胶体液滴通过可编程折叠自组装

胶体液滴通过可编程折叠自组装

文章出处：Angus McMullen, Maitane Muñoz Basagoiti, Zorana Zeravcic, Jasna Brujic. Self-assembly of emulsion droplets through programmable folding. Nature 2022, 610, 502-206.

摘要：在粒子的自组装领域中，如果所有的部件都是不同的，就有可能可靠地构造出几乎任意的结构，但迄今为止，含有较少种类的构建单元的系统仅限于奇异晶体的组装。在这里，作者介绍了一个胶体液滴链的最小模型系统，具有可编程的DNA相互作用，引导它们向下折叠成特定的几何形状。水滴在真实的空间和时间中被观测到，揭示了折叠的规则。结合实验、模拟和理论，作者表明，控制相互作用开关的顺序可以引导折叠成独特的结构，作者称之为胶体折叠器。最多13个液滴的最简单交替序列(ABAB…)在二维和三维中产生11个折叠体。通过优化液滴序列和添加额外的特色，在619种可能的二维几何图形中，编码了超过一半。由至少13个液滴组成的折叠化合物显示有孔的开放结构，提供多孔设计。数值模拟表明，折叠体可以进一步相互作用，形成复杂的上胶体结构，如二聚体、缎带和马赛克。作者的研究结果与动力学无关，因此适用于所有长度尺度上具有等级相互作用的聚合物材料，从有机分子一直到Rubik的蛇。这个工具箱使大规模设计编码成为短聚合物序列，将折叠放在材料自组装的前沿。

目前，材料的自组装需要一个工具箱，具有给定的形状和多种交互风味和强度，以确保独特的产品。相比之下，利用有限的口味实现任意结构的高产量自组装仍然是一个关键挑战。因此，作者转向了线性链折叠自组装的生物学概念，类似于蛋白质和RNA折叠，并将其应用于材料科学。

作者的系统由两种类型的胶体液滴组成，标记为蓝色(A)和黄色(B)，带有互补的DNA链。如图1a和1b所示，这些液滴不可逆地与价2结合形成交替胶体体的主链。液滴分散在水相铁磁流体中，作者应用间歇性磁场来加速链的过程，引起链长度的指数分布。这些链是热的和自由连接的，因为即使在液滴结合后DNA仍在表面扩散。

为了调节折叠，每个液滴的特色都被DNA链功能化，作为较弱的次级相互作用。液滴的优点是在结合后可以自由地重新排列，便于折叠。如果所有的交互都同时打开，就会得到折叠几何图形的混合物作为最终产品。对于短于六聚体的链，可能的几何图形数是奇异的，但随着链长呈指数增长。例如，一个八聚体可以折叠成九种不同的几何形状，其中四种如图1b所示。通过选择具有不同结合能和不同熔化温度的DNA链，作者建立了一个键的层次结构，当温度降低时键会被打开，如图1c和1d所示。因为熔化的转变是剧烈的，工作在比它低几度的地方可以确保不可逆的键的形成和向下的折叠。例如，图1d中的十聚体链以阶梯式方式折叠成冠状结构。首先，蓝-蓝回文相互作用在高温下形成五聚体核，然后在逐渐降低的温度下依次锁定黄-蓝和黄-黄键。其它具有不同次级相互作用序列的协议由相同的DNA链介导，但以不同的组合嫁接到液滴上。

图1

在折叠过程中，每形成一个新键都会导致链采用不同的构型。那些有相同接触矩阵的构型，忽略手性，在这里被定义为属于一个给定的状态。在线性链和最终几何图形之间的所有可能状态映射出一个可以用树形表示的能量景观。在图2a的折叠树中，每一行显示的状态都具有相同的次级键数，即相同的势能。如果一种状态可以通过建立或断开单键在拓扑上转换为另一种状态，则两种状态在树中是连接的。设计折叠方案，或二级水滴相互作用的顺序，使作者能够将景观汇集到最终的折叠状态。

