楊金龍

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

鳥苷衍生物在不同層次上的自組裝。

核酸是生命體內(nèi)最重要的生物分子之一，具有生物相容性和低毒性等特點，常被應(yīng)用在生物醫(yī)藥等領(lǐng)域1。鳥嘌呤(G)是DNA分子中的四種堿基之一，在人體端粒末端的DNA單鏈上，富含豐富的鳥嘌呤，使其能夠形成G-四鏈體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與端粒酶的活性有關(guān)，具有非常重要的生物學(xué)意義2。此外，小分子鳥嘌呤也可以通過超分子自組裝形成G-四鏈體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)有序和性質(zhì)可調(diào)控的特點，可作為模板用于功能材料的制備，應(yīng)用于組織工程等領(lǐng)域3。因此，對于G-四鏈體結(jié)構(gòu)的深入理解，在生物學(xué)和超分子化學(xué)領(lǐng)域都具有重要意義。

鳥嘌呤分子含有豐富的氫鍵結(jié)合位點，能夠通過超分子自組裝形成G-帶狀和G-四鏈體等多種有序結(jié)構(gòu)。G-四鏈體是一種由G-四分體π–π堆積而成的柱狀結(jié)構(gòu)，G-四分體是指由四個鳥嘌呤分子通過氫鍵連接而成的平面層狀結(jié)構(gòu)。由于相鄰兩層之間存在一定的旋轉(zhuǎn)角度，因此堆積形成的G-四鏈體結(jié)構(gòu)具有超分子手性4。G-四鏈體結(jié)構(gòu)常常用作模板構(gòu)筑功能材料，而G-四分體的堆積方式可能對組裝形成的聚集體的功能特性具有顯著的影響。

G-四鏈體結(jié)構(gòu)的形成條件非常嚴苛，受到多種因素的影響，包括pH、金屬離子和反離子的種類、濃度等5。其中，金屬離子在G-四鏈體的形成過程中起到了極為重要的誘導(dǎo)作用6。金屬離子的離子半徑和價態(tài)決定了其誘導(dǎo)作用的強弱。研究表明，G-四鏈體的離子通道內(nèi)可以容納離子半徑在0.13–0.15 nm范圍內(nèi)的金屬離子7；對于離子半徑相近、價態(tài)不同的離子，價態(tài)較高的金屬離子誘導(dǎo)形成G-四連體的能力更強。金屬離子的離子價態(tài)還決定了它們在G-四鏈體離子通道中的排布方式8。目前，已經(jīng)有很多關(guān)于G-四鏈體結(jié)構(gòu)方面的研究，然而針對G-四分體堆積方式的影響因素的研究仍然很少。在介觀尺度上，盡管已有研究在G-四鏈體體系中觀察到膽甾型溶致液晶和六角相液晶9，但是關(guān)于G-四鏈體體系界面錨定行為的研究還少有報道。

為深入理解G-四鏈體結(jié)構(gòu)，山東大學(xué)郝京誠課題組與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Raffaele Mezzenga課題組合作，對G-四鏈體結(jié)構(gòu)在多個尺度上進行了系統(tǒng)的探究10,11。研究發(fā)現(xiàn)，分子層次上G-四分體的堆積方式和宏觀層次上G-四鏈體凝膠的機械強度都具有顯著的金屬離子相關(guān)性。二者都和高價態(tài)的金屬離子與硼酸鹽的離子橋聯(lián)作用有關(guān)：當(dāng)G-四鏈體的離子通道被多價態(tài)的金屬離子飽和后，過量的金屬離子與相鄰兩層G-四分體上的硼酸鹽結(jié)合，從而限制G-四分體的堆積方式；過量的金屬離子與兩個G-四鏈體纖維上的硼酸鹽結(jié)合，則會引起纖維之間的物理交聯(lián)和凝膠機械強度的增強。在微觀尺度上，G-四鏈體纖維形貌也與金屬離子的種類和濃度有關(guān)。在堆積方式受限的G-四鏈體體系中形成了具有左手手性的規(guī)則的扭曲纖維。利用FiberApp軟件對纖維形貌進行統(tǒng)計學(xué)分析，使我們對G-四鏈體纖維有了更加深入的理解。

在介觀尺度上，該研究探討了G-四鏈體纖維的界面錨定行為。研究發(fā)現(xiàn)，在一價K+的誘導(dǎo)下(此時纖維之間不發(fā)生物理交聯(lián))，在一定的濃度范圍內(nèi)，G-四鏈體纖維能夠形成向列相液晶液滴。其中，纖維以垂直于界面的方式自發(fā)排布，具有負的錨固強度。這一結(jié)構(gòu)區(qū)別于蛋白質(zhì)、纖維素等所形成的液晶纖維膠體，它們通常具有正的錨固強度和平行于界面的取向排布。該研究還通過體系彈性自由能最小化理論模擬對液滴結(jié)構(gòu)進行了合理解釋。G-四鏈體體系界面錨定行為的研究，對液晶光電顯示器的開發(fā)和應(yīng)用具有潛在意義。這也使得G-四鏈體成為軟物質(zhì)領(lǐng)域中的一類重要構(gòu)筑基元。

上述研究工作近期在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上在線發(fā)表10。此項工作不僅闡釋了影響G-四分體堆積方式的因素，而且在多個尺度上完善了我們對G-四鏈體結(jié)構(gòu)的理解，擴展了G-四鏈體纖維體系在液晶相超分子組裝方面的研究。