颠覆“生命基本结构组装”的新理论

麻省大学阿默斯特分校的研究人员最近在《PNAS》上宣布了一项具有广泛意义的发现，即带均匀电荷的大分子——或含有大量具有相同电荷的原子的分子，如蛋白质或DNA——可以自我组装成非常大的结构。这一发现颠覆了我们对生命的一些基本结构是如何构建的理解。

　　

   

   

与典型的聚电解质行为相反，几个大分子偶极子之间的吸引导致了它们的中纯组合。    

马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员宣布了一项具有广泛意义的发：带均匀电荷的大分子——或含有大量带相同电荷的原子的分子，如蛋白质或DNA——可以自我组装成非常大的结构。这一发现颠覆了我们对生命的一些基本结构是如何构建的理解。

传统上，科学家将带电聚合物链理解为由更小的、均匀的带电单元组成。这种链被称为聚电解质，在水中表现出可预测的自组织行为:它们会相互排斥，因为带相同电荷的物体不喜欢彼此靠近。如果你在含有聚电解质的水中加入盐，那么分子就会缠绕起来，因为链的电斥力被盐屏蔽了。

然而，“当你有偶极子时，游戏是非常不同的，”Murugappan Muthukumar说，他是马萨诸塞大学阿默斯特分校聚合物科学与工程Wilmer D. Barrett教授，该研究的资深作者。

许多分子要么带正电荷，要么带负电荷，而偶极子两者都有。这意味着由偶极子组成的聚合物与我们更熟悉的带正电荷或负电荷的聚电解质的行为非常不同:它们在盐溶液中膨胀，并能与其他偶极子聚合物链形成交联，然后导致复杂聚合物结构的形成。

作为在马萨诸塞大学阿默斯特分校博士后培训的一部分，Di Jia是这项研究的主要作者，她说:“偶极子可以使聚电解质的行为更像多两性离子，表现出一种‘反聚电解质效应’。这种效应也是传统化学多两性离子的一个特征，其偶极子是由化学键构成的。因此，对于稀溶液中的物理聚两性离子，聚合物的尺寸随着离子强度的增加而增大，由于链内偶极相互作用，聚合物呈现出球状到线圈的转变。”

偶极聚合物能够形成复杂的、自我调节的结构，可用于从药物递送系统到下一代聚合物的所有领域。Muthukumar说:“我们从理论上认为，带电大分子中的这些偶极力在几乎所有的生物组装过程中都起着重要作用，比如无膜细胞器的自发生成。”

此外，这些偶极组成的聚合物表现出一种“中间”状态，称为“中胚性”。在介晶状态下，聚合物既不广泛分散也不紧密盘绕，而是聚集成大的、稳定的、均匀的结构，具有“自毒”或溶解的能力。

Muthukumar说:“偶极子驱动聚合物组装这一发现的意义是巨大的，因为它为生命过程的一个基本奥秘提供了新的解释，”或者是生物材料如何知道如何自我组装成连贯稳定的结构。该理论改变了我们思考这些系统的范式，并强调了偶极子在生物材料的自组装中所起的未被承认的作用。”