南科大蔣偉課題組在仿生分子識別領域取得多項研究成果

近期，南方科技大學化學系教授蔣偉課題組在「仿生分子識別」及其應用方向取得了多項研究進展。相關成果分別發表於著名學術期刊《中國化學會會刊》（CCS Chemistry）、《自然-通訊》（Nature Communications）、《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）。同時，蔣偉應邀在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）發表了評述文章，課題組還應邀在國際著名化學綜述期刊《化學研究述評》（Accounts of chemical research）和《化學學會評論》（Chemical Society Reviews）上發表綜述文章，系統總結關於「仿生分子識別」的研究理念及進展。

分子識別是生命現象的基礎，在環境科學、材料科學、生物醫藥等領域發揮著重要作用。大環主體是研究分子識別的重要工具。然而，與生物受體相比，已知的大環主體在鍵合強度、識別選擇性、自適應性、客體範圍等方面還有很多不足，嚴重限制了其應用範圍。這或許是因為現有大環主體在結構上相對比較單一，缺乏生物受體的結構特點。自2013年以來，蔣偉課題組通過模擬生物受體的結構特徵，設計合成了一系列具有仿生結構特色的大環主體，解決了分子識別領域的一系列難題，並探索了其在分析傳感、智能材料、分子機器、自組裝等領域的應用。

圖1 手性大環主體的結構模型

手性分子識別是生命功能的基礎，這源於生物受體對手性底物的高選擇性識別。但對於合成受體來說，水相手性識別仍然是一個巨大的挑戰。該課題組通過模擬生物受體的空腔特徵，合成了一對空腔內具有氫鍵位點的手性大環主體（圖1）。該大環主體在水中實現了手性分子的選擇性識別。同時，該大環主體也可用於非手性環境汙染物—二惡烷的光譜檢測和手性化合物ee值的光譜測定。該研究成果發表於中國化學會旗艦期刊CCS Chemistry（CCS Chem. 2020, 2, 440），2019級南科大-新加坡國立大學聯培博士生陳昭、蔣偉課題組博士後柴洪新為論文共同第一作者。

圖2 仿生空腔識別有機分子的圖示

生物受體可以有效地利用非共價鍵作用和疏水效應實現對有機底物的高效選擇性識別（圖2）。相反，大多數合成主體對有機底物的識別選擇性和強度較差。該課題組近期研究發現醯胺萘管能有效地利用疏水作用和氫鍵作用實現對部分有機客體及有機藥物分子的選擇性強鍵合，進而實現了部分水溶性較差的藥物分子的增溶。這一研究在藥物科學領域具有較高的應用潛力。該研究成果被中國化學會旗艦期刊CCS Chemistry接收（CCS Chem. 2020, doi: 10.31635/ccschem.020.202000288），2016級南科大-澳門大學聯培博士生馬延龍為論文第一作者。

圖3 醯胺管芳烴的分子識別動力學機制

生物受體的構象變化是變構效應、信號傳導等眾多生物功能的基礎。具有構象自適應性的大環主體可以作為簡化模型，用於揭示生物分子識別的構象變化機制。在該課題組最近關於醯胺管芳烴的研究中，首次直接觀察到了基於「構象選擇」機理的分子識別行為（圖3），並詳細闡述了「構象選擇」識別機理的熱力學與動力學機制。該研究成果發表於《自然-通訊》（Nat. Commun. 2020, 11, 2740），前沿與交叉科學研究院研究助理教授楊留攀為論文第一作者。

圖4 具有氧化還原性質的萘籠

蔣偉課題組設計合成了柔性的萘基分子籠（naphthocage）。萘籠對有機陽離子表現出了極強的鍵合，最高可達1010 M-1，這顛覆了人們對柔性主體分子識別能力的認識，挑戰了「預組織的結構才能有強鍵合」的傳統觀念。最近，該課題組發現萘籠具有氧化還原性質，可用於電化學控制陽離子的釋放（圖4）。這種特性有望用於製備電化學刺激響應性材料。該研究成果發表於《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 3306），2016級南科大-柏林自由大學聯培博士生賈飛為論文第一作者。

圖5. 部分順式萘基分子管的結構

蔣偉課題組發表在Accounts of Chemical Research上的綜述論文，以「萘基分子管：具有仿生空腔特徵的大環主體」（Naphthotubes: Macrocyclic Hosts with a Biomimetic Cavity Feature）為題，介紹了該課題組近年來在內修飾萘基分子管方面的研究進展（圖5）。論文從內修飾萘基分子管的設計理念、模塊化合成、分子識別以及其在分析傳感、智能材料、分子機器、自組裝等領域的應用等多個方面對這類大環主體進行了歸納總結，並對「內修飾」理念在新型大環主體的設計與應用進行了展望（Acc. Chem. Res. 2020, 53, 198）。楊留攀為論文第一作者。

圖6 具有芳香側壁的構象自適應大環

發表在Chemical Society Reviews上的綜述論文以「具有芳香側壁的構象自適應大環」（Conformationally Adaptive Macrocycles with Flipping Aromatic Slidewalls）為題（圖6），總結了具有芳香側壁的大環主體的構象變化特徵、主客體性質，並展示了其在手性傳感、刺激響應自組裝、分子開關等方面的應用。重點闡述了蔣偉課題組關於管芳烴、萘籠等大環主體的研究進展（Chem. Soc. Rev. 2020, DOI: 10.1039/D0CS00341G），南科大高級研究學者王小平、2016級南科大-柏林自由大學聯培博士生賈飛為論文共同第一作者。

圖7 稜柱芳烴的優化結構模型

此外，該課題組近期還在《德國應用化學》發表了以「稜柱芳烴：一種新興的萘酚基大環芳烴」（Prismarene: An Emerging Naphthol-Based Macrocyclic Arene）為題的評論性文章，對近期發表的新型大環主體（圖7）進行了評論與展望（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, DOI: 10.1002/anie.202003423），楊留攀為論文第一作者。

上述論文中發表在《美國化學會志》的研究成果由南科大與德國柏林自由大學合作完成，發表在CCS Chemistry上關於「藥物分子識別」的研究成果由南科大與澳門大學合作完成，蔣偉均為共同通訊作者；其餘5篇論文，蔣偉均為唯一通訊作者，南科大為唯一通訊單位。

以上研究得到了國家自然科學基金委、廣東省「特支計劃」、深圳市科創委、深圳市「鵬城學者」、廣東省催化化學重點實驗室和深圳市諾貝爾獎科學家實驗室等項目或人才經費的支持以及南方科技大學分析測試中心、科學與工程計算中心的大力支持。