3つのテトラフェニルエチレン(TPE)部位と二つのナノ空間を有するホスト分子が開発された。水中で、ジヌクレオチドを４つの核酸塩基からなる複合体として取り込むことが可能である。

水中で生体分子を捕まえる

生体内において、DNAやRNA（核酸）は塩基配列に依存して複数の高次構造をとる^[1]。この高次構造の形成を理解するためには、核酸の短い断片での複合体形成様式の研究が必要である。しかし、核酸の断片は、水中で水分子との水素結合が優先するため、複合体を形成させることは難しい。水中で核酸の高次構造を再現するためには、水分子との水素結合よりも強い相互作用を巧みに利用する必要がある^[2]。

これまで、水中で核酸断片を捕捉できるホスト分子が開発されてきた。例えば、テトラカチオンナノチューブ1やテオララクタム2は1つの核酸塩基誘導体を取り込むことができる (図1A)^{[3, 4]}。一方、複数の核酸塩基を取り込める大きなナノ空間をもつホスト分子の例は少ない(図1B)^{[2, 5]}。藤田らのPt錯体3、および、著者が以前報告した2つのExBox^[6]にエチレンを挿入した4は、それぞれ四塩基複合体(A･T･A･T)、および、三塩基集合体(A･T･A)を取り込める。これら3や4のように複数の核酸塩基を水素結合をした集合体として捕捉するホスト分子の開発は、未だ発展途上といえる。

著者らは、以前報告した4へのエチレンの挿入様式を改変したホスト分子5を開発した(図1C)。5は、2つのナノ空間を有し、面不斉と動的なプロペラ型軸不斉をもつ。グアニン(G)とシトシン(C)のジヌクレオシドd(GpC)が形成する四塩基複合体[d(GpC)]₂を2つ内包することができる。

図1. (A) ヌクレオシド三リン酸を捕捉するホスト分子 (B) ゲスト間で水素結合を形成する例 (C) 5のゲストとキラリティー

“Biomimetic Hydrogen-Bonded G · C · G · C Quadruplex within a Tetraphenylethene-Based Octacationic Spirobicycle in Water”
Zhao, L.; Cheng, L.; Yang, Y.; Wang, P.; Tian, P.; Yang, T.; Nian, H.; Cao, L. Angew. Chem., Int. Ed. 2024, e202405150.
DOI: 10.1002/anie.202405150

論文著者の紹介

研究者：Liping Cao (曹利平)

研究者の経歴：

2006                        B.S., Central China Normal University, School of Chemistry
2011                        Ph.D., Central China Normal University, School of Chemistry (Prof. Anxin Wu)
2011–2014         Postdoctoral Fellow, University of Maryland, Department of Chemistry and Biochemistry, USA (Prof. Lyle Isaacs)
2014–                     Professor, doctoral director, Northwest University, School of Chemistry and Materials Science, China
2017–2018       State-appointed visiting scholar, University of Utah, Department of Chemistry, USA (Prof. Peter Stang)

研究内容：新規水溶性カチオン性蛍光性大環状分子の合成と生体分子認識の研究, 大環状超分子骨格材料の構築と物性研究およびその応用

論文の概要

まず、著者らは彼らの先行研究^[7]と同様の手法で5を塩化物(5·8Cl^–)として合成した。次に、5とジヌクレオチドd(GpC)の複合体形成を等温滴定熱測定により解析した。その結果、4つの結合定数が得られ（K_a1–4= 10³–10⁴）、5はd(GpC)と1:4の比でホスト–ゲスト複合体(5⊃[d(GpC)]₄)を形成することが示唆された (図2A)。X線構造解析の結果、実際に5は2つの疎水性ナノ空間内にそれぞれ2つ[d(GpC)]を格納することがわかった(図2B)。取り込まれた[d(GpC)]は5とCH…p相互作用、CH…O水素結合を形成する。これらの相互作用による安定化エネルギーの総和が水分子との水素結合で得られる安定化エネルギーよりも大きいため、水中で複合体5⊃[d(GpC)]₄を形成することができる。

