新理论颠覆了我们对带电大分子如何自组装的了解

在一项具有广泛意义的发现中，马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员最近在国家科学院院刊上宣布，均匀带电的大分子或分子，如蛋白质或DNA，包含大量原子相同的电荷——可以自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，科学家们将带电聚合物链理解为由更小、均匀带电的单元组成。这种称为聚电解质的链在水中表现出可预测的自组织行为：它们会相互排斥，因为带类似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，分子就会卷起来，因为链的电斥力被盐屏蔽了。

然而，“当你有偶极子时，游戏就大不相同了，”该研究的资深作者，麻省大学阿默斯特分校的WilmerD.Barrett教授，高分子科学与工程教授MurugappanMuthukumar说。

虽然许多分子具有正电荷或负电荷，但偶极子同时具有。这意味着由偶极子组成的聚合物的行为与更熟悉的聚电解质非常不同，后者具有正电荷或负电荷：它们在盐溶液中膨胀并可以与其他偶极聚合物链形成交联，然后导致形成复杂的聚合物结构。

迪佳完成了这项研究，作为她在马萨诸塞大学阿默斯特分校博士后培训的一部分，并且是该研究的主要作者，他说“偶极子可以使聚电解质表现得更像多两性离子，它表现出‘抗聚电解质效应’。这种效应也是传统化学多两性离子的一个特点，其偶极子是由化学键组成的，因此，对于物理多两性离子，在稀溶液中，聚合物尺寸随着离子强度的增加而增加，表现出球状到螺旋状的转变。到链内偶极子相互作用。”

偶极聚合物能够形成复杂的自我调节结构，可用于从药物输送系统到下一代聚合物的所有领域。“我们推测，带电大分子中的这些偶极力在几乎所有生物组装过程中都发挥着重要作用，例如无膜细胞器的自发诞生，”Muthukumar说。

此外，这些偶极子组成的聚合物表现出一种“中间”状态，称为“介晶”。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“自我毒化”或溶解的能力。

“偶极子驱动聚合物组装的发现意义重大，”穆图库马尔说，“因为它揭示了生命过程的基本奥秘之一，”或者生物材料如何知道如何自组装成连贯的，稳定的结构。“该理论改变了我们对这些系统的思考方式，并强调了偶极子在生物材料自组装中所起的未被承认的作用。”