物质的形态

女士们，先生们，老少爷们儿们！在下张大少。

上世纪90年代，让·马里·莱恩（Jean-Marie Lehn）勾勒出"信息化物质科学"的愿景——在此图景中，结构从分子层面开始自主构建，通过具有"编程"特性的组件自组装形成，这些组件能限定并引导最终产物形态¹。这一根植于超分子化学、从生物学汲取灵感的概念，如今正发展为一门真正的艺术形式。当人们已能利用合成DNA链²构建精密的纳米及介观尺度结构时，如今更可通过设计蛋白质³打造出令人惊叹的几何造型，例如多面体纳米笼和梯状纤维。其中某些结构让人联想到生命体中的自组装现象，比如病毒的多面体衣壳，以及充当细胞内运输轨道的微管。

尽管信息化物质科学的可能性似乎与我们的想象力一样广阔，但要将微观自组装付诸实际应用，就必须考虑所需的时间尺度。例如，组装的速率将决定DNA"拼块"⁴通过算法自组装所能实现的计算速度。而肌动蛋白丝自组装与解聚的动力学特性，则对依赖该机制⁵的细胞迁移速度至关重要。

分子或纳米单元在扩展阵列中快速聚集——这实质上就是结晶速率——取决于组件自身的多种内在因素。但有一个鲜少被考虑的要素：亚基的几何形状。加特纳和弗雷构建了一个极简模型来探究该问题，通过分析能与密堆积阵列相匹配的最简形状瓦片（正方形、三角形和六边形⁶）的二维组装速率。这类研究或可为以下过程建模：由三角形蛋白质⁷组装衣壳、由六聚体或五聚体蛋白质⁸构成的二十面体羧酶体（细菌微室），以及将方形DNA瓦片⁹用作像素单元，通过分层级任意拼接形成复杂图像的技术。

加特纳和弗雷研究了N个相同单体瓦片通过沿边缘以特定速率正确取向连接而进行组装的过程。他们假设集群仅通过单体进一步附着而生长，而非通过较大寡聚体的连接，因为前者的浓度通常远高于后者。每个结合事件都是可逆的，这使得单体能够通过活化过程（必须克服结合能）解离，而给定单体的解离速率则取决于其在集群中已形成的键数。显然，三角形、正方形和六边形单体最多可分别形成3个、4个和6个这样的键。

基于这些要素，研究人员计算了特定时间内的自组装产率：即结合成大小为S的集群中的单体比例（理论上最大集群数为N/S）。随着S增大，达到某个阈值产率（例如90%的单体完成S集群组装）所需时间T自然随之增加。更微妙的是，加特纳和弗雷发现这种关系渐近趋近于幂律：T- S^θ。忽略多键单体解离的最简理论预测，三角形和正方形的θ=1，而六边形的θ=0.5。换言之，六边形的组装时间增长更为平缓。计算机模拟证实了这一阶近似的有效性：三角形、正方形和六边形的θ值分别约为1.21、1.18和0.38（在更大规模模拟中可能更接近理论预测值）。

不仅如此，三种单体的绝对组装时间存在数个数量级的差异，其中六边形所需时间最短。当研究每种单体组装特定周长的管状结构（常见的自组装目标）时，虽标度指数各异，却也得出了相似结论。研究者还建立了更具普适性的数学理论，能够预测广义复杂粒子形状（包括三维结构）的标度指数。由此看来，六边形组件是目前最高效的自组装单元——加特纳和弗雷将这一发现归因于：唯有六边形在最小致密稳定集群（即每个粒子至少形成两个键的集群）基础上新增一个单体，即可形成新的稳定集群。

六边形组件的优势似乎是自然界早已得出的结论。许多病毒衣壳由蛋白质六聚体构成——或由五聚体构成，后者在保持几何优势的同时，还能使拼图式组装在三维空间弯曲成闭合壳体。这一启示对于通过自组装制备合成闭合壳体、超分子封装¹⁰、药物递送等应用具有重要借鉴意义。

参考文献

1. Lehn, J.-M. Supramolecular Chemistry (Wiley-VCH, 1995).

2. Seeman, N. C. & Sleiman, H. F. Nat. Rev. Mater. 3, 17068 (2018).

3. Huddy, T. F. et al. Nature 627, 898–904 (2024).

4. Mao, C., LaBean, T. H., Reif, J. H. & Seeman, N. C. Nature407, 493–496 (2000).

5. Pollard, T. D. & Borisy, G. G. Cell 112, 453–465 (2003).

6. Gartner, F. M. & Frey, E. Phys. Rev. X 14, 021004 (2024).

7. Rossmann, M. G. & Johnson, J. E. Annu. Rev. Biochem. 58, 533–573 (1989).

8. Sutter, M., Melnicki, M. R., Schulz, F., Woyke, T. & Kerfeld, C. A. Nat. Commun. 12, 3809 (2021).

9. Tikhomirov, G., Petersen, P. & Qian, L. Nature 552, 67–71 (2017).

10. Davis, A. V., Yeh, R. M. & Raymond, K. N. Proc. Natl Acad. Sci. USA 99, 4793–4796 (2002).

青山不改，绿水长流，在下告退。

转发随意，转载请联系张大少本尊。

最后照例放些跟张大少有关的图书链接。

青山 不改，绿水长流，在下告退。

转发随意，转载请联系张大少本尊，联系方式请见公众号底部菜单栏。

扫一扫，关注微信公众号“宇宙文明带路党”