院士领衔！南京大学「国家高层次人才」团队，新发Science子刊！

研究背景

分子结是指大分子链在空间中的缠绕结构，这种拓扑结构在生物分子（如蛋白质、核酸）中发挥着重要的生化功能。结能够提供拓扑保护，防止大分子遭受酶降解，或赋予其高选择性结合离子以及显著的催化活性，因此被广泛应用于生物工程、药物设计等领域。与传统的线性大分子材料相比，结绳结构的分子能够展示出独特的物理和化学性质，如更高的稳定性和反应性。然而，控制线性大分子上的分子结仍然面临着许多挑战。尽管有诸多研究试图通过化学合成或物理手段控制分子拓扑，现有技术难以精确操控结绳过程，尤其是在大分子中高效生成、控制和传递结的能力仍然受到限制。

成果简介

为了解决这一问题，南京大学马余强院士以及雷群利教授等人合作在《Science Advances》上发表题为“Activity-driven polymer knotting for macromolecular topology engineering”的最新论文。该团队设计了一种新型的活性聚合物链，发现通过在链的一端锚定，它能够在非平衡条件下自发形成并持续结绳。研究表明，这种活性聚合物链在经历间歇性的巨型构象波动和向外的爬行运动后，能够不断自我结绳。一旦结形成，它会由于非平衡棘轮效应迁移至锚定点，并积累成多个结配置。这一发现揭示了活性力在控制大分子分子结中的重要作用。

此外，当将活性聚合物接枝到被动聚合物的末端时，它能够作为自推进软针头，转移其自身的结或直接在被动聚合物上编织结。进一步的研究表明，这些活性“针头”可以在两个被动聚合物之间创建分子间桥结。该研究的创新性在于利用非平衡效应改变了聚合物系统的动态路径，拓宽了大分子拓扑工程的应用范围。这一新发现不仅为大分子结绳和编织提供了新的思路，也为未来在生物材料和软物质领域的应用提供了潜在的技术路径。

研究亮点

1. 实验首次发现，当一个活性爬行聚合物链的一端被锚定时，聚合物会经历持续的自我结绳现象，形成多重结结构。该现象是由于聚合物在活性作用下产生的间歇性巨型构象波动和向外的爬行运动所导致的。

2. 实验通过分析活性聚合物的动态行为，发现一旦结形成，它会由于非平衡棘轮效应向锚定点迁移，进而积累多个结配置。研究表明，结绳的速率受聚合物活性强度和持久长度的控制。

3. 实验进一步发现，当活性聚合物接枝到被动聚合物上时，活性聚合物能够作为自推进软针头，将其自身的结转移到被动聚合物上，或直接在被动聚合物上编织结。

4. 实验通过活性聚合物的作用，成功创造了两个被动聚合物之间的分子间桥结。这一发现表明，活性聚合物能够在聚合物系统中引发新的拓扑变化，推动结的生成和迁移。

图文解读

图1. 锚定活性聚合物的自打结。

图2. 结的形成和迁移机制。

图3. 活性聚合物作为被动聚合物打结的针。

图 4. 分子间桥结。

结论展望

本研究提供了对活性聚合物系统中新颖结绳行为的深入理解，揭示了非平衡效应在大分子拓扑工程中的潜力。研究表明，活性爬行聚合物在适度的活性条件下能够自发地通过持续的自我结绳过程形成多个结，并且这些结会通过非平衡棘轮效应迁移到锚定点。

这一发现突破了传统的聚合物结绳观念，提示活性力可以作为控制聚合物拓扑结构的关键因素。此外，活性聚合物接枝到被动大分子上的实验结果表明，活性聚合物不仅能转移自身结绳，还能直接在被动聚合物上形成复杂的结。

这一策略为大分子拓扑的可控设计提供了新的技术路径，尤其是在生物大分子如DNA的结绳研究中具有重要应用前景。研究还激发了创新微型机器人臂的设计，这些机器人可以在分子层面操控大分子的拓扑结构。

文献信息

Activity-driven polymer knotting for macromolecular topology engineering.

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