華東師大運用鑭系元素成功構築復雜分子結

稀土新聞|華東師大運用鑭系元素成功構築復雜分子結

華東師范大學化學與分子工程學院李大為教授團隊近日在分子拓撲學方面取得突破性進展。據中鎢在線瞭解,該研究成果離不開過渡金屬元素和鑭系元素的使用。研究人員通過二者成功從一條分子鏈打出多種分子結,為構築復雜分子結提供瞭策略,同時也推動瞭分子拓撲學的發展。相關研究成果發表在國際著名學術期刊《自然》(Nature 2020, 584, 562-568.)。

△單一股線構築不同單分子拓撲結構

作為分子拓撲學方向的奠基者和開拓者,李大為教授在構築納米結構的分子結和探索其性質和功能方向做出瞭卓越的貢獻。在此前的研究中,李大為教授團隊已經報導瞭很多利用不同金屬模板的策略構築不同復雜程度的單分子結,但仍然缺乏用一條分子鏈打出多種結的策略。這也就是此次李大為教授研究成果不同於已往研究程度的所在。

受伴侶蛋白(Chaperone)誘導蛋白折疊方式的啟發,李大為教授團隊基於以前的工作,在一條分子鏈上,利用過渡金屬離子和鑭系金屬離子作為正交模板,通過點手性誘導構築瞭具有單一拓撲手性的分子結52。此外,研究人員也利用該分子鏈選擇性地合成大環01(unknot)和三葉結31的兩種拓撲異構體。

研究者發現,分子結的拓撲結構會影響分子鏈的化學性質:較緊的52結可以同時結合兩種不同的金屬離子,而較松散的31異構體隻能結合一個銅(I)離子或一個镥(III)離子。

△分子結52的合成圖片

分子結52的合成由四步制備得到。第一,配體L1與Cu(I)配位高效率地形成兩種金屬絡合物(ΛCu和ΔCu);第二,由於配體中點手性的誘導,隻有其中的一種構型ΛCu絡合物能夠與三價镥離子形成開鏈的分子52結;第三,通過烯烴復分解鎖定開鏈結構得到金屬分子52結;第四,脫去兩種金屬離子制備得到有機分子52結。

此外,分子鏈L1也能夠通過大環化形成分子結01,或利用鑭系金屬離子形成分子三葉結31。質譜證實瞭這三種拓撲異構體具有相同的分子量,CD光譜表明三種拓撲異構體之間僅有微小差異,這表明在不存在金屬離子的情況下,三種拓撲異構體之間不存在優勢構象。然而,這三種拓撲異構體在NMR DOSY譜中顯示出不同的擴散常數,從而從側面證實瞭分子52結的結構。

△無金屬拓撲異構體的合成與表征

與此同時,由於該結構內部存在正交的金屬配位位點,因此在所形成31結結構內,通過添加不同的金屬模板,可以實現結結構的運動,由原先的Cu位點轉移至Lu位點,而這也是首次在單分子結結構中實現結點的運動,為後續研究蛋白結結構運動提供瞭可行性方案。

△分子31結內部結點運動行為

在該工作中,單分子股線構築不同分子結結構在分子層面模擬瞭分子伴侶蛋白的誘導蛋白質折疊過程。而且,這種在DNA和蛋白質分子中存在的分子52結,是首次在實驗室中被制備出來,填補瞭分子結周期表中的重要一環,對研究可以打結的DNA和蛋白質的結構和功能有重要的指導意義。

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