蛋白质的功能并不仅取决于其化学组成，也与其空间构象密切相关。血红蛋白的变构调控、钙调蛋白的构象切换以及荧光蛋白的环境响应，均是通过构象变化实现分子识别、信号传递与功能调节的典型例子。受此启发，研究人员长期致力于构建具有刺激响应性构象变化能力的合成高分子。然而，与天然多肽相比，在合成聚电解质中维持有序构象更具挑战：离子化侧基虽可赋予材料良好的水溶性和生物功能，但高密度同种电荷之间的静电排斥也容易破坏分子链的有序排列，使其转变为无规线团。因此，如何在非肽类水溶性聚电解质中兼顾高电荷密度、稳定有序构象、可控构象切换与生物功能输出，是仿生高分子研究面临的重要科学难题。

  近日，四川大学高分子科学与工程学院丁明明教授团队设计了一种具有蛋白质样有序构象的聚电解质，并提出“构象转导放大”机制：Fe3?通过与聚合物发生协同多齿配位，驱动分子链由类β折叠构象向螺旋构象转变，从而将微小的离子浓度变化转化并放大为显著的非线性荧光响应。基于这一机制，研究团队实现了细胞器及活体水平铁离子分布及代谢过程的实时成像。

  2026年7月19日，相关成果以“Conformational Transduction Amplification in a Biomimetic Polyelectrolyte for Ultrasensitive Imaging of Iron Metabolism”为题发表于Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.76185)。周业强和杨丹琦为论文第一作者，刘洋副研究员和丁明明教授为通讯作者。

1. 非肽聚电解质也能形成稳定有序构象

  首先，该研究构建了一类聚脲基酸（poly(ureido acid)s，PUA），其分子主链含有脲基结构，侧链含有羧基。尽管不含肽键且具有高密度可离子化基团，PUA仍能在水中形成稳定而明确的类β折叠和螺旋构象。光谱分析和分子模拟进一步揭示了其构象稳定机制：在羧基质子化时，侧链羧基与主链脲基之间形成较强的氢键及n-π相互作用，使分子链稳定为类β折叠结构；当羧基去质子化后，侧链静电排斥削弱脲基-羧基相互作用，同时促进主链脲基之间重新排列并形成连续的分子内氢键，从而驱动类β折叠向螺旋结构转变。

图1 PUA的分子设计、pH响应性构象变化及其作用机制。

2. 有序构象“点亮”非共轭聚合物

  PUA分子中不含传统的大π共轭发色团，但其有序构象可促使脲基和羧基中的羰基在空间上紧密排列形成羰基簇，进而构成非经典发光中心。与无序的RPUA相比，有序PUA在水中的荧光强度提高两倍以上。在浓溶液和固态条件下，最大发射波长可红移至约830 nm，呈现出非共轭聚合物中较为罕见的近红外长波长发射。此外，该体系还具有明显的激发依赖性发射和超过110 nm的大斯托克斯位移，可有效减少激发光与发射光之间的串扰和自吸收，为复杂生物环境中的高信噪比成像奠定了基础。

图2 有序构象介导的羰基簇集和近红外非经典发光。

3. Fe3?诱导构象切换，实现非线性信号放大

  PUA对Fe3?表现出良好的选择性，其响应方式不同于传统探针常见的线性变化。随着Fe3?浓度升高，无序RPUA的荧光强度缓慢且近似线性降低，而有序PUA则呈现明显的S形响应曲线。在约50–90 μmol/L的狭窄浓度窗口内，其荧光强度骤降超过80%。机制研究表明，Fe3?首先与类β折叠结构中的脲基羰基配位，随后与羧基发生桥联配位，形成协同多齿螯合结构。由此产生的“脲基-Fe3?-脲基”配位单元进一步稳定螺旋结构，驱动PUA由类β折叠构象转变为螺旋构象。这种类似蛋白质变构调控的构象变化改变了羰基簇的空间排列和电子状态，最终引发显著的荧光淬灭。因此，PUA的荧光响应并非简单与Fe3?结合量呈线性对应，而是通过协同配位与整体构象转变，将局部离子结合事件放大为整条高分子链的光学响应。作者将这一过程概括为“构象转导放大”。

图3 Fe3?协同多位点配位、类β折叠-螺旋构象切换及非线性荧光淬灭机制。

4. 实时追踪细胞内铁离子转运

  为提高生物成像的定量可靠性，研究团队将对Fe3?不敏感的Cy5染料偶联至PUA，构建了双通道比率型荧光探针。在MCF-7细胞中，低浓度Fe3?即可引起PUA通道快速而显著的荧光淬灭，而RPUA对照仅表现出较弱响应。得益于构象转导放大效应，PUA探针的检测限较多种已报道荧光探针降低约3–10倍。共定位分析表明，外源铁相关信号首先出现在溶酶体，随后在内质网和线粒体中分布，这与外源铁经溶酶体处理后进一步被内质网和线粒体摄取的已知代谢过程相吻合。此外，PUA还可结合细胞内游离铁池，在一定程度上缓解铁过载引起的细胞毒性，显示出用于铁代谢相关疾病诊疗的潜力。

图4 PUA探针实时成像细胞内Fe3?分布及细胞器间转运过程。

5. 活体水平跟踪铁离子代谢路径

  PUA兼具良好的水溶性、光稳定性、近红外发光、大斯托克斯位移和构象放大效应，为活体铁代谢成像提供了有利条件。在小鼠实验中，给予铁源后，PUA荧光呈现出明显的器官依赖性和时序性淬灭：肺部信号约在90 min内显著下降，随后依次为肾脏约120 min和肝脏约180 min。器官铁含量测定和普鲁士蓝染色进一步验证了相应时间点的铁沉积。相比之下，缺乏有序构象和协同响应能力的RPUA仅产生微弱且弥散的信号变化，难以清晰分辨这一代谢过程。此外，组织病理学、血清生化指标和长期给药实验均未显示明显的急性组织损伤或系统毒性，表明该聚合物具有良好的生物相容性。

图5 PUA对活体铁离子分布及器官代谢时序的实时成像。

  该研究的意义并不局限于开发一种新型铁离子荧光探针，更在于建立了一种仿生高分子信号放大范式。研究团队通过精准调控主链和侧链之间的非共价相互作用，在非肽类聚电解质中实现了稳定且可切换的有序构象，为协调水溶性、高电荷密度与构象有序性之间的矛盾提供了新策略。在此基础上，有序构象同时承担发光基元组织、金属离子协同识别与构象信号转导等功能，赋予材料类似蛋白质变构调控的行为。该工作深化了对大分子-金属离子相互作用及构象-功能关系的认识，并为高灵敏生物传感和医学成像提供了新的智能高分子材料平台。

  该研究工作得到了国家自然科学基金委、中国博士后创新人才支持计划、四川省科技厅和先进高分子材料全国重点实验室项目资助。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.76185