Prof. Liang Haojun von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) schlug einen neuen Ansatz für den katalytischen Aufbau vor, um metastabilen Zuständen in einem System aus DNA-funktionalisierten Kolloiden zu entkommen, das weit vom Gleichgewicht entfernt ist. Die Studie wurde im veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Selbstorganisation bezieht sich auf den Prozess, bei dem zusammengesetzte primitive Elemente (Moleküle, Nanopartikel usw.) durch nichtkovalente Wechselwirkungen spontan geordnete Strukturen bilden. Die hervorragende Fähigkeit des Systems zur Herstellung neuer Materialien hat Aufmerksamkeit erregt. Bei einem idealen Montageprozess erreicht das System einen thermodynamisch stabilen Zustand mit der niedrigsten freien Energie und bildet eine hochwertige Montagestruktur. Wenn das Montagesystem jedoch weit vom Gleichgewichtszustand entfernt ist, neigt das System dazu, in der Metastabilität festzustecken, wo die lokale freie Energie extrem klein ist, was die Bildung einer hochwertigen Montagestruktur blockiert.
Die Umgehung der Metastabilität in einem System, das weit vom Gleichgewicht entfernt ist, gilt als schwieriges Rätsel auf dem Gebiet der Selbstorganisation. Für den Zusammenbau von DNA-funktionalisierten Nanopartikeln, einem typischen System, das weit vom Gleichgewicht entfernt ist, stellt die entropiekontrollierte thermische Annealing-Strategie einen traditionellen und allgemein akzeptierten Weg dar, der Metastabilität zu entkommen. Dennoch erfolgt die Aggregation und Dispersion von Nanopartikeln während des Temperns normalerweise über einen engen Temperaturbereich. Bei der Korrektur falsch verbundener nichtkovalenter Bindungen ist thermische Energie nicht selektiv. Das thermische Tempern ist weder für den Zusammenbau biologisch aktiver Partikel noch unter physiologischen Bedingungen förderlich.
Inspiriert durch das Konzept der „Katzenassemblierung“, das vom Akademiker Tian Zhongqun von der Universität Xiamen vorgeschlagen wurde, stellten Prof. Liang und sein Team einen neuen Weg vor, um den katalytischen Zusammenbau von DNA-funktionalisierten kolloidalen Nanopartikeln in einem System fernab des Gleichgewichts zu erreichen. Basierend auf ihrer Vorhersage auf theoretischen Simulationen und früheren Forschungsergebnissen zu einer Strategie zur Steuerung konstanter Enthalpie für den Aufbau von Nanopartikeln verwendeten sie ein entfernbares Molekül namens „Catassembler“, das als Katalysator dient, um unvollständige Bindungen anzupassen und dem System dabei zu helfen, der Metastabilität zu entkommen Erhaltung des zusammengebauten Rahmens.
Bei dieser Strategie konkurriert der kurze DNA-Strang als Beschleuniger direkt mit dem Bindungsende auf der Oberfläche der Nanopartikel innerhalb der Aufbaustruktur, und die nichtkovalente Bindung der falschen Verbindung könnte durch den transienten DNA-Strang korrigiert werden Ersatzreaktion, die dem System hilft, der Metastabilität zu entkommen. Während des Prozesses würde der Beschleuniger das Gesamtgerüst der Montagestruktur nicht zerstören und könnte aus der endgültigen Montagestruktur entfernt werden. Darüber hinaus könnte durch eine Änderung des strukturellen Designs des Beschleunigers sogar die Dosierung des Beschleunigers reduziert und seine Effizienz verbessert werden.
Auf der Grundlage des gleichen Prinzips können Übergitterstrukturen mit unterschiedlichen Kristallsymmetrien erhalten werden, indem der Kerntyp der Nanopartikel in einem Zweikomponentensystem geändert und nach dem Design der DNA-Sequenz direkt der entsprechende DNA-Beschleuniger hinzugefügt wird. Diese Strategie erleichtert die Umsetzung der Anordnung von Nanopartikeln, da die chemische Reaktion bei einer konstanten Temperatur abläuft.
Darüber hinaus ist diese Strategie zur Regulierung des DNA-Beschleunigers einfach und effektiv genug, dass die „fest-fest“-Phasentransformation zwischen verschiedenen kolloidalen Kristallen einfacher zu erreichen ist, nachdem die Einschränkungen der Temperaturregulierung und der freien Energie des anfänglichen Phasenzustands durchbrochen wurden. Es zeigt sein Anwendungspotenzial in strukturell rekonfigurierbaren bioanorganischen Verbundwerkstoffen mit „Fest-Fest“-Phasenumwandlung.
Als allgemeine Methode zur Regulierung nichtkovalenter Wechselwirkungen innerhalb von Aufbaustrukturen wird erwartet, dass die in dieser Studie vorgeschlagene Beschleunigerstrategie auf die Steuerung und Entwicklung von Aufbauprozessen für andere weiche Materialsysteme (Polypeptide, Blockcopolymere usw.) ausgeweitet wird weit vom Gleichgewicht entfernt.
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Dongbao Yao et al., Katalytische Assemblierung programmierbarer Atomäquivalente, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2219034120