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研究背景

碳水化合物识别是通过非共价分子间和分子内相互作用实现碳水化合物与受体（包括蛋白质或其他碳水化合物）的结合，因其在细胞通讯、粘附、信号传导及免疫响应等基本生物功能中的关键作用，成为了研究热点。然而，实现对无电荷、亲水性碳水化合物分子的高效、精准识别，特别是在水溶液中的选择性识别仍是一个巨大的挑战。传统研究已开发出多种碳水化合物受体，如非环受体、大环分子及折叠体，但其在结合能力和选择性方面存在局限性。

成果简介

有鉴于此，中山大学谭余副教授团队在Nature Reviews Chemistry期刊上发表了题为“Synthetic molecular cage receptors for carbohydrate recognition”的最新论文。科学家们提出通过合成分子笼实现碳水化合物的精准识别。这些分子笼通过精心设计的结合空腔和多样化的非共价结合位点，利用多价性和协同作用，展现出卓越的识别能力和高选择性。研究发现，分子笼的结构特性如空腔尺寸、结合位点的分布以及功能化修饰，能够显著优化碳水化合物的结合性能，并拓展其在分子机器、催化、药物传递等领域的应用潜力。综述指出，这些分子笼在碳水化合物识别及相关生物过程研究中展示出广阔的前景，为今后设计高效分子识别体系提供了新思路。

谭余，中山大学化学工程与技术学院副教授。2011年、2016年在复旦大学获得学士（导师：孙兴文教授）和博士（导师：林国强院士）学位，2016-2020年先后在美国马萨诸塞大学医学院（合作导师：Prof. Jie Song）和美国西北大学（合作导师：2016年诺贝尔化学奖得主Prof. Sir Fraser Stoddart）从事博士后研究，2020年加入中山大学。谭余副教授主要从事超分子化学和新型水凝胶在海洋化工中的应用研究。

研究亮点

(1) 本文综述了分子笼受体在碳水化合物识别中的最新设计与应用进展。研究表明，分子笼通过精心设计的空腔结构及非共价结合位点，可以实现对碳水化合物的高亲和力和高选择性识别。相比传统的非环受体、大环分子和折叠体，分子笼受体因其独特的多价性和协同性展现出了显著的优势。研究还系统分析了不同类型分子笼（如共价有机笼、配位笼）的结构特点及其在碳水化合物识别中的作用机制。

(2) 研究通过以下几个方面展开，得到了相关结论：

结合机制：实验揭示了分子笼的结合机制主要依赖于氢键、静电作用、CH···π相互作用以及疏水效应，且通过结合位点的多样性与精确布局，显著增强了对碳水化合物的识别能力。

结构优化：通过调控分子笼的空腔尺寸和功能基团，研究表明可进一步提升对不同类型碳水化合物分子的适配性和选择性。

应用前景：分子笼受体被成功应用于碳水化合物的检测、病毒-细胞相互作用的抑制、糖尿病的诊断和治疗等领域，显示了其在生物医学和化学传感器开发中的广阔前景。

图文解读

图 1：碳水化合物的结合机制。

图2：中性笼受体和相关碳水化合物底物的结构

图 3：水溶性阴离子笼型受体和相关碳水化合物底物

图4：基于吡啶鎓的阳离子笼型受体的合成、结构和结合特性

图5：根据不同配位金属分类的糖类配位笼受体

图6：非金属配位保持架的结构和应用

结论展望

本文通过人工分子笼受体的设计与优化，为碳水化合物识别提供了全新的研究思路与技术路径。传统天然凝集素虽具备良好的选择性，但在功能拓展与合成控制方面存在局限。

相比之下，人工分子笼受体凭借其灵活的合成策略和可调控的结构特点，实现了在复杂体系中的高效碳水化合物识别，展现出广阔的应用前景。尤其是共价笼与配位笼在结合位点设计、手性调控及多价性利用上的突破，显著提升了受体的结合能力和选择性，为生物模拟和反应调控提供了强有力的支持。同时，研究揭示了通过计算工具预测结构与性能的可能性，为未来开发更加精准、高效的受体提供了理论依据。

此外，笼受体在糖基化反应调控、荧光检测及糖尿病管理中的潜在应用，体现了其在生物医学领域的重要价值。这些成果表明，通过合理设计人工受体，可在化学与生命科学交叉领域催生更多具有实际应用潜力的创新方案。

文献信息

Wu, B., Tang, R. & Tan, Y. Synthetic molecular cage receptors for carbohydrate recognition. Nat Rev Chem (2024).

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