图2a中交替七聚体链的例子表明，只打开蓝-蓝相互作用会产生一个火箭折叠体作为最终状态。这棵树是在理论上构建的，然后用沿着实验折叠路径观测到的状态图像填充。实验与理论的显著重合表明实验是对所有可用状态的采样。跟踪n = 255个折叠七聚体使作者能够绘制侧边图中树的每一层中最受欢迎的状态的产率Y的演化。长寿命状态对应于理论上的局部最小值，但在实验中被克服了，因为作者的系统是准二维的，很少有可能的平面外重排。因此，在大约20分钟的时间尺度上，从四种可能的七聚体几何结构中，所有路径都通向火箭折叠器。

由于七聚体由4个蓝色和3个黄色液滴组成，打开黄-黄相互作用漏斗，景观变成了一个简单得多的树，如图2b所示。这里的最终状态是一种独特的软盘状态，需要额外的交互才能变成刚性状态。随后打开蓝-蓝交互作用产生两种新的软盘状态，其中一种状态闭合成一个刚性的梯子，而另一种状态则需要剩下的蓝-黄交互作用折叠成火箭形状。这个特殊的协议产生了梯子和火箭的混合物，并不是一个成功的协议。另一方面，反转后两步的顺序只会得到火箭折叠器，但会有不同的颜色排列或折叠，与图2a中从单个蓝-蓝相互作用中获得的不同。这个特性演示了几何图形对协议的结构稳定性。

在寻找折叠器的过程中，作者扫描了所有用于交替序列折叠的协议。随着链长度的增加，构建折叠树的计算成本变得昂贵，因此作者设计了一种系统搜索的替代策略，使作者能够达到N = 15个液滴的链。作者首先只列举刚体状态，然后画出其中所有可能的主干排列。将交替序列叠加在主干上，作者根据特定的相互作用矩阵在相邻的液滴之间添加二级键。结果状态然后被分类为局部或全局最小值。跟踪每次添加相互作用时的最小值，作者可以确定胶体聚体最终是否会在给定的相互作用步骤序列中折叠成唯一的几何形状。该算法依赖于相互作用是不可逆的和所有键形成的假设，这需要在实验中的每个温度步长有足够长的等待时间。这种策略适用于任何线性聚合物，它们可以在折叠过程中通过层级相互作用自由重新排列。

图2

作者的理论系统地确定了成功的协议，为长达13滴的链生成了总共11种折叠器几何形状，如图3a所示。按照这些协议，实验捕获了大多数预测的折叠体，如图3b所示。高相对成品率(定义为达到正确几何形状的刚性结构的比例)在除了花和冠折叠体之外的所有折叠体中都实现了，这是因为它们在超出实验窗口的时间尺度上遇到了松软的死角。这也许可以解释为什么单步淬灭具有完美的刚性结构的成品率，而多次淬灭的平均成品率较低。通过优化键合强度，可以抑制由局部极小值引起的不正确结构。

作者的折叠器表明，最简单的交替序列编码六元体的所有可能的几何形状：梯形、人字形和三角形，如图3b所示。在较长的折叠体中，只有七聚体花和十聚体层对应于折叠的同色异构体的基态，而其它不太可能是平衡的几何形状。例如，八聚体沙漏几何具有最高的自由能，也就是说，在九种可能的几何结构中，由于它的高对称数，它的产率最小。因此，作者的折叠体对应于仅根据几何考虑就可获得的动力学状态。另一个例子是九聚体贵宾犬，这是最长的链条，可以通过一次交互折叠。相比之下，十杯通过多对一的过渡折叠到皇冠上，作为漏斗状景观的一个例子。

更一般地说，交替胶体遵循两种机制达到折叠状态：核心塌陷和几何挫折，如图3c所示。最常见的机制是核塌缩，它首先形成一个刚性核，然后将剩余的液滴锁在外面。对于脱聚体，岩心最多由5个相同的液滴组成，具有独特的几何形状。在这个长度之外，折叠器由同时打开两种相互作用而形成的多种口味的核心组成，如星形折叠器所示。

