Синтезированные двуспиральные монометаллофолдамеры, обладающие контролируемым переключением хиральности, могут привести к разработке новых искусственных супрамолекулярных систем для молекулярной обработки информации. Фото: Хидетоши Каваи из Токийского научного университета
Дезоксирибонуклеиновая кислота или ДНК, молекулярная система, которая несет генетическую информацию живых организмов, может транскрибировать и усиливать информацию, используя свои две спиральные нити. Создание таких искусственных молекулярных систем, которые соответствуют ДНК или превосходят ее по функциональности, представляет большой интерес для ученых. Двойные спиральные фолдамеры являются одной из таких молекулярных систем.
Спиральные фолдамеры представляют собой класс искусственных молекул, которые складываются в четко определенные спиральные структуры, такие как спирали, обнаруженные в белках и нуклеиновых кислотах. Они привлекли значительное внимание как переключаемые молекулы, реагирующие на стимулы, настраиваемые хиральные материалы и кооперативные супрамолекулярные системы из-за их хиральных и конформационных переключающих свойств.
Двойные спиральные фолдамеры демонстрируют не только еще более сильные хиральные свойства, но и уникальные свойства, такие как транскрипция хиральной информации с одной хиральной цепи на другую без хиральных свойств, что открывает потенциальные возможности применения в структурном контроле более высокого порядка, связанном с репликацией, например, нуклеиновых кислот.
Однако искусственный контроль свойств хирального переключения таких искусственных молекул остается сложным из-за трудности в балансировании динамических свойств, необходимых для переключения и стабильности. Хотя в прошлом были разработаны различные спиральные молекулы, изменение направления закручивания в молекулах с двойной спиралью и супрамолекулах редко сообщалось.
В ходе прорыва группа исследователей из Токийского университета естественных наук (Япония) под руководством профессора Хидетоши Каваи с кафедры химии факультета естественных наук, а также г-на Котаро Мацумуры с кафедры химии разработали новый механический мотив, названный двухспиральными монометаллофолдамером с контролируемым хиральным переключением.
Профессор Каваи объясняет: «В этом исследовании нам удалось синтезировать двухспиральный моноядерный комплекс, соединенный мостиком с одним катионом металла в центре спиралей, чтобы сбалансировать как стабильность, так и динамические свойства. Эти структуры могут подвергаться инверсионному переключению путем изменения левого и правого направлений намотки обеих спиральных нитей с использованием различных растворителей».
Их исследование было опубликовано в Журнал Американского химического общества от 19 июля 2024 г.
Синтезированные двухспиральные монометаллофолдамеры содержат катион металла в центре, соединяющий две спиральные цепи, обеспечивая как контролируемое переключение спиральности, так и хиральный перенос и амплификацию. Фото: Хидетоши Каваи из Токийского научного университета
Исследователи синтезировали двуспиральные монометаллофолдамеры из двух нитей бипиридинового типа с L-образными звеньями, которые после образования комплекса с катионом цинка образовали двухспиральные структуры. Рентгеновская кристаллография выявила двуспиральные структуры с катионом металла в центре.
Исследователи изучили переключаемость монометаллофолдамеров в ответ на внешние стимулы и обнаружили, что концы спиралей двойной спирали могут разворачиваться в растворах, образуя открытую форму, благоприятную при высоких температурах, и повторно складываться в двойную спирали, благоприятную при низких температурах.
Интересно, что спиральность двуспирального монометаллофолдамера с хиральными цепями может контролироваться в ответ на ахиральные растворители. Например, в неполярных растворителях (толуол, гексан, Et2O) он становится левосторонним или M-формой, а в основных растворителях Льюиса (ацетон, ДМСО) он становится правосторонним или P-формой. Было обнаружено, что конформация хиральных цепей, введенных в спиральные нити, важна для этого переключения M/P.
Более того, они обнаружили, что когда спиральная нить с хиральными цепями смешивается с нитью без хиральных цепей, направление намотки спирали передается и усиливается в ахиральной нити без хиральных цепей, при этом сохраняется способность к инверсии спиральности.
Подчеркивая важность этой новой молекулы, г-н Мацумура говорит: «Наши синтезированные двухспиральные монометаллофолдамеры потенциально могут быть применены к новым переключающим хиральным материалам, которые при небольших затратах обладают разнообразными хиральными свойствами и могут быть использованы для разработки хиральных сенсоров».
«Кроме того, мы ожидаем, что эта новая молекулярная структура приведет к облегчению возникновения дерацемизированных и организованных супрамолекулярных систем, подобных тем, которые встречаются в природе, путем передачи и усиления их превосходных хиральных свойств».
В целом, это исследование знаменует собой значительный шаг на пути к созданию искусственных управляемых двухспиральных структур, открывая путь к новым молекулярным системам высокого порядка и молекулярной обработке информации.
Подробнее : Котаро Мацумура и др., Переключение спиральности M/P и хиральная амплификация в двуспиральных монометаллофолдамерах, Журнал Американского химического общества (2024 DOI: 10.1021/jacs.4c06560 Информация журнала: Журнал Американского химического общества Предоставлено Токийским научным университетом
