《JACS》成对和堆积杂环的水溶性超分子聚合物水凝胶：组装、结构、性质和前 RNA 的可能途径

摘要

RNA 和 DNA 是化学和生物进化的产物的假设促使我们寻找替代核酸，这些核酸可能在生命出现的早期出现——具有共价和非共价自组装倾向的聚合物，RNA 没有表现出来. 佐治亚理工学院 Nicholas V. Hud 教授 团队 的研究揭示了一小组候选的祖先核碱基，它们自组装成六聚体玫瑰花结，在水中堆积形成长的、扭曲的、刚性的超分子聚合物。这些结构表现出的特性为阻碍寻找益生元核酸合成的长期存在的问题提供了强有力的解决方案。

此外，他们通过实验和计算方法的检查提供了对控制特定类别的水溶性一维超分子聚合物的化学和物理原理的深入了解。除了有效的自组装外，它们的长度和多分散性还受到各种带正电的平面化合物的调节； 它们的组装和拆卸控制在极窄的 pH 范围内；它们表现出对称性的自发破坏；在水凝胶形成过程中，通过非共价交联出现同手性 。这些候选祖先核碱基中的一些自发地与核糖和其他糖类形成糖苷键，最重要的是，这些杂环的官能化形式在合理的益生元条件下形成超分子结构和共价聚合物。这个视角讲述了一段发现之旅，它继续为有关生命起源的问题提供有吸引力的答案，并揭示控制水溶性超分子聚合物结构和性质的原理。相关论文以题为 Water-Soluble Supramolecular Polymers of Paired and Stacked Heterocycles: Assembly, Structure, Properties, and a Possible Path to Pre-RNA 发表在《 J. Am. Chem. Soc. 》上。

主图

图 1. (A) 由六个氢键单体形成的六联体玫瑰花结的化学结构，以及这些六联体堆叠形成超分子聚合物时的示意图。(B) TAPAS 和氰尿酸 (Cy) 自组装超分子聚合物的 AFM 地形图像和 (C) TEM 显微照片。(D) 图中显示并在文本中讨论的氮杂环碱基及其衍生物的结构。

水中杂环的自组装——原核碱基的定向搜索

图 2. 在水中自组装成超分子聚合物的选定分子的化学结构： (A) G-四联体，(B) TAPAS-Cy 六联体，(C) 双环 Janus 型 G/C 单体，(50) (D) ) 三环 Janus 型 G/C 单体，(E) 三聚氰胺和三个修饰的胸腺嘧啶核碱基的四联体，(F) 双官能化脲基三嗪单元，由六碳间隔基与手性环氧乙烷侧链连接，(G) NDPA（萘二亚胺末端 - 用锌配位的二吡啶乙二胺受体基序功能化），（H）PMI-CA（用六碳羧酸修饰的苝酰亚胺），和（I）Watson-Crick GC碱基对，它不会在水 中作为自由自组装 单体，但显示为大小比较。

图 3. 团队 认为包含祖 始 RNA 聚合物或原始 RNA 的合理候选原始核碱基的化学空间和选择标准。 现存的 RNA 核碱基、腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶的特征被用来定义和限制这个化学空间的范围。所有可能的嘌呤（结构 1-27）和所有可能的具有环外 -H、=O 或 -NH2 基团的嘧啶（结构 28-81）都存在。底行（结构 82-91）是具有这些环外基团的 1,3,5-三嗪。为简单起见，省略存在的不同互变异构体或氧化态。预期与现有核碱基配对向前兼容的杂环以黑色显示。当杂环作为核苷掺入时，不能与至少两个 H 键与现存的核碱基形成沃森 -克里克样碱基对（即，对于信息传递不前向兼容）以浅灰色显示。杂环被证明与该图表中至少一个其他杂环组装在一起，因为水中的单体被虚线框包围。显示与糖形成核苷的杂环用黑色框起来。在陨石或模型益生元反应中识别的杂环用洋红色框。杂环显示具有良好的光稳定性或在 210 nm 以上没有紫外线吸收，被认为是益生元生存能力的一个重要参数，用蓝色框起来。为清楚起见，方框指示的信息不适用于浅灰色显示的杂环。

