文献分享 | 《 Chem：手性生物分子中对映特异性相互作用的实验证据 》

生命体系中的功能分子基本都具有特定的手性构型。这种经过大自然数百万年演化产生的手性结构对生命化学过程具有重要的生命意义，比如手性生物分子间具有强烈的对映选择性相互作用及生物分子具有相对快速实现复杂生命过程的能力等。那么这种手性分子是如何利用其不对称结构在生物反应过程中发挥重要的作用？本文的研究工作给出了一个参考答案：手性分子之间存在电子自旋态约束的相互作用，这种相互作用对分子间物化过程具有显著的调节作用。

以往研究表明，在手性分子系统中引入电子自旋相互作用可以显著增强系统内的对映体选择性。这主要是源于电荷重排导致的分子自旋极化，而自旋极化分子间的相互作用受到自旋对称性的制约。然而，这种自旋相关的相互作用从未被实验检测过。本文通过采用原子力谱法直接测定了同种与异种手性寡肽之间的相互作用，通过理论计算得到自旋相关的对映特异性相互作用能量模型，发现自旋约束效应使分子间相互作用具有对映选择性。这种具有空间方向性的对应特异性相互作用将有效减小系统中相互作用的空间相位，有助于解释复杂生命过程中高效的反应过程。

图1：手性分子间相互作用诱导的自旋极化和实验装置图

（A）当手性分子发生相互作用，电荷发生重排产生分子内偶极，并由于CISS效应使得分子端位的正/负电荷是自旋极化的。分子端位的自旋极化方向（红色箭头）依赖于分子的手性特征。

（B）左侧：当两个相互作用的分子具有相反的手性，那么两个相互作用的自旋是平行的，为高自旋态；右侧：当两个相互作用的分子具有相同的手性，那么两个相互作用的自旋是反平行的，为低自旋态。

（C）实验装置示意图，包含AFM系统和吸附在金片上的单层多肽链。

（D）AFM金探针尖端修饰有L-AHPA配体。使用HS-PEG将配体和金探针尖端隔开60 nm，将体系浸入乙醇中消除张力。

当手性分子相互靠近至短程相互作用范围内，分子将发生电荷重排，导致电偶极的形成。此时在分子偶极端位处会出现一部分未配对的电子，而由于自旋筛选效应（chirality induced spin selectivity, CISS）的存在，电荷极化过程中将产生一个优势自旋态，即在该手性分子的端位产生自旋极化电荷，如图1A所示。鉴于具有α螺旋结构的聚丙氨酸（alpha helix polyalanine，AHPA）具有较强的自旋分离效率，研究者将其作为模型分子进行研究。AHPA具有两种对映异构体，当两个相反手性的分子相互靠近时，分子靠近端会产生相同的自旋极化，导致该接触端是高自旋状态；而当两个相同手性的分子相互靠近时，分子靠近端会产生相反的自旋极化，导致该接触端为低自旋状态，如图1B所示。基于对称性约束原理，两种手性产生的物理化学性质必然是不一样的。

图2：分子拉升力谱曲线和对应的模型演示

（1）悬臂梁与样品的基底接触；

（2）悬臂梁接触基底上的手性多肽分子；

（3）分子受到拉力拉升，两分子排列一条线上，此为拉升事件；

（4）分子拉升断裂点，双分子节断裂，悬臂梁感应的力归零。

其中，拉力值为（3）中分子结断裂点的力值；拉力的机械能为从分子结断裂到力谱归零的区间内，即状态（3）到状态（4）过程中拉力对位移的积分值。

基于此，研究者利用原子力显微镜（atom force microscope, AFM）检测上述两种同手性和反手性分子之间的相互作用力，如图1C所示。他们在AFM探针尖端上修饰一种手性多肽分子，在基底处修饰同种手性或异种手性的多肽分子。在测量过程中，AFM探针向下运动使得探针端的多肽分子与基底的多肽分子相互靠近。若两条多肽为同种手性时，靠近端处将产生相反的自旋极化排布，反之则产生相同的自旋极化排布，如图1D。而两种情况产生的力的差异可被AFM捕捉到，由此实现对手性分子间对映选择性相互作用的力谱表征。

研究者通过测试1000 条力谱曲线，筛选其中具有明显拉升事件的数据。为了进一步简化做无偏分析，研究者将获取的拉力做平均化处理，作为分子相互作用力值（mean pulling force, MPF）。

同种和异种对映异构体之间的作用力差异如图3所示。左手螺旋和右手螺旋的多肽分子（L-AHPA\D-AHPA）分别吸附在金基底。同时，使用非手性的巯基-12-癸酸作为等长度分子的控制对照实验。如图3A所示，同手性多肽分子间的键合作用力比异手性间的作用力大70±10 pN，这主要是由于CISS效应产生的交换相互作用所导致。通过将作用力在作用距离上的积分值作为相互作用的能量值，得到两体系的作用能量差异为0.3 eV。同时，力谱测试和相互作用能量值与单线态和三线态的能量差（~1 eV）接近。图3B中展示了四种测试样品的力信号的分布情况。研究者将四个样品中几乎相等的较小作用力归属为库仑力和色散力，而每个样品中测得的较高作用力被归属于自旋依赖的交换相互作用。并且，在同手性和异手性分子对样品中，较高作用力也是有区别的，相同手性的对映异构体（L-L）之间的力明显大于相反手性对映异构体件（L-D）的力。同时，空白金基底样品的平均作用力低于手性L-L相互作用力。

