脱氧核糖核酸（DNA）是生物体内携带遗传信息的分子系统，利用其两条螺旋链来转录和放大这些信息。科学家们对开发能够匹配甚至超越 DNA 功能的人工分子系统非常感兴趣。双螺旋折叠体就是这样一种很有前途的分子系统。
新创造的人工双螺旋复合物可折叠成明确的螺旋结构，如蛋白质和核酸中的螺旋。由于其具有手性和构象切换特性，它们作为刺激响应型可切换分子、可调手性材料和协同超分子系统受到广泛关注。
合成的双螺旋单甲基折叠聚合物表现出可控的手性切换，有助于开发用于分子信息处理的新型人工超分子系统。资料来源：东京理科大学 Hidetoshi Kawai
双螺旋折叠体不仅具有更强的手性特性，而且还具有独特的特性，例如可以将手性信息从一条手性链转录到另一条不具有手性特性的手性链上，从而有可能应用于核酸等与复制有关的高阶结构控制领域。然而，由于难以平衡切换所需的动态特性和稳定性，对这类人工分子的手性切换特性进行人工控制仍具有挑战性。虽然过去已开发出各种螺旋分子，但双螺旋分子和超分子的扭转方向逆转却鲜有报道。
双组构单金属叠层化合物的突破性进展
由理学院化学系的 Hidetoshi Kawai 教授领导，包括化学系的 Kotaro Matsumura 在内的日本东京理科大学研究人员组成的研究小组取得了一项突破性进展，开发出了一种新型机械结构--具有可控手性切换功能的双螺旋单金属叠层。Kawai 教授解释说："在这项研究中，我们成功合成了一种双螺旋单核复合物，在螺旋中心桥接了一个金属阳离子，以平衡稳定性和动态特性。通过使用不同溶剂改变两条螺旋线的左右缠绕方向，这些结构可以进行反转切换"。他们的研究发表在2024年7月19日的《美国化学学会杂志》上。
研究人员从两条具有 L 型单元的双吡啶型链合成了双螺旋单金属叠层物，这些叠层物在与锌阳离子形成复合物后形成了双螺旋结构。X 射线晶体学揭示了以金属阳离子为中心的双螺旋结构。研究人员研究了单金属叠层在外界刺激下的可转换性，发现双螺旋形式的螺旋末端可在溶液中展开，形成开放形式，在高温下更受青睐，并在低温下重新折叠为双螺旋形式。
螺旋控制和潜在应用
有趣的是，带有手性链的双螺旋单甲基折叠聚合物的螺旋度可根据非手性溶剂进行控制。例如，在非极性溶剂（甲苯、己烷、Et2O）中，它变成左旋或 M 型，而在路易斯碱性溶剂（丙酮、二甲基亚砜）中，它变成右旋或 P 型。研究发现，引入螺旋链的手性链的构象对这种 M/P 转换非常重要。此外，他们还发现，当带有手性链的螺旋链与不带手性链的螺旋链混合时，螺旋的缠绕方向会传递并放大到不带手性链的非手性链上，螺旋反转能力得以保持。
Matsumura 先生强调了这一新分子的重要意义，他说："我们合成的双螺旋单金属叠层化合物有望应用于新型开关手性材料，通过少量输入就能输出多种手性特性，并可用于开发手性传感器。此外，我们还希望这种新型分子结构能够通过传输和放大其卓越的手性特性，促进自然界中脱轨和有组织的超分子系统的形成。"
这项研究标志着在实现人工可控双螺旋结构方面迈出了重要一步，为新型高阶分子系统和分子信息处理铺平了道路。
编译自/ScitechDaily