金屬離子誘導的G-四鏈體凝膠體系的基本性質研究

楊金龍

中國科學技術大學化學與材料科學學院，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，常被應用在生物醫藥等領域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-四鏈體結構，該結構的穩定與端粒酶的活性有關，具有非常重要的生物學意義2。此外，小分子鳥嘌呤也可以通過超分子自組裝形成G-四鏈體結構。該結構具有結構有序和性質可調控的特點，可作為模板用于功能材料的制備，應用于組織工程等領域3。因此，對于G-四鏈體結構的深入理解，在生物學和超分子化學領域都具有重要意義。

鳥嘌呤分子含有豐富的氫鍵結合位點，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構。G-四鏈體是一種由G-四分體π–π堆積而成的柱狀結構，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構。由于相鄰兩層之間存在一定的旋轉角度，因此堆積形成的G-四鏈體結構具有超分子手性4。G-四鏈體結構常常用作模板構筑功能材料，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-四鏈體結構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作用6。金屬離子的離子半徑和價態決定了其誘導作用的強弱。研究表明，G-四鏈體的離子通道內可以容納離子半徑在0.13–0.15 nm范圍內的金屬離子7；對于離子半徑相近、價態不同的離子，價態較高的金屬離子誘導形成G-四連體的能力更強。金屬離子的離子價態還決定了它們在G-四鏈體離子通道中的排布方式8。目前，已經有很多關于G-四鏈體結構方面的研究，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-四鏈體結構，山東大學郝京誠課題組與蘇黎世聯邦理工學院Raffaele Mezzenga課題組合作，對G-四鏈體結構在多個尺度上進行了系統的探究10,11。研究發現，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性。二者都和高價態的金屬離子與硼酸鹽的離子橋聯作用有關：當G-四鏈體的離子通道被多價態的金屬離子飽和后，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合，則會引起纖維之間的物理交聯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。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則的扭曲纖維。利用FiberApp軟件對纖維形貌進行統計學分析，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。研究發現，在一價K+的誘導下(此時纖維之間不發生物理交聯)，在一定的濃度范圍內，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排布，具有負的錨固強度。這一結構區別于蛋白質、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構進行了合理解釋。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和應用具有潛在意義。這也使得G-四鏈體成為軟物質領域中的一類重要構筑基元。

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-四鏈體結構的理解，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。