女士們，先生們，老少爺們兒們！在下張大少。

上世紀90年代，讓·馬里·萊恩（Jean-Marie Lehn）勾勒出"信息化物質科學"的愿景——在此圖景中，結構從分子層面開始自主構建，通過具有"編程"特性的組件自組裝形成，這些組件能限定并引導最終產物形態1。這一根植于超分子化學、從生物學汲取靈感的概念，如今正發展為一門真正的藝術形式。當人們已能利用合成DNA鏈2構建精密的納米及介觀尺度結構時，如今更可通過設計蛋白質3打造出令人驚嘆的幾何造型，例如多面體納米籠和梯狀纖維。其中某些結構讓人聯想到生命體中的自組裝現象，比如病毒的多面體衣殼，以及充當細胞內運輸軌道的微管。

盡管信息化物質科學的可能性似乎與我們的想象力一樣廣闊，但要將微觀自組裝付諸實際應用，就必須考慮所需的時間尺度。例如，組裝的速率將決定DNA"拼塊"?通過算法自組裝所能實現的計算速度。而肌動蛋白絲自組裝與解聚的動力學特性，則對依賴該機制?的細胞遷移速度至關重要。

分子或納米單元在擴展陣列中快速聚集——這實質上就是結晶速率——取決于組件自身的多種內在因素。但有一個鮮少被考慮的要素：亞基的幾何形狀。加特納和弗雷構建了一個極簡模型來探究該問題，通過分析能與密堆積陣列相匹配的最簡形狀瓦片（正方形、三角形和六邊形?）的二維組裝速率。這類研究或可為以下過程建模：由三角形蛋白質?組裝衣殼、由六聚體或五聚體蛋白質?構成的二十面體羧酶體（細菌微室），以及將方形DNA瓦片?用作像素單元，通過分層級任意拼接形成復雜圖像的技術。

加特納和弗雷研究了N個相同單體瓦片通過沿邊緣以特定速率正確取向連接而進行組裝的過程。他們假設集群僅通過單體進一步附著而生長，而非通過較大寡聚體的連接，因為前者的濃度通常遠高于后者。每個結合事件都是可逆的，這使得單體能夠通過活化過程（必須克服結合能）解離，而給定單體的解離速率則取決于其在集群中已形成的鍵數。顯然，三角形、正方形和六邊形單體最多可分別形成3個、4個和6個這樣的鍵。

基于這些要素，研究人員計算了特定時間內的自組裝產率：即結合成大小為S的集群中的單體比例（理論上最大集群數為N/S）。隨著S增大，達到某個閾值產率（例如90%的單體完成S集群組裝）所需時間T自然隨之增加。更微妙的是，加特納和弗雷發現這種關系漸近趨近于冪律：T- S^θ。忽略多鍵單體解離的最簡理論預測，三角形和正方形的θ=1，而六邊形的θ=0.5。換言之，六邊形的組裝時間增長更為平緩。計算機模擬證實了這一階近似的有效性：三角形、正方形和六邊形的θ值分別約為1.21、1.18和0.38（在更大規模模擬中可能更接近理論預測值）。

不僅如此，三種單體的絕對組裝時間存在數個數量級的差異，其中六邊形所需時間最短。當研究每種單體組裝特定周長的管狀結構（常見的自組裝目標）時，雖標度指數各異，卻也得出了相似結論。研究者還建立了更具普適性的數學理論，能夠預測廣義復雜粒子形狀（包括三維結構）的標度指數。由此看來，六邊形組件是目前最高效的自組裝單元——加特納和弗雷將這一發現歸因于：唯有六邊形在最小致密穩定集群（即每個粒子至少形成兩個鍵的集群）基礎上新增一個單體，即可形成新的穩定集群。

六邊形組件的優勢似乎是自然界早已得出的結論。許多病毒衣殼由蛋白質六聚體構成——或由五聚體構成，后者在保持幾何優勢的同時，還能使拼圖式組裝在三維空間彎曲成閉合殼體。這一啟示對于通過自組裝制備合成閉合殼體、超分子封裝1?、藥物遞送等應用具有重要借鑒意義。

參考文獻

1. Lehn, J.-M. Supramolecular Chemistry (Wiley-VCH, 1995).

2. Seeman, N. C. & Sleiman, H. F. Nat. Rev. Mater. 3, 17068 (2018).

3. Huddy, T. F. et al. Nature 627, 898–904 (2024).

4. Mao, C., LaBean, T. H., Reif, J. H. & Seeman, N. C. Nature407, 493–496 (2000).

5. Pollard, T. D. & Borisy, G. G. Cell 112, 453–465 (2003).

6. Gartner, F. M. & Frey, E. Phys. Rev. X 14, 021004 (2024).

7. Rossmann, M. G. & Johnson, J. E. Annu. Rev. Biochem. 58, 533–573 (1989).

8. Sutter, M., Melnicki, M. R., Schulz, F., Woyke, T. & Kerfeld, C. A. Nat. Commun. 12, 3809 (2021).

9. Tikhomirov, G., Petersen, P. & Qian, L. Nature 552, 67–71 (2017).

10. Davis, A. V., Yeh, R. M. & Raymond, K. N. Proc. Natl Acad. Sci. USA 99, 4793–4796 (2002).

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