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可逆配体结合驱动的小分子化学趋向:微流控分析与统计热力学模型OA

Reversible ligand binding drives small-molecule chemotaxis:microfluidic analysis and a statistical thermodynamic model

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该文系统研究了水溶液中锌、铁卟啉配合物在小分子含氮配体(包括单齿和双齿咪唑/吡啶衍生物)浓度梯度中的化学趋向行为并进行建模.结果表明,配体结合可驱动卟啉受体发生定向迁移,而荧光相关光谱显示该结合过程并未显著提高卟啉的本征扩散系数.在三入口微流控通道中,通过构建配体浓度梯度,可按需实现卟啉分子的扩散抑制、分布聚焦/展宽与定向偏移.进一步地,将化学趋向位移作为配体浓度的函数进行拟合,可获得结合过程的平衡解离常数(KD).对于特定配体或卟啉体系,位移幅度还与结合位点数密切相关;具有 2 个配位位点的小分子配体能够耦合2 个卟啉分子的运动,从而产生更大的位移.将中心金属由锌切换为铁后,同一大环体系可发生双配体逐步结合,并可由位移等温线分离得到 2 个结合步骤的 KD.基于实验现象,该文建立了统计热力学模型,将结合自由能变化与分子定向迁移联系起来,模型预测与实验结果吻合良好.上述结果说明,可逆配体-受体作用所对应的自由能差是驱动小分子化学趋向运动的重要来源.

Here,we systematically investigate and model the chemotactic behavior of zinc and iron porphyrin complexes under concentration gradients of small nitrogen-donor ligands in aqueous solution,including monodentate and bidentate derivatives of imidazole and pyridine.The results demonstrate that ligand binding can drive the directional migration of porphyrin receptors,while fluorescence correlation spectroscopy measurements show that the binding process does not significantly increase their intrinsic diffusion coefficients.In a three-inlet microfluidic channel,controlled ligand concentration gradients enable suppression of lateral spreading,spatial focusing or broadening,and directional displacement of the porphyrin molecules.Furthermore,fitting the chemotactic displacement as a function of ligand concentration enables determination of the equilibrium dissociation constant,KD,for the binding process.For a given ligand or porphyrin system,the displacement magnitude is closely related to the number of binding sites.Ligands containing two coordination sites can couple the motion of two porphyrin molecules,there by producing larger displacements.When the central metal is changed from zinc to iron,the same porphyrin macrocycle undergoes stepwise binding of two ligand molecules,and the KD values for the two binding steps can be separately extracted from the displacement isotherm.Based on these experimental observations,we develop a statistical thermodynamic model that links changes in binding free-energy to directional molecular migration.The model predictions are in good agreement with the experimental results.These findings demonstrate that the free-energy difference associated with reversible ligand-receptor interactions is an important driving force for molecular chemotaxis.

李斌;李显扬;王颖瀛;刘海伯;冯旭宇;陈嘉亮;满天天;吴秋月;邓盛元

南京理工大学 环境与生物工程学院,江苏 南京 210094南京理工大学 环境与生物工程学院,江苏 南京 210094南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094南京理工大学 环境与生物工程学院,江苏 南京 210094南京理工大学 环境与生物工程学院,江苏 南京 210094南京理工大学 环境与生物工程学院,江苏 南京 210094南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094南京理工大学 环境与生物工程学院,江苏 南京 210094南京理工大学 环境与生物工程学院,江苏 南京 210094

化学化工

化学趋向微流控卟啉配体可逆结合平衡解离常数统计热力学

chemotaxismicrofluidicsporphyrinreversible ligand bindingequilibrium dissociation constantstatistical thermodynamics

《南京理工大学学报(自然科学版)》 2026 (4)

434-444,11

国家自然科学基金(223740762220407722504061)江苏省自然科学基金(BK20231455)中央高校基本科研业务费专项资金(2026201013202520100130924010201)转化医学国家重大科技基础设施开放课题(TMSK-2024-115)生命分析化学国家重点实验室开放基金(SKLACLS2402)

10.14177/j.cnki.32-1397n.2026.50.04.006

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