近期，南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心馬余強(qiáng)院士團(tuán)隊(duì)在活性物質(zhì)的非平衡動(dòng)力學(xué)方面取得重要進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)末端錨定的活性分子鏈可以克服紐結(jié)的熵壘，進(jìn)行快速自發(fā)打結(jié)，形成復(fù)雜的紐結(jié)拓?fù)鋺B(tài)。不僅如此，活性分子鏈還可以充當(dāng)自驅(qū)動(dòng)的柔性分子針，將自身形成的紐結(jié)傳遞給非活性大分子，或者直接在非活性大分子上進(jìn)行紐結(jié)編織。該發(fā)現(xiàn)揭示了非平衡效應(yīng)在調(diào)控大分子自組裝動(dòng)力學(xué)路徑上的關(guān)鍵作用，有望在大分子拓?fù)涔こ虒W(xué)中發(fā)揮作用。
在日常生活中，口袋中的耳機(jī)線、散落的繩索經(jīng)常會(huì)纏繞打結(jié)（圖1A，B），解開(kāi)這些結(jié)往往需要耗費(fèi)大量精力。與此相反，在微觀世界中，由于熱效應(yīng)的存在，偶然打結(jié)的線性高分子會(huì)自發(fā)解開(kāi)，保證高分子的構(gòu)型熵最大。因此，線性大分子很難自發(fā)形成穩(wěn)定的紐結(jié)拓?fù)鋺B(tài)。目前只有拓?fù)洚悩?gòu)酶可以在擁擠的活性狀態(tài)下制造或解開(kāi)DNA或RNA紐結(jié) (圖1C)，天然蛋白質(zhì)只有1%左右具有紐結(jié)結(jié)構(gòu) (圖1D)。如何讓蛋白質(zhì)等生物大分子形成復(fù)雜且穩(wěn)定的紐結(jié)拓?fù)鋺B(tài)，對(duì)合成具有特殊催化功能和熱穩(wěn)定性的生物酶和藥物具有重要意義。相關(guān)探索也能進(jìn)一步推動(dòng)大分子拓?fù)涔こ虒W(xué)的發(fā)展。
圖1：不同尺度的紐結(jié)拓?fù)鋺B(tài)：（A）耳機(jī)線，（B）毛線，（C）DNA分子，（D）蛋白質(zhì)。
活性物質(zhì)是一類可以利用環(huán)境能量或轉(zhuǎn)化自身能量產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的物質(zhì)，典型的體系包括飛鳥(niǎo)、細(xì)菌、分子馬達(dá)等。具有鏈狀結(jié)構(gòu)的活性物質(zhì)在自然界普遍存在，比如自然界中的蛇和蠕蟲(chóng)、分子馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下的細(xì)胞骨架、聚合酶驅(qū)動(dòng)下的核酸分子、細(xì)菌和藻類鞭毛等?；钚枣湶环钠胶鈶B(tài)統(tǒng)計(jì)物理規(guī)律，可以表現(xiàn)出許多獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)和集體行為，如活性爬行、渦旋、拍打等。
活性鏈的自發(fā)打結(jié)現(xiàn)象
在該工作中，作者首先構(gòu)建了一個(gè)粗?；幕钚枣溎Ｐ停烘湹囊粋€(gè)末端被錨定，鏈上的活性力沿局部輪廓切線方向朝外（圖2A，B）。在活性力的作用下，鏈的構(gòu)象產(chǎn)生間歇性的巨漲落，使鏈的自由末端可以進(jìn)行穿線和拉線操作，從而形成不同類型的拓?fù)浼~結(jié)（圖2C）。作者通過(guò)調(diào)節(jié)活性強(qiáng)度和鏈剛度，發(fā)現(xiàn)柔性鏈在中等活性下構(gòu)象漲落最為劇烈，因此表現(xiàn)出最高的自發(fā)打結(jié)速率（圖2D）。
圖2：（A）錨定的活性鏈模型。（B）包含4個(gè)結(jié)的活性鏈的模擬快照。（C）紐結(jié)隨時(shí)間的演化圖，不同顏色代表不同的紐結(jié)拓?fù)?。（D）活性鏈打結(jié)速率vk的活性-剛性（Ρe-ξ）相圖。（E）不同紐結(jié)的拓?fù)渫队啊?/span>
紐結(jié)在活性鏈上的定向遷移
當(dāng)分子鏈上的紐結(jié)形成后，它會(huì)通過(guò)間歇性跳躍的方式朝錨定點(diǎn)進(jìn)行定向遷移（圖3A）。這種定向遷移來(lái)自一種非平衡“棘輪效應(yīng)”：當(dāng)活性鏈塌縮時(shí)（圖3B），紐結(jié)上的張力減小，紐結(jié)變松，活性鏈單元此時(shí)會(huì)通過(guò)爬行運(yùn)動(dòng)向外穿過(guò)紐結(jié)，從而導(dǎo)致紐結(jié)相對(duì)地朝錨定點(diǎn)移動(dòng)。當(dāng)分子鏈被活性力拉緊時(shí)，紐結(jié)被鎖定無(wú)法反向運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)制最終導(dǎo)致了紐結(jié)在鏈上的定向遷移（圖3C）。
