液晶病毒中的手性传递研究

手性（chirality）是自然界中普遍存在的现象，并且在生物学、化学、物理学和材料科学等多个领域具有重要影响。然而，从纳米尺度的构建块到宏观的螺旋结构的手性传递机制仍然是一个未解之谜。在这篇研究中，作者通过研究细丝状病毒在手性液晶相中的自组装，揭示了手性传递的关键机制。作者深入探讨了电荷表面模式和病毒主链的螺旋变形如何共同作用，形成病毒液晶相的螺旋结构。

研究背景

液晶相中的手性传递在许多领域都具有重要性。例如，从具有不对称碳原子的手性分子到有序螺旋超结构和手性块体装置，理解和控制手性传播对于生物学、化学、物理学以及纳米技术和材料科学等领域至关重要。尤其是被称为“胆甾相”的液晶相，更是手性组装的典型代表。在广泛的技术应用如显示器行业到智能窗户中，胆甾相结构也是生物物质中普遍存在的形式。

尽管过去几十年中研究人员付出了大量努力，手性层次结构的传播机制，特别是从分子构建块的微观属性到它们所形成的宏观螺旋结构的因果关系，仍然未能完全解决。这一挑战的根源在于手性相互作用是本质上微弱的。当两个相邻粒子在标准胆甾排列中找到最佳扭曲角时，这个角度往往不到1度。

论文来源

这篇研究论文由Eric Grelet（Centre de Recherche Paul Pascal, Univ. Bordeaux, CNRS, 法国）和Maxime M. C. Tortora（Laboratoire de Biologie et Modélisation de la Cellule, INSERM 1293, Univ. Claude Bernard Lyon 1, ENS de Lyon，及现任职于美国南加州大学计算生物学系）完成。论文发表在2024年《Nature Materials》期刊上。

研究方法

在研究中，作者通过实验和理论方法，研究了由细丝状病毒形成的胆甾液晶相。本文采用经典的杆状粒子为模型系统，探讨了它们在自组装过程中手性传递的机制。研究对象是m13和y21m两种细菌噬菌体，即长杆状单链DNA病毒。这些病毒广泛用于基因工程和软凝聚态物理学的模型系统。

研究的方法包括：

1. 病毒的结构表征：使用高分辨率X射线衍射对两种病毒的三维结构进行表征，分别存贮在蛋白质数据银行（PDB）中，编号为1IFI和2C0W。
2. 手性传递模型的建立：研究基于全原子描述的静电模型，分析病毒对流体的手性传递，量化其螺旋间距（pitch）和扭曲弹性模量（K22）。
3. 通过调控离子环境和化学修饰探究传递机制：作者通过调控病毒溶液的pH值和离子强度，以及表面聚乙二醇（PEG）修饰，探索不同条件下的手性传递机制。

研究结果

1. 电荷与静电相互作用关系：m13和y21m病毒因其在病毒外壳上的螺旋电荷模式而显示出不同的手性液晶相——m13为左手性，y21m为右手性。当增加溶液离子强度时，两种病毒的胆甾相的螺旋间距∣p∣均增加，显示了静电相互作用对手性液晶结构的重要影响。
2. PEG修饰病毒的行为：当病毒表面通过PEG修饰后，其液晶相的行为不再依赖于离子强度，而是由病毒主链的弹性驱动。m13-PEG体系在等电点（PIE）处仍呈现左手性胆甾相，而y21m-PEG则表现为无观察到手性传播的液晶相。
3. 手性传递机制的两种主要途径：研究表明，对于刚性的y21m病毒，胆甾相的手性主要由局部静电相互作用引起，而对于具有较大柔性的m13病毒，手性传播主要通过长波长的螺旋变形（即超螺旋模式）来实现。

结论和意义

研究进一步表明，病毒液晶相中的手性传递是由静电相互作用和主链弹性共同作用的结果，而且不同的病毒表现出了截然不同的手性传递机制。这不仅加深了我们对液晶相手性传递机制的理解，也为设计具有特定光学、电学或生物学功能的手性材料提供了新思路。研究提供了一个从原子尺度到宏观尺度的详细框架，有助于揭示液晶结构中手性转移的过程和机制。

通过这项研究，科学家们能够更好地理解和控制手性从微观分子到宏观结构的传播，对于纳米技术、材料科学以及生物医学领域具有重要的应用价值。研究中的量化模型和实验结果也为未来类似的研究提供了重要的数据和参考。

研究的亮点

1. 揭示了病毒在液晶相中手性传播的主要机制。
2. 显示了静电相互作用和长波长螺旋变形的共同作用。
3. 提供了一个从原子级别到宏观尺度的量化框架。
4. 对未来设计新型手性材料具有指导意义。

未来展望

理解和控制手性在螺旋超结构中的传播，不仅能揭示各种自组装过程和机制，也为设计具有特定功能的手性材料提供了新的可能。未来可继续深入研究更多种类的病毒液晶体系，探究其手性传递机制，进一步拓展研究结果的应用范围。