生物聚合物，如蛋白质和核酸，由于编码到其单体序列的特定分子间和分子内相互作用，以高保真度组装成其天然结构。这种精确的结构控制使得生物聚合物具有不同的性质，使它们能够完成广泛的生物学功能，尽管它们仅由几种类型的单体(20个氨基酸或4个核碱基)组成。从天然生物聚合物，特别是核酸中获得的灵感，聚合物化学家将注意力集中在利用单体序列来控制结构和材料性质。为此，研究人员利用两个蛋白质或蛋白质-肽对之间的特定相互作用来实现纳米和微观材料的分子自组装。核酸也被用于生产纳米材料，但比使用肽或蛋白质基序生产的材料具有更高水平的分子分辨率。核酸由于其碱基对特异性，可以精确组装成纳米级的结构。然而，这些自然识别基序具有关键的局限性，因此必须生产用于材料科学应用的合成配体。

基于此，美国康奈尔大学Christopher A. Alabi教授讨论了产生不同长度、强度和结合模式的序列定义的双链形成寡聚物的合成平台，并强调了几种用于表征其杂交的分析技术。相关综述以“Synthetically encoded complementary oligomers”为题发表在《Nature Reviews Chemistry》。

图1. 低聚物杂交检测和结合亲和力测定的分析技术

核磁共振(NMR)滴定

通过核磁共振来测量Ka方法是滴定化合物及其结合伙伴，并跟踪杂交引起的结合位点原子化学位移的变化。当结合伴侣是互补分子时，这个实验被称为NMR滴定(图1a)。如果化合物是自互补的，则滴定剂是纯溶剂，该实验称为NMR稀释(图1b)。由此产生的化学位移与浓度的数据被拟合到一个结合模型来计算Ka。在大多数情况下，1H-NMR用于检测结合。质子信号的检测极限使1H-NMR最适合测量小于106 M-1的Ka值。研究人员也使用31P-NMR和11B-NMR来测量含有这些原子的低聚物的Ka值。

图2. 由氢键组装的分子双链，序列定义的低聚物

肽核酸和类肽

肽核酸(PNAs)是一种非自然序列定义的平台，具有一系列氢键供体和受体，通过将核碱基与不带电荷的非手性N-(氨基乙基)甘氨酸骨架结合而合成 (图2a)。与DNA相比，除了提高了在有机相中的溶解度外，手性中心的缺失简化了PNA的组装。此外，它们的中性骨架消除了静电斥力，使PNAs形成比其DNA对偶更强的双链。然而，PNAs的大规模合成非常昂贵，这阻碍了它们在材料科学中的广泛应用。肽类(图2a)是由n取代的甘氨酸残基衍生的另一类序列定义的寡聚物。由于侧链与氮而不是与α-碳相连，因此这些聚合物具有抗蛋白水解的能力，而由于没有骨架氢键供体和手性中心，因此可以通过分子间侧链相互作用控制肽类的自组装。肽类比PNAs便宜得多，便于其在材料科学中的应用。虽然已经合成了自组装的肽段，但它们的组装通常是由疏水相互作用指导。H键定向肽类组装的例子相对较少，这凸显了一个新兴领域的早期阶段，即通过链间定向H键组装的、与材料科学相关的、由序列定义的低聚物。

图3. 由金属离子和配位配体(螺旋)形成的螺旋双构体

配位键互补低聚物

螺旋是缠绕在一维金属阳离子阵列上的多齿配体。Lehn及其同事提出了从寡联吡啶配体合成双螺旋化合物的一般策略。通过使用有利于四面体几何形状的金属离子(如Cu I和AgI)，以及通过连接吡啶基团与桥接部分(将配位位点与同一链上的其他结合位点分离)，这些配体的组装偏向于双螺旋结构。组装的晶体结构证实了双螺旋结构。在随后的工作中，Pfeil和Lehn表明，寡联吡啶3-聚体与四配位铜(I)阳离子的组装是通过协同机制进行的(图3a)。然而，计算的逐步稳定常数的大小表明，链重排率是缓慢的，并可能导致动力学捕获结构。Krämer等合成了较长的联吡啶配体(多达5个联吡啶单位)，并证明它们也选择性地自缔合成螺旋状(图3a) 1H-NMR和质谱分析表明，长度互补的配体在不同长度的低聚物混合物中形成双螺旋，平衡时间取决于配体的取代基。

图4. 来自具有动态共价识别位点编码的序列定义的低聚物的分子双链

动态共价键定向组装体

研究人员利用动态共价键指导寡聚体的组装，并避免了非共价相互作用的不稳定性。然而，这些相互作用受制于缓慢的重排速率，这可以允许动力学捕获并阻止重排进入它们的热力学结构。动态共价化学是几篇优秀综述的重点。动态共价化学使用在不同条件下具有不同亲和力的可逆键(例如，pH，温度和光)(图4)，这可以使系统偏向于期望的状态。到目前为止，亚胺，硼酸酯和Diels-Alder环加成化学已经被用于指导序列定义的配体的组装。

【小结】

用相互作用的基序预先编程的序列定义的低聚物已被证明是构建离散体系结构的有前景的组件。这些低聚物的组装是由氢键和配位键等非共价相互作用以及包括亚胺、硼酸酯和Diels-Alder加合物在内的动态共价键指导的。这样的相互作用使平衡成为一种热力学结构，通过允许组件对竞争能态进行采样。虽然这些低聚物不接近蛋白质和核酸的复杂性和功能性，但它们作为分子识别单元，用于合成材料科学应用中的复杂分子结构。

https://www.nature.com/articles/s41570-023-00556-0

来源：BioMed科技
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