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在超分子网络研究中，传统参数难以解释其成核与生长机制。研究人员以三对称 DNA 大分子单体为模型，探究界面柔性的影响。结果发现界面柔性决定网络形成机制，适度柔性利于结晶。这为设计超分子材料提供新思路。
在微观的分子世界里，超分子网络无处不在，它如同大自然精心搭建的 “纳米建筑”，在生物过程中发挥着关键作用，比如网格蛋白三脚蛋白组装成多边形结构助力细胞摄取，TRIM5a 以六边形模式组织在 HIV-1 衣壳上对抗病毒感染。然而，长期以来，科学家们对超分子网络的成核与生长机制却知之甚少。
传统观念认为，决定超分子网络形成的主要是结合强度（亲和力）和结合事件数量（价态）。但实际情况远非如此简单，就像网格蛋白和 TRIM5a 在组装过程中，会发生额外的结构变化，这表明单体的机械性能变化会影响网络的成核。可由于生物体系的复杂性，想要系统地研究分子参数对超分子有序网络成核和生长的影响，困难重重。
在晶体形成领域，虽然共价晶体的原子间结合强且有序，但超分子晶体由于非共价相互作用较弱，其结构更为灵活和动态，大分子单体单元的结构力学在超分子晶体形成中起着至关重要的作用。因此，深入理解超分子界面键方向性的柔性极限，对开发新型材料工程策略意义重大。
此前的研究材料，如蛋白质和胶体，在研究结构力学对超分子网络形成影响时存在诸多限制。蛋白质难以简单地调节柔性和亲和力，胶体则会在整体系统中掩盖结构力学的细微变化影响。而 DNA 纳米技术的出现，为解开这一谜团带来了希望。它能精准控制大分子柔性和单体 - 单体亲和力之间的关系，成为研究超分子网络成核 - 生长机制的理想模型材料。
在这样的背景下，来自瑞士洛桑联邦理工学院（Ecole Polytechnique Fédérale Lausanne）等多个研究机构的研究人员，开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《Nature Chemistry》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。他们利用原子力显微镜（AFM）对超分子网络进行静态成像，观察不同条件下网络的稳态结构；运用高速原子力显微镜（HS-AFM）实时监测网络形成过程，捕捉分子间的动态相互作用；借助 oxDNA 模拟和蒙特卡罗模拟，从理论层面深入探究界面柔性和空间耐受性对成核的影响，为实验结果提供有力的理论支持 。
微妙的结构变化产生多样的网络结构
研究人员以 DNA 三点星（3PS）基序为起点，设计了两种 3PS 变体：一种臂长为两个 DNA 螺旋圈（“短”），另一种每臂增加 0.5 个螺旋圈（“长”）。这种修改不仅改变了分子的整体大小和柔性，还增加了臂末端的空间耐受性（末端柔性）。通过 AFM 成像发现，短单体主要形成大的六边形网络，而长单体则组装成较小的细长结构。利用定制的检测算法量化网络密度（ND）后进一步证实，短 3PS 更接近理想的径向晶体网络，而长 3PS 的低 ND 值与浓度无关，这表明臂几何形状和末端柔性的微小变化对全局网络自组装有重要影响。
刚性和亲和力共同促进晶体组织
为探究分子间结合亲和力的变化能否克服结构柔性对晶格扩展的负面影响，研究人员通过改变末端核苷酸序列来调整 3PS 单体间的亲和力。实验结果显示，增加短 3PS 的单体间亲和力，能略微增强其径向晶体组织，但对长 3PS 影响不明显。对多边形组成的分析表明，六边形组织普遍存在，短 3PS 形成的多边形总数更多，且其六边形含量与末端亲和力有一定关系，刚性和亲和力共同作用有助于形成更结晶的组织。
网络形成的实时成像揭示两种机制
借助 HS-AFM 对 3PS 单体的组装过程进行实时成像，研究人员发现短 3PS 和长 3PS 具有不同的自组装途径。短 3PS 形成少量大岛，表明有稳定的初始成核事件，随后进行径向生长；而长 3PS 则形成多个小且细长的岛，缺乏稳定的成核。对岛密度、多边形数量等进行量化分析后，研究人员提出了两种 3PS 系统的动力学途径：短 3PS 通过多价 π-π 相互作用形成稳定核，进而实现超分子晶体的生长；长 3PS 难以形成稳定核，最终通过小核聚结形成细长岛结构。
界面柔性决定稳定成核
通过 oxDNA 模拟和分子动力学模拟，研究人员发现短 3PS 的臂末端距离分布更窄，其形成 π-π 堆叠相互作用的概率更高，相比之下，长 3PS 形成稳定核的机会大大降低。蒙特卡罗模拟进一步表明，界面柔性是超分子成核 - 生长机制的决定性因素，过度的柔性会使 3PS 功能缺陷，阻碍稳定核的形成。
恢复界面刚性恢复稳定成核
研究人员通过移动 DNA 交叉点的位置，设计了一种新的 “长刚性”（LR）3PS 单体，以降低界面柔性。oxDNA 模拟证实 LR 3PS 单体恢复了类似短 3PS 的界面刚性。实验结果显示，LR 3PS 形成了径向生长的大网络，ND 得分与短 3PS 匹配，但多边形分布更接近原始长 3PS。通过对相图的研究排除了全局柔性的干扰，表明实验中观察到的差异是由界面柔性控制的。
综上所述，该研究表明局部结构柔性的微妙变化可通过界面柔性对系统的全局自组装产生显著影响。界面柔性在超分子网络形成中起主导作用，这一发现不仅加深了人们对超分子网络成核与生长机制的理解，还为未来设计更复杂的超分子材料提供了宝贵的指导。从生物学到材料科学，这一成果有望在多个领域发挥重要作用，帮助科学家们更好地理解生物过程，开发新型材料和治疗策略 。
