唐本忠院士團隊于2015年在軸手性化合物中發現了聚集湮滅圓二色(AACD) 效應。結合前期的研究基礎，該團隊設計合成了一系列的軸手性聚合物。通過將圓二色測試和分子動力學模擬相結合，可以實現原位、實時以及定量檢測分子聚集過程中構象的變化。相關研究成果于11月23日在線發表在《自然-通訊》 (Nat. Commun. 2018, 9, 4961) 。
分子聚集在人體內以及自然界眾多過程中扮演著重要的角色。比如，蛋白質聚集成為淀粉樣纖維被認為是很多疾病的前兆，像阿茲海默癥、帕金森癥和亨廷頓舞蹈癥等等。目前，研究這一類大分子構象的方式主要有冷凍電鏡技術和核磁共振譜圖等等。但這些方法都非常復雜，而且成本昂貴，樣品制備和測試流程繁瑣。除此之外，它們也無法實現原位并且實時地檢測分子聚集過程中構象的動態變化，這使得這一類研究進入了一個瓶頸期。唐本忠院士團隊的一個主要研究方向便是分子聚集，該團隊于2001年首次提出了聚集誘導發光(AIE)的概念，并成功將這一類材料應用于眾多領域當中。利用AIE效應可以有效地實現用熒光信號原位檢測分子聚集。然而，因為熒光信號的高靈敏性和低信息度，使得該方法無法準確檢測出聚集過程中分子構象的變化。
手性，作為物體的一種固有特性，廣泛存在于自然界當中。比如，人體內的氨基酸都具有左旋構型而大部分的DNA卻是右旋的，又比如宇宙中大部分天體的自轉和公轉都是左旋的。蛋白質，作為生物體的必要組成部分，也是以手性形式存在的。目前表征手性的一個高效并且準確的手段是圓二色譜(CD)，通過該圖譜可以準確地讀取手性化合物的構象信息。那么這種手段是否可以應用于研究分子聚集過程中的構象變化呢? 其實，早在2015年該團隊已經發現，對于軸手性化合物，其在溶液狀態下可以測到非常強的CD信號，但這種信號在聚集態下幾乎消失，他們將其命名為聚集湮滅圓二色效應(AACD)。進一步的實驗結果表明，這種信號的變化和分子的構象改變存在著直接的關系。在這一研究基礎上，該團隊設計合成了一系列聚合物，期望可以通過CD信號的變化得到聚合物在聚集過程中的構象變化的信息。
圖 1. P-1 至P-4的圓二色圖譜。
如圖1所示，四個合成的聚合物P-1 至P-4是以常見的軸手性聯二萘(BN)和具有典型AIE特性的四苯基乙烯(TPE)為基元而構建的。其中，P-1和P-2中的BN具有開環的結構。而在P-3和P-4中，兩個萘環通過亞甲基進行鎖環，從而在一定程度上限制了θ角度的自由變化。與預期的結果一致，在P-1和P-2中觀測到了典型的AACD效應，而這一湮滅效應在P-3和P-4中被有效遏制，使其在聚集態下依然保持較強的CD信號。之后，將四個分子的摩爾橢圓率和Davydov裂分寬度對不同的水含量做出趨勢圖，從而得到圖2。從圖2a中可以直觀地看到存在于P-1和P-2中的AACD效應，而P-3和P-4在高水含量下依然保持著較高的CD信號。圖2b表明，隨著水含量的增加，P-3和P-4的Davydov裂分寬度有略微的增加。而在P-1中卻表現出了將近7 nm的窄化。同時，在之前的研究基礎上，他們構建了摩爾橢圓率和Davydov裂分寬度隨θ角度變化的趨勢圖。通過量子力學計算，他們得到了這四種聚合物在氣態條件的最優構型。之后，通過結合這一系列信息，可以得知在P-1中，隨著聚集程度的增加，θ角度會從-90°逐漸減小并接近-105°。 而在具有鎖環結構的P-3和P-4中，θ角度會有略微的增加，角度維持在-50°附近。
圖2. 摩爾橢圓率和Davydov裂分寬度在聚集過程中的變化趨勢。
為了進一步驗證這種手段對于檢測分子聚集的可靠性和準確性，作者又分別對P-1和P-3在四氫呋喃和水中進行了分子動力學模擬(MD)。圖3的結果表明，對于開環的P-1聚合物，當分子狀態從自由態變為聚集態時，θ角度會從-76°變為-102°；而對于鎖環的P-3，θ角度會從-52°增加至-50°。MD得到的趨勢和實驗測得的結果保持一致。但對于分子動力學模擬來講，將分子置于混合溶劑中的計算還存在一定的技術問題，無法去模擬分子的完整聚集過程。而對于CD測試這種手段，通過合理的實驗設計，可以實現原位、實時檢測聚集的動態過程中分子的構象變化。
圖3. P-1 和P-3的分子動力學模擬結果。
總結來講，本工作通過巧妙的分子設計驗證了AACD效應的基本工作機制—聚集過程中分子構象的變化。之后，利用這一效應有效地實現了對分子聚集的原位和實時檢測，可以準確地給出聚集過程中分子的構象變化信息。如圖4所示，對于聚合物P-1和P-2，在聚集過程中構象會發生從順式到反式的轉變；而在鎖環的P-3和P-4中，聚合物的順式構象基本保持不變，θ角度會有微小的變化。利用這種方法可以高效地檢測出手性分子從單分子狀態到聚集狀態轉變過程中的構象變化。可以預測，這一手段將會在生命和健康領域有著巨大的應用前景。比如，可以實現對一些和蛋白質聚集有關的疾病的檢測。此外，還可以通過檢測手性藥物與目標化合物的相互作用來實現藥物篩選。
圖4. 聚合物聚集過程中的構象變化示意圖。
香港科技大學張浩可博士和北京理工大學鄭小燕副教授為本文共同第一作者，香港科技大學唐本忠院士和華南理工大學秦安軍教授為共同通訊聯系人。浙江大學孫景志教授，香港科技大學林榮業博士、郭子健博士、梁力政同學，華南理工大學王佳博士以及國家納米中心唐智勇教授、石林博士等亦對本文做出重要貢獻。該研究受到國家自然科學基金以及香港ITC, RGC等項目的資助。
論文鏈接:
1) https://www.nature.com/articles/s41467-018-07299-3
2) https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2015/tc/c5tc00629e
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