【JACS】浙大黄飞鹤等团队：分子识别驱动的分子传导器

受天然功能分子体系的启发，过去数十年来，研究人员发展了多种人工分子机器，可在酸碱、电、光以及化学燃料等外部刺激驱动下实现特定功能。相比之下，生物体中还广泛存在另一类基于信号转导过程运行的分子机器：它们通过对信号分子的特异性识别，诱导受体构象发生变化，从而调控下游功能，展现出高效而精密的信息传递能力。然而，现有人工分子机器大多仍依赖外部能量直接驱动，以分子识别作为触发机制的研究相对较少。因此，如何更真实地模拟生物体系中的信号转导过程，设计由分子识别触发的人工分子机器，并进一步实现特定功能，已成为当前人工分子机器领域的重要研究方向（图1a）。

针对这一科学问题，作者将具有互补电子性质的柱[5]芳烃（PA5）与四价阳离子环蕃（Box）通过共价连接，构建了一种分子传导器主体分子[PBox]⁴⁺，并基于U型管搭建了跨相分子运输体系，实现了客体分子的跨相传输及反应调控。

具体而言，由于PA5与Box二者之间存在分子内相互作用，[PBox]⁴⁺在初始状态下呈现自络合构象：PA5部分嵌入Box空腔，占据了原本可用于客体识别的PA5空腔，使[PBox]⁴⁺处于客体结合能力较弱的“休眠态”。核磁共振谱图和单晶X射线衍射分析等多种表征结果共同证实了这一结构特征（图1b）。

图1. 传统分子机器驱动机制概述，以及人工分子传导器的设计、合成与结构表征。

在此基础上，作者进一步利用外源分子识别来实现对[PBox]⁴⁺构象的精准调控。研究表明，芘（S1）和蒽（S2）等富电子多环芳烃可有效与Box部分结合，使其作为“信号分子”进入Box空腔，进而诱导[PBox]⁴⁺发生构象重排。这一过程中，原本嵌入Box空腔的PA5部分被释放出来，其识别空腔随之重新暴露，从而使[PBox]⁴⁺由客体亲和力较弱的“休眠态”切换为能够有效识别客体的“激活态”。

实验证明，在信号分子存在的条件下，[PBox]⁴⁺对1,2,4,5-四氰基苯（G1）、1,4-双(咪唑-1-基)丁烷（G2）、苯乙腈（G3）以及3,6-二苯基-1,2,4,5-四嗪（G4）等多种客体的结合能力均显著增强（图2a）。这表明，在该体系中，对一种分子的识别能够调控对另一种分子的结合行为，从而在人工体系中模拟了生物信号转导的基本工作模式。进一步地，作者利用蒽（S2）的光响应特性，实现了这一信号传导过程的可逆调控。（图2b）。

这种发生在分子尺度上的信号转导，还可进一步转化为跨相分子运输功能。作者利用水溶性的[PBox]⁴⁺和蒽衍生物（S3）为核心，构建了基于U型管的跨相运输体系。在顺浓度梯度运输实验中，体系运行5 h后，接收相中G1和信息素G3的浓度分别达到4.6和15.8 mM。在逆浓度梯度条件下，体系同样能够实现一定程度的有效运输（图2c）。

借助该体系优异的跨相运输能力，作者进一步完成了一类生物正交反应。四嗪类客体G4由输入相跨越水层运输至接收相后，可与接收相中的降冰片烯发生逆Diels–Alder（IEDDA）生物正交反应（图2d）。这一结果表明，信号分子的识别不仅能够诱导主体构象变化、实现客体运输，还能够进一步触发下游化学反应，体现出由分子识别到功能输出的完整信号转导过程。

图2. [PBox]⁴⁺对信号分子和客体的识别、可逆信号传导过程，以及信号调控的顺/逆浓度梯度跨相运输与IEDDA反应。

综上所述，作者通过模块化整合两类具有互补电子性质的超分子大环，构建了一种由分子识别驱动的分子传导器，并进一步建立了基于U型管的跨相分子运输系统。该体系能够在信号分子触发下发生可控构象转变，继而实现客体的结合与释放、跨相运输以及下游化学反应等多级功能输出，展现出类似天然信号转导过程的工作特征，为人工分子机器与复杂功能超分子体系的设计提供了新的策略。

文章详情：https://doi.org/10.1021/jacs.6c12829