圖3：（A）活性鏈的鍵角分布隨時(shí)間的演化揭示了一個(gè)紐結(jié)在鏈上的間歇性跳躍。（B）紐結(jié)遷移不同階段的代表性構(gòu)象，對(duì)應(yīng)圖A中的五角星標(biāo)記。（C）導(dǎo)致紐結(jié)定向遷移的非平衡“棘輪效應(yīng)”示意圖。
活性針用于大分子紐結(jié)編織
此外，作者還設(shè)計(jì)了非活性-活性嵌段分子鏈，用于實(shí)現(xiàn)非活性大分子的紐結(jié)編織（圖4A）。如圖4B所示，紐結(jié)會(huì)在較長(zhǎng)的活性鏈段上快速形成，隨后定向遷移至非活性鏈段，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非活性大分子的打結(jié)操作。作者發(fā)現(xiàn)，活性鏈段并非越長(zhǎng)越好，過(guò)長(zhǎng)的活性鏈段會(huì)快速形成大量紐結(jié)，從而阻塞紐結(jié)的定向遷移，導(dǎo)致非活性大分子打結(jié)效率下降（圖4C）?；钚枣溦T導(dǎo)非活性大分子打結(jié)還有另外一種機(jī)制：當(dāng)活性鏈段較短時(shí)，紐結(jié)無(wú)法直接在活性鏈段上形成，但活性鏈段可以充當(dāng)柔性的活性針，直接對(duì)非活性鏈段進(jìn)行穿線和紐結(jié)編織（圖4D）。這種直接編織的紐結(jié)較為松散，允許活性針的二次穿線并誘導(dǎo)復(fù)雜紐結(jié)的形成（圖4E）。
圖4：（A）自發(fā)打結(jié)的非活性-活性嵌段分子鏈。（B）嵌段分子鏈上紐結(jié)隨時(shí)間演化圖，其中虛線代表非活性-活性鏈段的邊界。（C）嵌段分子鏈上非活性鏈段打結(jié)速率vk,p在活性鏈段長(zhǎng)度-活性（Na-Ρe）空間上的相圖。（D）短活性鏈（活性針）在非活性分子鏈上直接編織紐結(jié)。（E）活性針在非活性分子鏈上的穿線和打結(jié)的模擬快照，對(duì)應(yīng)于D圖中的五角星標(biāo)記。
活性鏈用于分子接線和充當(dāng)微納機(jī)械臂
活性鏈自發(fā)打結(jié)效應(yīng)還有許多其它的應(yīng)用場(chǎng)景。比如當(dāng)兩條錨定的嵌段分子鏈對(duì)向靠近時(shí)，活性針可以誘導(dǎo)兩條鏈快速形成復(fù)雜的鏈間紐結(jié)（圖5A）。這一特性可以用于分子尺度的接線操作。此外，活性鏈在打結(jié)過(guò)程中會(huì)有概率將一些貨物固定在紐結(jié)中，過(guò)程類似于機(jī)械臂對(duì)物體進(jìn)行抓取。紐結(jié)的定向遷移過(guò)程還可以實(shí)現(xiàn)貨物的定向輸運(yùn)（圖5C，D）。
圖5：（A）兩條相對(duì)的非活性-活性嵌段分子鏈可以快速地形成復(fù)雜的鏈間紐結(jié)。（B）包含一條嵌段分子鏈和多個(gè)啞鈴形貨物的系統(tǒng)。（C，D）嵌段分子鏈上紐結(jié)隨時(shí)間的演化以及被捕獲的貨物在分子鏈上的相對(duì)位置遷移。
實(shí)現(xiàn)策略
在文章的最后，作者進(jìn)一步討論了如何在不同尺度上觀察活性鏈打結(jié)的現(xiàn)象。在微米尺度上，目前已報(bào)道的基于動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)、催化反應(yīng)的極性膠體活性鏈可以用于驗(yàn)證自發(fā)打結(jié)行為。而在納米尺度上，將酶或者催化劑分子接枝在碳納米管或DNA鏈等分子骨架上是構(gòu)建極性活性分子鏈的可行方式，有望在分子尺度實(shí)現(xiàn)活性鏈的自發(fā)打結(jié)并構(gòu)建不同的紐結(jié)拓?fù)鋺B(tài)。
論文的發(fā)表和致謝
相關(guān)工作以“Activity-driven polymer knotting for macromolecular topology engineering “為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊《科學(xué)進(jìn)展》上 [Science Advances, 10, eadr0716 (2024)]。該工作于2024年11月29日發(fā)表在國(guó)際著名期刊Science Advances上。南京大學(xué)李佳翔博士為論文第一作者，雷群利副教授和馬余強(qiáng)院士為論文共同通訊作者。該研究得到了固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、南京大學(xué)高性能計(jì)算中心、江蘇省物理科學(xué)研究中心、國(guó)家自然科學(xué)基金理論物理?？畹鹊闹С?。
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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr0716
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