利用非手性构建块对外消旋氨基酸进行对映体微涡的超分子传感
Enantiomorphic Microvortex-Enabled Supramolecular Sensing of Racemic Amino Acids by Using Achiral Building BlocksYike Li, Chao Liu, Xuan Bai, Fei Tian, Guoqing Hu, andJiashu Sun*. . , , 3486.引言生物活性分子的手性分析在化学和生命科学中具有越来越重要的意义。然而，外消旋对映体混合物的定量检测是一项具有挑战性的任务，它目前依赖于复杂和耗时的手性衍生化、手性分离和光谱测量的多个步骤。该研究表明，在不使用任何手性分子和预处理步骤的情况下，通过对映微涡控制氨基酸与非手性TPPS4单体的共组装，通过分析微流体平台不同出口超分子手性的符号和大小，可以定量检测外消旋或对映氨基酸。模拟模型表明，手性微涡可以通过弯曲薄板结构诱导初始手性偏置，从而导致TPPS4和手性兼容氨基酸通过自分选实现超分子自组装。这种对映微涡的超分子传感系统在手性传感方面可能会有多功能应用。手性是自然界的一个基本方面，在不对称催化、蛋白质折叠和DNA复制等化学和生物过程中发挥着重要作用。某些具有生物活性的手性分子，例如氨基酸，以L型和D型两种形式存在，但在生理活性上表现出显著的差异。氨基酸的手性分析在化学科学、制药工业和其他相关领域中具有越来越重要的意义。圆二色光谱(CD)是测定手性分析物绝对构型最广泛应用的技术之一。尽管CD光谱的应用越来越广泛，但对于缺乏强色基的氨基酸和氨基酸对映体的外消旋混合物仍然很难检测，这两种氨基酸对映体的手性-光学响应都很弱。手性氨基酸与非手性构建块的组装可以通过弱分子间相互作用将手性信息转移到超分子聚合体上。例如，D-和L-氨基酸促进四(4-磺酸基苯基)卟啉(TPPS4)的J-聚集体的形成，并产生超分子组装相反的CD信号。外消旋丙氨酸衍生物的自组装导致超分子扭曲带的形成，使得基于手性相互作用的各种氨基酸的对映选择性检测成为可能。自致非对映各向异性效应的研究使得基于核磁共振波谱中不同化学位移的外消旋和对映异构体样品的表征成为可能。此外，在没有手性分子的情况下，搅拌旋涡诱导大的手性水动力梯度也可以选择TPPS4的J-聚集体的手性符号。手性力学效应与超分子体系的组合可能为检测氨基酸外消旋混合物提供了巨大的机会。图文解析在这篇文章，作者展示了氨基酸与非手性TPPS构建块的对映微涡控制共组装使定量检测外消旋或对映体形式的氨基酸成为可能。利用微流体平台在相对的微室中生成右旋()和左旋()螺旋微涡，初步形成的TPPS-Lys共组装体的手性由微涡的手性决定(图1)。通过分析不同出口超分子手性的符号和大小，检测出外消旋或对映异构体赖氨酸的存在。通过与非手性TPPS4单体共组装对映微涡检测外消旋赖氨酸的原理图。(a) L-赖氨酸(蓝色)、D-赖氨酸(红色)和TPPS4(灰色)的化学结构。(b)在相对的微室中和螺旋微涡控制TPPS4和外消旋赖氨酸在初始状态下的共组装，导致和手性超分子组合的形成，其符号和强度表明外消旋赖氨酸的存在和浓度。TPPS4与外消旋赖氨酸(5 μM)组成的超分子共组装物的表征。(a) 超分子共组装物的紫外-可见光谱和(b) 超分子共组装物从L(蓝色实线)和R出口(红色虚线)的CD光谱。(c, d)超分子共组装体(实心圆)和TPPS4团聚体(空圆)长达120分钟的生长动力学的AFM分析。比例尺，4 μm。= 50，平均值± s.e.m.。