前言与背景
近日， 2020届硕士校友蔡淑柠在Journal of the American Chemical Society（JACS）上发表题为《Direct Imaging of Chirality Transfer Induced by Glycosidic Bond Stereochemistry in Carbohydrate Self-Assemblies》的研究论文。该研究由蔡淑柠、Joakim S. Jestilä博士、Peter Liljeroth 教授与 Adam S. Foster 教授合作完成，论文展示了如何利用非接触式原子力显微镜（nc-AFM）结合机器学习驱动的结构重构方法，成功实现了碳水化合物自组装手性转移机制的原子尺度直接观测。
碳水化合物作为生物体内最丰富且功能多样的分子，其生物活性往往依赖于精细的立体化学构型，尤其是糖苷键的构型对其识别行为、组装结构及宏观性质有着深远影响。由于其高度柔性和构象多样性，传统表征技术（如X射线衍射、核磁共振等）在解析其精确三维结构方面存在明显限制，成为制约糖组学深入发展的瓶颈。
研究内容
在本项工作中，研究团队以两种仅糖苷键构型（α/β）不同的模型分子——4-nitrophenyl-α-D-galacturonide（NADG）与其β-异构体NBDG——为对象，系统研究了其在Au(111)金属表面上的自组装行为。实验发现，这种微小的立体构型差异可显著改变其表面吸附构象及相互作用模式，进而诱导形成镜像对称但手性相反的二维超分子晶体结构（图1）。这一现象清晰地揭示了从单一糖苷键手性出发，到宏观结构手性表达的层级手性转移机制（图2）。
图1. 桥头碳异构对Au(111)表面上生长的碳水化合物的手性选择的影响。
图2. 糖苷键调控的碳水化合物手性从零维分子到二维超结构的层级传递示意图。
为捕捉并精确解析上述手性转移过程，研究团队结合nc-AFM原子级成像与机器学习辅助的结构搜索算法，建立了高效的数据驱动多保真重构流程（图3）。通过密度泛函理论（DFT）与神经网络势函数（NequIP）协同工作，研究者首次获得了NADG与NBDG在表面吸附构象及其二维晶格单元的三维原子级模型。进一步的自然键轨道（NBO）分析揭示了糖苷键构型如何通过调控分子间氢键网络与立体电子效应，驱动自组装过程中的手性选择。
图3. 三维原子分辨率结构模型重建工作流程
总结
本研究不仅首次在原子分辨率下验证了碳水化合物在自组装过程中的手性转移机制，也为糖类材料、手性分子识别与自组装策略提供了新的设计思路。更广泛地，本工作展示了nc-AFM在复杂非平面生物大分子系统中的应用潜力，为糖组学（Glycomics）研究迈出了重要一步。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c16088
作者信息：
蔡淑柠
π-Lab 2020届硕士
毕业去向：PhD student 博士生
Aalto University 阿尔托大学
Peter Liljeroth 组
研究方向：Scanning probe microscope扫描探针显微镜
