生物大分子的合成和自组织对地球上的生命至关重要。慕尼黑路德维希·马克西米利安大学的化学家现在报告了实验室中对称性低的复杂环状大分子的自发出现。

单体是由多个重复的亚基组成的分子，这些亚基的化学结构可能有所变化，也可能没有变化，被归类为大分子或聚合物。自然界中存在的例子包括蛋白质和核酸，它们是所有生物系统的核心。蛋白质不仅构成细胞中结构成分的基础，而且还充当酶-基本上催化生命系统中发生的各种化学转化。

相反，诸如DNA和RNA的核酸用作信息大分子。DNA存储细胞的遗传信息，然后将其选择性复制到RNA分子中，从而提供蛋白质合成的蓝图。另外，由糖单元组成的长链以糖原的形式提供能量储备，糖原存储在肝脏和肌肉中。这些不同种类的聚合物分子都具有一个共同的特征：它们自发折叠成特征性的空间构象，例如著名的DNA双螺旋结构，在大多数情况下，其对生物化学功能至关重要。

LMU药学系的Ivan Huc教授研究了自组织过程的各个方面，这些过程使大分子能够采用定义的折叠形状。自然界中发现的分子结构为他提供了模型，他试图在实验室中用既不是蛋白质，核酸也不是糖样的非自然分子来再现其性质。更具体地说，他使用合成化学的工具来阐明自我组织的基本原理-通过构建明确设计为折叠成预定形状的分子。从他的团队开发的单体开始，他着手生产单体，将单体折叠成一个折叠的大分子，从而生产出所谓的“折叠剂”。

低对称度的结构

正如Huc报道的那样，“获得蛋白质复杂结构的正常方法是使用不同类型的单体，称为氨基酸。” “按照正确的顺序连接不同氨基酸的正常方法是将它们一个接一个地连接。” 氨基酸序列包含折叠信息，该信息允许不同的蛋白质序列以不同的方式折叠。

“但是我们发现了一些出乎意料且引人注目的东西，” Huc说。他和他在慕尼黑，格罗宁根，波尔多和柏林的同事使用有机的含硫单体自发获得形状复杂的环状大分子，这表现为低对称性，不需要特定的序列。大分子可以自我合成-无需其他条件。“我们只将一种单体放入烧瓶中，然后等待，” Huc说。“这对于聚合反应是很典型的，但是单一单体的聚合物通常不会采用复杂的形状，并且不会以精确的链长停止增长。”

为了进一步控制反应，科学家还使用了小的客体分子或金属离子。调节剂结合在正在生长的大分子内并使单体围绕其自身排列。通过选择具有适当特性的调节器，新研究的作者能够生产具有预定数量亚基的结构。环状大分子表现出低水平的对称性。一些由13、17或23个亚基组成。由于13、17和23是质数，因此对应的折叠形状显示出较低的对称度。

生物和工业过程的模型

阐明此类机制的兴趣不仅限于基础研究领域。Huc和他的同事们希望他们的方法将导致设计塑料的制造。常规聚合物通常由长度变化的分子混合物(即它们包含的单体数量)组成。这种异质性会影响其物理性能。因此，预期合成精确长度和/或几何形状的聚合物链的能力将导致具有新颖和有趣行为的材料。

此外，像现在已经合成的那些一样，折叠剂显示出与生物聚合物非常相似的结构。因此，它们提供了一种理想的模型系统，可以在其中研究蛋白质的特性。每个蛋白质都由定义的线性(即非支链)氨基酸序列组成，构成其“一级结构”。但是大多数氨基酸链折叠成局部亚结构，例如螺旋状的螺旋状拉伸或可形成薄片的平行链。这些单位代表蛋白质的二级结构。术语“三级结构”适用于完全折叠的单链。这反过来又可以与其他链相互作用形成功能单元或四级结构。

Huc的最终目标是使用结构明确的合成前体模拟复杂的生物学机制。他想了解例如酶在细胞中合成后如何折叠成正确的生物活性构象。其性质可以在实验室中精确控制的分子提供了理想的模型，通过它们可以得出答案，甚至可以超越酶本身。

该研究发表在《自然化学》上。