基于环二核苷酸组装高效人工RNA金属酶的手性催化
DNA和RNA是生命体遗传信息的载体，它们具有天然的空间结构。近年来，双螺旋DNA和G-四链体DNA被用作手性骨架和金属物种组装成人工DNA金属酶成功实现水相中的不对称催化。由于RNA结构的不稳定性，关于人工RNA金属酶的手性催化研究却寥寥无几。近日，陕西师范大学王长号副教授、陈亚芍教授和德国康斯坦茨大学Jörg S. Hartig教授、中科院大连化物所李灿院士合作发现一种环二核苷酸c-di-AMP和铜离子自组装形成稳定的人工RNA金属酶，对水相中的不对称Friedel-Crafts反应表现出优异的手性催化性能。
人工金属酶的组装是通过将金属催化剂引入到生物大分子（蛋白质和核酸等）的骨架结构中，实现生物催化和金属催化的相结合，旨在拓展金属/生物催化的反应类型和发掘生物分子的新功能。除了蛋白质作为手性骨架，DNA被广泛用于组装人工DNA金属酶，高效实现了一系列水相中的不对称反应。由于RNA容易降解并且结构不稳定，关于人工RNA金属酶的手性催化研究还很少。因此，开发稳定、高效的人工RNA金属酶成为人工金属酶的研究热点。
环二核苷酸（CDNs）是一类天然的环状RNA分子，它们含有两分子的核糖核苷酸和一个12元环结构，它们在自然界中作为第二信使分子参与信号传导和调节生理过程。但是，关于CDNs的催化功能研究尚未见报道。CDNs在不同的条件下可以形成多种空间构型，这为发展基于CDN的人工RNA金属酶提供了手性骨架。本课题组在研究中发现一种含有两个腺苷酸的环二核苷酸c-di-AMP和Cu2+离子能有效组装成人工RNA金属酶，对水相中的不对称Friedel-Crafts反应表现出高的反应活性和优异的手性选择性，最高ee值达到97%。相比空白反应，人工c-di-AMP金属酶提高反应速率3000倍以上。与单独铜离子相比，人工c-di-AMP金属酶也可以提高反应速率近20倍。控制实验表明，人工CDN金属酶中的两个腺苷酸和12元环结构对于CDN金属酶的手性催化性能至关重要。光谱表征和DFT计算表明，两分子c-di-AMP和Cu2+离子组装成二聚体结构，其中两个来自不同c-di-AMP的一个A碱基形成平面结构。Cu2+离子位于A-A平面中间，通过两个A碱基的N7位和临近的磷酸基的一个氧原子相互作用形成人工c-di-AMP金属酶。本研究表明CDNs可以作为一类稳定的手性骨架用于组装人工RNA金属酶，未来有望解决更多类型的水相反应。另外，CDNs是一类天然环状RNA分子，本研究为发掘CDNs在自然界中的潜在催化功能提供了研究依据。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的共同第一作者是陕西师范大学大学硕士研究生郝敏和青年教师王长号。
王长号，陕西师范大学化学化工学院副教授。2013年在中国科学院大连化物所获得博士学位，师从李灿院士。2013-2015年在美国马里兰大学-帕克分校和2015-2017年在德国康斯坦茨大学进行博士后研究。2017年7月起就职于陕西师范大学，应用表面与胶体化学教育部重点实验室主要成员。主要从事新型核酸的催化功能和仿生材料的表界面行为研究。主持国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、陕西省千人计划-青年项目等。近年来在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nature Commun.、Chem. Commun.等国际著名刊物发表学术论文20余篇，获2013年中国科学院院长优秀奖、2018年陕西师范大学青年教师基本功大赛二等奖等荣誉。
陈亚芍教授简介
陈亚芍，陕西师范大学化学化工学院二级教授。2000年在日本茨城大学获得博士学位，应用表面与胶体化学教育部重点实验室主要成员。主要从事生物医用材料表面功能化修饰和胶体化学方向的研究工作。先后承担国家自然科学基金项目3项，省、市级科技攻关项目近10项，横向课题4项，授权发明ZL16项，在国内外学术期刊上发表论文100余篇，获得2014年陕西省高校科学技术奖一等奖和2015年陕西省政府科技奖二等奖。承担省级和校级教学改革项目10余项，发表教学研究论文近10篇，主编物理化学教材2部，国家级物理化学精品资源共享课负责人，国家级教学成果二等奖第一完成人。获得省级教学名师和师德标兵称号、宝钢优秀教师奖、明德教师奖、校级教育教学突出贡献奖和全国优秀教师等荣誉。
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：环二核苷酸是一类天然的环状RNA分子，它们作为第二信使分子广泛参与信号传导和调节生理过程，但是关于它的催化功能还未有报道。结合文献报道G-四链体DNA金属酶的手性催化研究，一个简单的想法就是能否利用c-di-GMP形成的四聚体作为手性骨架和金属物种形成人工c-di-GMP金属酶，研究其手性催化功能。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：单链DNA形成的G-四链体结构可以作为稳定的手性骨架和铜离子结合形成人工G-四链体DNA金属酶，它可以高效催化一系列水相中的不对称催化反应。c-di-GMP可以形成类似于G-四链体的结构，但是c-di-GMP四聚体和金属离子或者金属配合物相互作用后，对一系列手性反应模型均未显示出手性催化性能。最初近半年的负面结果让我们一度想要放弃关于环二核苷酸的手性催化研究，2018年初的一组控制实验让我们意外发现c-di-AMP可以和铜离子特异性结合形成人工c-di-AMP金属酶，并且对Friedel-Crafts模型反应显示出优异的手性催化性能，让我们重新对人工CDN金属酶充满期待。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：相比较合成化学中复杂的手性配体，CDNs更加廉价易得，它可以通过酶催化或者化学合成获得。高效的人工CDN金属酶可以为水相中的有机反应特别是手性催化反应提供催化模型。另外，CDNs本身是天然的信号分子，本研究为发掘自然体系中CDNs的潜在催化功能提供了研究基础。