接下来，作者研究了是否有可能通过这个对映微涡诱导的TPPS4-Lys超分子体系检测不同浓度的外消旋赖氨酸。将TPPS4(20 μM)和外消旋赖氨酸(0-30 μM L-赖氨酸和D-赖氨酸等摩尔混合物)的混合物注入微流控平台的侧入口(入口1和入口3)。经过微涡控制的组装和分层生长后，在CD光谱中观察到L和R出口的TPPS4-Lys共组装体的负和正科顿效应(图S5-8)。在L和R出口的TPPS4-Lys共组装物中，发现CD信号随外消旋赖氨酸浓度从0到30 μM的线性响应(图3c)。ΔCD的符号和大小的组合清楚地表明外消旋赖氨酸的存在和浓度。用对映微涡诱导的TPPS4-Lys超分子体系检测外消旋赖氨酸。TPPS4-Lys共组装体在(a) 静态和(b) 连续波搅拌条件下的CD信号。(c) L和R出口对映微涡诱导的TPPS4-Lys共组装体的CD信号与0 ~ 30 μM外消旋赖氨酸浓度的关系(= 3，平均值±s.e.m.)。为了说明对映微涡在检测外消旋赖氨酸方面的重要作用，作者在矩形截面的微室中使用20 μM的TPPS4和10 μM的外消旋赖氨酸进行了类似的实验(图S9)。在这种情况下，由于腔室几何结构的对称性，微涡没有显示出主要的手性(图S9a)。在没有任何手性极化的情况下，TPPS4-Lys共组装物从L和R出口随机显示出正或负的CD信号，这不能用于检测外消旋Lys的存在(图S9b,c)。相比之下，TPPS4与10 μM L-赖氨酸或D-赖氨酸的共组装体在两个出口产生了相同的手性信号，表明TPPS4-L-Lys聚集体的CD信号为负，而TPPS4-D-Lys聚集体的CD信号为正的(图S9d,e)。此外，作者在静态和顺时针(CW)搅拌条件下，在试管中进行了TPPS4和外消旋赖氨酸的共组装(参见支持信息了解实验细节)。15个独立实验显示，静态条件下TPPS4-Lys共组装体有7个正CD信号和8个负CD信号(图3a)，而顺时针搅拌条件下有9个正CD信号和6个负CD信号(图3b)。这些具有随机信号和大小的CD信号并不能说明外消旋赖氨酸的存在。对映赖氨酸或外消旋赖氨酸由在对映微涡中组装的超分子系统的分化。(a) 来自L和R出口的TPPS4-L-Lys共组装体的CD信号。(b) 来自L和R出口的TPPS4-D-Lys共组装的CD信号。(c) 在存在对映或外消旋赖氨酸的情况下，从不同途径获得的超分子手性。(d) TPPS4-Lys共组装物在象限的L和R出口的两个二维手性特征来区分L-Lys (L-/R-),D-Lys (L+/R+)和外消旋Lys (L-/R+) (= 3，平均值±s.e.m.)。接下来，作者评估了超分子系统对对映体形式赖氨酸的区分能力(图4和图S10-13)。当将TPPS4(20 μM)和L-赖氨酸(10 μM)的混合物添加到微流控平台中时，由于均手性掺杂剂L- 赖氨酸的存在，从L和R出口的TPPS4-L-Lys共组装体中观察到一个负CD信号(图4a和图S12)。此外，L出口的共组装体强度高于R出口的共组装体强度，表明L出口形成了更多的手性聚集体。相反，TPPS4(20 μM)和D-赖氨酸(10 μM)经微流控共组装后，在L和R出口均产生了与手性聚集物数量相关的正CD信号，而R出口显示出更高强度的CD信号(图4b和图S13)。在对映体或外消旋赖氨酸存在的情况下，从不同途径获得的超分子手性如图4c所示。TPPS4-Lys共组装物的二维手性特征绘制在象限的L和R出口上，使L-Lys (L-/R-),D-Lys (L+/R+)和外消旋Lys (L-/R+)完全分化(图4d)。随着不同形态赖氨酸浓度的增加，CD信号的大小也随之增大。