分子机器“生产”不对称催化剂

人们对生命了解越多，就越能发现生命之美。例如体内的蛋白质合成，核糖体以信使RNA（mRNA）为模板，将其携带的遗传信息（碱基排列顺序和长度）翻译成多肽链的结构信息（氨基酸排列顺序和长度），多肽链再经过折叠和修饰成为具有生物学功能的蛋白质。整个过程中，核糖体以低能耗流畅、高效、精密地执行每项任务，信使RNA和转运RNA可重复使用，几乎没有废物产生，堪称完美的分子机器。相比之下，人类合成的分子机器虽然已经赢得了2016年的诺贝尔奖（点击阅读相关），但想要执行如此复杂的任务却极其困难。

轮烷（rotaxane）是一类机械互锁分子，包括一个哑铃状的线性分子轴和轴上套着的大环分子。轮烷的特征之一是大环分子能够在线性分子轴的两端之间来回穿梭，所以也被大家称为“分子梭”。英国曼彻斯特大学的David A. Leigh教授研究团队在构建轮烷类型的分子机器方面颇有建树，他们在2013年就构建了一种基于轮烷分子机器的“人工核糖体”（Science, 2013, 339, 189-193）。与真正核糖体不同的是，这种“人工核糖体”以多肽链为模板。大环分子套在该多肽链上构成轮烷结构，并沿着这条多肽链向下移动，遇到特定的氨基酸基团阻挡时大环上的“反应臂”可将该基团“取下”并连接到大环上，最终可将得到三个氨基酸的短肽分子。

“人工核糖体”示意图。图片来源：Leigh Group ^[1]

这一设计十分精巧，可将多肽链模板上特定的氨基酸顺序信息传递到分子机器合成的产物上，不过其中作为信息源的多肽链模板的合成却非常复杂。为了拓宽基于轮烷分子机器的潜在应用，Leigh教授研究团队认为将这一系统应用于传统聚合物会更加有吸引力。近期，他们在Nature Nanotechnology 上发表了他们的最新成果。这次，他们以更加常见的聚苯乙烯链（带有亮氨酸酯基团）作为模板，所要传递的信息也变成了聚合物链的长度信息。最终，他们使用轮烷分子机器合成了亮氨酸寡聚物，该寡聚物可形成α螺旋的二级结构，催化查耳酮的Juliá-Colonna不对称环氧化反应。

分子机器“生产”不对称催化剂示意图。图片来源：Leigh Group ^[1]

研究团队的设想是从母聚合物传递长度信息到分子机器合成的产物，并构建功能分子。他们以苯乙烯和连接亮氨酸酯的苯乙烯为单体，使用原子转移自由基聚合（atom transfer radical polymerization，ATRP）合成了带有亮氨酸酯基团的聚苯乙烯，所得聚合物的长度范围相对较窄。轮烷上的大环分子可以沿着苯乙烯链运动，遇到亮氨酸酯基团就会停下并与之反应，反应完毕继续运动直到遇到下一个亮氨酸酯基团，如此重复直至从聚合物链上脱出。已有报道表明寡聚亮氨酸形成的α螺旋可以高效地催化查耳酮的Juliá-Colonna不对称环氧化反应，如果大环分子上最终得到的亮氨酸寡聚体能够达到足够长度，完全有可能像其他短肽那样折叠成二级结构，从而执行不对称催化。

分子机器生产不对称催化剂的设计思路。图片来源：Nat. Nanotech.

轮烷分子机器（1）由[2]轮烷（2）与带有亮氨酸基团的苯乙烯聚合物（3）合成而来（下图a）。苯乙烯聚合物（3）的两种单体包括苯乙烯（5，220当量）与带有亮氨酸基团的苯乙烯（6，20当量），在引发剂4存在下发生原子转移自由基聚合（下图b）。这样合成得到的聚合物3上相邻的酯基具有约22 Å的距离，并且具有较窄的分子量分布（M_w/M_n = 1.10），平均分子量为7100 Da（下图c）。

分子机器和合成与组装。图片来源：Nat. Nanotech.

轮烷分子机器1上的氨基酸带有Boc保护基团，没有反应活性，通过脱保护得到具有反应活性的分子机器8。在氘代DMF中，在三乙胺和三苯基膦存在下，分子机器8在65 ℃反应4天，可以生产出寡聚亮氨酸9（下图a）。通过电喷雾质谱研究者发现，得到的寡聚亮氨酸中氨基酸残基数量分布范围为3-12，亮氨酸六聚体最多（下图c）。这与理论计算得到的数据基本吻合（下图b）。另外，作为对照，不使用分子机器合成的寡聚亮氨酸中氨基酸残基数量分布为1-6，呈现很大的差异（下图d）。

分子机器生产寡聚亮氨酸。图片来源：Nat. Nanotech.

然后，作者使用圆二色谱证实分子机器的寡聚亮氨酸产物9形成了α-螺旋结构（下图d，黄色）。而寡聚亮氨酸9在催化呋喃基查耳酮13的环氧化反应中，表现了很高的转化率（93%）和一定的对映选择性（26% ee）（下图c）。作者接着对寡聚亮氨酸9进行优化，通过脱硫反应得到寡聚亮氨酸12（下图a），寡聚亮氨酸12也具有α-螺旋结构（下图d，紫色），但催化活性进一步提高，转化率达到100%，对映选择性达到92% ee。

寡聚亮氨酸产物的二级结构及不对称催化应用。图片来源：Nat. Nanotech.

同期Nature Nanotechnology 还刊登了题为“Things molecules can do”的社论，^[2] 评价这一工作是到目前为止“人造分子机器对核糖体最接近的一次模仿”。的确，Leigh教授团队的分子机器以苯乙烯聚合物为模板合成不对称催化剂，将模板的长度信息传递给了产物；而核糖体能以mRNA为模板合成生物催化剂——酶，并将模板的碱基顺序和长度信息传递给产物。虽然这是人类所能做到的最接近的模仿，但人造分子机器在效率和速度上还有巨大差距。核糖体每秒可以为肽链添加15-20个氨基酸，而本文的人造分子机器花4天的时间才能合成包括6-7个氨基酸的短肽。Leigh教授自己也认为，目前的人造分子机器与生命体中的“原版”相比还很粗糙，不过这毕竟迈出了漫长旅程的前几步，他笑称“生命体已经用了15亿年的时间来完善核糖体，所以，请给我们一些时间。” ^[3]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

An artificial molecular machine that builds an asymmetric catalyst

Guillaume De Bo, Malcolm A. Y. Gall, Sonja Kuschel, Julien De Winter, Pascal Gerbaux & David A. Leigh

Nat. Nanotech., 2018, 13, 381–385, DOI: 10.1038/s41565-018-0105-3

参考资料：

1.http://www.catenane.net/

2.https://www.nature.com/articles/s41565-018-0155-6

3.https://www.chemistryworld.com/news/cyborg-ribosome-reads-polystyrene-message-to-create-catalyst/3008913.article

（本文由叶舞知秋供稿）