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  分子運(yùn)動(dòng)是連接材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)鍵橋梁，也是生命體系活躍性的重要物理基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)有調(diào)控分子運(yùn)動(dòng)的手段往往不可避免地與其他結(jié)構(gòu)參數(shù)高度耦合，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)分子運(yùn)動(dòng)本身的獨(dú)立調(diào)控。例如，傳統(tǒng)高分子理論普遍認(rèn)為，分子運(yùn)動(dòng)與體系的分子量或濃度密切相關(guān)，因而難以在維持相同或近似分子質(zhì)量或濃度的條件下，對(duì)分子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。因此，提出新的分子合成策略，發(fā)展能夠?qū)崿F(xiàn)分子運(yùn)動(dòng)獨(dú)立調(diào)控的新方法，將從結(jié)構(gòu)層面拓展調(diào)控材料分子性質(zhì)的新維度，并為化學(xué)、材料及生命科學(xué)等領(lǐng)域提供重要的物質(zhì)基礎(chǔ)與認(rèn)知工具。

  近日，中山大學(xué)林倩明課題組提出以環(huán)共價(jià)橋連劑作為聚輪烷的大環(huán)分子運(yùn)動(dòng)的調(diào)控模塊，通過(guò)精確控制橋連后環(huán)聚集體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，成功制備了一系列具有可控分子運(yùn)動(dòng)性的聚輪烷分子。課題組進(jìn)一步聯(lián)合暨南大學(xué)馬棟研究員、溫州研究院鄧俊杰研究員及浙江大學(xué)季葆華教授，在生物力學(xué)、細(xì)胞及動(dòng)物水平系統(tǒng)驗(yàn)證了細(xì)胞能夠有效感知聚輪烷所攜帶信號(hào)分子的分子運(yùn)動(dòng)特征，并可依據(jù)其分子運(yùn)動(dòng)速率產(chǎn)生特定的生物學(xué)應(yīng)答。

  2025年11月19日，相關(guān)成果以“Polyrotaxanes Send Shuttling Signals”為題發(fā)表于美國(guó)化學(xué)會(huì)志《Journal of the American Chemical Society》。文章共同第一作者為中山大學(xué)碩士譚宇婷（課題組第一屆畢業(yè)研究生）和中山大學(xué)-暨南大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生姜欣林（目前單位廣州紅十字會(huì)醫(yī)院）。文章得到共同通訊作者浙江大學(xué)季葆華教授，溫州研究院鄧俊杰研究員，暨南大學(xué)馬棟研究員的大力支持。

  科學(xué)假設(shè)：聚輪烷由軸分子與多個(gè)可在其上移動(dòng)的大環(huán)構(gòu)成。研究者提出，若能將同一軸上的多個(gè)大環(huán)選擇性地連接在一起，可形成“體型”更大的環(huán)聚集體，從而顯著減慢其在軸上的運(yùn)動(dòng)速度。由于這種連接不破壞大環(huán)與軸之間的機(jī)械互鎖關(guān)系，整體分子量幾乎不變，因此可在近似恒定的整體條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)局部分子運(yùn)動(dòng)速率的精準(zhǔn)調(diào)控。

  合成難點(diǎn)：如何在復(fù)雜的聚輪烷體系中，實(shí)現(xiàn)同一軸內(nèi)部大環(huán)分子之間的選擇性偶聯(lián)，并有效抑制軸間交聯(lián)反應(yīng)，是該合成策略面臨的核心挑戰(zhàn)。

  基于對(duì)分子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)控的需求，針對(duì)上述反應(yīng)選擇性難題，研究者提出利用聚輪烷機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)中，大環(huán)在沿軸方向與跨軸方向擴(kuò)散行為存在差異這一特點(diǎn)（圖1），即拓?fù)湎拗菩?yīng)，從而誘導(dǎo)大環(huán)優(yōu)先在同一軸上發(fā)生橋連反應(yīng)，獲得具有一定縱向拓展結(jié)構(gòu)的環(huán)聚集體。

圖1. 聚輪烷中大環(huán)在與其機(jī)械互鎖軸上的定向運(yùn)動(dòng)促使其在同軸內(nèi)發(fā)生橋連反應(yīng)

  出于對(duì)材料生物相容性及其在體液環(huán)境中水溶性的綜合考慮，本研究選用α-環(huán)糊精（α-CD）作為大環(huán)分子，分子量為 35,000 Da 的聚乙二醇（PEG）作為軸分子，環(huán)氧氯丙烷作為橋連劑（偶聯(lián)過(guò)程中引入 1 當(dāng)量羥基，有利于維持水溶性），體系的穿環(huán)率約為 27%。