图3: 对映选择性的力谱测试

（A）探针吸附（L-AHPA）和基底吸附AHPA单分子层的平均拉力（MPF）。同时将巯基-12-癸酸和金基底作为控制实验，测到了同种对映异构体和异种对映异构体之间作用力的差别。同种手性的对映异构体间作用力比异种手性的作用力大70±10 pN。

（B）力分布统计：较宽的力分布说明具有较多种类的作用力。

为了进一步确认两种对映异构体之间的键合差异来源于自旋相互作用，研究者测试了吸附L-AHPA单层的金基底。若电子从金基底上通过手性单分子层，将产生自旋极化，整个体系具有顺磁性。当样品放入外磁场中时，手性分子中的自旋电子波函数将发生变化。探针与基底上的分子接近时，电荷发生重新分布，两种系统将产生不同的电化学势（图4A1）。由于该电化学势的存在，手性分子内的电荷在电极化同时产生自旋极化，而这种带有自旋极化的电荷影响了分子之间的相互作用力，实验测得磁场朝上和朝下分子拉力差异为28±9 pN （图4A2）。从图4A3的拉力值分布图可以看出，在不同磁场朝向中拉力值分布的明显差异。

此外，研究者还考察了两个分子之间自旋主导的作用力的作用范围。分子电荷重排过程导致分子极化状态的改变，同时伴随着分子与基底之间发生电荷交换。从基底到探针的电荷输运增加了分子相互作用区域的自旋密度。自旋交换相互作用的本质是波函数的重叠，是一种短程作用力。之前研究表明，自旋相互作用的弛豫距离为0.7 nm。为了探测本研究中的自旋效应的作用距离，研究者在基底的L/D-AHPH上键合不同层数的非手性甘氨酸分子层，每层非手性甘氨酸分子层的厚度是0.4 nm （图4B1）。图4（B2-B3）表明，一层甘氨酸导致的平均拉力降低了25±4 pN，这说明自旋效应显著降低。但是当隔离层达到两个甘氨酸分子层（0.8 nm）时，手性分子相互作用力之间的差异就消失了，表明手性分子之间距离依赖的作用力来源于自旋交换相互作用。同时，手性螺旋肽链渗透进入非手性单分子层也是在短程内起作用。当手性分子与非手性分子相互作用的时候，分子间的自旋交换相互作用将迅速消失，因为在非手性分子极化端的电子自旋朝向是随机的，导致自旋交换项消失。

图4：在不同外磁场下测得的力谱结果

（A1）不同自旋注入条件下的力测试模型。磁体置于样品下方改变电子的自旋波函数产生不同的分子间作用力。

（A2）不同磁场朝向中，L-AHPA分子间平均拉力（MPF）差异。

（A3）分离手性单分子层的力谱分析结果。

（B1）AHPA分子层顶端连接甘氨酸后的测试模型，甘氨酸的羧基朝上。

（B2）顶端连接甘氨酸后的L-AHPA和D-AHPA与尖端的L-AHPA之间作用力测试模型。

（B3）作用力值分布。第一个力值为非特异性相互作用，第二个力值为交换相互作用，内置图为当加了零层、一层、两层、甘氨酸分子的L\D构型测试体系内平均拉力值的衰减。

图5：模型计算结果

（A）分子自旋极化产生的相互作用势能：具有相反自旋方向的分子（蓝色）或具有相同自旋方向的分子（红色）；

（B）自旋平行或者反平行分子对能量差异关于两分子距离和趋近角的函数分布。

通过模型理论计算发现，当分子之间的距离在0.2-0.3 nm时，自旋相互作用最为明显 （图5A），与实验结果定性吻合。同时，在角度和距离依赖的势能计算中显示，当两分子以90°朝向产生相互作用时，基于自旋极化相互作用的分子力将变得很小（图5B）。从理论计算的结果可以看到，基于自旋效应的分子间相互作用具有严格的分子间距离和分子间空间角度限制。而这种分子距离和分子间角度大量的存在于生命体系中，因此这种结构上的特点被认为与某些复杂的生物过程相关。

本文通过原子力显微镜原位捕捉到不同手性分子间相互作用力的差异，研究者将这种差异归结于分子接触端的自旋极化状态。同手性分子在接触端能产生相反自旋排布的低自旋状态，异手性分子在接触端产生相同自旋排布的高自旋状态，前者产生的作用引力较后者高70 pN。通过控制对照实验和理论计算，证明这种自旋相互作用仅在短程内发生，同时非常依赖分子朝向。

本文研究结果认为这种对空间距离和分子构型极度相关的自旋相互作用，可以解释生命环境中高效的对映选择性过程。同时，本文中捕捉到的手性分子间的对映特异性相互作用与基于分子结构的生物识别机理不同，且不能用对映异构体的长程静电相互作用机理进行解释。同时，现有针对对映选择性的计算理论也不能重现本实验中观测到的高对映选择性现象。因此，还需要有更多的研究工作扩展这种对映选择性的普适性。

参考文献：

[1] KAPON, Yael, et al. Evidence for new enantiospecific interaction force in chiral biomolecules. Chem, 2021, 7.10: 2787-2799.

编    辑：苑子恒