天然纤维素和直链淀粉与水相互作用的单链力谱研究

Natural cellulose and amylose are two important polysaccharides. Their molecular structures are very similar. They have the same hydrolysis products, glucose. The only difference between them is the linkage between the sugar rings: The sugar rings of amylose are connected by α linkage, while for cellulose, β linkage is applied. It is well-known that the properties of natural cellulose and amylose at macroscale level are largely different. Thus, why such a tiny difference in the molecular structures leads to a significant deviation in the properties at macroscale level? This crucial problem has not been solved yet. There are two possible reasons for this: 1) Natural cellulose can not be dissolved by any common solvent. Thus, cellulose has been studied by the aggregates or the derivatives. However, the single-chain properties of cellulose is still unclear. 2) Most of the studies of polysaccharides are conducted in aqueous environment. Because no other environments has been used as a reference, the influence of water is not clear. .We plan to investigate this problem by AFM-based single-molecule force spectroscopy. The interactions between water and the two kinds of polysaccharides will be detected. The single-chain mechanics of them in the non-polar solvent and water will be compared, based on which the effect of water on the single-chain polysaccharides will be revealed. We will examine whether these two polysaccharides have the feature of adaptability to water environment. This will be an entry point to solve the aforementioned problem.

天然纤维素与直链淀粉是极其重要的多糖。它们的完全水解产物都是葡萄糖，只是直链淀粉中的糖环是由α方式连接，而纤维素则是由β方式连接。虽然两者的分子结构很接近，但它们的性质与功能却有很大的差异。为什么这个结构上的微小差异会导致它们宏观性质与功能上的巨大差别？这个重要的科学问题迄今仍未得到根本的解决。我们认为主要原因有二：1）天然纤维素是完全不溶于普通溶剂的。此前基本是通过其衍生物或聚集体来研究的，而对天然纤维素单链的认识不足。2）此前的多糖研究基本都是在水溶液完成的，由于没有参照体系，不清楚到底水对多糖有多大的影响。我们将以基于AFM的单链力谱系统的研究这一问题，开展两种多糖与水相互作用的单链力谱研究，比较它们在非极性有机溶剂（准无扰环境）和水（有扰环境）中的差异，以此推断水环境对多糖单链的影响，重点考查这些多糖是否具备水环境适应性，并以此为切入点，力争解决前述的重要科学问题。

天然纤维素与直链淀粉是极其重要的多糖。虽然两者的分子结构很接近，但它们的性质与功能却有很大的差异。为什么这个结构上的微小差异会导致它们宏观性质与功能上的巨大差别？这个重要的科学问题迄今仍未得到根本的解决。.我们开展了两种多糖与水相互作用的单链力谱研究，获得了一些重要的研究成果。.1）发现了水对amylose糖环椅式构象的稳定作用.前人已发现在水溶液中拉伸amylose时，力曲线上约300 pN处可观察到肩式平台。他们认为在不受外力时，糖环被锁定为椅式构象，该平台对应于糖环在拉伸时发生的椅式-船式构象转变。然而我们发现，该平台并非直链淀粉的固有属性，该平台只有在水含量大于等于临界值时才会出现。我们认为，只有足够多的结合水才能够稳定糖环的椅式构象，此时拉伸才会有椅式-船式构象转变，并出现该平台。此项研究表明：水不仅是amylose的溶剂，更是其溶液中的活性成分。这是对20年来形成的传统认识的重大修正。上述工作以通讯作者发表于ACS Macro Lett. 2018, 7, 672..2）发现水是amylose和NC的特殊溶剂.实验发现，amylose与NC在给定的有机溶剂（壬烷或二甲亚砜）中具有相同的单链弹性，这说明在有机溶剂中，糖环的连接方式不影响两种多糖的单链力学性质。.然而，NC与amylose在水中的单链力学性质和亲水性有很大的差异。我们推测，在水中，NC可以形成比amylose更多的链内氢键，而amylose与水的氢键比NC多。这一推测得到了分子动力学模拟的支持。NC和amylose的差别仅仅是糖环的连接方式不同，却导致了在水中性质的较大差异。这些多糖的分子设计具有重大的仿生学意义。.上述工作以通讯作者发表于Macromolecules 2019, 52, 5006.