布朗氏架是什么Nature Chemistry ｜ 糖折叠体通过糖-芳香环相互作用执行催化功能

在蛋白质中，通过特定的几何排列使得化学功能团相互接近，通过增强反应动力学和确保区域选择性或立体选择性来促进化学反应。受到自然界的启发，科学家创建了生物大分子的微型类似物，例如用于立体选择性催化的肽转角（peptide turn）和加速化学转化的折叠体（foldamer）。这一过程不仅引入了新的合成方法学，也推动了折叠体基序的高效合成，并拓宽了结构分析的边界。

这些折叠分子有一个共同的设计原理：通过分子内非共价相互作用，维持三维构象稳定的可编程骨架，并且可以系统地调整这些相互作用，以调节与底物或反应中间体的特异性相互作用。

糖类提供了超过100种单糖、固有的手性以及多个方向性功能化的选项，使它们成为构建模块化功能性寡聚体的理想候选分子。此外，由于氢键和疏水效应的协同作用，糖类可以与底物进行多重相互作用。例如环糊精利用糖类的两亲性特征，形成一个疏水性腔体，可以包裹客体分子，同时将亲水性的羟基暴露在溶剂中。这些基团可以进一步功能化，以实现广泛的功能，包括催化。

图1 折叠体的结构模型

图2 糖-芳香环相互作用可视化

为了合成糖折叠体，研究人员首先探索了糖协调底物的各种方式。在蛋白质的碳水化合物结合域（carbohydrate-binding domains, CBDs）中，芳香基团丰富，可通过CH–π相互作用促进结合。CH–π是指芳香环的π电子云与糖环上电子贫乏的C–H键之间的静电吸引力，这种作用在水相环境中对于糖的分子识别至关重要。

而研究人员采取了不同的策略：从相反的角度研究CH–π相互作用，即利用这种作用力来招募芳香族底物，并将其精准定位在糖折叠体的催化位点附近，以实现催化功能。

图3 通过改造四糖Sialyl Lewis X来构建糖折叠体

为了设计糖折叠体骨架，研究人员选择了天然存在的四糖Sialyl Lewis X作为模型。Sialyl Lewis X是一个由延伸的唾液酸（Neu5Ac）臂与刚性糖转角（Gal–GlcNAc–Fuc）连接而成的聚糖框架，其中Gal（半乳糖）、GlcNAc（N-乙酰葡糖胺）和Fuc（岩藻糖）通过非传统氢键相互作用维持其结构稳定。

在改造过程中，Neu5Ac被β-连接的Gal单元所取代，从而形成CH–π相互作用，并能够招募芳香族底物。β-Gal特别适合这一功能，因为其α-face上具有三个轴向（axial）和一个平伏（equatorial）C–H键，这使其能够理想地参与CH–π相互作用。

为了进一步优化催化功能，研究人员做了以下修改：（1）将Gal单元替换为Glc（葡萄糖），以避免与芳香族底物形成多个作用位点，并确保末端Gal的α-face朝向糖折叠体的内侧；（2）用Rha（鼠李糖）替代Fuc，因为Rha的C-4位置带有平伏的羟基，可以在关键作用位点附近安装催化基团；（3）将分支的GlcNAc转化为Glc，以简化合成步骤，并保持类似的折叠行为。这些改造使得该糖折叠体能够在稳定的构象下执行催化功能，并优化了其与底物的结合能力。

图4 4mer-I的结构表征及其与芳香底物的相互作用

经过上述改造，初级糖折叠体（4mer-I）通过自动化糖组装（AGA）法合成，用于研究其构象以及与芳香底物之间发生CH–π相互作用的能力。通过核磁共振（NMR）实验，成功分配了分子中所有质子的化学位移。Rha-5的向下移位表明，非传统氢键作用稳定了转角结构的折叠构象。通过核Overhauser效应谱（NOESY）分析，确认了转角结构的刚性构象和Gal臂的正确取向。将4mer-I与Trp在水中孵育后，根据NMR分析，Gal单元上的化学位移变化表明4mer-I与Trp之间发生了CH–π相互作用。

图5 5mer进一步证实4mer-I与Trp相互作用的位点

为了进一步验证4mer-I与Trp之间相互作用的位置，研究人员合成了5mer（多一个Glc）。在该分子中，Gal的α-face被下臂的Glc所阻碍，从而减少了与Trp的CH–π相互作用。当用中性5-OH-indole替代Trp进行CH–π相互作用分析时，得到了类似的结果，排除了潜在离子相互作用的影响。综上所述，这些观察结果表明，4mer-I折叠成一个刚性的构象，并能够通过Gal单元上的CH–π相互作用识别芳香底物。

图6 糖折叠体作为Pictet–Spengler反应中的催化剂

研究人员制备了一组具有Brønsted-acid功能团的糖折叠体，并测试了它们在Pictet–Spengler反应中的催化性能。在D₂O中，研究人员在室温下测试了Trp和propionaldehyde（丙醛）之间的Pictet–Spengler反应。未使用催化剂或使用4mer-II和4mer-III作为催化剂时，反应几乎没有转化。然而，使用4mer-IV作为催化剂时，虽然产率较低，仅为15%，但生成了所需的产物。随着反应时间延长至168小时，并且醛类化合物的用量增加，产率提高至55%。这些观察结果表明，催化剂4mer-IV与Trp底物之间的CH–π相互作用对反应有积极作用。

为了进一步验证CH–π在促进转化中的作用，研究人员制备了一系列含有羧酸功能团的催化剂。3mer是4mer-IV的类似物，缺乏能够与Trp相互作用的Gal单元，因此不能与Trp发生相互作用。当在3mer存在下进行Pictet–Spengler反应时，虽然得到了所需产物，但转化速率显著低于使用4mer-IV时的速率。这个结果突出了CH–π相互作用在将Trp底物定位到催化位点附近的关键作用。使用4mer-V进行反应时，反应得到了中等产率的结果，进一步确认了CH–π相互作用与反应速率之间的关联。

总的来说，本研究设计了一种能够催化Pictet–Spengler反应的糖折叠体。该折叠体基于稳定的四糖单元Sialyl Lewis X，经过改造，包含一个Gal单元与芳香底物进行糖-芳香相互作用，并配有一个具有反应性的羧酸基团进行催化。这项研究推动了糖类合成的边界，并深化了我们对糖类与其他分子相互作用的理解。此外，糖折叠体在化学生物学中的潜在应用也得到了展示，提供了水溶性且模块化的催化剂，用于有机转化。

供稿 | 黄隽豪

责编 | 囡囡

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