中大校友研发直径74nm的纳米笼兼具大尺寸和优良封

　　尽管尺寸更大的纳米笼也曾被报道过，但是它们的配体框架更加开放，无法通过非共价的相互作用直接和客体进行结合。这导致客体分子会从间距较大的窗口之间滑出。

　　而本次研发的超大型纳米笼空腔可以作为载体，从而用于结合尺寸比较大的生物分子比如疏水性膜蛋白或蛋白酶，进而给冷冻电镜结构解析、药物发现和研发注入新活力。另据悉，本次研究还得到了英国剑桥 制药公司的资助。

　　自组装在自然界中广泛存在，它可以从简单的基元构建复杂的生物功能性结构。一些生物组装体比如病毒衣壳和铁蛋白笼，均使用如下策略来进行组装：即把大量相同的子单元，铺砌在一个多面体的表面上。

　　然而，对于配位笼自组装来说，它们借由许多简单的成分，来组成单一的分立结构，故其具有熵不利的特点，而且尺寸往往在纳米级别，因此如何对其进行合理的可控自组装，仍然非常具有挑战性。

　　具体来说，在将许多亚单元结合在一起的组装过程中，不仅面临熵不利的劣势，同时在与组装相关的纠错过程中也会面临一些困难。而且，随着尺寸的增加，表面能也会随之增加。

　　对于球形病毒衣壳来说，它兼具 Goldberg 的多面体几何形状、以及二十面体的对称性。假如在病毒衣壳的五边形结构基元之间，增加六边形基元，就能在保持五聚体二面角不变的情况下，增加衣壳的大小。

　　为了包裹大分子客体、以及对病毒结构进行模拟，吴凯和所在团队设计了五胺次级组分 A，它可以通过亚胺的缩合，来形成五连接的双齿配体。同时，通过与八面体配位几何构型的金属离子进行组装，可以得到 Goldberg 多面体中最小的十二面体。

　　但是，要想继续组装更大的结构，不仅要同时引入六连接的配体，还得实现难度更高的异配体自分类组装。

　　在这种情况下，课题组通过调控配体齿数、金属离子配位数、以及配体的柔性，来对金属中心的配位环境进行调节，借此增大了五边形在顶点的二面角。

　　通过这一策略，他们构筑了一系 列具有 M 5n L 2n 结构式的分子笼，在核数、尺寸以及空腔上呈现出逐渐增大的特征。

　　而通过在配体上引入额外的亚苯基增长五胺组分，可以进一步扩大笼空腔，从而为调控空腔尺寸提供更多可能。

　　整体而言，该团队设计了一种罕见的基于吡咯的五臂配体，并利用次级组分的自组装策略，发展了与组装病毒衣壳完全不同的新策略，借此系统性地构筑了尺寸、以及空腔可以逐渐增大的纳米笼，突破了笼封闭型空腔体积的瓶颈，并得到迄今尺寸最大的具有良好封闭空腔的纳米笼。

　　此外，通过利用金属离子配位数的合理变化，再加上配体的齿数、柔性和立体位阻，就能构筑具有更多重复结构单元的笼子。

　　而了解这些调控因素对于胶囊结构的影响、以及对于空腔大小的影响，有助于阐明更复杂、更大尺寸纳米笼的结构原理。

　　和以往研究不同的是，本次使用的策略的好处在于：金属节点结合的配体之间的跨度是可以被改变的，借此可以控制组装体的大小、以及空腔的体积。同时，该策略还允许调节金属中心的配位数、甚至是自旋状态。

　　日前，相关论文以《从五重连接的基于吡咯次级组分系统构建逐渐变大的胶囊结构》（）为题发表在 Nature Synthesis 上，吴凯是第一作者，英国剑桥大学乔纳森·尼奇克（）担任通讯作者 [1]。

