中國科大在DNA調(diào)控納米粒子組裝方面取得新進(jìn)展

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高分子科學(xué)與工程系梁好均教授課題組針對自組裝領(lǐng)域中遠(yuǎn)離平衡態(tài)組裝系統(tǒng)出現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)問題，提出了一種新的解決方法。相關(guān)成果以“Catalytic-assembly of programmable atom equivalents”為題，于4月24日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《PNAS》上。

自組裝是指組裝基元（分子、納米粒子等）通過非共價相互作用自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)的過程，由于其創(chuàng)造新材料的優(yōu)異能力受到廣泛關(guān)注。理想的組裝過程可使系統(tǒng)達(dá)到自由能最低的熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài)并形成高質(zhì)量的組裝結(jié)構(gòu)。然而，對于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的組裝系統(tǒng)，因為動力學(xué)受阻系統(tǒng)容易陷入局域自由能極小的亞穩(wěn)態(tài)，從而使組裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種缺陷，限制了高質(zhì)量組裝結(jié)構(gòu)的形成及其進(jìn)一步應(yīng)用。如何有效逃逸遠(yuǎn)離平衡態(tài)組裝系統(tǒng)的亞穩(wěn)態(tài)是自組裝領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的難題。對于DNA功能化的納米粒子組裝這種典型的遠(yuǎn)離平衡態(tài)系統(tǒng)，當(dāng)前多采用傳統(tǒng)的熵調(diào)控?zé)嵬嘶鸩呗詫崿F(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)逃逸。然而，對于熱退火策略，納米粒子的聚集和分散通常發(fā)生在非常窄的溫度跨度內(nèi)。在組裝溫度下系統(tǒng)可能會進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，但溫度稍有增加納米粒子可能就會全部分散，熱能對錯誤連接的非共價鍵的糾正沒有選擇性。此外，熱退火不利于生物活性粒子以及在生理環(huán)境下進(jìn)行的組裝。

圖1（A）DNA催組劑調(diào)控納米粒子組裝過程示意圖；（B）催組劑濃度對超晶格質(zhì)量的影響；（C）原位小角X射線散射數(shù)據(jù)證實組裝結(jié)構(gòu)從無序到有序的固態(tài)轉(zhuǎn)變過程；（D）組裝體吸光度隨催組劑濃度變化的擬合曲線；（E）催組劑不存留于組裝結(jié)構(gòu)中的證明實驗；（F）催組劑去除后組裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不受影響；（G-J）改變催組劑結(jié)構(gòu)設(shè)計可提高其效率。

鑒于此，梁好均教授課題組受廈門大學(xué)田中群院士提出的催組裝（Catassembly）理念啟發(fā)，在課題組之前發(fā)展的恒溫焓調(diào)控納米粒子催組裝策略（PNAS, 2020, 117, 5617）的基礎(chǔ)上，借助理論模擬的預(yù)測進(jìn)一步發(fā)展了一種新的DNA催組劑（Catassembler）恒溫調(diào)控納米粒子組裝策略。在該策略中，作為催組劑的DNA短鏈可以直接與組裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部納米粒子表面的鍵合端發(fā)生競爭作用，通過瞬態(tài)DNA鏈替換反應(yīng)打開錯誤連接的非共價鍵進(jìn)行糾正，幫助系統(tǒng)實現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的逃逸。催組劑在發(fā)揮作用時不會破壞組裝結(jié)構(gòu)的整體骨架（形成逾滲網(wǎng)絡(luò)），并可以從終態(tài)組裝結(jié)構(gòu)中去除，類似于化學(xué)反應(yīng)的催化劑，且通過改變催組劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效降低催組劑用量、提高催組劑效率?；谙嗤脑?，通過在雙組分系統(tǒng)中改變納米粒子內(nèi)核種類以及DNA序列設(shè)計后直接添加對應(yīng)的DNA催組劑可獲得具有不同晶體對稱性的超晶格結(jié)構(gòu)，該策略使納米粒子的組裝實施類似于恒溫化學(xué)反應(yīng)一樣易于進(jìn)行。此外，這種簡單有效的DNA催組劑調(diào)控策略使納米粒子超晶格結(jié)構(gòu)間的“固-固”相轉(zhuǎn)變突破了受溫度調(diào)控以及初始相態(tài)自由能的限制，使不同納米粒子超晶格結(jié)構(gòu)間的“固-固”相轉(zhuǎn)變易于實現(xiàn)，展現(xiàn)了其在結(jié)構(gòu)可重構(gòu)的“固-固”相轉(zhuǎn)變生物-無機(jī)復(fù)合材料方面的應(yīng)用潛力。作為一種調(diào)節(jié)組裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部非共價相互作用的通用方法，該催組劑策略有望拓展到其他遠(yuǎn)離平衡態(tài)的軟物質(zhì)體系（多肽、嵌段共聚物等）組裝過程的調(diào)控設(shè)計中。