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关于可控组装的一些思考(三)——催组装的理论框架和物理化学基础
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作者 瞿航 石沛琛 +8 位作者 雷志超 王忻昌 杨柳林 曹晓宇 高毅勤 侯中怀 徐昕 郭雷 田中群 《中国科学:化学》 北大核心 2025年第7期1954-2003,共50页
分子组装是基于多种非共价键作用的协同,自下而上创造新物质和产生新功能的重要手段.然而,当前人工分子组装体系的效率、可控性和功能性远不及生命体中的分子组装体系,亟需发展多种高效、精准的调控手段.在诸多可控组装方法中,催组装是... 分子组装是基于多种非共价键作用的协同,自下而上创造新物质和产生新功能的重要手段.然而,当前人工分子组装体系的效率、可控性和功能性远不及生命体中的分子组装体系,亟需发展多种高效、精准的调控手段.在诸多可控组装方法中,催组装是一类利用催组剂调控和加速分子组装过程的新思路,具有高效、高选择性、精准等特点,是提升分子组装体系复杂性和功能性的有效途径.催组装研究尚在发展阶段,全面系统地探讨催组装的理论基础和框架尤为重要.本文通过阐明催组装与催化在概念、内涵和复杂度方面所存在的本质区别,提出以物质、能量和信息及三者协同的多维度研究催组装,并逐级深入地剖析不同于自组装的催组装理论在不同复杂层级所特有的内涵和特性,探讨如何构建其物理化学基础和理论框架的基本思路.首先,在物质层级上,针对催组装过程呈现多基元、多步骤和多路径等复杂性,揭示各类催组剂可扮演“建筑工”和“搬运工”等角色而发挥调控产物分布和加速传质过程等功能,诠释催组剂存在最优浓度和最优结合常数等特性.继而,针对生命科学中较常见的非平衡态催组装体系,需在物质维度之上引入能量维度.基于非平衡态热力学和动力学理论,探究催组剂如何介导能量传递并维持组装体系的耗散结构,论述了催组剂可帮助非平衡态催组装过程更快达到稳态,并调节处于耗散态的组分组成及其寿命.最终,针对更为复杂和动态的功能催组装体系,需在物质-能量之上引入信息维度.借鉴信息论中的概念,探讨催组剂如何作为信息载体调控组装过程,定量揭示催组剂介导的信号通路的信道容量;通过引入控制论,讨论催组剂如何作为“调度员”,调控化学信息网络中的正、负反馈及二者协同,从而调控相关网络的鲁棒性和功能.从物质、能量和信息三个维度协同出发,将有助于建立清晰的催组装理论框架和指导各类催组装.但是,全面发展催组装理论任重道远,需引进包括人工智能在内的多学科的先进概念与研究方法,以推动分子组装领域乃至物质科学的蓬勃发展. 展开更多
关键词 分子组装 催组装 非平衡态 协同 反馈 信息
原文传递
分子组装理论基础的探究——现状与机遇
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作者 瞿航 童添翼 +7 位作者 雷志超 石沛琛 杨柳林 曹晓宇 高毅勤 侯中怀 徐昕 田中群 《中国科学:化学》 CAS CSCD 北大核心 2023年第2期145-173,共29页
分子组装是在分子以上层次创造新物质、产生新功能的重要手段.提升分子组装过程的可控性和组装体功能性是该领域的核心目标,但由于研究复杂分子组装体系的手段和理论的匮乏,迄今绝大部分研究只能限于了解组装过程始末的“黑箱”模式,这... 分子组装是在分子以上层次创造新物质、产生新功能的重要手段.提升分子组装过程的可控性和组装体功能性是该领域的核心目标,但由于研究复杂分子组装体系的手段和理论的匮乏,迄今绝大部分研究只能限于了解组装过程始末的“黑箱”模式,这成为该领域的发展瓶颈之一.本文围绕分子到亚细胞层次的分子组装体系及其理论方法与模型,尝试将物质、能量与信息作为度量分子组装研究复杂性的三个维度,从简单到复杂地逐级剖析探讨分子组装的理论研究现状、机遇和突破口.首先,在物质维度上揭示分子组装过程呈现多路径、多阶段和多尺度等复杂性;进而在物质基础上引入能量维度,阐明熵驱动或熵焓互补现象普遍存在于分子组装体系中,并探讨远离平衡态的分子组装体系如何产生时空有序的功能耗散结构;继而在物质与能量基础上引入信息维度,探讨分子组装信息网络中的正、负反馈协同,以及如何促使系统涌现出复杂的生理功能.为了突破分子组装理论研究的瓶颈,似乎亟需建立更大的框架.从物质、能量和信息的三个维度协同研究,有望系统深入认知组装规律,进而建立新理论,发展高效精准的调控手段,提升分子组装体系的复杂性和功能性,并可能为生命科学和软物质科学提供新视角和新方法. 展开更多
关键词 分子组装 可控组装 协同 反馈 非平衡态 信息论
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An artificial chaperone serves a dual role in regulating the assembly of peptides through phase separation
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作者 Wang Li Yang Zhou +8 位作者 Sheng He Tianyi Tong Congsen Wang peichen shi Suixu Li Xinchang Wang Liulin Yang Xiaoyu Cao Zhong-Qun Tian 《Aggregate》 EI CAS 2024年第2期473-481,共9页
In biological systems,molecular assembly primarily relies on the assistance of molecular chaperones.Inspired by nature,strategies like‘chaperone-assisted assembly’and‘catalyzed assembly’have been proposed for the ... In biological systems,molecular assembly primarily relies on the assistance of molecular chaperones.Inspired by nature,strategies like‘chaperone-assisted assembly’and‘catalyzed assembly’have been proposed for the sophisticated control of molecular assembly.Nonetheless,significant challenges remain in the rational design of such systems,calling for a deep understanding of underlying principles.Herein,we demonstrate an artificial chaperone serves a dual role,that is catalyst in low dosages and inhibitor in high dosages,in regulating the supramolecular polymerization of peptides.Low dosages of carboxymethyl cellulose,as the chaperones,catalyze the assembly of Aβ_(16-22) peptides into fibrils through multi-step phase separation,while high dosages trap the peptides into coacervate intermediates and therefore inhibit the fibrillation.Consequently,the quantity of chaperones does not follow the intuition that‘more is better’for catalyzing assembly but instead has an optimal molar ratio.Investigation reveals that the interplay and evolution of electrostatic and hydrophobic interactions are the keys to achieving these processes.This study provides insights into the multifaceted roles artificial chaperones may play in a dosage-dependent manner and enriches the toolkit for efficient and controllable construction of complex assembly systems. 展开更多
关键词 artificial chaperone catassembly dosage effect peptide assembly supramolecular polymerization
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