，但在高介电常数下趋于平台，Ds–Px在水中的配对能量为?2.6 kcal mol
–1。
**π–π堆积相互作用**：通过扭转角扫描（0–75
°）发现，Ds–Px与A–T或G–C堆积的最优角度位于25–40
°，与天然B-DNA的36
°高度匹配，确认几何兼容性。在36
°扭转角下，Ds–Px与A–T的堆积能量为?16.5 kcal mol
–1，与G–C为?16.8 kcal mol
–1，均强于天然堆积对（如A–T//G–C为?13.3 kcal mol
–1）。能量分解显示色散为最大稳定贡献（?27.3和?26.0 kcal mol
–1），静电和轨道贡献次之。变体中，Do–Px因呋喃侧链色散较弱而堆积最弱，Dp–Px因哒嗪环增强静电互补而堆积最强。溶剂化使堆积能量降低，但在水中仍保持高于天然堆积对的强度。
讨论总结：本研究揭示了Ds–Px型UBPs的稳定性主要来源于色散驱动的π–π堆积，而非碱基配对。配对相互作用虽弱，但贡献了方向性和选择性，且可通过杂原子引入适度增强。堆积相互作用对化学修饰具有鲁棒性，变体间差异有限，且与B-DNA螺旋几何兼容。溶剂化效应在极性介质中趋于饱和，UBPs仍保持优势堆积。这些结果为扩展遗传字母表和高亲和力适体的理性设计提供了分子框架。
研究结论翻译：在这项工作中，研究人员对非天然DNA碱基对Ds–Px及其13种结构变体在B-DNA环境中进行了全面的量子化学研究。通过分别分析碱基配对和π–π堆积相互作用，研究人员阐明了控制这些扩展遗传字母表系统稳定性和选择性的分子因素。结果表明，π–π堆积是Ds–Px型系统的主要稳定力。这些相互作用强烈地以色散力驱动，且在可比条件下超过典型Watson–Crick堆积。能量分解分析显示色散是主要的吸引贡献，而静电和轨道相互作用起次要作用。此外，最优堆积几何位于25–40
°的扭转角范围内，与天然B-DNA的约36
°扭转高度匹配，证实了Ds–Px型碱基对与天然双螺旋的优异几何兼容性。相比之下，内在碱基配对相互作用相对较弱，且本质上不同于天然碱基的氢键模式。尽管战略性引入杂原子或替代侧链可适度改善静电互补性和碱基对稳定性，但这些效应仍次于堆积。然而，碱基配对相互作用有助于取向、选择性和复制保真度。溶剂化削弱了堆积和配对相互作用，但衰减迅速达到平台，Ds–Px变体即使在极性介质中也保持比天然碱基对更强的堆积相互作用。总体而言，这些发现确立了Ds–Px及其衍生物可被容纳在DNA双螺旋内而不破坏典型螺旋参数。其堆积相互作用对化学修饰的鲁棒性为设计改进的非天然碱基对提供了有前景的机会。更广泛地，这项工作为扩展遗传字母表、高亲和力适体及其他功能性核酸系统的理性发展提供了理论框架。
