填料结合蛋白的原理（八面玲珑的Fujita超分子球笼）

超分子笼“分子烧瓶”

Fujita教授课题组的超分子笼最早报道于1995年的Nature（图1）。[1] 该型超分子笼金属中心为单核的钯，面配体是三吡啶三嗪（TPT）。钯一般是四配位，于是他们使用了cis-乙二胺保护的钯硝酸盐作为原料。这个金属配合物是溶于水的，他们先把这个水溶性配合物溶在水里配成溶液，将不溶于水的TPT有机配体悬浮于溶液中，通过加热和搅拌，原本不溶于水的TPT逐渐溶解，通过核磁他们发现了一个新的配合物，这就是M6L4超分子笼。由于这里有六个金属中心，四个三齿的有机平面配体，他们也把这称为“由十个分子组装得来的纳米级有机主体框架”。值得一提的是，在尝试获得这一超分子的单晶时，作者添加了金刚烷甲酸。有趣的是，在解析晶体的过程中，不仅超分子笼的框架结构可以清楚的解析出来，还可观测到金刚烷甲酸分子被吸附在超分子笼的空腔里。这种主客体作用力诱导的客体吸附能力，以及可以通过单晶解析其结构的特点，为超分子笼之后二十年持续在这一领域做出杰出贡献奠定了基础。

图2. Fujita M6L4笼在Diels-Alder反应中展现的位置选择性调控能力。(A) D-A反应和底物。（B）D-A加成的产物。（C）1,4-加成的D-A产物被包裹于超分子笼的空腔（X-射线数据）。（D）反应底物的双烯和亲双烯体被共包裹于超分子笼的空腔（X-射线数据）。

Fujtia于2012年在JACS上报导了超分子笼对Knoevenagel反应的催化，这种能力对于超分子笼来说并不多见。[3] 超分子笼一如既往的包裹了其中一个反应底物2-萘甲醛，而另一个反应底物米氏酸（Meldrum's acid）则由于有一定水溶性而游离于笼外的水溶液中（图3a）。通过加热，作者发现原本澄清透明的溶液变浑浊了，而通过核磁他们发现超分子笼空腔中并没有产物（图3b）。这是怎么回事？原来这次比较凑巧，反应产物由于体积过大，自动的被超分子笼“踢”出了空腔，反而因此完成了催化循环。混浊的物质是反应产生的产物，不溶于水，通过有机溶剂萃取就可以得到大量的产物（图3c）。

图3. Fujita M6L4 笼在Knoevernagel反应中展现的催化能力。(a) M6L4笼包裹反应底物2-萘甲醛（澄清）。（b）M6L4和反应产物分相（浑浊）。（c）核磁表征M6L4笼包裹反应底物以及萃取产物。

这个故事对刚踏入研究领域的朋友们有着重要的指导意义。首先就是要认真观察实验现象。对于水溶性笼体系，澄清意味着溶解性很好，而浑浊往往意味着超分子笼体系遭受破坏，其有机组分析出。本文里的类似现象，通过作者的细致研究，原来是不溶于水的反应产物在“搞事”。另外，对于实验现象还要多做分析和思考。Fujita课题组在进行产物溶液的核磁研究时，开始没有发现产物的信号，这意味着超分子笼里面并没有生成产物，这时候很多小伙伴可能就要放弃或者下结论“反应失败”。而Fujita课题组结合对实验现象的观察，想到了更加深入：有没有可能是产物离开了超分子笼空腔，因此在核磁表征中没有信号？结果正是证实了他们的猜想，从而发现了超分子笼除了作为分子反应器，还具有催化能力。所以，在研究中一定要通过多种表征手段去验证实验结果，不要轻易放弃。

仿病毒结构的超分子球

除了超分子笼反应器，Fujita教授另一个独具特色的工作就是仿病毒结构的超分子球。我们知道，化学学科是一门实验科学，很多实验结果无法预料。如果有人在实验之前，就画出一个未来20年的路线图（Roadmap）来规划自己的研究方向，并预测自己的研究结果，恐怕大多数化学研究者都要对此嗤之以鼻吧。让人惊讶的是，Fujita教授的超分子球却是一个20年前就已经规划好的方向，他们通过多年研究，一个一个地获得了哪些存在于预测中的结构。

病毒分子是一个极其复杂的球型蛋白质组装体。例如前一段时间很火的寨卡病毒结构（图4）。[4] 通过配位化学来模拟病毒结构，有助于人类认识病毒的构成，进而找到击败他们的办法。

图4. 3.7 Å分辨率冷冻电镜下寨卡病毒（ZIKV）结构。

MnL2n结构超分子球就是一个模拟病毒的很好样板。二价的钯或铂金属离子（M）一般和四个吡啶配位形成平面正方形结构。如果一个有一定夹角的刚性配体（L）通过两端的吡啶和M配位反应，可以形成闭合的球状分子，平均每个金属离子分得两个配体，最简式为MnL2n。抽象来看把M视为多面体顶点而L视为多面体边，从数学角度可以推算出符合MnL2n的多面体只有下面五种（图5）。得到这些结构取决于L的夹角角度，原则上来讲，越大的夹角可以得到更大的球。

图5. 预测的MnL2n结构超分子球（至2017年，M30L60及其以前的四个超分子结构都已经得到）。

2004年，Fujita课题组使用120度夹角的配体，得到M12L24截半立方体球（cuboctahedron）。[5] 作者使用了单晶、核磁和质谱表征了这个结构（图6）。

