分子レベルでの結び目の締め付けの影響

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• 超分子化学
• 化学トポロジー

結び目は、いくつかのタンパク質（1）、線状および環状DNA（2）、および十分な長さおよび柔軟性のポリマー（3）に見 鎖のもつれは、分子サイズ（4）、安定性（5）、および様々な機械的特性（6≤-8）に影響を与えますが、どのように、なぜについての理解の多くは不明なままです。 今日まで、結び目の交差数（9）、writhe（10）、骨格交差比（BCR）（11）、および大域曲率半径（12）などの様々な構造特性が特性に及ぼす影響は、主に実験（13≤-16）ではなく、実験（17、18）によっ 結び目の堅さ（19º-21）はまた分子レベルで重要な効果をもたらすかもしれない巨視的な世界の私達の毎日の経験からよく知られている特に容易に認め(4, 22⇓⇓⇓⇓-27). 長いポリマーは、頻繁かつタイト（両方である結び目領域を有することが予測されている25）。 結び目の気密性は、絡み合ったタンパク質（26）の熱安定性の変化に関与しており、引張強度（27）に影響を与えると考えられている。 しかし、かなり異なる化学組成の構造を比較することによって、結び目の本質的な効果を評価することは困難である。 単分散合成分子結び目は、物理的および化学的性質（上の結び目の締め付けの影響を評価するために、それを通して理想的なモデルである17、18）。 ここでは、鎖のより剛性のセクション（芳香族環で構成される）を分離する柔軟な領域（アルキル鎖）の長さだけが異なる三つの結び目分子のセットで実験的に決定された特性の違いを報告します。 (28)非常に緊密に結ばれた192原子ループ819ノット(1)(29)を組み立てるために以前に使用された編組戦略を使用して、結び目構造を閉じるために使用されるアルケン終端鎖は、結び目合成の結果を変更することなく拡張された(Fig. 1). これにより、ループ内のアルキル鎖の長さのみが異なる819個の分子ノットのセットが得られた（1は192個の原子、2は216個の原子、3は240個の原子、柔軟な領域のみを含む鎖の長さの25％の変化）。 我々は、1H NMR分光法、質量分析、UV分光法、円二色性によって異なるサイズの結び目の特性をプローブし、物理的および化学的挙動を変化させる際に結び目の

共有結合強度に対する結び目の締め付けの効果を評価するために、タンデム質量分析（MS-MS）実験を2+ピークで行った（図。 図4a、C、およびE)のノット1-3は、衝突誘起解離(CID)によって活性化されました。 これにより、共有結合の切断とその後の結ばれた鎖の解明と一致する質量の損失を伴う電荷を増加させるイオンが生じた（図2）。 4B、D、およびF）。 結合切断が発生するまで1eVステップで正規化された衝突エネルギーを増加させると、緩いノット（2と3）は、1（28eV）よりもフラグメントに有意に高いエネル それぞれの結び目の切断は、中心ビピリジンとフェニルビピリジン単位の間の炭素–酸素結合で常に起こるが、結び目は二つの異なるタイプの断片化パターンを示した（タイプI、図。 図４ｇおよびタイプＩ Ｉ、図４ｇおよびタイプＩ Ｉ。 ———– 最もタイトな結び目1の場合、断片化（水分子の損失;m/z=1,681.75）の後に隣接する中心ビピリジン単位の損失（m/z=1,582.67;図。 4B、タイプI）。 対照的に、最も緩い結び目3は、断片化するために最小55eVを必要とし、それぞれが結び目の半分を含む2つの分解積を直接形成する（m/z=2,008.36および1,810.45; 4F、タイプII）。 両方のタイプの断片化パターンは、結び目2で35eVで観察される（図。 図4Dに示すように、タイプIではm/z=1,849.75および1,750.83、タイプIIではM/z=1,840.75および1,642.83）。 明らかに結び目の堅さはかなり共有結合の強さに影響を与えます;より堅い結び目、より容易にある結束は壊れることができます。 実験結果は，タイトな結び目が歪結合長と角度を持つ立体配座の採用を強制することを示唆するシミュレーションと一致した。

Gaussian09の一連のプログラム(35)で実施されているWiberg結合指数解析は、Minnesota2006hybrid meta exchange-correlation functional(M06-2X)(36)と、分極関数を持つポプルの基底6-31G(d)を用いて、中心ビピリジン単位とフェニルビピリジン単位との間の炭素–酸素結合の結合次数を計算するために行われた(図1)。 1). 最もタイトな結び目1の計算は、これらの炭素–酸素結合の一つが他のものよりも有意に弱く、CID-MS実験で破壊する可能性が高いことを示している（SI付録、図。 S38）。 切断後、得られた末端酸素原子は、水分子の損失を可能にするためにその電子構造を再編成することができる（図10）。 4G）。 最も緩い結び目3では、炭素–酸素結合はすべて、1の弱いC–O結合よりも高い類似の結合次数を有する。 これは、より高いエネルギーで2つのC-O結合のほぼ同時に開裂をもたらす可能性がある（SI付録、図10）。 S38)、実験的に観察された3の二つの半分を生成する（図。 ———–

