北京理工大学李晖课题组通过自组装过程的精确调控构建核苷酸碱基对识别的特定环境，实现了非经典碱基对的多样性，并运用X-射线单晶衍射技术与晶态圆二色谱相结合的研究策略，阐释了结构与手性之间的关系。

自人类认识了DNA双螺旋结构以来，核苷酸碱基互补氢键，鸟嘌呤-胞嘧啶（G·C）和腺嘌呤-胸腺嘧啶（A·T），成为经典的沃森-克里克碱基对。继然，科学家们又逐步发现了多种非经典的碱基对识别模式，特别是在人类癌细胞和及端粒调控区中发现了鸟嘌呤的“G-四链体”以及胞嘧啶的碱基对（i-motif），这些非经典碱基对结构对酸碱度变化具有快速响应。初步证明非经典碱基对与癌症和衰老存在有一定的关联。因此，非经典碱基对的研究对于人类认识癌症、衰老或一些遗传性疾病具有重要意义。

同时，非经典碱基对之间的氢键识别作用又倍受超分子化学家的青睐。作为一类特定的非共价相互作用，具有不同于一般氢键的鲜明分子识别特点。如何巧妙地运用这种超分子作用力构筑超分子组装体？如何拓展碱基对的类型并探究核苷碱基形成碱基对的最大潜能？都激发了超分子化学家的研究热情。但是，非经典碱基对的形成需要一个自适应环境，这一环境的合理构筑及受这种因素的影响是一个复杂的问题。虽然有一些核苷碱基或其衍生物的研究，但基于天然核苷酸的研究仍是一个极具挑战性的课题，同时，晶体结构的缺乏阻碍了科学家们清晰地认识结构与组装过程的关系，已成为相关领域发展的瓶颈。

为解决这一基本问题，李晖课题组另辟蹊径，针对各类天然核苷酸，利用溶剂、pH值、金属离子、功能有机配体等非共价相互作用的调控因素，精心设计并构筑非经典碱基对。研究策略是在X-射线单晶衍射结果分析的基础上，探究结构与组装条件之间的关系。并在溶液组装表征手段的辅助下，逐步实现精确调控与可控组装。本文研究了三种胞嘧啶单磷酸核苷酸的非经典碱基对。通过Co(II)离子的配位作用以及联吡啶类有机分子（1,2-bis(pyridin-4-ylmethylen, bpda）的协同作用，构筑了核苷酸dCMP的完全碱基对（图1）。

晶体结构分析表明：1中有两种结构单元，一是[Co(Ⅱ)-bpda]-dCMP（motif I）；另一是[Co(Ⅱ)-bpda]…dCMP（motif Ⅱ）（图1a）。在营造的疏水环境中，两种结构单元之间存在氢键、π-π堆积和配位键等多种非共价相互作用（图1b）。首次实现了胞嘧啶碱基最大限度地识别而形成完全碱基互补对。这种完整的C﹕C碱基对具有良好的平面性（图1c）。对晶格中核苷酸化学环境的深刻认识是进一步设计与调控的基础（图1d）。将1中的DMSO溶剂改为甲醇时，因甲醇的强氢键功能而限制了胞嘧啶碱基之间的氢键识别。因而，2中没有碱基对。另一方面，在与1相同条件下，将脱氧dCMP换成CMP后，得到了非经典碱基对i-motif（图2）。研究结果表明：溶剂对核苷酸碱基对的识别与组装具有重要的作用。

手性是核苷酸分子的固有特性，也是其相关化合物、组装体和功能材料的基本性质之一。本文基于三种核苷酸超分子配合物的晶体结构，并结合溶液和晶态固体圆二色谱（图3），阐释了分子手性与超分子手性。在课题组创新性地提出了拓展轴手性（Extended Axial Chirality, EAC）的基础上，又首次观察到，3中因围绕一维配位聚合物的核苷酸数量的增加（图2b，绿色与黄色螺旋带代表两个同向螺旋的晶体学独立的核苷酸，图2c，一维配位聚合物中bpda分子的扭转的二面角）而产生EAC信号增强的现象（图3b）。

在这项工作中，作者基于非共价相互作用的合理设计，精确构筑了三种胞嘧啶单磷酸核苷酸超分子组装体，通过晶体结构与组装条件对比分析，揭示了碱基对识别模式与核苷酸的化学环境（溶剂、酸度等）密切相关。疏水环境有利于充分发挥核苷碱基之间形成氢键的潜力。同时，晶体结构与晶态固体圆二色谱相结合的研究策略为手性研究提供了一种新范式。