2025年9月30日，华东理工大学化学与分子工程学院/费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心研究成员张琦、曲大辉、本·费林加在Nature Chemistry期刊上发表了一篇题为“Dual dynamic helical poly(disulfide)s with conformational adaptivity and configurational recyclability”的研究成果。
该成果报道了一种完全由人工合成的可折叠、可回收的双动态螺旋高分子，可以在溶液相中像蛋白质多肽链一样发生α-螺旋，也能可控解构变回到初始的小分子单体，实现了共价键与非共价键在微观可逆性上的协同调控。
论文通讯作者是张琦、曲大辉、本·费林加；第一作者是张琦。
共价键与非共价键的协同相互作用广泛存在于生物高分子中，是生命系统展现复杂性和动态性的关键结构因素。例如，蛋白质中多肽链通过氨基酸残基序列影响氢键结构，决定多肽链的复杂构象变化（α-螺旋、β-折叠、无规卷曲等）；DNA双链通过碱基互补配对原则，形成独特的双螺旋结构，这一独特构象又进一步提升了原本容易水解的DNA主链在水溶液中的稳定性，使得遗传密码能够在生理环境下稳定存在。因此，通过人工合成手段，研究单一非生命化学体系中，（动态）共价键与非共价键的协同本质与相互作用规律，对于理解生物高分子复杂性和动态行为具有重要意义。
超分子化学的广泛发展使近些年涌现一系列人工合成的螺旋高分子，主要基于非共价键的超分子聚合物或者基于位阻主链的共价高分子（例如聚异腈、聚苯乙炔），在手性传感、识别、不对称催化、圆偏振发光材料等方面展现应用潜力。然而，基于非共价键的超分子聚合物往往缺乏稳定性，在稀释、加热等条件下自发解组装；而基于高键能共价键的螺旋聚合物缺乏构型动态性，即一旦聚合物链形成，难以发生动态重构和解聚。目前，通过人工合成的手段，设计能够像多肽一样兼具构象适应性和构型重构性的“双动态”聚合物仍然是超分子化学领域的基本科学挑战。
图1：双动态螺旋聚二硫的概念示意图。
该团队长期致力于“二硫动态化学”（JACS, 2022, 144, 2022）的基础与应用研究，前期已围绕天然小分子硫辛酸开展了一系列的侧链分子工程调控，在自修复材料、超分子粘合剂与可循环高分子等方面展现应用潜力（Sci. Adv. 2018, 4, eaat8192; JACS, 2019, 141, 12804; ACIE, 2020, 59, 5278; Matter, 2021, 4, 1352; Sci. Adv. 2022, 8, abk3286; ACIE, 2023, 62, e202215329; Nat. Comm. 2024, 15, 3855; ACIE, 2025, 64, e202424147）。然而，聚硫辛酸的主链构象由于缺乏立体规整性，一直难以实现分子层面的精准调控。为此，研究人员尝试从头合成五元环状二硫单体，通过对硫辛酸的分子结构作“减法”，移除烷基链，使羧基直接修饰在二硫五元环的β位上，进而解决α-硫辛酸难以立体规整开环聚合的本征问题。然而，最初设计的甲基取代的对称二硫MAA单体结构并不理想，不能像硫辛酸一样发生有效聚合，但是通过X射线单晶衍射实验意外发现这类氨基酸修饰的手性二硫MAA小分子能够在固态下展现螺旋超分子自组装的特征（JACS, 2022, 144, 4376; 2023, 145, 6976）。在此基础上，研究人员对单体结构再次做分子工程再设计，从头合成了可以高效聚合的AA系列单体，并通过在侧链上引入氨基酸基元作为手性导向基和氢键基元，首次合成了在溶液中能够像生物大分子一样发生可逆构象折叠的螺旋聚二硫。
图2：超分子调控二硫动态立体化学的阶段性探索历程。
为了阐明这一新结构的溶液相结构，研究人员采取了一系列二维核磁、电子圆二色、振动圆二色、静态/动态光散射、中子小角散射等技术协同表征了螺旋聚二硫的溶液相结构，发现其通过侧链酰胺基团形成类似β-折叠的分子内氢键，以促进聚二硫主链像α-螺旋一样发生精准折叠。振动圆二色光谱结合理论模拟表明，侧链氨基酸的手性中心通过诱导β-折叠氢键阵列发生不对称扭曲，进一步将手性信息传递至聚二硫主链，因此在电子圆二色光谱上观测到了显著的二硫键的手性光学信号。这一具有双重动态性的螺旋聚二硫的合成为研究动态共价-非共价协同相互作用提供了理想的模型体系。利用变温核磁研究单体-聚合物的热力学平衡常数与温度之间的关系，研究人员进一步揭示了其规律符合非线性范特霍夫方程，这在非天然体系中并不常见，并以热容变（ΔCp）这一物理量，定量描述了动态共价-非共价相互作用的协同性，为双动态化学系统的可预测热力学模型奠定了理论基础。
图3：螺旋聚二硫的溶液相结构表征。
图4：动态共价-非共价协同聚合的热力学解析。
该研究工作实验部分由张琦教授（第一兼通讯作者）独立完成，理论计算部分由罗马尼亚巴比什-波雅依大学Paul V. Nicu教授合作完成，振动圆二色光谱表征得到了荷兰阿姆斯特丹大学Wybren Jan Buma教授的协助测试，中子小角散射表征得到了中国散裂中子源、中国科学院高能物理研究所柯于斌研究员的大力支持。该工作得到了田禾院士、费林加教授、曲大辉教授的指导支持，并受到了国家自然科学基金、上海市科学技术委员会等项目的资助。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41557-025-01947-0
