on style="white-space: normal; line-height: 1.75em; box-sizing: border-box;">生物金属有机框架，仿生模型，DNA-蛋白质相互作用，自适应性识别。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c03326 核酸是生物遗传物质的载体，在生物多样性过程中起着至关重要的作用。DNA-蛋白质之间的非共价特异性依赖于碱基对之间的氢键和疏水相互作用以及对全局和局部形状的识别。如蛋白质中的精氨酸就是通过氢键作用在RNA的沟槽上进行识别。受大自然启示，研究人员力图开发各种分子材料，创建新的模型以模仿自然的结合特性。近年来，金属有机框架（MOF）的表面改性和生物金属有机框架（BioMOF）的原位合成极大地扩展了MOF的功能。例如, 基于腺嘌呤的BioMOF保留了Watson-Crick活性位点，可作为反应容器模拟DNA中的A-T碱基配对（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 10454-10459），或者装载单链DNA模拟互补链的形成及解链（Nat. Commun. 2018, 9, 1293），也可以模拟甲醛致DNA-蛋白质交联（Chem. Sci. 2022, 13, 4813-4820; Mater. Chem. Front. 2021, 5, 2416-2424）。通过生物分子配体合成BioMOF在生物特征识别方面具有先天的优势。一般来说，DNA序列的特异性识别主要发生在大沟和小沟上。由于碱基对占据了Watson-Crick位点，设计具有类似沟槽结构的BioMOF来模拟DNA的识别具有重要意义。暨南大学李丹教授/韩山师范学院才红教授，以tRNA反密码子中重要的生物碱次黄嘌呤和1,3,5-苯三羧酸为配体与金属锌离子，成功地合成了一例新型的BioMOF (记为ZnBTCHx)。ZnBTCHx具有类似于DNA的周期性沟槽结构，可作为特异性选择识别色氨酸的活性位点。结合通过等温滴定量热法（isothermal titration calorimetry，ITC）、X射线单晶衍射分析和分子动力学模拟，表明ZnBTCHx可以通过两种不同的热力学途径自发捕获L和D型色氨酸：L型色氨酸的吸附是焓驱动主导的，吸附D型色氨酸是熵驱动为主。生命是一个非平衡的开放系统，需要不断地从环境中吸收负熵来抵消自身熵的增加，该BioMOF可作为分子模型，从化学角度解释为什么自然界中的生物偏爱L构型分子而不是D构型分子。本研究为生物体系中分子识别模型的构建和药物靶点的设计提供了新的思路，也为药物设计、仿生催化和尖端生物医学开辟新研究方向。▲图1 ZnBTCHx框架的一维通道以及ZnBTCHx与DNA的大沟小沟结构对比。
单晶x-射线衍射分析表明，ZnBTCHx包含两种不同形状的一维通道，一种是直径约为9.0 Å的管形通道，一种为窗口尺寸约为7.4´9.5 Å的矩形通道，结构中平行的苯环之间的距离分别为5.96 Å和3.77 Å，类似于DNA双螺旋结构中交替存在的大沟和小沟。未配位的氧原子朝向沟槽，为沟槽表面提供了丰富的超分子活性位点。▲图2 ZnBTCHx对20种常见的L型氨基酸的荧光响应及对色氨酸的荧光滴定光谱
基于ZnBTCHx的荧光特性和优异的水解稳定性，系统地选择了20个组成蛋白质的L型氨基酸进行荧光响应识别实验，发现ZnBTCHx对L型色氨酸具有明显的荧光增强效应。在相同条件下，ZnBTCHx'对D型色氨酸的荧光响应与L-色氨酸的荧光响应几乎相同，因为L和D型色氨酸除了立体化学构型外，其理化性质没有显著差异。值得注意的是，在吸附实验过程中发现浸泡D型色氨酸几天之后，ZnBTCHx呈现出肉眼可见的明显肿胀，而浸泡L型色氨酸的没有显示明显变化。推测这种差异可能与主体框架对两种构型的色氨酸的吸附能力有关。1H-NMR测试的结果证实了每个晶胞中吸附的D构型比L构型含量多。▲图3用L和D型色氨酸滴定ZnBTCHx的ITC热谱图
利用等温滴定量热法（isothermal titration calorimetry，ITC）进行主客体化学研究，发现L型色氨酸通过有利的放热途径与ZnBTCHx进行主客体相互作用，自发过程主要是由焓驱动。D型色氨酸的ITC实验在相同的条件下进行，其自发过程主要是由熵效应引起。▲图4 (a)浸泡L和D色氨酸后ZnBTCHx晶体结构以及局部发生自适应性的变化。
单晶结构表明，L和D型色氨酸的大小和形状与ZnBTCHx匹配，紧贴在大沟槽中，氨基酸侧链嵌入小沟槽，框架中平行苯环之间的距离分别从约5.96 Å增大到6.5 Å和6.20 Å，并引起主体框架局部形状自适应性的改变。与D型色氨酸相比，L型色氨酸的形状和取向与BioMOF大小沟槽的匹配性更好。L型色氨酸的吲哚基团与BTC配体平行排列，形成明显的π -π相互作用，而D型色氨酸的吲哚基团与BTC距离较远。封装色氨酸的晶体结构给出了主客体特异性识别过程中关键的分子相互作用信息。▲图5 L和D型色氨酸在ZnBTCHx中扩散过程的三张代表性MD快照。
L和D型色氨酸与主体框架之间相互作用力不同可能会影响吸附的动力学的不同。通过分子动力学（MD）、几何优化和密度泛函理论（DFT）进行了研究。利用MD模拟扩散过程，采用GFN-FF方法粗略定位客体位置和构象，模拟结果表明主体框架的大小沟对色氨酸的扩散及结合行为影响很大，两个D型色氨酸比L型色氨酸排列更紧密，扩散速率更慢；而且通过DFT计算得到L型色氨酸比D型色氨酸的结合能大，这与前面的实验结论一致。在此基础上作者尝试进行了分离L和D型色氨酸的实验。通过手性高效液相色谱法检测混合L和D型色氨酸的吸附实验，发现ZnBTCHx优先吸附L-色氨酸。生命是一个非平衡的开放系统，需要不断地从环境中吸收负熵来抵消自身熵的增加。因此，以熵增加驱动为主的D型色氨酸通过熵补偿来降低焓变，在生命体系中是不受欢迎的。本文合成了一例具有周期性大小沟槽的结构的生物金属有机框架，ZnBTCHx，可作为仿生模型模拟DNA特异性识别色氨酸。ZnBTCHx通过两种不同的热力学途径自发捕获L和D型色氨酸。L型色氨酸的吸附是焓驱动主导的，吸附D型色氨酸是熵驱动为主。生命是一个非平衡的开放系统，需要不断地从环境中吸收负熵来抵消自身熵的增加，从化学角度解释为什么自然界中的生物偏爱L构型分子而不是D构型分子。本研究从生物化学角度为MOF主体框架的设计提供了参考，为构建模拟天然结合特性的仿生模型提供了独特的平台，对药物化学和生物医学领域具有重要意义。该研究工作第一和通讯作者为韩山师范学院才红教授；暨南大学李丹教授为论文共同通讯作者；韩山师范学院X-射线单晶衍射仪实验室为数据收集提供了大力支持。感谢国家自然科学基金（21731002， 21975104，22150004，21701038）和广东省自然科学基金（2019A1515011974，2019B030302009，2021B1212040015）、广东省教育厅项目（2021ZDZX2065）的资助。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c03326
