自组装，Nature Nanotechnology！

学术 2024-11-15 20:00 浙江

▲第一作者：Caroline Rossi-Gendron, Farah El Fakih

通讯作者：Damien Baigl

通讯单位：法国巴黎文理研究大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-023-01468-2

研究背景

自组装是指自然存在或合理设计的实体嵌入必要的信息，自发地相互作用并自组织成相关功能超结构的过程。合成自组装材料通常是一种平衡结构，由重复的单一成分在空间上组织成稳定的超分子组装体，如胶束或胶体晶体，并具有一系列规定的有用特性。然而，它们通常具有有限的内在可重构性，而且用几种以上的不同成分来制造所需的结构仍然极具挑战性。

研究问题

本研究表明，在含有氯化钠的无镁缓冲液中，DNA 链和蛋白质可以在室温或生理温度下等温自组装成用户定义的纳米结构，如 DNA Origamis、单链瓦组装和纳米网格。原位时间分辨观察显示，这种自组装是受热力学控制的，通过多种折叠途径进行，并导致高度可重构的纳米结构。它允许给定系统在大量竞争性 DNA 链中自我选择最稳定的形状。令人吃惊的是，当出现新的能量最小值时，DNA origamis 会通过大量交换其构成主链，从一种最初稳定的形状等温转变为一种截然不同的形状。这种方法扩大了等温自组装可实现的形状和功能的范围，为自适应纳米机器和通过进化发现纳米结构奠定了基础。

▲图1 | 在无镁氯化钠缓冲液中对用户定义的 DNA 原型进行等温自组装

要点：

1.首先，本研究简单地组装了 DNA 折纸混合物，并且没有进行任何热预处理，并让其在 25 ℃ 下培养数小时（图 1a）。在传统的缓冲液中进行上述操作时，无论培养时间长短，都没有观察到任何形状合适的物体，这与之前的报告一致。本研究将这种效应归因于动力学困顿结构的形成，镁稳定碱配对需要更高的热能才能使结构重构。

2.使用 Ca²⁺ 而不是 Mg²⁺ 时也有类似的观察结果；等温组装只有在高温下（55-60 ℃）才能形成正确折叠的物体。因此，本研究选择了另一种缓冲液（称为 TANa），它仅由三醋酸缓冲液（Trizma-base 40 mM，醋酸 20 mM）组成，不含乙二胺四乙酸或镁/钙，以促进交换和重新配置。为确保排斥性阴离子 DNA 链之间有足够的静电屏蔽，本研究还补充了一价盐（NaCl）。值得注意的是，在[NaCl] = 100 mM（Debye 长度 λ_D ≈ 0.8 nm）的条件下，观察到在 25 ℃ 下几个小时内逐渐形成了适当折叠的尖锐三角形（图 1b）。

3.本研究在不同的固定温度和 NaCl 浓度下重复了等温程序，并在不进行任何产物纯化的情况下对自组装 24 小时后的折叠情况进行了表征（图 1c）。在不使用或使用高浓度（500 mM）NaCl 的情况下，本研究在所有测试温度下都无法检测到任何适当折叠的折纸。相反，在中等浓度（[NaCl] = 50-250 mM）条件下，本研究在 15 ℃ 至 60 ℃ 之间的不同温度下都能检测到部分或完全折叠的折纸（图 1c）。因此，足够的静电筛选是允许阴离子 DNA 链之间碱基配对的必要条件，但也不能过高，以保持一定的短距离静电排斥力，阻碍错配组装的形成。

▲图2|扩大等温自组装的适用范围：在 25℃的 TANa 缓冲液中实现蛋白质功能化、瓦片组装和纳米网格形成

要点：

1.本研究利用等温条件进行原位蛋白质功能化。本研究直接混合了 M13 支架、包括生物素在内的主链、作为模型蛋白的链霉亲和素，并让该系统在 25 ℃ 的 TANa 中自组装 24 小时（图 2a，上图）。本研究发现大多数可用的生物素位点都被链霉亲和素占据，而且大多数结合蛋白都出现在生物素化主链规定的位置上（图 2a）。

2.本研究还关注了制备无支架 DNA 纳米结构的可能性。首先制备了一种由 97 个寡核苷酸组成的 SST 混合物，这些寡核苷酸编码 TANa 中所谓的 R4 矩形，并让其在 25 ℃ 下自组装。原子力显微镜（AFM）观察显示，完全折叠的 R4 矩形的比例随着时间的推移缓慢但大幅增加，凝胶电泳观察到的强度不断增加的特征带证实了这一点，纯化后可得到清晰的 R4 矩形（图 2b）。