对映微涡诱导的超分子体系的检测能力被扩展到识别组氨酸(His)的外消旋混合物(图S14)。将TPPS4(20 μM)和外消旋组氨酸(L-组氨酸和D-组氨酸的等摩尔混合物，0-100 μM)的混合物注入同一微流体平台(实验细节参见支持信息)。CD光谱显示，TPPS4和组氨酸的共组装导致在不同的出口形成手性符号相反的J-聚集体 (图S15-18)。在L出口和R出口分别观察到TPPS4-His共组装体的手性和手性对应的CD信号为负和正。随着消旋体组氨酸浓度从0增加到100 μM, L和R出口CD信号的大小均呈线性增加(图S19)。这种行为类似于TPPS4-Lys共组装体使用对映微涡检测外消旋赖氨酸的行为。利用对映微涡实现外消旋赖氨酸的检测。(a) 通过静电相互作用、π-π叠加和氢键形成二维TPPS4-Lys片层结构。(b) (或)螺旋微涡的手性偏向于(或)手性，导致具有兼容手性的TPPS4和赖氨酸的超分子组装。与其他依赖手性纳米结构对映体识别的超分子传感系统不同，作者的检测方法应用了对映体微涡旋来控制非手性TPPS4和外消旋氨基酸的超分子共聚物的新手性。如图5所示，TPPS4、外消旋赖氨酸和HCl在微通道入口区域快速混合，通过静电相互作用、π-π叠加和氢键形成了二维TPPS4-Lys片状结构(图5a)。由流固相互作用(FSI)模拟证明，这种柔性片状结构可以通过非对称微室中的手性微涡被扭曲(图S20-21和辅助信息)。由于剪切速率随腔室高度的增加而急剧下降，薄片底部的旋转比顶部的旋转快，导致在100 ms内L(或R)腔内手性偏向(或)手性(详见辅助信息)。这些从L和R出口收集的手性核可以作为手性兼容的TPPS4和赖氨酸的超分子组装模板。请注意，当氨基酸与卟啉系统的磺酸部分配合时，产生的超分子异构体可以通过聚合进行自我排序(图S22和辅助信息)。这种自分选效应导致受赖氨酸浓度控制的超分子手性放大(图5b)。在检测对映体形式的赖氨酸时，对映体偏好的手性核可以迅速组装成超分子体系，表现出强烈的CD信号。对于非偏好手性核，其生长明显受到抑制。随后，TPPS4-Lys的第二次成核紧随对映体的手性产生了一个弱CD信号。综上所述，来自不同出口的TPPS4-Lys共组装物的手性特征表明其为外消旋和对映体氨基酸。总结和展望作者提出了一种能够实现检测氨基酸的外消旋或对映体形式的对映体微涡超分子传感系统。TPPS4-氨基酸（赖氨酸或 组氨酸）片层结构的初始手性偏向是由手性微涡控制的。这种来自L（或R）出口的手性偏向（或）手性导致TPPS4和具有相容手性的氨基酸的超分子组装。对不同途径的超分子手性的符号和大小的分析表明存在外消旋或对映氨基酸。这种对映体微涡流传感系统可能代表了第一个通过一步超分子自组装检测氨基酸外消旋混合物而不求助于任何其他手性分子的例子。可以预见这种具有操作简单、检测速度快、不使用手性添加剂等独特优势的超分子传感系统，可以在手性传感领域获得越来越广泛的应用。孙佳姝教育背景：2006年于北京理工大学获学士学位2010年于美国范德堡大学获工学博士学位2011年加入国家纳米科学中心。工作经历：国家纳米科学中心研究员研究方向：主要从事分析化学与生物医学检测研究，提出了微流控热泳测量的新理念，实现外周血中细胞外囊泡的高灵敏定量检测，为恶性肿瘤早期精准诊断诊疗开辟了新途径。（1）开发了微流体无标记分离新方法，提高复杂样本中循环肿瘤靶标的分离分辨率；（2）提出了微流控生物传感新策略，提升目标分子的检测灵敏度；（3）发展了微流控精准合成系统，高效制备功能纳米结构用于肿瘤诊疗等应用。荣誉与奖励：国家优秀青年科学基金获得者（2016年）国家杰出青年科学基金获得者（2020年）