水溶性 TAPAS-Cy 和 TAP-CyCo6 Hexad Rosette 组件的性质

TAPAS-Cy 和 TAP-CyCo6 六聚体组装满足在水中形成超分子聚合物的先决条件：它们的单体单元是水溶性的，它们可以通过互补氢键自发组装成具有近 2 nm ² 疏水表面积的玫瑰花结。通过实验，观察到 TAPAS 与 Cy 或 TAP 与 CyCo6 的水性缓冲溶液 (pH 7) 在特征 MAC 之上形成稳定的水凝胶，这表明超分子聚合物的形成。

TAP-CyCo6 和 TAP-4MeCyCo6 超分子聚合物的 X 射线纤维衍射结构

图 4. (A) 由比例为 1:1 的 TAP 和 CyCo6 组成的纤维的 X 射线衍射图。纤维的取向相对于衍射图是垂直的。位于层线 8 处的强反射距赤道的倒数距离为 3.4 Å ，表示沿纤维轴堆叠的玫瑰花结。(B) TAP-CyCo6 六联体的化学结构，说明结构的三重旋转对称性。（C-E）TAP-CyCo6 组件的理想化模型的三个视图，基于每个玫瑰花结 -15°的螺旋扭曲和通过分析 A 中所示的纤维衍射图案确定的其他结构特征。（F）特写镜头 来自 C-E 所示模型结构的两个相邻玫瑰花结的己酸尾部 。

TAP-CyCo6 超分子聚合物的量子力学 (QM) 和分子动力学 (MD) 计算

示意图 1. 超分子组件中堆叠玫瑰花结六面体的螺旋参数定义 。

控制聚合物长度和多分散性

图 5. (A–C) 来自每个单体中 30 mM 样品的 TAP-CyCo6 超分子聚合物的 AFM 图像。基于 15 mM 的最小组装浓度，该样品具有 5 mM 组装的 TAP-CyCo6 六联体：分别添加 (A) 0.008、(B) 0.015 和 (C) 0.062 mM TMPyP。插图显示了沿着主面板中指示的蓝线测量的高度。(D) TAP-CyCo6 聚合物长度在 TMPyP（结构显示为插图）与六联体的各种比率下的相关性的直方图。

图 6. (A) 由成对的酸滴定单体和碱滴定单体形成的 超分子聚合物 的双向 pH 控制组装和拆卸图示，这些单体在净电荷为零时组装。该模型很好地代表了 TAP-CyCo6/CyCo4系统的 pH 驱动组装和拆卸。(B) 基于 1H NMR 光谱中未组装的 CyCo6 单体的表观量作为 pH 的函数（在 1:1 TAP 中：CyCo6 溶液）（蓝色）和 CyCo4+CyCo6（在 1:0.33:0.67 TAP:CyCo4:CyCo6 溶液中）（红色）。控制 pKa 匹配系统的超分子组装作为 pH 函数的理论极限显示为绿色实线。

手性和非手性单体的自发和诱导对称性破坏

图 7. (A) TAP-CyCo6 样品（每个单体 30 mM）在 5 至 40 °C 温度范围内获得的圆二色性 (CD) 光谱。(B) 40 个独立制备的含有 TAP 和 CyCo6（每个单体中 30 mM）的样品的 CD 光谱，在 20 °C 下获得。(C) TAP-CyCo6 凝胶的二维 CD 图像限制在相隔 0.01 毫米的石英板之间。图像是通过光栅扫描分光偏振计路径中的样品比色皿获得的，光束已被虹膜限制为 0.8 毫米的横截面直径。(D, E) SEM 图像显示在两个不同成像位置的单个 TAP-CyCo6 组件样本中堆叠的六联体螺旋束。

参考文献 ：

doi.org/10.1021/jacs.0c13081

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