3.然后，本研究混合了九条可组织成自重复正方形单元33 的 DNA 链。在 25 ℃ 的 TANa 中自组装 24 小时后，成功地在 100 mM 和 150 mM NaCl 溶液中获得了扩展尺寸的纳米网格（图 2c）。所有这些结果表明，在 TANa 中进行等温自组装是一种静电驱动且稳健的方法，可在宽泛的工作温度范围内生成各种用户定义的纳米结构。利用这种方法，复杂的 DNA 链混合物可在数小时内自发组装成多成分结构，无论是否有支架，都可以通过具有位点特异性的蛋白质进行原位功能化。

▲图3|在室温或体温下等温自组装精细的三维结构，从而以较低的产量获得形状优美的三维折纸

要点：

1.然后，本研究探索了本研究提出的方法在三维折纸等温自组装中的适用性。首先使用了 p8064 支架和 10 倍过量的产物混合编码，形成了由 24 个螺旋束组成的多层方格图案，形成了边长为 57 纳米的三角形结构（图 3a、b，插图），称为 T1。在 18 mM MgCl₂ 的存在下，经过长达 41 小时的优化热退火过程，可获得适当折叠的结构，这一点可从凝胶电泳纯化产物过量后的结构的透射电子显微镜（TEM）中得到证明（图 3a）。

2.当相同的 DNA 混合物在 TANa（[NaCl] = 100 mM）中组装并在 25 ℃ 下培养 48 小时后，只得到了一些三角形结构（图 3b，左，黄色箭头），但所有结构都折叠良好，其适当的形状、尺寸和螺旋的三维排列证明了这一点（图 3b，右）。在 25 ℃、较高盐浓度（[NaCl] = 200 mM）或 37 ℃、[NaCl] = 100 mM 条件下进行等温自组装也得到了类似的结果（图 3c）。

3.本研究用同样的方法对 p7560 支架和编码更密集结构的 DNA 主链混合物进行了处理，该结构由 36 个螺旋束组成，排列在蜂窝状晶格图案上，形成一个 71 纳米长、边长 10 纳米的等边三角形截面的棒状物，因其形状与 "Toblerone "巧克力棒相似而被称为 Tb（图 3d 左）。同样，在 25 ℃ 的 TANa 中对这种混合物进行等温组装，在 100 mM 和 200 mM NaCl 的条件下都能获得成型良好的 Tb 结构（图 3d），但其产量远远低于热退火所能获得的产量。

4.因此，在室温或体温下，无需任何热预处理，就能通过自发自组装获得精致且组装良好的三维纳米结构，其形态既有中空的，也有高度致密的，既有方形的，也有蜂巢螺旋形的，进一步体现了这种自组装方法的多功能性。与此同时，极低的产量也凸显了其目前的局限性，而这些局限性可以通过设计优化来克服。

▲图4|等温折叠的原位可视化揭示了热力学控制下过程的多重折叠路径

要点：

1.本研究观察到，一些吸附结构随着时间的推移逐渐形成了轮廓分明的三角形，这表明 M13 片段完全折叠成了一个排列完美的三角形（图 4a，白色圆圈）。在成像过程中吸附了几个完全折叠的三角形，表明折叠也发生在块体中，而且速度比表面上更高（图 4a，蓝圈）。未完全折叠的实体也从块体中吸附并继续其折叠过程（图 4a，黄圈）。

2.本研究对最初吸附的Λ形折叠体演变为完全折叠的三角形进行详细观察后发现，各个折叠体遵循的折叠路径明显不同（图 4b-e）。其中一种观察到的折叠路径是在三角形的一个角上形成折叠核，然后向相反的两端折叠（图 4b），这种机制与计算机模拟揭示的 SST 中 DNA 组装成核-生长过程相似。

▲图5|热平衡下的进化：恒温条件下大量链位移带来的形态转变

要点：

1.为了进一步探索这种自组装过程向热力学最稳定状态等温演化的能力，本研究进行了一项竞争实验，将 M13 支架与两组编码尖锐三角形和无边缘高矩形的等摩尔混合物混合。在 25 ℃、TANa（[NaCl] = 100 mM）中等温组装时，由于自由能级较低，只有形成了锐角三角形，这表明该系统能够在复杂的竞争链池中自动选择最稳定的状态。然后，本研究在相同的缓冲液中通过热退火制备了高矩形折纸，并在不进行任何纯化的情况下将其暴露于编码尖锐三角形的附加订书钉中，让系统在恒定温度下演化（图 5，顶行）。值得注意的是，在 30 ℃、锐角三角形产物过量 10 倍的情况下，高矩形结构及时消失，逐渐被越来越多的三角形结构所取代。矩形边缘上大量未配对的碱基可能促进了这一过程。由于 M13 支架的浓度远低于每种产物的浓度，因此它是该系统中的有限试剂。因此，本研究目睹了似乎是首次通过所有构成主链的大量链位移实现的完整折纸形状转变。

