手性金属-有机分子笼作为仿生通道实现对氨基酸的对映选择性传输

天然的分子/离子通道（或载体），例如水通道蛋白（aquaporins），是一种具有独特结构的生物大分子，能够高效地跨膜传输水分子或离子。这种行为在生物学上是比较常见的，但是想要通过人工合成的方法来模拟生物通道所具有的高活性特征是比较困难的。特别是生物分子（如：氨基酸和葡萄糖）的对映选择性跨膜运输，对于化学家和自然系统来说都是一个特别具有挑战性的问题。因此，通过合理的设计合成一类具有特定传输活性和对映选择性的通道和载体，对我们更好地了解生物通道在生命活动中所起到的作用具有重大的意义。

图1. 手性金属-有机分子笼作为仿生氨基酸通道示意图

近日，上海交通大学刘燕教授（点击查看介绍）团队设计合成了一系列具有手性空腔微环境的金属-有机分子笼作为仿生通道，实现了对氨基酸的对映选择性跨膜传输。

分子笼作为分子/离子通道应当满足以下几个条件：（1）分子笼的空腔内部应含有一定数量的结合位点，可与分子或离子在传输过程中发生作用；（2）分子笼自身应具有良好的生物兼容性，以便高效插入磷脂双分子层中；（3）分子笼需具有开放的窗口使得分子可以自由进入；（4）分子笼还需具备高稳定性，以保证在传输过程中不会分解从而导致其失效。为了满足以上几点要求，作者通过配位驱动自组装的方法，以手性联萘酚骨架的双齿羧酸为配体，三核锆簇为顶点，通过溶剂热的方法合成了一系列具有不同手性空腔微环境的手性金属-有机四面体分子笼。

图2. 手性金属-有机分子笼的合成图

通过在手性配体上修饰具有不同种类的极性基团，从而实现对分子笼空腔内部功能基团的预组织化。使用含有烷基侧链的三核锆簇为顶点，不仅满足了对分子笼稳定性的需求，而且可以使分子笼具有良好的生物兼容性。分子笼的结构和组成通过单晶，NMR和ESI-MS进行了确认，而且从配体组装到分子笼，出现了手性放大的效应。

图3. 手性金属-有机分子笼对氨基酸的对映选择性传输

作者进一步将分子笼应用到氨基酸的对映选择性传输。研究发现空腔内部含有羟基和冠醚的分子笼可以对含有极性侧链的Asn、Gln和Arg进行传输，而含有乙氧基的分子笼则没有传输效果。这可能是由于分子笼内部的活性位点对氨基酸的传输具有很大的影响。而且，分子笼1和2 在传输过程中对不同构型的氨基酸具有一定的对映选择性。例如，分子笼1更倾向于传输L构型的Asn和Gln，而分子笼2更倾向于传输D构型的Arg。后期的理论计算研究表明，氨基酸在传输过程中的对映选择性源自于手性分子笼与不同构型氨基酸之间结合能力的差异。

综上，该团队将手性空腔微环境可调的金属-有机分子笼作为仿生通道，并应用于氨基酸的对映选择性跨膜传输，对后续开发具有高活性和高选择性的分子/离子通道具有一定的借鉴意义。这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。文章第一作者为上海交通大学博士研究生李颖果，通讯作者为上海交通大学刘燕教授。

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Artificial Biomolecular Channels: Enantioselective Transmembrane Transport of Amino Acids Mediated by Homochiral Zirconium Metal–Organic Cages

Yingguo Li, Jinqiao Dong, Wei Gong, Xianhui Tang, Yuhao Liu, Yong Cui, and Yan Liu*

J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c09992

导师介绍

刘燕

https://www.x-mol.com/university/faculty/12642