光控阴离子转位调控人工通讯系统中螺旋折叠的研究

《Chemistry – A European Journal》：Light-Induced Anion Translocation to Control Helical Folding in an Artificial Communication System

本研究开发了一种光响应型超分子通讯系统，成功实现了利用光信号间接、可逆地控制螺旋折叠。研究人员通过设计合成新型芳基三唑折叠体与光开关杯[4]吡咯受体，以氯离子为化学信使，在光控下实现了阴离子在两者间的转位，从而调控折叠体的螺旋构象，其圆二色性(CD)变化作为输出信号。这项工作模拟了生物信号转导过程，为开发智能材料和分子计算机提供了新思路。

　　

在生命系统中，蛋白质解码环境信号并传递给其他蛋白靶点以诱导构象变化、调控生物功能的过程，被称为信号转导或信号处理。视觉光转导是研究最深入的例子之一：视网膜中光诱导的双键异构化导致G蛋白亚基转位至磷酸二酯酶，激活级联反应中第二信使的水解。受此类生物信号通路启发，化学家们已在人工分子系统中创建了初步的通讯型事件，即宿主分子在刺激下释放化学信使，该信使再与另一产生输出信号的分子相互作用。然而，尽管蛋白质折叠对获得功能状态至关重要，但在人工系统中，由信号处理导致的分子折叠变化尚未实现。此外，阴离子物种在各种生物过程中起重要调节作用，却很少被用作实现宿主间通讯的信使。因此，开发能够通过阴离子信使进行通讯、并以此调控分子折叠的人工系统，是一个基础性挑战，对开发具有自主和智能行为的材料以及分子神经形态（计算）设备具有重要意义。

为了应对这一挑战，荷兰莱顿大学的研究团队在《Chemistry – A European Journal》上发表了一项创新研究。他们巧妙设计了一个三组分超分子系统，其中包含一个光响应受体和一个螺旋折叠体，通过氯离子（Cl^-）的转位进行“通讯”，从而实现了利用光间接、可逆地控制螺旋折叠过程。这就像在分子尺度上建立了一套“光控开关-信使-结构响应”的信号链。

研究人员运用了多项关键技术来验证这一系统。首先是分子的设计与合成，他们合成了新型手性芳基三唑折叠体 (S,S)-1和 (R,R)-1，并使用了先前开发的刚性苯乙烯带杯[4]吡咯光开关受体 (Z)-2。其次是结合亲和力表征，他们通过核磁共振氢谱 (¹H NMR) 滴定和圆二色性 (CD) 光谱滴定，分别测定了折叠体及受体不同异构体对氯离子的结合常数 (K_a)，确认了三者间的亲和力满足 K_a(Z-2) > K_a(1) > K_a(E-2) 这一实现有效阴离子转位的关键条件。此外，他们还借助二维核磁共振NOESY实验、密度泛函理论(DFT)计算优化、X射线晶体学分析以及光异构化与阴离子转位的动态监测（结合CD和¹H NMR）等多种技术手段，从结构、能量和动态过程等多个层面，全面阐明了系统的运行机制。

2.1 折叠体的合成与结合行为

研究人员成功合成了两端带有手性苯乙酰胺基团、侧链为十二烷基链以增加溶解度的芳基三唑折叠体1。通过¹H NMR滴定，确定其在CDCl₃中对Cl^-的结合常数为~1.3 × 10³M^-1。二维NOESY实验显示，加入Cl^-后，折叠体的NOE信号模式发生显著变化，仅保留在螺旋折叠状态下指向内部的质子间的接触，这支持了其从非折叠态向螺旋折叠态转变的结论。CD光谱研究表明，加入Cl^-后，(S,S)-1在268和296 nm处出现正的CD信号，而(R,R)-1则出现完全相反的信号，表明手性末端诱导了螺旋方向的选择性，且折叠过程是单分子的。

2.2 折叠体结构的DFT优化

通过TD-DFT（含时密度泛函理论）计算，研究人员优化了(P)-(S,S)-1?Cl^-（即右手螺旋）的结构。优化结构显示Cl^-通过一个酰胺N-H和四个三唑C-H与折叠体形成氢键结合。计算得到的ECD谱图与(S,S)-1的实验CD谱图符号一致，证实了(S,S)-1在结合Cl^-时优先采取P-螺旋构象。

2.3 光受体的溶液与固态分析

对光开关受体2的研究表明，其在CH₂Cl₂和CDCl₃中均可发生可逆的光异构化。结合常数的测定至关重要：在CDCl₃中使用[Et₄N]⁺[Cl]^-时，(Z)-2的结合常数K_a为2.8 × 10⁴M^-1（慢交换），而(E)-2的结合常数仅为18 M^-1（快交换），两者相差超过1500倍。X射线晶体结构揭示了抗衡阳离子在结合中的关键作用：[Et₄N]⁺位于杯[4]吡咯的电子富集空腔中，形成了对称的锥形结构，而[Bu₄N]⁺则位于外部，导致锥形结构扭曲。

2.4 光诱导的氯离子转位

这是核心实验验证部分。研究人员将折叠体(S,S)-1、受体(Z)-2和0.5当量的[Et₄N]⁺[Cl]^-在2.5 vol% CHCl₃/CH₂Cl₂中混合。初始时，由于(Z)-2的亲和力更高，大部分Cl^-与之结合，折叠体仅部分折叠，CD信号较弱。用365 nm光照射后，2发生Z→E异构化，亲和力大幅下降，从而释放出Cl^-。被释放的Cl^-随即被折叠体1捕获，诱导其螺旋折叠，导致CD信号显著增强。随后用340 nm光照射，部分2恢复为高亲和力的Z-型，从折叠体夺回部分Cl^-，导致折叠体部分去折叠，CD信号相应减弱。这一可逆过程同时被¹H NMR光谱定量验证，并借助Hyss软件进行的形态分析与实验结果吻合良好，确凿证明了光控氯离子在受体与折叠体之间的往复转位，并由此实现了对螺旋折叠的间接控制。

本研究成功演示了氯离子在光响应杯[4]吡咯受体与手性芳基三唑折叠体之间的光控可逆转位。该折叠体在阴离子诱导下发生螺旋折叠，其手性末端决定了螺旋的方向偏好，其结合亲和力恰好介于光受体E-型和Z-型之间，从而满足了通过阴离子信使实现两者间通讯的热力学条件。最终，光信号被转化为化学信使（Cl^-）的释放与摄取，进而触发螺旋折叠与去折叠，其变化可通过圆二色性(CD)方便地检测。这项工作模拟了生物信号转导（如视觉光转导）中的初步步骤，首次在人工系统中实现了通过信号处理来控制分子折叠。它不仅为理解生命系统中的分子通讯机制提供了一个简化模型，更重要的是，为构建更复杂的化学网络奠定了基础。未来，通过将催化基团引入折叠体，或将响应组件嵌入双层膜，可以更接近地模拟真实的生物过程。这项研究有望推动开发能够接收、传输和响应外部光信号的多组分（超）分子系统，最终助力于具有信息处理能力、可表现出自主和智能行为的智能材料与神经形态计算器件的创造。