  研究者首先通過(guò)一維和二維核磁共振氫譜，對(duì)橋連后聚輪烷的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及大環(huán)與橋連劑的比例進(jìn)行精確表征，并定義 PR(x)（x 為核磁分析得到的橋連劑/環(huán)比例）。隨后通過(guò)凝膠滲透色譜（GPC）分析（圖2A）發(fā)現(xiàn)：對(duì)于以 35,000 Da PEG 為軸構(gòu)建的聚輪烷體系，當(dāng)橋連劑比例較低時(shí)，GPC 顯示為結(jié)構(gòu)堆積形成的單峰（圖2A 中類(lèi)型 2），整體分子量?jī)H輕微上升，表明此時(shí)橋連反應(yīng)主要發(fā)生為“軸內(nèi)橋連”。隨著橋連劑比例進(jìn)一步提高，GPC 中出現(xiàn)分子量成倍增加的“軸間交聯(lián)”副產(chǎn)物（圖2A 中類(lèi)型 3）；當(dāng)橋連劑比例繼續(xù)升高時(shí)，則可觀察到明顯沉淀，指示體系中發(fā)生了嚴(yán)重的軸間交聯(lián)反應(yīng)。上述結(jié)果初步驗(yàn)證了研究者的設(shè)想，即大環(huán)在軸上的定向運(yùn)動(dòng)有利于同軸內(nèi)橋連產(chǎn)物的形成。

  為進(jìn)一步驗(yàn)證該假設(shè)，研究者合成了穿環(huán)率接近（約 27%）、但軸分子分子量降低至 4,000 Da 的聚輪烷體系，并系統(tǒng)考察其在與橋連劑反應(yīng)時(shí)的偶聯(lián)選擇性（軸內(nèi) vs 軸間）。前期研究（Lin & Ke et al., Chem 2021, 7, 2442–2459）表明，在 CD/PEG 構(gòu)建的聚輪烷體系中，未被大環(huán)套住的 PEG 鏈段形成的線團(tuán)（coil）結(jié)構(gòu)，是限制大環(huán)在軸上穿梭運(yùn)動(dòng)的重要能量壁壘。當(dāng) PEG 分子量由 35,000 Da 降至 4,000 Da 時(shí)，聚合物鏈長(zhǎng)度顯著縮短，在穿環(huán)數(shù)相近的條件下，短鏈 PEG 更不易形成穩(wěn)定的線團(tuán)結(jié)構(gòu)，從而降低了大環(huán)在軸上穿梭的能壘，增強(qiáng)了其沿軸方向的定向運(yùn)動(dòng)。基于這一判斷，研究者推斷該體系將更有利于發(fā)生軸內(nèi)橋連反應(yīng)。GPC 結(jié)果（圖2B）與該推斷高度一致：即使在較高橋連劑比例下，該體系仍?xún)H觀察到軸內(nèi)橋連產(chǎn)物，對(duì)應(yīng)單峰分布。

圖2. 通過(guò) GPC 分析區(qū)分軸內(nèi)橋連與軸間交聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過(guò)縮短軸長(zhǎng)度、抑制未套環(huán) PEG 的線團(tuán)結(jié)構(gòu)形成，調(diào)控大環(huán)在軸上的滑動(dòng)能壘，從而進(jìn)一步提升軸內(nèi)橋連反應(yīng)的選擇性。

  在確認(rèn)“定向”分子運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的軸內(nèi)橋連反應(yīng)選擇性后，研究者對(duì)所得環(huán)聚集體的分子運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行了系統(tǒng)表征（圖3）。變溫核磁（VT-NMR）、橫向弛豫時(shí)間（T₂）以及擴(kuò)散序譜（DOSY）結(jié)果一致表明，隨著橋連劑比例的提高，環(huán)在軸上的穿梭運(yùn)動(dòng)逐漸減慢，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)分子的分子運(yùn)動(dòng)速率的連續(xù)調(diào)控。由于軸與環(huán)之間不存在共價(jià)連接，橋連后的環(huán)聚集體仍保持機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，而橋連劑的引入僅使整體聚輪烷分子量發(fā)生輕微變化（已通過(guò) GPC 驗(yàn)證），因此該策略實(shí)現(xiàn)了在近似分子量條件下，對(duì)機(jī)械互鎖環(huán)分子運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立調(diào)控。

