微观世界的,物工学家研制出单分子DNA巡航机器
分类:科学技术

原标题:微观世界的“结绳记事”:分子结周期表有助于合成新型分子拓扑结构

上海交通大学与中科院上海应用物理研究所、德国慕尼黑工业大学等单位合作研制了一种单分子DNA巡航机器人,并实现了纳米尺度的迷宫行走。相关成果日前在线发表于《自然—材料》杂志。

试想有一些短绳子,把它胡乱揉成一团并使劲晃动(假设末端能够相互无缝接合),你能猜出它最容易形成什么样的绳结吗?如果把这些短绳替换成微观世界的分子链,那又会怎么样呢?这就是合成化学领域的研究者非常感兴趣的课题——分子结(molecular knots)

蛋白质机器是细胞内发挥生理功能的重要单元。化学家一直努力在试管中设计与合成人工分子机器,以模拟生物体内的天然分子机器功能,并利用人工分子机器构建单分子机器人。DNA分子作为一种进化产生的遗传物质,具有卓越的碱基配对识别能力,可实现精确的分子自组装,并且可构筑具有高空间分辨和定位能力的纳米结构。因此,DNA纳米结构已在纳米电子学、纳米光子学、单分子催化等研究领域中发挥了重要作用。

分子结是一种类似绳结的机械互锁分子结构,蛋白质和 DNA 是最常见的两种天然生成的分子结。分子结不仅能够赋予大分子一定的弹性,又因为它极小的纳米尺度,成为纳米技术中非常有潜力的一类“积木”。如果能够像堆乐高积木一样人工设计及实现分子结的拓扑构造,那么在开发新材料、构造分子器件、分子机器等领域将会有极大地应用前景。

此次研究人员通过将DNA杂交链式反应精确“锚定”到DNA纳米结构上,实现在纳米界面上沿着设计路径的分子级联反应。借助于原子力显微镜和超分辨显微镜等单分子成像技术,研究人员可清晰地观察到DNA分子机器人的行走轨迹。该DNA分子机器人在引发信号链的作用下,可以沿着预先设定的路径直线或转弯行走。

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为展示DNA分子机器人的智能运算能力,研究人员在DNA纳米结构上设计了一个迷宫,利用DNA分子机器人的并行运算能力求解这个迷宫问题。迷宫有唯一的入口和唯一的出口,以及四个非出口的终点。在DNA分子机器人行走过程中,每个结构上DNA分子会从起点开始,走向一个终点,或者走向出口。通过单分子成像,研究人员观察到了DNA分子行走过的所有路径,从而获得迷宫正确行走路径的解。

图 | 还有哪些未知的分子结?(来源:Mattia Marenda & Cristian Micheletti)

相关专家表示,这种将DNA分子反应与智能运算的有机结合,为发展单分子智能传感和疾病诊疗提供了新思路。

近日,来自意大利国际高等研究院(SISSA)和帕多瓦大学(University of Padua)的研究人员,通过计算模拟解决了这一极具挑战性的课题,研究结果发表于《自然·通讯》(Nature Communications)上。研究者利用蒙特卡洛抽样法和分子动力学模拟法,确定了一个最可能形成的分子结的名单,这就类似于一种关于分子结的“元素周期表”这些分子结是在适当的物理化学条件下,最可能、最容易自组装形成的拓扑结构。并且,这些由计算模拟所预测的分子结构型,获得了最新实验结果的验证和支持。

相关论文信息:

未来,这张“分子结周期表”将有助于合成其他尚未发现的分子拓扑结构,加上不断发展的分子模拟技术所提供的预测能力,在构建精密分子机器以装载和递送纳米粒子等领域有很大的应用前景

(原载于《中国科学报》 2018-11-12 第1版 要闻)

绝非一项简单的智力挑战

论文的第一作者和通讯作者 Mattia Marenda 和 Cristian Micheletti 表示:“科学家们对复杂分子拓扑结构的兴趣日益浓厚,因此,设计并合成新型分子结的想法就特别有吸引力。”

然而人工合成分子结有很大的挑战性,不仅要考虑许多复杂的物理-化学机制的平衡,更重要的是要选对目标拓扑结构

在几何中,扭结是指三维空间中不与自身相交的闭合曲线,虽然数学家称有 60 亿种已知的基本扭结形态,但直到几年前,合成化学家也只是“打出”了三种分子结:三叶结(trefoil knot),8 字结(figure-eight knot)和五叶结(pentafoil knot)。这几种是最简单的分子结,分别有 3、4、5 个投影交叉。

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图| 几种简单的合成分子结。从左至右依次为三叶结、8 字结、五叶结和双 8 字结。(来源:Mattia Marenda & Cristian Micheletti)

在当时看来,下一个即将被实现的拓扑结构应该是双 8 字结(three-twist knot),因为它正处于绳结复杂性阶梯的下一阶。但是,在 2015 年的一项计算研究中,Micheletti 及其合作者预测接下来最简单并且最可能设计出的未知分子结要复杂的多,并且有多达 8 个必不可少的投影交叉。这项预测在 2017 年得到了曼彻斯特大学 David A. Leigh 团队在《科学》杂志发表的实验结果的证实,他们成功在分子尺度上打出了有 8 个交叉的扭结,这是已知最复杂、最牢固的分子结,称为 819 结。这个结果让合成化学家更加相信,在所有这些可能的拓扑结构中,确实存在某些更易于形成的“特权分子”,从而推动了如今这项研究的进展。

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图 | 2017 年 David A. Leigh 团队合成的 8 个交叉的扭结(来源:Science)

目前,合成化学家已经成功利用分子自组装技术,合成了多达 6 中不同类型的分子结(molecular knots)。但是,未来究竟还能实现多少种不同类型的分子结呢?

高效可靠的计算模拟,构建合成化学的“分子结周期表”

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图 | 分子动力学模拟过程。(来源:Mattia Marenda & Cristian Micheletti)

在意大利团队的研究中,他们采用蒙特卡洛取样(Monte Carlo Sampling)和分子动力学模拟方法,筛选了一个由预先分配的大量模板构成的拓扑结组合空间,并从后验的角度,着重对待那些具有在实际分子结中发现的标志性几何特征的拓扑结构,如准平面性和周期对称性。利用这种计算模拟方法,构建了一个更易出现的“特权分子结”名单。

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