许多美丽而复杂的生物结构都是通过自组装过程产生的。事实上，自然界充满了复杂而有用的形式，它们由许多组成部分结合在一起，利用了分子的内在特征。

科学家们希望更好地了解这一过程是如何展开的，以及如何利用这种自下而上的结构来推进计算机科学、材料科学、医学诊断和其他领域的技术。

在新的研究中，亚利桑那州立大学助理教授PetrSulc和他的同事在复制自然自组装过程方面又向前迈进了一步。他们的研究描述了一种称为“烧绿石”的微小自组装晶体的合成结构，它具有独特的光学特性。

制造晶体的关键是开发一种新的模拟方法，该方法可以预测和指导自组装过程，避免不需要的结构并确保分子以正确的排列组合在一起。

这一进展为最终构建复杂的纳米级自组装设备(大致相当于单个病毒的大小)奠定了基础。

这些新方法被用来设计烧绿石纳米晶体，这是一种特殊类型的晶格，最终可以用作光学超材料，“一种只能传输某些波长的光的特殊类型的材料，”Sulc说。“这样的材料可以用来生产所谓的光学计算机和更灵敏的探测器，用于一系列应用。”

Sulc是亚利桑那州立大学分子设计和仿生学生物设计中心、分子科学学院和生物物理中心的研究员。

该研究发表在最新一期的《科学》杂志上。

从混乱到复杂

想象一下，将一块拆卸下来的手表放入盒子中，然后用力摇晃盒子几分钟。当你打开盒子时，你会发现里面是一块组装好的、功能齐全的手表。直觉上，我们知道这样的事件几乎是不可能的，因为手表和我们制造的所有其他设备一样，必须逐步组装，每个组件都由人或机器人装配线放置在其特定位置。

细菌、活细胞或病毒等生物系统可以构建高度精巧的纳米结构和纳米机器——生物分子复合物，如病毒的保护壳或细菌鞭毛，其功能类似于船舶的螺旋桨，帮助细菌前进。

这些以及无数其他自然形式的大小相当于几十纳米(一纳米等于十亿分之一米，或者大约是指甲在一秒钟内生长的长度)是通过自组装产生的。这种结构是由单个构建块(生物分子，例如蛋白质)形成的，这些构建块在细胞内混乱且随机地移动，不断与水和其他分子碰撞，就像你剧烈摇晃的盒子里的手表组件一样。

尽管表面上是混乱的，但进化已经找到了一种方法来为不规则的过程带来秩序。

分子以特定的方式相互作用，使它们以正确的方式结合在一起，在细胞内部或表面形成功能性纳米结构。其中包括细胞内各种复杂的复合体，例如可以复制整个遗传物质的机器。不太复杂但相当复杂的例子包括病毒坚韧外壳的自组装，Sulc之前也曾与他的同事、亚利桑那州立大学物理系的BanuOzkan研究过其组装过程。

用DNA制作

几十年来，生物纳米技术领域一直致力于在实验室中制造微型结构，复制生物体中的自然组装过程。该技术通常涉及将分子成分混合在水中，逐渐冷却它们，并希望当溶液达到室温时，所有部件都能正确地组合在一起。

最成功的策略之一被称为DNA生物纳米技术，它使用人工合成的DNA作为基本构件。这种生命分子不仅能够存储大量的遗传信息，还可以在实验室中设计DNA链，使其相互连接，从而形成巧妙的3D结构。

由此产生的纳米结构(称为DNA折纸)具有一系列有前景的应用，从诊断到治疗，例如，它们正在作为一种新的疫苗输送方法进行测试。

一个重大挑战在于设计分子相互作用以仅形成特定的、预先设计的纳米结构。在实践中，由于粒子碰撞和相互作用的不可预测性，常常会产生意想不到的结构。这种现象被称为动力陷阱，就像摇动一盒零件后希望得到一块组装好的手表，却发现是一堆杂乱的东西。

维持秩序

为了尝试克服动力学陷阱并确保DNA片段自组装正确的结构，研究人员开发了新的统计方法，可以模拟纳米结构的自组装过程。

对如此极其复杂的过程进行有用的模拟面临着巨大的挑战。在组装阶段，分子的混乱舞蹈可以持续几分钟到几小时，然后目标纳米结构才会形成，但世界上最强大的模拟最多只能模拟几毫秒。

“因此，我们开发了一系列全新的模型，能够以不同的精度模拟DNA纳米结构，”Sulc说道。“例如，我们不是像蛋白质模拟中常见的那样模拟单个原子，而是将12,000个DNA碱基表示为一个复杂粒子。”

这种方法使研究人员能够通过结合不同准确度的计算机模拟来查明有问题的动力学陷阱。使用他们的优化方法，研究人员可以微调分子相互作用的暴风雪，迫使组件正确组装成预期的结构。

这项研究建立的计算框架将指导更复杂材料的创建和具有复杂功能的纳米设备的开发，在诊断和治疗方面具有潜在用途。

这项研究工作是与罗马第一大学、威尼斯Ca'Foscari大学和纽约哥伦比亚大学的研究人员合作进行的。