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研究背景

碳水化合物識(shí)別是通過非共價(jià)分子間和分子內(nèi)相互作用實(shí)現(xiàn)碳水化合物與受體（包括蛋白質(zhì)或其他碳水化合物）的結(jié)合，因其在細(xì)胞通訊、粘附、信號(hào)傳導(dǎo)及免疫響應(yīng)等基本生物功能中的關(guān)鍵作用，成為了研究熱點(diǎn)。然而，實(shí)現(xiàn)對(duì)無電荷、親水性碳水化合物分子的高效、精準(zhǔn)識(shí)別，特別是在水溶液中的選擇性識(shí)別仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)研究已開發(fā)出多種碳水化合物受體，如非環(huán)受體、大環(huán)分子及折疊體，但其在結(jié)合能力和選擇性方面存在局限性。

成果簡(jiǎn)介

有鑒于此，中山大學(xué)譚余副教授團(tuán)隊(duì)在Nature Reviews Chemistry期刊上發(fā)表了題為“Synthetic molecular cage receptors for carbohydrate recognition”的最新論文?？茖W(xué)家們提出通過合成分子籠實(shí)現(xiàn)碳水化合物的精準(zhǔn)識(shí)別。這些分子籠通過精心設(shè)計(jì)的結(jié)合空腔和多樣化的非共價(jià)結(jié)合位點(diǎn)，利用多價(jià)性和協(xié)同作用，展現(xiàn)出卓越的識(shí)別能力和高選擇性。研究發(fā)現(xiàn)，分子籠的結(jié)構(gòu)特性如空腔尺寸、結(jié)合位點(diǎn)的分布以及功能化修飾，能夠顯著優(yōu)化碳水化合物的結(jié)合性能，并拓展其在分子機(jī)器、催化、藥物傳遞等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。綜述指出，這些分子籠在碳水化合物識(shí)別及相關(guān)生物過程研究中展示出廣闊的前景，為今后設(shè)計(jì)高效分子識(shí)別體系提供了新思路。

作者僅3人！中山大學(xué)，新發(fā)Nature Reviews Chemistry！

譚余，中山大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院副教授。2011年、2016年在復(fù)旦大學(xué)獲得學(xué)士（導(dǎo)師：孫興文教授）和博士（導(dǎo)師：林國(guó)強(qiáng)院士）學(xué)位，2016-2020年先后在美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院（合作導(dǎo)師：Prof. Jie Song）和美國(guó)西北大學(xué)（合作導(dǎo)師：2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Prof. Sir Fraser Stoddart）從事博士后研究，2020年加入中山大學(xué)。譚余副教授主要從事超分子化學(xué)和新型水凝膠在海洋化工中的應(yīng)用研究。

研究亮點(diǎn)

(1) 本文綜述了分子籠受體在碳水化合物識(shí)別中的最新設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)展。研究表明，分子籠通過精心設(shè)計(jì)的空腔結(jié)構(gòu)及非共價(jià)結(jié)合位點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)碳水化合物的高親和力和高選擇性識(shí)別。相比傳統(tǒng)的非環(huán)受體、大環(huán)分子和折疊體，分子籠受體因其獨(dú)特的多價(jià)性和協(xié)同性展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。研究還系統(tǒng)分析了不同類型分子籠（如共價(jià)有機(jī)籠、配位籠）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在碳水化合物識(shí)別中的作用機(jī)制。

(2) 研究通過以下幾個(gè)方面展開，得到了相關(guān)結(jié)論：

結(jié)合機(jī)制：實(shí)驗(yàn)揭示了分子籠的結(jié)合機(jī)制主要依賴于氫鍵、靜電作用、CH···π相互作用以及疏水效應(yīng)，且通過結(jié)合位點(diǎn)的多樣性與精確布局，顯著增強(qiáng)了對(duì)碳水化合物的識(shí)別能力。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化：通過調(diào)控分子籠的空腔尺寸和功能基團(tuán)，研究表明可進(jìn)一步提升對(duì)不同類型碳水化合物分子的適配性和選擇性。

應(yīng)用前景：分子籠受體被成功應(yīng)用于碳水化合物的檢測(cè)、病毒-細(xì)胞相互作用的抑制、糖尿病的診斷和治療等領(lǐng)域，顯示了其在生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)傳感器開發(fā)中的廣闊前景。

圖文解讀

圖 1：碳水化合物的結(jié)合機(jī)制。

圖2：中性籠受體和相關(guān)碳水化合物底物的結(jié)構(gòu)

圖 3：水溶性陰離子籠型受體和相關(guān)碳水化合物底物

圖4：基于吡啶鎓的陽離子籠型受體的合成、結(jié)構(gòu)和結(jié)合特性

圖5：根據(jù)不同配位金屬分類的糖類配位籠受體

圖6：非金屬配位保持架的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

結(jié)論展望

本文通過人工分子籠受體的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，為碳水化合物識(shí)別提供了全新的研究思路與技術(shù)路徑。傳統(tǒng)天然凝集素雖具備良好的選擇性，但在功能拓展與合成控制方面存在局限。

相比之下，人工分子籠受體憑借其靈活的合成策略和可調(diào)控的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜體系中的高效碳水化合物識(shí)別，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。尤其是共價(jià)籠與配位籠在結(jié)合位點(diǎn)設(shè)計(jì)、手性調(diào)控及多價(jià)性利用上的突破，顯著提升了受體的結(jié)合能力和選擇性，為生物模擬和反應(yīng)調(diào)控提供了強(qiáng)有力的支持。同時(shí)，研究揭示了通過計(jì)算工具預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)與性能的可能性，為未來開發(fā)更加精準(zhǔn)、高效的受體提供了理論依據(jù)。

此外，籠受體在糖基化反應(yīng)調(diào)控、熒光檢測(cè)及糖尿病管理中的潛在應(yīng)用，體現(xiàn)了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要價(jià)值。這些成果表明，通過合理設(shè)計(jì)人工受體，可在化學(xué)與生命科學(xué)交叉領(lǐng)域催生更多具有實(shí)際應(yīng)用潛力的創(chuàng)新方案。

文獻(xiàn)信息

Wu, B., Tang, R. & Tan, Y. Synthetic molecular cage receptors for carbohydrate recognition. Nat Rev Chem (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/12/16/6f1663aadc/

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