结语

本研究通过使用通用的无镁单价生理盐水缓冲液，在高度多组分的 DNA 链混合物可在恒温条件下（15-60 ℃）自发地自组装成适当形状的物体，这些物体可以是有支架的（origamis），也可以是没有支架的（SST 组装、DNA 纳米网格）。值得注意的是，在[NaCl] = 100 mM 或 150 mM 的条件下，所有这些结构都能在室温下有效地获得，产生高度多组分、尺寸和形状明确的图案（origamis、SST）或在空间延伸的自重复单元（DNA 纳米网格），同时允许蛋白质原位特异性功能化和可编程的逐步组装。本研究还在室温和体温下实现了具有不同形状、容积和螺旋模式的折叠良好的三维折纸的等温自组装，但产量较低，这一挑战可能需要通过产物和设计优化来解决。研究表明，这种等温自组装过程是由热力学驱动的。由于离子缓冲液成分允许重新配置和折叠/组装路径探索，因此避免了动力学陷阱，等温条件下 DNA 混合物逐步演化，直至达到由正确组装的纳米结构所定义的最稳定状态。这一特点为竞争系统中的自主结构选择和进化开辟了前景。例如，本研究证明了同时编码不同形状的竞争性 DNA 链的复杂混合物只能成功地、有选择地形成最稳定的形状；热力学上不利的竞争性形状、嵌合体或折叠错误的结构都被避免了。本研究在这里的演示只使用了两种不同的竞争形状；探索更复杂的混合物是很有意义的，可以用设计好的链混合物测试模型，或者发现新的 DNA 链组，产生具有更好形状或功能的结构，例如识别和/或捕获目标蛋白质。最后，本研究证明了这种竞争性选择能力也能有效地从预先形成的组合开始，产生新的动态反应。本研究特别证明了暴露于全套竞争性产物的预成型 DNA origamis 可通过大规模链置换反应交换其所有组成 DNA 产物，从而自发进化并转变为完全不同的形状。这一过程受热力学驱动，可通过主成分和温度进行调节，每当出现新的自由能最小值时，复杂的 DNA 组合就会发生形态演变。这为制造智能纳米机械提供了一条宝贵的途径，使其能够以预先编码的动态方式进行形态演变，或根据不断变化的环境进行自我调整。

研理云服务器

业务介绍

研理云，研之成理旗下专门针对科学计算领域的高性能计算解决方案提供者。我们提供服务器硬件销售与集群系统搭建与维护服务。

● 配置多样（单台塔式、两台塔式、多台机架式），按需定制，质量可靠，性价比高。

● 目前已经为全国 100 多个课题组提供过服务器软硬件服务（可提供相同高校或临近高校往期案例咨询）。

● 公司服务器应用工程师具有量子化学、第一性原理、分子动力学等相关学科研究背景。

● 公司与多位化学、材料领域理论计算方向专家长期合作，一起探索最优服务器软硬件配置和部署。

● 可参与招投标。

产品特色

● 定制化硬件配置：提供售前实例测试，为您提供最合适的硬件配置方案。

● 一体化软件服务：根据需求，发货前，完成系统、环境、队列、计算软件等所有内容的安装与配置，让您实现开机即用。

● 完善的售后服务：为每位客户建立专属服务群，遇到问题及时解决。大大降低使用学生使用门槛和缓解老师压力。三年硬件质保 + 三年免费软件技术支持。

● 已购买客户咨询：我们已有超过100位已购买客户，可以给您提供相同城市或者临近城市已购买客户的联系方式，以提供真实案例咨询。

● 赠送课程学习机会：可选课程包括量子化学（Gaussian），第一性原理，（Vasp），分子动力学模拟（Lammps、Grommacs），钙钛矿计算模拟（Vasp）等。具体赠送方案以沟通结果为准。

扫码添加客服微信

相

关

推

荐

1. 仪器表征基础知识汇总

2. SCI论文写作专题汇总

3. Origin/3D绘图等科学可视化汇总

更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUxMDMzODg2Ng==&mid=2247741478&idx=7&sn=c2d37186d1e2dd721c8d7ce43244d983

