第一作者：邱原

通讯作者：唐本忠院士、丘子杰教授、林荣业教授、廖永贵教授

通讯单位：香港中文大学（深圳）理工学院、香港科技大学化学系、华中科技大学化学与化工学院

原文链接：https://doi.org/10.1002/ange.202512834

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DNA、蛋白质、多糖等生物大分子具有独特的螺旋结构，这些结构与其参与识别、催化、复制及遗传信息储存等生物功能密切相关。从仿生学角度来看，人工折叠体是模拟和研究生物大分子结构-性能关系的理想体系。本工作报道了一种简便、快速且经济的方法，借助四苯乙烯功能化的半花菁染料，可直接可视化并监测水溶性聚间苯撑乙炔基折叠体中溶剂驱动的螺旋反转过程。通过调节溶剂环境，该折叠体可从左旋转变为右旋，与此同时，染料的结合方式也会从沟槽结合转变为表面结合。这种转变会改变分子运动受限程度及微环境极性，从而使荧光颜色从黄色变为红色，以此指示螺旋反转的发生。本研究为理解生物大分子的构象转变提供了有力工具，并为深入探究螺旋结构的动态行为提供了思路。

背景介绍

DNA、蛋白质和多糖等生物大分子具有独特的螺旋结构。这些结构与识别、催化、复制、遗传信息存储等多种生物活性密切相关。这些生物大分子的螺旋方向会显著影响各种生物功能。例如，当与生物胺/金属阳离子相互作用、盐浓度升高或温度上升时，右旋DNA双螺旋（B型）会转变为左旋螺旋（Z型），这种转变会导致遗传不稳定性，进而引发人类疾病。从仿生学角度来看，人工折叠体因其能够模拟生物大分子二级结构中的折叠行为，且其螺旋方向易于调控而备受关注。圆二色（CD）光谱技术可根据科顿效应信号的反转来判定这一构象转变。尽管这种光谱检测方法很重要，但直接观察单根折叠体链或折叠体溶液的颜色变化更为直观。通过高分辨率原子力显微镜（AFM）可直接观测螺旋结构（包括螺距和手性）。但是，原子力显微镜设备通常昂贵，且样品制备过程耗时繁琐。因此，开发一种简便、快速、经济的方法来直接观测和监控螺旋反转行为具有重要价值。

研究出发点

1）水溶性聚间苯撑折叠体仅需通过添加适量四氢呋喃、乙腈或二甲亚砜即可实现螺旋反转，这归因于手性侧基构象从anti变为syn。

2）在具有微环境极性敏感性的四苯乙烯功能化半花菁染料的辅助下，这种溶剂驱动的螺旋反转可通过荧光由黄色转变为红色来实现可视化识别。

3）染料分子最初受限于低极性的折叠体螺旋沟槽内，折叠体发生螺旋反转后，则转移至折叠体表面，导致分子运动受限程度降低，分子内电荷转移显著强。

图文解析

图1. 在四苯乙烯功能化半花菁染料（TPEBe-I）辅助下，溶剂诱导聚间苯撑乙炔基折叠体（PPE-Ala-Na）螺旋反转的荧光颜色切换可视化示意图

选择四苯乙烯功能化的半花菁染料（TPEBe-I）作为荧光探针，该染料对微环境极性、黏度具有高敏感性，其分子内电荷转移效应使其能通过荧光颜色变化实现对环境改变的响应。同时，通过酰胺化反应合成两种手性单体，再经 Sonogashira 偶联反应及水解反应制备得到水溶性聚间苯撑乙炔基折叠体（PPE-Ala-Na）。研究发现 PPE-Ala-Na在水溶液中呈左旋螺旋构象，TPEBe-I 在静电作用和疏水作用的驱动下进入折叠体沟槽，在一系列氢键作用下，其分子内运动受到有效限制，沟槽的低极性环境导致染料呈黄色荧光。

图2. 折叠体 PPE-Ala-Na的合成路线以及与TPEBe-I在水溶液中的结合模型

当加入四氢呋喃、乙腈或二甲基亚砜等溶剂改变溶剂环境后，折叠体手性侧基构象从anti变为syn，导致主链螺旋构象由左旋转变为右旋，且 TPEBe-I 结合方式由沟槽结合转变为表面结合，分子运动受限程度降低、分子内电荷转移增强，最终溶液荧光变为红色，实现了螺旋反转的荧光可视化。此外，通过圆二色光谱、紫外-可见吸收光谱、分子动力学模拟及密度泛函理论计算等方法，证实了溶剂驱动折叠体的螺旋反转过程及其与染料结合模式的变化，并明确不同溶剂体积分数下折叠体的构象转变细节，比如，四氢呋喃体积分数为 50%时折叠体发生部分螺旋-无规转变；体积分数达90%时重新发生折叠，形成偏单手右旋构象。

图3. 在不同四氢呋喃体积分数的水/四氢呋喃混合溶剂中，折叠体 PPE-Ala-Na螺旋反转的荧光可视化

图4. 在水/乙腈和水/二甲基亚砜混合溶剂中，折叠体 PPE-Ala-Na螺旋反转的荧光可视化

总结与展望

总之，我们开发了一种简便、快速、可靠的检测方法，通过可视化试剂TPEBe-I实现了对水溶性聚间苯撑乙炔类折叠体（PPE-Ala-Na）中溶剂驱动的螺旋反转过程的监测。本研究详细探讨了PPE-Ala-Na与TPEBe-I的结合机制：在水溶液中，染料分子通过静电作用和疏水效应进入折叠体的螺旋沟槽，从而产生黄色荧光；当折叠体发生螺旋反转时，染料结合位点转移至折叠体表面，其荧光颜色由黄色转变红色，使螺旋反转过程得以直接可视化识别。与传统检测技术相比，该可视化方法无需繁琐耗时的样品前处理，也无需复杂的化学修饰。本研究有利于加深我们对生物大分子构象转变过程的理解，还有助于推动荧光探针在识别领域的应用。

课题组介绍

唐本忠院士课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/tang-benzhong-cuhksz

原文信息

Y. Qiu, Z. Liu, C. Sun, X. Wei, R. T. K. Kwok, Y. Liao, J. Sun, J. W. Y. Lam, Z. Qiu, X. Xie, B. Z. Tang, Fluorescence Visualization of Helix Inversion in Biomimic Polymeric Foldamer. Angew. Chem. 2025, e12834.