第二种机制是几何挫折，最初是相互作用，通过某些锁定键将液滴困在无法形成二次键的相邻液滴周围的位置。打开其它相互作用，在不改变几何形状的情况下增加剩下的键。这些折叠器的俄罗斯娃娃结构作为N的函数，允许作者成功地预测N = 14的折叠器遵循相同的协议，如图3c所示。

图3

接下来，作者从理论上研究增加复杂性如何改善可能的折叠器的数量和种类。作者在所有可能的液滴特色序列中运行搜索算法，同时保留链中每种特色的数量。这个过程揭示了获胜的协议，大致增加了一个数量级的折叠器总数，特别是在较长的链中，如图4a (深蓝色)所示。请注意，至少N = 13滴的链能够编码具有稳定孔的折叠器，这可以作为精确的筛网，并提供多孔设计。此外，在设计序列和协议空间时引入第三种风格，确定了超过一半的所有可能的几何体尝试，直到三联相机，总共提供310个折叠器(红色)。两种口味编码六聚体中的所有三种几何结构，而三个字母编码十聚体中的所有几何结构，对少量口味作为N的函数所能达到的效果进行了限制。要在实验上实现这些序列特定的折叠结构，需要顺序液滴聚合。

用这些折叠器词汇作为构建模块，模拟表明它们通过附加的上椭球相互作用自组装成更高阶的结构，如图4b中的模拟示例所示。例如，蓝色液滴之间的相互作用将星形折叠体组装成一个复杂的马赛克。具有极化特色的折叠体会自行组装成丝带或岛状，而三种特色则会促进独特二聚体的组装。所有这些例子都可以通过实验实现，如果链按长度分离，稀释，然后激活DNA链进一步组装。

图4

作者的最小模型系统显示了许多名义上与蛋白质折叠相关的现象。由两种或三种特色的液滴组成的折叠体在漏斗景观中具有唯一性、鲁棒性和动力学可达性。核心折叠机制类似于蛋白质的疏水折叠，而几何折叠机制已被提出作为多肽组装的设计原则。在超胶体尺度上，折叠体组装模拟纤维的聚合，蛋白质胶束的形成或蛋白质二聚。这些相似之处

作者的最小模型系统显示了许多名义上与蛋白质折叠相关的现象。由两种或三种特色的液滴组成的折叠体在漏斗景观中具有唯一性、结构稳定性和动力学可达性。核心折叠机制类似于蛋白质的疏水折叠，而几何折叠机制已被提出作为多肽组装的设计原则。在超胶体尺度上，折叠体组装模拟纤维的聚合，蛋白质胶束的形成或蛋白质二聚。即使作者的系统严格地不平衡，这些相似之处也会发生，突出了几何在指导装配中的重要性。

胶体自组装的优点是，在显微镜下很容易看到单体，通过分析序列设计、最少数量的特色、相互作用的层次和拓扑约束的各自作用，可以获得控制成功折叠的基本规则。这种类型的结构设计影响功能。一旦折叠，乳剂很容易聚合，在近红外光的波长范围内形成固体二维图案，使人们能够调整它们的光学特性。

此外，顺序的二次相互作用可以编程折叠成三维折叠器。使用更小的液滴可以使它们在三维空间中更有效地探索可用的相空间。一个交替六聚体按照三步协议给出了一个唯一的多面体，作者用实验证明了它的100%的产率(n = 5)。几何簇的自组装为具有光子带隙的材料(如胶体金刚石)铺平了另一条道路。除了使用液滴，人们可以想象折叠带有疏水和极性基团的分子聚合物，或者通过外部驱动建立具有特定相互作用的宏观串珠模型。这种分层折叠的新范式为大规模自组装提供了具有可调功能的仿生材料的设计规则。