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研究背景

碳水化合物識別是通過非共價分子間和分子內相互作用實現碳水化合物與受體（包括蛋白質或其他碳水化合物）的結合，因其在細胞通訊、粘附、信號傳導及免疫響應等基本生物功能中的關鍵作用，成為了研究熱點。然而，實現對無電荷、親水性碳水化合物分子的高效、精準識別，特別是在水溶液中的選擇性識別仍是一個巨大的挑戰。傳統研究已開發出多種碳水化合物受體，如非環受體、大環分子及折疊體，但其在結合能力和選擇性方面存在局限性。

成果簡介

有鑒于此，中山大學譚余副教授團隊在Nature Reviews Chemistry期刊上發表了題為“Synthetic molecular cage receptors for carbohydrate recognition”的最新論文。科學家們提出通過合成分子籠實現碳水化合物的精準識別。這些分子籠通過精心設計的結合空腔和多樣化的非共價結合位點，利用多價性和協同作用，展現出卓越的識別能力和高選擇性。研究發現，分子籠的結構特性如空腔尺寸、結合位點的分布以及功能化修飾，能夠顯著優化碳水化合物的結合性能，并拓展其在分子機器、催化、藥物傳遞等領域的應用潛力。綜述指出，這些分子籠在碳水化合物識別及相關生物過程研究中展示出廣闊的前景，為今后設計高效分子識別體系提供了新思路。

譚余，中山大學化學工程與技術學院副教授。2011年、2016年在復旦大學獲得學士（導師：孫興文教授）和博士（導師：林國強院士）學位，2016-2020年先后在美國馬薩諸塞大學醫學院（合作導師：Prof. Jie Song）和美國西北大學（合作導師：2016年諾貝爾化學獎得主Prof. Sir Fraser Stoddart）從事博士后研究，2020年加入中山大學。譚余副教授主要從事超分子化學和新型水凝膠在海洋化工中的應用研究。

研究亮點

(1) 本文綜述了分子籠受體在碳水化合物識別中的最新設計與應用進展。研究表明，分子籠通過精心設計的空腔結構及非共價結合位點，可以實現對碳水化合物的高親和力和高選擇性識別。相比傳統的非環受體、大環分子和折疊體，分子籠受體因其獨特的多價性和協同性展現出了顯著的優勢。研究還系統分析了不同類型分子籠（如共價有機籠、配位籠）的結構特點及其在碳水化合物識別中的作用機制。

(2) 研究通過以下幾個方面展開，得到了相關結論：

結合機制：實驗揭示了分子籠的結合機制主要依賴于氫鍵、靜電作用、CH···π相互作用以及疏水效應，且通過結合位點的多樣性與精確布局，顯著增強了對碳水化合物的識別能力。

結構優化：通過調控分子籠的空腔尺寸和功能基團，研究表明可進一步提升對不同類型碳水化合物分子的適配性和選擇性。

應用前景：分子籠受體被成功應用于碳水化合物的檢測、病毒-細胞相互作用的抑制、糖尿病的診斷和治療等領域，顯示了其在生物醫學和化學傳感器開發中的廣闊前景。

圖文解讀

圖 1：碳水化合物的結合機制。

圖2：中性籠受體和相關碳水化合物底物的結構

圖 3：水溶性陰離子籠型受體和相關碳水化合物底物

圖4：基于吡啶鎓的陽離子籠型受體的合成、結構和結合特性

圖5：根據不同配位金屬分類的糖類配位籠受體

圖6：非金屬配位保持架的結構和應用

結論展望

本文通過人工分子籠受體的設計與優化，為碳水化合物識別提供了全新的研究思路與技術路徑。傳統天然凝集素雖具備良好的選擇性，但在功能拓展與合成控制方面存在局限。

相比之下，人工分子籠受體憑借其靈活的合成策略和可調控的結構特點，實現了在復雜體系中的高效碳水化合物識別，展現出廣闊的應用前景。尤其是共價籠與配位籠在結合位點設計、手性調控及多價性利用上的突破，顯著提升了受體的結合能力和選擇性，為生物模擬和反應調控提供了強有力的支持。同時，研究揭示了通過計算工具預測結構與性能的可能性，為未來開發更加精準、高效的受體提供了理論依據。

此外，籠受體在糖基化反應調控、熒光檢測及糖尿病管理中的潛在應用，體現了其在生物醫學領域的重要價值。這些成果表明，通過合理設計人工受體，可在化學與生命科學交叉領域催生更多具有實際應用潛力的創新方案。

文獻信息

Wu, B., Tang, R. & Tan, Y. Synthetic molecular cage receptors for carbohydrate recognition. Nat Rev Chem (2024).

原創文章，作者：zhan1，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/12/16/6f1663aadc/

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作者僅3人！中山大學，新發Nature Reviews Chemistry！

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