分子运动是连接材料结构与性能的关键桥梁，也是生命体系活跃性的重要物理基础。然而，现有调控分子运动的手段往往不可避免地与其他结构参数高度耦合，难以实现对分子运动本身的独立调控。例如，传统高分子理论普遍认为，分子运动与体系的分子量或浓度密切相关，因而难以在维持相同或近似分子质量或浓度的条件下，对分子运动进行单独调节。因此，提出新的分子合成策略，发展能够实现分子运动独立调控的新方法，将从结构层面拓展调控材料分子性质的新维度，并为化学、材料及生命科学等领域提供重要的物质基础与认知工具。

  近日，中山大学林倩明课题组提出以环共价桥连剂作为聚轮烷的大环分子运动的调控模块，通过精确控制桥连后环聚集体的拓扑结构，成功制备了一系列具有可控分子运动性的聚轮烷分子。课题组进一步联合暨南大学马栋研究员、温州研究院邓俊杰研究员及浙江大学季葆华教授，在生物力学、细胞及动物水平系统验证了细胞能够有效感知聚轮烷所携带信号分子的分子运动特征，并可依据其分子运动速率产生特定的生物学应答。

  2025年11月19日，相关成果以“Polyrotaxanes Send Shuttling Signals”为题发表于美国化学会志《Journal of the American Chemical Society》。文章共同第一作者为中山大学硕士谭宇婷（课题组第一届毕业研究生）和中山大学-暨南大学联合培养博士生姜欣林（目前单位广州红十字会医院）。文章得到共同通讯作者浙江大学季葆华教授，温州研究院邓俊杰研究员，暨南大学马栋研究员的大力支持。

  科学假设：聚轮烷由轴分子与多个可在其上移动的大环构成。研究者提出，若能将同一轴上的多个大环选择性地连接在一起，可形成“体型”更大的环聚集体，从而显著减慢其在轴上的运动速度。由于这种连接不破坏大环与轴之间的机械互锁关系，整体分子量几乎不变，因此可在近似恒定的整体条件下，实现对局部分子运动速率的精准调控。

  合成难点：如何在复杂的聚轮烷体系中，实现同一轴内部大环分子之间的选择性偶联，并有效抑制轴间交联反应，是该合成策略面临的核心挑战。

  基于对分子运动实现独立调控的需求，针对上述反应选择性难题，研究者提出利用聚轮烷机械互锁结构中，大环在沿轴方向与跨轴方向扩散行为存在差异这一特点（图1），即拓扑限制效应，从而诱导大环优先在同一轴上发生桥连反应，获得具有一定纵向拓展结构的环聚集体。

图1. 聚轮烷中大环在与其机械互锁轴上的定向运动促使其在同轴内发生桥连反应

  出于对材料生物相容性及其在体液环境中水溶性的综合考虑，本研究选用α-环糊精（α-CD）作为大环分子，分子量为 35,000 Da 的聚乙二醇（PEG）作为轴分子，环氧氯丙烷作为桥连剂（偶联过程中引入 1 当量羟基，有利于维持水溶性），体系的穿环率约为 27%。

  研究者首先通过一维和二维核磁共振氢谱，对桥连后聚轮烷的拓扑结构以及大环与桥连剂的比例进行精确表征，并定义 PR(x)（x 为核磁分析得到的桥连剂/环比例）。随后通过凝胶渗透色谱（GPC）分析（图2A）发现：对于以 35,000 Da PEG 为轴构建的聚轮烷体系，当桥连剂比例较低时，GPC 显示为结构堆积形成的单峰（图2A 中类型 2），整体分子量仅轻微上升，表明此时桥连反应主要发生为“轴内桥连”。随着桥连剂比例进一步提高，GPC 中出现分子量成倍增加的“轴间交联”副产物（图2A 中类型 3）；当桥连剂比例继续升高时，则可观察到明显沉淀，指示体系中发生了严重的轴间交联反应。上述结果初步验证了研究者的设想，即大环在轴上的定向运动有利于同轴内桥连产物的形成。

  为进一步验证该假设，研究者合成了穿环率接近（约 27%）、但轴分子分子量降低至 4,000 Da 的聚轮烷体系，并系统考察其在与桥连剂反应时的偶联选择性（轴内 vs 轴间）。前期研究（Lin & Ke et al., Chem 2021, 7, 2442–2459）表明，在 CD/PEG 构建的聚轮烷体系中，未被大环套住的 PEG 链段形成的线团（coil）结构，是限制大环在轴上穿梭运动的重要能量壁垒。当 PEG 分子量由 35,000 Da 降至 4,000 Da 时，聚合物链长度显著缩短，在穿环数相近的条件下，短链 PEG 更不易形成稳定的线团结构，从而降低了大环在轴上穿梭的能垒，增强了其沿轴方向的定向运动。基于这一判断，研究者推断该体系将更有利于发生轴内桥连反应。GPC 结果（图2B）与该推断高度一致：即使在较高桥连剂比例下，该体系仍仅观察到轴内桥连产物，对应单峰分布。

