DNA中配對的堿基所占空間的不對稱性，使雙螺旋結構形成了大、小兩條溝槽。DNA -蛋白的非共價特異性作用依賴于對氫鍵和疏水相互作用的堿基識别，和對全局和局部的形狀識别，這些主要發生在DNA大溝和小溝中。

受大自然分子模型啟發，我院超分子配位化學研究所李丹教授和韓山師範學院才紅教授合作，以tRNA反密碼子中重要的生物堿次黃嘌呤和1,3,5-苯三羧酸為配體，成功地合成了一例新型的生物金屬有機框架BioMOF (記為ZnBTCHx)。ZnBTCHx具有類似于DNA的周期性溝槽結構，可作為特異性選擇識别色氨酸的活性位點。

單晶結構分析表明，色氨酸的大小和形狀與ZnBTCHx匹配，緊貼在大溝槽中，氨基酸側鍊嵌入小溝槽，并引起主體框架局部形狀自适應性的改變（如下圖所示）。研究團隊利用等溫滴定量熱法（ITC）進行主客體化學研究，發現L型色氨酸通過一個有利的放熱途徑與ZnBTCHx進行主客體相互作用，自發過程主要是由焓驅動。D型色氨酸的ITC實驗在相同的條件下進行，其自發過程主要是由熵效應引起。

ZnBTCHx框架局部形狀的改變産生了對L型和D型色氨酸特異性的識别。L型色氨酸的吲哚基團與BTC配體平行排列，形成明顯的π -π相互作用，而D型色氨酸的吲哚基團與BTC距離較遠，這可能導緻會影響吸附的動力學。作者通過分子動力學（MD）、幾何優化和密度泛函理論（DFT）進行了研究。利用MD模拟擴散過程，采用GFN-FF方法粗略定位客體位置和構象，模拟結果表明，L和D型色氨酸的構象随C-C單鍵自由旋轉，有很大的機會通過氫鍵和/或π-π/C-H ‧‧‧π相互作用與配體結合。主體框架的大小溝對色氨酸的擴散及結合行為影響很大，兩個D型色氨酸比L型色氨酸排列更緊密，擴散速率更慢；而且通過DFT計算得到L型色氨酸比D型色氨酸的結合能大，這與前面的實驗結論一緻。

在此基礎上，作者嘗試進行了分離L和D型色氨酸的實驗。通過手性高效液相色譜法檢測混合L和D型色氨酸的吸附實驗，結果發現ZnBTCHx優先吸附L-色氨酸。生命是一個非平衡的開放系統，需要不斷地從環境中吸收負熵來抵消自身熵的增加。因此，以熵增加驅動為主的D型色氨酸通過熵補償來降低焓變，在生命體系中是不受歡迎的。

此前，該研究團隊開發了一系列BioMOF作為研究平台，模拟DNA堿基對與客體分子相互作用，在分子層次研究超分子識别機制，例如，基于腺嘌呤的BioMOF作為反應器模拟DNA中A-T堿基對的識别作用（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 10454-10459），模拟甲醛緻DNA-蛋白質交聯（Chem. Sci. 2022, 13, 4813-4820; Mater. Chem. Front. 2021, 5, 2416-2424）等。這些研究為生物體系中分子識别模型的構建和藥物靶點的設計提供借鑒，也為藥物設計、仿生催化和尖端生物醫學激發新思路。

原文連接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c03326