在天然系统里，精准的核苷酸氢键碱基配对机制保障了遗传信息复制与传递的精准性。但在 DNA/RNA 的合成进程中，诸多因素，像复制酶校对功能失常、环境因素影响等，都会干扰这一过程，导致错配碱基对的产生。这些错配碱基对持续积累，就可能诱发癌症、遗传性基因疾病等严重问题。所以，精准识别特定的错配碱基对，深入探究其氢键配对原理，不仅有助于我们理解天然系统中生物分子间的相互作用，还能推动早期遗传突变的快速诊断。受 DNA 或 RNA 聚合酶识别机制的启发，超分子化学家提出了一种简化模型，即通过构建人工合成宿主（如配位或共价分子笼）来模拟碱基配对过程。然而，由于受到水溶液中水分子的干扰，捕获三磷酸核苷酸（NTPs）氢键碱基对具有较大挑战性。在之前的研究报道中，仅有少数人工识别系统对单个 NTP 分子进行选择性识别，并不能促进水溶液中的 NTP 分子之间形成氢键碱基对。
近日，曹利平课题组在前期四苯乙烯基吡啶阳离子分子笼的合成及对生物分子识别的基础上（J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 30933-30946; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 8412-8415; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202405150;Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59, 10101-10110; CCS Chem. 2022, 4, 2914-2920; CCS Chem. 2021, 3, 2749-2763; Chem. Sci. 2023, 14, 833-842.），设计合成了两个基于四苯乙烯的八咪唑阳离子笼 1和2。1的三维（3D）疏水空腔提供了一种理想的环境，用于在水溶液中形成 1:1:1 的异三元或1:2 的同三元主体-客体复合物来促进两个 NTP 分子之间的匹配或错配的氢键碱基配对。通过氢键、CH···π/π···π相互作用、静电力和疏水效应等多重非共价相互作用，NTP 的匹配和错配的氢键碱基对都被稳定地封装在1的空腔内。ITC热力学数据表明，水溶液中1对这些碱基对仿生识别主要受经典疏水效应（熵驱动，ΔS ≥ 0）或非经典疏水效应（熵驱动，ΔH << 0）驱动，凸显了自然系统中碱基配对过程的复杂性和多样性。竞争碱基配对实验表明，在此人工识别空腔中，从错配碱基对到匹配碱基对的转化是热力学驱动的，表明匹配碱基对具有热力学稳定性。碱基之间疏水性的差异影响了匹配碱基对形成过程中疏水效应的驱动力。
当 GTP 与1结合时，观察到 G 碱基上的质子转移变互变异构现象。1•GTP2 复合物的晶体结构首次展现出在仿生系统中形成的具有更稳定的Watson-Crick型氢键模式的互变异构碱基对（G:G*）。这种从 G:G 到 G:G* 碱基对的质子转移互变异构现象不仅增强了氢键碱基对的稳定性，而且对研究氢键相互作用动力学提供了有价值的见解，特别是在受控环境中。1 可以作为手性传感器，基于动态主-客体手性转移监测 G:G 碱基对的pH 依赖性互变异构转化。通过 CD 信号的变化，证明了 pH 值对生物碱基对构象的显著影响，以及仿生系统中不同碱基对的质子化，为 DNA 中这种突变的精确检测提供支持。相关成果以“Biomimetic Hydrogen‐Bonded Base Pairing of Nucleoside Triphosphates in Water by a Tetraphenylethene‐Based Octaimidazolium Cage”为题发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。全文链接为https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202505732。
图1. (a) RNA合成酶中NTP与模板DNA链的碱基配对（PDB ID: 2O5I）。(b)人工分子笼中GTP碱基对的仿生碱基配对和质子转移互变异构现象。
图2. (a)复合物1•GTP2 的晶体结构 (b) 1对具有pH 依赖性的G:G 碱基对的手性响应监测