手性微管的自组装

从大分子构建单元高效且可控地组装复杂结构，是生物系统和纳米科学中一个关键的未决问题。利用分子动力学模拟，我们研究了具有多个表面结合位点的模型大分子单体组装成管状结构的过程 [Cheng et al., Soft Matter 8, 5666-5678 (2012)]。在本工作中，我们在模型单体中引入了手性和锁 - 钥相互作用。自由单体自组装成微管产生的螺距值往往与单体的手性不匹配（包括非手性单体）。我们表明，这种不匹配是由于扭转形变造成的，当微管螺距与单体手性不同时，该形变使侧向相互作用位点对齐。由于在小范围的螺距和手性差异下能量分布显著重叠，这种形变的能量成本很小。为了通过防止扭转形变来控制微管螺距，必须增加垂直表面之间的相互作用，同时避免产生动力学陷获结构。为此，我们采用了锁 - 钥相互作用，并实现了对自组装微管螺距的良好控制。这些结果解释了微管的一些基本特征。微管中的垂直相互作用强度大于侧向相互作用，因为这能产生具有适当螺距的微管可控组装。我们还普遍发现，控制组装成微管是困难的，这解释了在微管组装中观察到的螺距和原丝数量的广泛范围。