基于螺旋与线型分子主客体相互作用的分子机器

纳米生物分子机器广泛地存在于生物体的重要生理过程中，并发挥重要作用。如何通过化学自组装方法来构筑分子机器，并研究其独特的作用和功能是生物学、化学、物理学和超分子化学等交叉领域中一个十分富有挑战性的研究课题。

在国家自然科学基金委和中国科学院支持下，化学研究所光化学院重点实验室江华研究员领导的课题组与欧洲化学生物学研究所（法国）Ivan Huc教授合作，在人工合成分子机器研究中取得重要进展，通过动态组装构建了基于螺旋与线型分子主客体相互作用的分子机器，并在分子水平上实现对其运动的调控。这一研究结果发表在3月4日的《科学》杂志(Science, 2011,331(6021),1172-1175)上。

在前期研究中，该课题组设计合成了喹啉螺旋基元及其低聚物，并发现喹啉酰胺低聚物通过分子内氢键自组装形成单螺旋、双螺旋和四束螺旋超分子聚集体结构，晶体结构揭示这些螺旋折叠体具有一个纳米螺旋空腔。在此基础上，研究人员螺旋空腔两端引入不同的螺旋基元分别构筑了具有封闭空腔的单螺旋和双螺旋分子胶囊，该螺旋分子胶囊与不同链长的烷基二元醇形成主客体超分子络合物。相关研究结果分别发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 1715;Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 4153 (DOI:10.1038/ nchem.9)；Chem. Eur. J. 2009, 15, 11530；ChemComm. 2010, 46 (2), 297。这些成果为设计轮烷类分子机器奠定了坚实的基础。

在经典的轮烷分子机器中，环状分子必须通过不可逆的方式固定在线型客体分子上，因此在合成这类分子机器时面临很大困难和挑战。为了突破这些制约，研究人员采用了动态自组装方法使螺旋分子很慢地缠绕到线型客体分子上，一旦形成螺旋-线型分子主客体络合物后，螺旋分子就能够在线型分子上快速运动而不发生离解。在主客体络合物形成过程中螺旋分子发生解折叠和再折叠，同时螺旋分子的长度必须和线型分子的络合点严格匹配，但是不要求二者间的不可逆固定，这是与经典的轮烷分子机器的显著不同，也是合成该类分子机器的最大优势。研究人员利用质子化和去质子化，实现了对螺旋分子运动的调控。

该研究工作所建立的模块设计和动态组装方法为设计新型多位点控制的超分子自组装体系开辟了新途径。

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