图6. M12L24超分子球的X-射线单晶结构。

2009年，Fujita课题组意识到，具有90度夹角的配体可以得到更小的立方体球（cube）。于是作者付诸了实践，果然得到了M6L12。[6] 同样的，作者给与了全面表征（图7）。由于同一时期，已经有Yaghi、Zaworoto和Eddaoudi分别报道了M6L12和M12L12超分子球，把球做大成了Fujita组的急切目标。这里也可以看到，大牛的研究也不一定完全按照路线图从小到大的得到超分子球，第一和第二个球的顺序颠倒了一下，这也许也代表了化学这一实验学科的偶然性吧。

图7. （A）M6L12超分子球的核磁谱图（由于高对称性，配体的氢只有一套峰）。（B）M6L12超分子球的质谱图。（C）M6L12超分子球的X-射线单晶结构。

到了2010年，他们终于得到了M24L48超分子球的单晶结构（图8）。[7] 据Fujita组毕业的留学生所述，其实自从2004年他们得到M12L24球时已经开展了这个M24L48超分子球的研究，中途换了好几届博士生，虽然得到了核磁和质谱，但始终无法得到单晶。这里就不得不说这个MnL2n体系的结晶难度。由于配体本来就很难溶，他们一般都使用DMSO或DMF这些高沸点溶剂进行晶体生长。可想而知，由于自身挥发很缓慢，这些大球本身很“娇贵”，在结晶过程中要么得到澄清溶液，要么得到粉末。即使偶尔得到的单晶也会面临离开溶剂不稳定、衍射点不足、溶剂丧失导致的晶体死亡的等问题。终于在2010年由当时还在东京大学读博的孙庆福研究员（现任职于中国科学院福建物质结构研究所研究员，“青年千人”）经过反复尝试，最终得到了单晶而“一锤定音”，将M24L48超分子球在Science 上展示出来。这不得不让笔者想到曾志伟在《无间道》里说的“一将功成万骨枯……”，哦，不不不，是爱迪生的名句“天才是百分之一的灵感加上百分之九十九的汗水……”。开个玩笑，请孙老师不要见怪。对于目标的坚持，不断的努力和尝试是取得科研成功的充分不必要条件。继续说正题，配体结构夹角对超分子球结构具有巨大影响。例如，具有149度夹角的配体1可以得到M24L48超分子球2，而只有127度夹角的配体3可以得到M12L24超分子球4。

图8. （A）149度夹角的配体1可以得到M24L48超分子球2。（B）127度夹角的配体3可以得到M12L24超分子球4。（C）M24L48超分子球2的X-射线单晶结构。

又过了六年，Fujita课题组在Cell 姊妹刊Chem 的创刊号上以封面文章的形式发表了M30L60超分子球的单晶结构（图9）。[8] 这个大球具有90个组分，8.2纳米的直径和157,000 Å的空腔容积。配体的柔韧性是形成这个组装体的关键。他们发现，之前预测的能形成M30L60超分子球所需要的是接近150度理想夹角，而具有149度夹角的噻吩配体只能形成M24L48超分子球。如果持续加热M24L48的溶液，他们在质谱上发现了微量的M30L60。于是他们继续改进配体，改变了配体柔韧性，终于配体3d可用于合成M30L60。通过延长配体，减少配位点附近位阻，然后通过加入甲基取代限制C-C δ键的旋转，从而如愿以偿得到了M30L60 超分子球（点击阅读详细）。至此，他们路线图上倒数第二块拼图得以完成，相信在不久的将来他们一定会完成那最后一块拼图。

图9. （A）拥有不同柔韧性的噻吩配体3a-3d。（B）M30L60超分子球的X-射线单晶结构。

一直以来，超分子化学带来了不少漂亮的结构，但被人诟病的是难以找到相应的应用。于是，2012年Fujita组使用他们超分子球族谱中一个较小的球，包裹了蛋白质Ubiquitin，并结合单晶衍射和最大熵方法（maximum entropy method，MEM）表征了包裹在笼空腔中的蛋白质的电子密度图（图10）。[9] 他们通过修饰有机配体的endo 位点，通过共价键引入固定在配体上的蛋白质。这个超分子结构最终包裹了一个蛋白质分子（Ubiquitin），这对于通过化学手段调控蛋白质的结构和功能来说走出了一条新路。

图10. （a）M12L24超分子球包裹蛋白质示意图。（b）M12L24超分子球包裹Ubiquitin的X-射线单晶结构（电子云密度图显示客体分子）。

——小结——

Makoto Fujita课题组自1995年首次报道M6L4超分子笼，经历了20年的发展，在客体识别、客体包裹、反应选择性调控、反应催化以及构象稳定上做出了深入研究。M6L4超分子笼确实是实至名归的“分子反应器（Molecular Flask）”，还意外发现了催化有机反应的活性。另外，Makoto Fujita教授自2004年首次提出MnL2n结构超分子球路线图，经历了12年的研究，先后合成并得到了M6L12、M12L24、M24L48和M30L60的晶体结构，并且找到了这些大型超分子结构的一些生物方面的应用。请允许笔者用“超分子美学家”来称呼本次获得沃尔夫奖的Fujita教授以及其他在背后默默做出贡献的超分子化学家。虽然超分子结构有很多，但超分子化学的应用还处在方兴未艾的阶段，希望更多的研究者加入进来，拓展这一学科的应用，使其在配位化学中成为至关重要的一个分支。