图2. 通过 GPC 分析区分轴内桥连与轴间交联的拓扑结构，并通过缩短轴长度、抑制未套环 PEG 的线团结构形成，调控大环在轴上的滑动能垒，从而进一步提升轴内桥连反应的选择性。

  在确认“定向”分子运动驱动的轴内桥连反应选择性后，研究者对所得环聚集体的分子运动行为进行了系统表征（图3）。变温核磁（VT-NMR）、横向弛豫时间（T₂）以及扩散序谱（DOSY）结果一致表明，随着桥连剂比例的提高，环在轴上的穿梭运动逐渐减慢，成功实现了对环分子的分子运动速率的连续调控。由于轴与环之间不存在共价连接，桥连后的环聚集体仍保持机械互锁结构，而桥连剂的引入仅使整体聚轮烷分子量发生轻微变化（已通过 GPC 验证），因此该策略实现了在近似分子量条件下，对机械互锁环分子运动的独立调控。

图3. 分子运动调控模块的引入有效实现对大环在轴上分子运动的调控

  在此基础上，研究团队（联合暨南大学、温州研究院及浙江大学）在上述具有分子运动独立调控能力的聚轮烷环聚集体上，共价接枝免疫信号分子（anti-CD3、anti-CD28 和 OVA多肽）。在信号分子浓度一致、界面机械模量一致的条件下，研究发现 na?ve T 细胞能够有效响应由环聚集体携带、具有不同分子运动特征的信号分子，并系统揭示了信号分子的分子运动如何被转导为细胞内信号通路的分子机制（图4），从而提出了“分子运动”作为生物信号传递的重要新参考维度。

图4. Naive T 细胞感知聚轮烷分子运动的分子机制

  本文通讯作者林倩明感谢国家自然科学青年基金（22501303），深圳市医学研究专项资金青年项目（A2503035），广东省基础与应用基础研究基金自然科学基金面上项目（2023A1515011849和2024A1515010389），深圳市基础研究专项自然科学基金面上项目（JCYJ20250604174706009和JCYJ20220530145602005）及深圳市优秀科技创新人才培育项目（RCBS20231211090559097），中山大学高校基本科研业务费（23qnpy103）及中山大学“百人计划”启动费对本项目的支持。

  文章最后，作者谨以此文悼念分子机器领域先驱 Fraser Stoddart 爵士。

  This work is dedicated to the memory of Sir Fraser Stoddart.

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5c15927

招聘启事

林倩明，博士，中山大学生物医学工程学院助理教授。2016年获暨南大学生物医学工程专业学位（12级化学生物学创新班），期间获“益海嘉里本科创新人才专项奖学金”。2021 年于美国达特茅斯学院获得化学哲学博士学位（Ph.D.），并获 Walter H. Stockmayer Chemistry Fellowship 荣誉。2022 年入选中山大学“百人计划”，任助理教授。其课题组（LAM GROUP）主要从事生物医用超分子材料研究，研究方向涵盖生物医用分子机器、冷冻化学合成及界面超分子聚合等，致力于发展具有可控分子运动与精准多级结构的功能分子及材料，服务于精准医学等相关应用。目前已在JACS、Chem、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Sci. 等期刊发表论文19篇；获授权国际/美国专利 3 项，申请中国发明专利 6 项（均已公开）。其中，一项关于脑损伤修复水凝胶的美国专利已实现成果转化并获得许可应用。

课题组网站 LinResearchGroup.com

课题组目前招聘博士后研究人员 2 名，具体方向如下：

（1）生物医用分子机器方向：侧重基础研究，开展分子运动调控及其生物医学功能的系统研究；

（2）三维细胞培养装置与相关产品开发方向（企业联合培养）：侧重成果转化与产品研发，配套产业化及工程化相关资源。

课题组将提供深圳市具有竞争力的薪资待遇及良好的科研与发展环境。同时，课题组也欢迎科研助理及联合培养研究生加入，开展学习与学术交流。有意者请直接邮件联系：林倩明 linqm5@mail.sysu.edu.cn。