圖3. 分子運(yùn)動(dòng)調(diào)控模塊的引入有效實(shí)現(xiàn)對(duì)大環(huán)在軸上分子運(yùn)動(dòng)的調(diào)控

  在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)（聯(lián)合暨南大學(xué)、溫州研究院及浙江大學(xué)）在上述具有分子運(yùn)動(dòng)獨(dú)立調(diào)控能力的聚輪烷環(huán)聚集體上，共價(jià)接枝免疫信號(hào)分子（anti-CD3、anti-CD28 和 OVA多肽）。在信號(hào)分子濃度一致、界面機(jī)械模量一致的條件下，研究發(fā)現(xiàn) na?ve T 細(xì)胞能夠有效響應(yīng)由環(huán)聚集體攜帶、具有不同分子運(yùn)動(dòng)特征的信號(hào)分子，并系統(tǒng)揭示了信號(hào)分子的分子運(yùn)動(dòng)如何被轉(zhuǎn)導(dǎo)為細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路的分子機(jī)制（圖4），從而提出了“分子運(yùn)動(dòng)”作為生物信號(hào)傳遞的重要新參考維度。

圖4. Naive T 細(xì)胞感知聚輪烷分子運(yùn)動(dòng)的分子機(jī)制

  本文通訊作者林倩明感謝國(guó)家自然科學(xué)青年基金（22501303），深圳市醫(yī)學(xué)研究專(zhuān)項(xiàng)資金青年項(xiàng)目（A2503035），廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2023A1515011849和2024A1515010389），深圳市基礎(chǔ)研究專(zhuān)項(xiàng)自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（JCYJ20250604174706009和JCYJ20220530145602005）及深圳市優(yōu)秀科技創(chuàng)新人才培育項(xiàng)目（RCBS20231211090559097），中山大學(xué)高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（23qnpy103）及中山大學(xué)“百人計(jì)劃”啟動(dòng)費(fèi)對(duì)本項(xiàng)目的支持。

  文章最后，作者謹(jǐn)以此文悼念分子機(jī)器領(lǐng)域先驅(qū) Fraser Stoddart 爵士。

  This work is dedicated to the memory of Sir Fraser Stoddart.

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5c15927

招聘啟事

林倩明，博士，中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院助理教授。2016年獲暨南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位（12級(jí)化學(xué)生物學(xué)創(chuàng)新班），期間獲“益海嘉里本科創(chuàng)新人才專(zhuān)項(xiàng)獎(jiǎng)學(xué)金”。2021 年于美國(guó)達(dá)特茅斯學(xué)院獲得化學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位（Ph.D.），并獲 Walter H. Stockmayer Chemistry Fellowship 榮譽(yù)。2022 年入選中山大學(xué)“百人計(jì)劃”，任助理教授。其課題組（LAM GROUP）主要從事生物醫(yī)用超分子材料研究，研究方向涵蓋生物醫(yī)用分子機(jī)器、冷凍化學(xué)合成及界面超分子聚合等，致力于發(fā)展具有可控分子運(yùn)動(dòng)與精準(zhǔn)多級(jí)結(jié)構(gòu)的功能分子及材料，服務(wù)于精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)等相關(guān)應(yīng)用。目前已在JACS、Chem、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Sci. 等期刊發(fā)表論文19篇；獲授權(quán)國(guó)際/美國(guó)專(zhuān)利 3 項(xiàng)，申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利 6 項(xiàng)（均已公開(kāi)）。其中，一項(xiàng)關(guān)于腦損傷修復(fù)水凝膠的美國(guó)專(zhuān)利已實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化并獲得許可應(yīng)用。

課題組網(wǎng)站 LinResearchGroup.com

課題組目前招聘博士后研究人員 2 名，具體方向如下：

（1）生物醫(yī)用分子機(jī)器方向：側(cè)重基礎(chǔ)研究，開(kāi)展分子運(yùn)動(dòng)調(diào)控及其生物醫(yī)學(xué)功能的系統(tǒng)研究；

（2）三維細(xì)胞培養(yǎng)裝置與相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方向（企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)）：側(cè)重成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)品研發(fā)，配套產(chǎn)業(yè)化及工程化相關(guān)資源。

課題組將提供深圳市具有競(jìng)爭(zhēng)力的薪資待遇及良好的科研與發(fā)展環(huán)境。同時(shí)，課題組也歡迎科研助理及聯(lián)合培養(yǎng)研究生加入，開(kāi)展學(xué)習(xí)與學(xué)術(shù)交流。有意者請(qǐng)直接郵件聯(lián)系：林倩明 linqm5@mail.sysu.edu.cn。