　　过去十几年间，课题组尝试过设计基于各种不同骨架的五臂次级组分，并利用次级组分自组装的策略，来构筑较大的纳米笼状结构，但是这些尝试并未取得成功。

　　原因在于，所设计的五臂次级组分存在性质不稳定、或合成困难等问题。另外，当采用自组装的策略时，往往更容易形成熵有利的小尺寸结构比如三明治结构。

　　2021 年，吴凯加入该课题组并继续攻关上述课题。来到剑桥大学之前，其本科和博士先后毕业于兰州大学和中山大学。

　　而在本次研究中，他和导师设计了基于五苯基吡咯骨架的结构，这种五臂次级组分具有结构刚性、以及接近于平面的特点，很适合填充在多面体的五边形面上。

　　在研究前期，合成配体前驱体等步骤比较顺利。但是，Suzuki 偶联反应的推进并不顺利。吴凯发现，只有在吡咯骨架的五个位点同时进行偶联，才能完成这一步骤。

　　两周之后，该团队得到了最终的产物，并在持续数小时的柱层析之后，得到了纯度更高的产物，其纯度也得到了核磁检测和质谱检测的检验。

　　吴凯表示：“借助五臂次级组分 A、2- 吡啶甲醛 B 与 Fe(NTf 2 ) 2 ，虽然可以组装得到 十二面体 Fe 20 L 12 分子笼，但是质谱信号很弱，而且核磁氢谱非常宽化。但是，我的导师却对这一结果非常乐观，在他的鼓励下我继续进行分析与尝试。”

　　后来，吴凯和导师推测：形成十二面体结构所需的几何构型，与低自旋态二价铁配位的规则八面体配位球之间并不匹配，这导致十二面体笼 Fe-1 的稳定性较低。

　　为了形成十二面体结构所需的几何构型，他们试图通过引入立体位阻，使用具有大位阻的甲基的次级组分 C，借此来调节 Fe 金属离子配位的第二配位球。

　　其中，位阻的引入可以降低二价铁配合物低自旋态的稳定性，同时有利于形成高自旋的配合物。而且，核磁信号也能被分布在更大的范围内。

　　通过位阻的引入，他们对金属配位中心的几何构型加以调节，借此得到了十二面体构型的 Fe20L12 分子笼 Fe-2。

　　接下来，吴凯又得到了更多的新结构，比如截端菱形体 Co-4 以及截半二十面体结构 Zn-5。

　　然后，他利用单晶衍射技术来对这些大空腔纳米笼进行分析，结果发现借助截半二十面体结构，可以得到大尺寸的橙红色晶体。

　　然而，即便使用英国第三代同步辐射光源 Diamond 最先进的同步辐射光源，晶体的衍射分辨率还是只有 3Å 左右，因此并不能解析笼子的晶体结构。

　　为此，他们联手其他合作者，通过利用先进的行波离子迁移质谱技术和扫描电子显微镜，来对结构进行表征。

　　在这期间，吴凯仍在进行晶体生长的尝试。经过一年多的摸索，他终于从一个快要干涸的甲苯扩散溶剂体系中，获得了十二面体钴笼的单晶衍射数据，测试之后发现其分辨率高达 1.1Å。

　　图 十二面体构型的分子笼 Co-2 的自组装及核磁、质谱和单晶结构表征（来源：Nature Synthesis）

　　在此基础之上，他们进一步利用锌离子（II）灵活的配位球、以及多臂配体和多齿配体的不同配位偏好，设计出五个复杂的基于金属-有机笼状结构的转化网络[2]。

　　这种转化网络依赖于次级组分自组装的动态特性，它可以根据系统的整体热力学稳定性，来进行解离和重新组装。

　　而笼子结构和外围客体的结合，可以对结构的形成起到模版作用，其中活性部位的构象，会被外围部位的结合作用所改变。

　　另一方面，这些大空腔的高对称性球状配位笼，可以通过修饰水溶基团溶解于水中，进而对生物大分子进行封装。

　　吴凯表示：“目前我们正在和 公司合作，希望用笼子封装和稳定蛋白质折叠的状态，以及利用冷冻电镜解析结构脆弱且具有明显取向选择性的膜蛋白结构。”

　　同时，该研究的成功得益于多位合作者的贡献。吴凯说：“德国柏林自由大学的 课题组帮助我们测试了截半二十面体结构 Co-5 的质谱信息。深圳大学团队运用二维质谱和电镜表征技术帮助我们对这一系列笼子进行了表征。

　　制药公司的 在单晶测试、小角 X- 射线散射分析方面做出了很大的贡献。剑桥大学的核磁团队和质谱部门也对结构的表征提供了很大的帮助。瞿航博士在配体前驱体的合成中也给予了很多建议。”

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