导读
在日常生活中，口袋中的耳机线、散落的绳索经常会缠绕打结（图1A, B），解开这些结往往需要耗费大量精力。与此相反，在微观世界中，由于热效应的存在，偶然打结的线性高分子会自发解开，保证高分子的构型熵最大。因此，线性大分子很难自发形成稳定的纽结拓扑态。目前只有拓扑异构酶可以在拥挤的活性状态下制造或解开DNA或RNA纽结 (图1C)，天然蛋白质只有1%左右具有纽结结构 (图1D)。如何让蛋白质等生物大分子形成复杂且稳定的纽结拓扑态，对合成具有特殊催化功能和热稳定性的生物酶和药物具有重要意义。相关探索也能进一步推动大分子拓扑工程学的发展。
图1：不同尺度的纽结拓扑态：（A）耳机线，（B）毛线，（C）DNA分子，（D）蛋白质。
活性物质是一类可以利用环境能量或转化自身能量产生驱动力的物质，典型的体系包括飞鸟、细菌、分子马达等。具有链状结构的活性物质在自然界普遍存在，比如自然界中的蛇和蠕虫、分子马达驱动下的细胞骨架、聚合酶驱动下的核酸分子、细菌和藻类鞭毛等。活性链不服从平衡态统计物理规律，可以表现出许多独特的动力学和集体行为，如活性爬行、涡旋、拍打等。
最近，南京大学马余强院士团队发现末端锚定的活性分子链可以克服纽结的熵垒，进行快速自发打结，形成复杂的纽结拓扑态。不仅如此，活性分子链还可以充当自驱动的柔性分子针，将自身形成的纽结传递给非活性大分子，或者直接在非活性大分子上进行纽结编织。该发现揭示了非平衡效应在调控大分子自组装动力学路径上的关键作用，有望在大分子拓扑工程学中发挥作用，相关工作发表在国际著名期刊《科学进展》上[Science Advances, 10, eadr0716 (2024)]。
研究亮点
活性链的自发打结现象
在该工作中，作者首先构建了一个粗粒化的活性链模型：链的一个末端被锚定，链上的活性力沿局部轮廓切线方向朝外（图2A，B）。在活性力的作用下，链的构象产生间歇性的巨涨落，使链的自由末端可以进行穿线和拉线操作，从而形成不同类型的拓扑纽结（图2C）。作者通过调节活性强度和链刚度，发现柔性链在中等活性下构象涨落最为剧烈，因此表现出最高的自发打结速率（图2D）。
图2：（A）锚定的活性链模型。（B）包含4个结的活性链的模拟快照。（C）纽结随时间的演化图，不同颜色代表不同的纽结拓扑。（D）活性链打结速率的活性-刚性（-）相图。（E）不同纽结的拓扑投影。
当分子链上的纽结形成后，它会通过间歇性跳跃的方式朝锚定点进行定向迁移（图3A）。这种定向迁移来自一种非平衡“棘轮效应”：当活性链塌缩时（图3B），纽结上的张力减小，纽结变松，活性链单元此时会通过爬行运动向外穿过纽结，从而导致纽结相对地朝锚定点移动。当分子链被活性力拉紧时，纽结被锁定无法反向运动。这种机制最终导致了纽结在链上的定向迁移（图3C）。
图3：（A）活性链的键角分布随时间的演化揭示了一个纽结在链上的间歇性跳跃。（B）纽结迁移不同阶段的代表性构象，对应图A中的五角星标记。（C）导致纽结定向迁移的非平衡“棘轮效应”示意图。
此外，作者还设计了非活性-活性嵌段分子链，用于实现非活性大分子的纽结编织（图4A）。如图4B所示，纽结会在较长的活性链段上快速形成，随后定向迁移至非活性链段，从而实现对非活性大分子的打结操作。作者发现，活性链段并非越长越好，过长的活性链段会快速形成大量纽结，从而阻塞纽结的定向迁移，导致非活性大分子打结效率下降（图4C）。活性链诱导非活性大分子打结还有另外一种机制：当活性链段较短时，纽结无法直接在活性链段上形成，但活性链段可以充当柔性的活性针，直接对非活性链段进行穿线和纽结编织（图4D）。这种直接编织的纽结较为松散，允许活性针的二次穿线并诱导复杂纽结的形成（图4E）。
图4：（A）自发打结的非活性-活性嵌段分子链。（B）嵌段分子链上纽结随时间演化图，其中虚线代表非活性-活性链段的边界。（C）嵌段分子链上非活性链段打结速率在活性链段长度-活性（-）空间上的相图。（D）短活性链（活性针）在非活性分子链上直接编织纽结。（E）活性针在非活性分子链上的穿线和打结的模拟快照，对应于D图中的五角星标记。
活性链自发打结效应还有许多其它的应用场景。比如当两条锚定的嵌段分子链对向靠近时，活性针可以诱导两条链快速形成复杂的链间纽结（图5A）。这一特性可以用于分子尺度的接线操作。此外，活性链在打结过程中会有概率将一些货物固定在纽结中，过程类似于机械臂对物体进行抓取。纽结的定向迁移过程还可以实现货物的定向输运（图5C-D）。
图5：（A）两条相对的非活性-活性嵌段分子链可以快速地形成复杂的链间纽结。（B）包含一条嵌段分子链和多个哑铃形货物的系统。（C，D）嵌段分子链上纽结随时间的演化以及被捕获的货物在分子链上的相对位置迁移。
在文章的最后，作者进一步讨论了如何在不同尺度上观察活性链打结的现象。在微米尺度上，目前已报道的基于动态磁场、催化反应的极性胶体活性链可以用于验证自发打结行为。而在纳米尺度上，将酶或者催化剂分子接枝在碳纳米管或DNA链等分子骨架上是构建极性活性分子链的可行方式，有望在分子尺度实现活性链的自发打结并构建不同的纽结拓扑态。
该工作于2024年11月29日发表在国际著名期刊Science Advances上。南京大学李佳翔博士为论文第一作者，雷群利副教授和马余强院士为论文共同通讯作者。该研究得到了固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、南京大学高性能计算中心、江苏省物理科学研究中心、国家自然科学基金等的支持。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr0716