1-3のスペクトル特性に及ぼす結び目の締め付けの影響も調べた。 ノット1と2のUV-visスペクトルは類似しており、λ max=306nmでの吸収のわずかな減少は2である。 しかし、最も緩い結び目3の吸収は有意に減少し、10nmの赤色シフトと関連している（SI付録、図。 S25）。 シミュレーションされたスペクトルは、理論のm06-2X/6-31G(d)レベルでの時間依存密度汎関数理論(37)計算から生成され、ノットの電子スペクトルは、フェ 図３ｄおよびＳＩ付録、図３ｄおよびＳＩ付録。 S35-S37）。 結び目3の観測された赤いシフトは、緩い結び目の柔軟性の増加は、発色団がより共役、平坦、立体配座を移入することができますようにσ1とσ2の変

819結び目は、そのトポロジーのおかげで本質的にキラルである。 1-3の鏡像異性体は、キラル高速液体クロマトグラフィー（HPLC）によって単離され、CD分光法によって分析された（図。 図５およびＳＩ付録、図５およびＳＩ付録。 Ｓ２ ３およびＳ２ ４）。 結び目鏡像異性体の各ペアは、等しいが反対の形状と符号（38、39）のCDスペクトルを与える。 結び目が1から3まで緩くなるにつれて、発色団の周りの環境の変化は、それぞれの分子のスペクトルにおけるCD信号の赤色シフトをもたらす。 シミュレーションと1H NMR実験は、ビピリジンとフェノールエーテルが強いπ–π相互作用を特徴とする最もタイトな結び目、1のキラル配座にロックされていることを示唆している。 しかし、より緩い結び目は、より弱いCD応答を与えるために平均する様々な立体配座を有する。 赤いシフトは、より緩い結び目の発色団のより共役、平らな、立体配座の結果である。 結び目構造のダイナミクスと立体配座は明らかにタイトさによって大きく影響され，絡み合いを締めたり緩めたりすることによって調整可能なキラリティーの表現がある。

分子動力学シミュレーションの分析は、819ノット1-3のために観察されたプロパティの傾向は、その構造の特定の芳香環ベースのバックボーンの特定の結果 原子ゆらぎは、（大きな）分子系の柔軟性を測定する。 これらは、実験的に測定することができ、通常はタンパク質データバンク内のタンパク質構造と一緒に報告される温度B因子（40）に接続されています。 分子動力学シミュレーションでは、芳香族環、脂肪族鎖、および結び目全体の原子ゆらぎの大きさは、締め付けの関数であることが判明した（表1）。 この傾向は、監視されている3つの構造要素（芳香族、アリハティックス、および分子全体）のそれぞれについて広く類似しています。

実験データをシミュレートすることに成功した分子動力学のスナップショットの構造は、芳香族断片と三つの結び目におけるアルキル鎖の歪エネルギーとの間の相互作用を調べるために使用された（表1）。 計算は理論のM06-2X/6-31G(d)レベルで行われました。 芳香環間の相互作用については、基底集合重ね合わせ誤差の補正は、counterpoise法（41）を用いて決定された。 結び目の締め付けが減少する順（1から2から3）では、芳香族断片間の平均相互作用エネルギーは-48.3から-40.1から-23.6kcal/molに減少する（表1）。 この変化は、結び目がゆるくなるにつれて、より大きなストランドダイナミクスを反映しています。 同じシリーズでは、アルキル鎖の平均ひずみエネルギーは53.8、160.0、および260から増加する。1kcal/mol、より多くのメチレン基が各鎖に追加されるにつれて、結び目トポロジーによって緊張した二面角とCH–CH立体衝突を採用するように強制される。 芳香族スタッキング相互作用は、より柔軟な結び目で好ましい立体配座を生成するのではなく、結び目の気密性が分子をよりコンパクトにするときにひずみを緩和するために形成される。 芳香環の積み重ねは、その立体配座/構造の背後にある駆動力ではなく、結び目の締め付けの結果である。 トリス（2,2′-ビピリジン）リガンド鎖の芳香環は、結び目合成に必要であり、いくつかのケース（1H NMR、CDスペクトル）では、挙動の実験的検出のための有用なプ Πスタッキングがそれらの立体配座を決定する支配的な相互作用であれば、結び目は実験とシミュレーションがそれらを示す高度に動的なシステムではないでしょう。 したがって、1-3で観察された傾向は、特定の分子メイクアップに直接関連していないが、より一般的にはナノスケールでの結び目の締め付けに関する挙動の側面を反映する可能性が高いと思われる。