生物大分子特异识别与调控的有机小分子研究

Study toward the interactions between biomacromolecules and small organic molecules or inorganic ions is one of the most significant fields in chemical biology. Based on our previous research, in this project, we are about to carry out in-depth studies of design and synthesis of small organic molecules and their selective interactions toward some special nucleic acids, such as cleavage, condensation and gene transfection. The interaction mechanisms will be studied through the application of some important modern instrumental analysis including high resolution NMR, MALDI-TOF-MS, vibration CD, etc. This research project comprises several aspects as follows: 1) Construct small molecules which have selective regulatory properties toward the disease signal molecules; 2) Systematically study the non-viral gene vectors with high transfection efficiency and low cytotoxicity; 3) Through series of modern instrumental analysis and theoretical calculation, give reasonable explanation and mechanism of the experimental results, and direct the future design and modification of the functional molecules.

生物大分子与具有重要功能的有机小分子和无机离子间的相互作用研究是化学生物学的重要研究课题之一。在前期工作的基础上，本项目将对有机小分子与核酸分子的特异性相互作用如裂解、保护、介导基因转染等方面进行深入研究。研究对特定核酸分子具有特异性识别和调控功能的有机小分子的设计合成和其生物功能。并通过一些重要的分析工具如核磁、质谱等对小分子与生物大分子之间的相互作用机理进行深入研究。通过本项目研究，主要解决如下几个问题：1）构建对疾病的信号分子有特异性调控作用的化学小分子，为疾病的治疗研究提供新的思路和研究基础。2）开展高效、低毒基因载体的系统性研究，为遗传疾病、癌症等的靶向基因治疗提供理论与实践基础；3）通过系列的先进分析方法和理论计算，对实验结果提出的作用机制做出合理的理论解释，提出所设计的各种功能小分子的结构与功能的相关性，为今后的功能分子的设计、改造提供思路。

本项目在研究计划的基础上，围绕研究目标，进行了多个方面的小分子和生物分子相互作用的研究，为疾病的诊断和治疗提供了新的思路和研究基础。主要完成了以下几个方面的工作：一、对具有生理活性的有机小分子的特异性识别研究。设计合成了一系列针对活性氧、硫、氮等信号转导分子以及细胞pH分布的荧光探针，实现了活细胞中的快速、高选择性及定量检测；我们设计的以联二萘酚为骨架结构的手性荧光分子库首次实现了对手性生物小分子单分子单次检测同时获得底物浓度和ee值的方法；设计合成的含磷功能小分子探针可以实现激酶抑制剂的高效筛选、细胞内ATP的浓度测定、以及提高痕量氮糖基化蛋白的识别灵敏度。二、基于多胺结构的基因/药物运载体系的开发与应用研究。建立了“环氧开环聚合”（DEROP）法制备高效高生物相容性非病毒基因载体的新概念。基于此策略设计合成了多个系列的聚合物基因载体，发展了一种有效克服PEG dilemma的载体设计方法；开发了多种基于阳离子脂质体和聚合物基因载体，以及荧光碳量子点型和刺激荧光响应型等多功能智能基因载体。对构效关系进行了深入研究，为基因载体的设计提供了新思路。三、与生物大分子片段识别的作用机理研究。考察了二糖与碱金属离子的相互作用，从分子层面合理解释了K+有利于植物体系蔗糖分子转运的自然本质；我们通过二级质谱解析了亮氨酸与二糖及钾离子形成的稳定三元复合物，结合统计分析技术，可以实现14种二糖异构体的有效区分；我们还通过高分辨质谱分析结合生物信息学技术研究了丝组二肽与底物蛋白的切割作用，结果表明丝组二肽是现代蛋白水解酶的原始进化雏形。以上三个方面分别为基于小分子与生物分子的诊断、治疗、机理方面的研究，各方面相辅相成。此外，我们还进行了一些相关有机合成方法学的研究。有效实现了各种取代膦酸酯的绿色高效合成。在本项目资助下，发表研究论文151篇，授权专利3项。