研之成理

夯实基础，让基础成就辉煌；传递思想，让思想改变世界。“研之成理科研平台”立足于科研基础知识与科研思想的传递与交流，旨在创建属于大家的科研乐园！主要内容包括文献赏析，资料分享，科研总结，论文写作，软件使用等。科研路漫漫，我们会一路陪伴你！

最新文章

中科大，Nature Catalysis！

清华大学/南洋理工大学合作，Nature Nanotechnology！

二维材料，Science！

一作+通讯，Nature！

电合成，Nature！

电催化析氢，Nature Chemistry！

自组装，Nature Nanotechnology！

液流电池，Nature Energy！

中国科学院兰州化物所/武汉大学Science：催化羰基化！

湖南大学/河北师范大学合作，Nature Nanotechnology!

Nat. Commun: 锂硫电池中高结晶度硫化锂的生长规律及其自催化作用

西北工业大学王俊杰团队：六方MAB相缺陷工程助力高性能锂离子电池

济南大学原长洲教授课题组AEM：微型高熵掺杂Na3V2(PO4)2O2F：促进钠离子电池高效储钠。

兰州化物所赵培庆/孟旭Water Research：CO2转化利用背景下H2O2的新使命

齐齐哈尔大学郭东轩教授、李金龙教授，黄淮学院褚大卫副教授AFM:通过强 d-d 轨道调控优化钠离子吸附实现高效CDI

太原理工大学刘旭光教授团队：碳基粒子电极在三维电极反应器处理废水中的研究进展

牛津大学，Nature！

光化学，Nature！

中山大学JACS：导电镍酞菁基COF连续电合成医用级浓度纯H2O2溶液

孙道峰教授课题组Angew：环戊二烯钴功能化COF实现C2H2/CO2分离

浙江大学成有为/姚思宇/高晓峰 ACS Catal：氢溢流辅助构建邻近路易斯酸位点对助力纤维素氢解制备C3多元醇

通过光外场辅助平衡基元反应步骤强化丙烷脱氢反应

天津大学材料电化学与表界面工程团队：多级硬碳@硅@软碳用于高循环性高容量密度锂电负极

麻省理工李巨教授AEM：碳热冲击合成高熵氧化物催化剂，动态重构驱动OER活性提升

武汉理工大学，Nature Energy！

阿斯顿马丁超跑与联想共同打造的工作站（服务器）会是什么样？

乔世璋教授课题组JACS：光催化流动体系中聚酯废弃物的选择性转化

高熵催化：高熵合金表面构筑金属原子层串联催化硝酸盐还原

大连化物所刘岳峰课题组：S原子调节N掺杂碳材料中吡啶N的Lewis碱性用于提高H2S氧化的选择性

潘复生院士团队：高效构建致密人工SEI实现高度可逆的镁金属负极

姚金刚课题组：ZnCr2O4/HZSM-11催化CO2高选择合成富芳烃航空煤油

微/纳米材料超快合成领域高被引研究精选

西湖大学，Nature Materials！

顶刊综述：开发高电流密度电解水的实用催化剂

高熵催化：构建高熵金属间化合物降低结构异质性用于电催化废弃塑料升级

吉大管景奇课题组Chem Sci：不含氮的单原子锰催化剂：O/S双配位壳层策略提升氧还原性能

ACB：合成气直接转化为乙醇

山东理工大学：可调水态的超亲水性生物炭基水凝胶用于高效太阳能海水淡化

西湖大学：高温热冲击（HTS）快速合成和优化钠离子层状氧化物正极材料

香港理工大学/牛津大学 Edman Tsang课题组博士后/博士招聘

全合成，Science！

江南大学：原子分散Fe修饰氧掺杂多孔g-C3N4——通过催化剂-污染物间相互作用高效去除难降解磺酸类偶氮化合物

港科大杨征保教授Science Advances：压电生物薄膜3D打印卷王，一天打印8600 mm

吉大管景奇课题组：钌掺杂调节Ni/Fe-O的杂化轨道以促进析氧性能

清华大学/东京大学合作成果：利用燃料电池内部重整实现基于甲烷的气电共生

安徽师范大学Nano Res.：热冲击法助力工业级稳定产氢

上海交通大学沈琦课题组诚聘博士后

叶金花，Nature Catalysis！

膜，Nature！

Angew. Chem.：等离子体耦合单原子催化助力废塑料高效回收利用

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