加えて、[d(GpC)]₄の取り込みによる5のプロペラ型軸不斉の変化を測定した。水中、円偏光二色性(CD: Circular Dichroism)スペクトルにおいて、5のみではシグナルは見られなかったが、[d(GpC)]₄を添加するとテトラピリジニウムTPEのp-p*遷移に対応するシグナルが見られた(図2C)。つまり、5は[d(GpC)]₄を内包することでプロペラ型軸不斉が固定されることを意味する。

また、長波長領域(410–500 nm)のCDスペクトルより、5⊃[d(GpC)]₄のプロペラ型軸不斉はpHによって変化することが明らかとなった(図2D)。5⊃[d(GpC)]₄は弱酸性条件下(pH = 5.74)で正のCotton効果を示し、塩基性条件下(pH = 9.22)で負のCotton効果を示した。先行研究より、それぞれMMM、PPPのプロペラ型軸不斉であることがわかった^[8]。一方、強酸性条件下(pH = 3.91)ではCotton効果を示さず、プロペラ型軸不斉が消失した。2つのd(GpC)はpH = 5.74においてHoogsteen型塩基対、pH = 9.22においてWatson–Crick型塩基対を形成し、pH = 3.91ではGとCが完全にプロトン化される。つまり、pH依存的な軸不斉変化はd(GpC)間の水素結合様式に依存していると考えられる。強酸性条件下(pH = 3.91)において軸不斉が消失したのは、プロトン化されたd(GpC)が取り込めなかったためと考えられる。したがって、5の立体配座はゲスト間の水素結合様式を反映することが示唆された。

図2. (A) 水中におけるホスト–ゲスト錯体の形成 (B) 5⊃[d(GpC)]4の単結晶X線構造 (C) 5の各pHにおけるCDスペクトル (D) pH依存的なゲスト分子の水素結合様式

参考文献

1. Monsen, R. C.; Trent, J. O.; Chaires, J. B. G-Quadruplex DNA: A Longer Story.  Acc. Chem. Res.2022, 55, 3242–3252.  DOI: 10.1021/acs.accounts.2c00519.
2. Sawada, T.; Yoshizawa, M.; Sato, S.; Fujita, M. Minimal Nucleotide Duplex Formation in Water through Enclathration in Self-Assembled Hosts. Nat. Chem. 2009, 1, 53–56. DOI: 10.1038/nchem.100.
3. Nian, H.; Cheng, L.; Wang, L.; Zhang, H.; Wang, P.; Li, Y.; Cao, L. Hierarchical Two‐Level Supramolecular Chirality of an Achiral Anthracene‐Based Tetracationic Nanotube in Water. Angew. Chem., Int. Ed. 2021, 60, 15354–15358. DOI: 10.1002/anie.202105593.
4. Van Eker, D.; Samanta, S. K.; Davis, A. P. Aqueous Recognition of Purine and Pyrimidine Bases by an Anthracene-Based Macrocyclic Receptor. Chem. Commun. 2020, 56, 9268–9271. DOI: 10.1039/D0CC03609A.
5. Cheng, L.; Tian, P.; Li, Q.; Li, A.; Cao, L. Stabilization and Multiple-Responsive Recognition of Natural Base Pairs in Water by a Cationic Cage. CCS Chem. 2022, 4, 2914–2920. DOI: 31635/ccschem.021.202101584.
6. Dale, E. J.; Vermeulen, N. A.; Juríček, M.; Barnes, J. C.; Young, R. M.; Wasielewski, M. R.; Stoddart, J. F. Supramolecular ExPlorations: ExHibiting the ExTent of ExTended Cationic Cyclophanes.  Acc. Chem. Res. 2016, 49, 262–273. DOI: 10.1021/acs.accounts.5b00495.
7. Duan, H.; Li, Y.; Li, Q.; Wang, P.; Liu, X.; Cheng, L.; Yu, Y.; Cao, L. Host–Guest Recognition and Fluorescence of a Tetraphenylethene‐Based Octacationic Cage. Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59, 10101–10110. DOI: 10.1002/anie.201912730.
8. Yan, C.; Li, Q.; Wang, K.; Yang, W.; Han, J.; Li, Y.; Dong, Y.; Chu, D.; Cheng, L.; Cao, L. “Gear-Driven”-Type Chirality Transfer of Tetraphenylethene-Based Supramolecular Organic Frameworks for Peptides in Water. Chem. Sci. 2024, 15, 3758–3766. DOI: 10.1039/D3SC06349F.