闡明病毒液晶中的手性轉移現象

핵심 개념

兩種結構相似、但手性相反的絲狀病毒 M13 和 Y21M，其液晶相手性的差異源於病毒體的柔性和表面電荷分佈之間的微妙競爭。

초록

這篇研究論文探討了兩種絲狀病毒 M13 和 Y21M 液晶相中手性差異的來源。儘管這兩種病毒結構相似，但它們卻表現出相反的手性，這一直困擾著科學家們二十多年。
研究背景
手性在自然界中普遍存在，從具有不對稱碳原子的手性分子到有序的螺旋超結構和手性體相組裝體。理解手性如何在不同尺度上传播，對於生物學、化學、物理學、奈米技術和材料科學等多個領域都至關重要。膽甾相液晶組織可以說是典型的螺旋組裝體，它不僅廣泛應用於顯示器產業和智慧窗戶等技術領域，而且還普遍存在於生物體內，例如某些植物組織、節肢動物（如甲蟲和螃蟹）的角質層，以及膽固醇衍生物、核酸、病毒、澱粉樣纖維、甲殼素、纖維素納米晶體等的溶液中。
研究方法
研究人員結合了介觀實驗測量和基於第一性原理原子模型的理論預測，對兩種不同的噬菌體 M13 和 Y21M 進行了研究。他們通過精確調整實驗組裝條件，並開發了病毒衣殼的定量原子模型，闡明了這兩種噬菌體手性轉移的機制基礎。
研究結果

對於剛性較高的 Y21M 病毒株，其較高的彎曲剛度在很大程度上抑制了構象波動，使其保持直的棒狀骨架形狀。研究發現，Y21M 的膽甾相行為可以定量地歸因於局部靜電相互作用，這種相互作用對離子含量和衣殼的詳細原子對稱性高度敏感。
對於柔性較高的 M13 變體，研究結果表明，相手性則來自於病毒骨架的弱波動誘導的超螺旋變形，並且主要由空間位阻效應而非靜電相互作用驅動。
研究結論
這項研究強調了手性轉移如何由相反手性的微妙手性貢獻產生，這些貢獻根據其大小和符號，可以協同作用或競爭性作用，從而導致在幾乎相同的系統中觀察到的多樣手性相行為。通過結合介觀實驗測量和基於第一性原理原子模型的理論預測，這項工作為自下而上、定量描述膽甾相液晶中跨尺度手性轉移提供了一個通用的方法框架。

통계

M13 病毒的持續長度 Lp = 2.8 µm。
Y21M 病毒的持續長度 Lp = 9.9 µm。
M13 和 Y21M 病毒的輪廓長度 Lc 分別約為 995 和 920 nm。
兩種病毒的直徑均約為 d=7 nm。

핵심 통찰 요약

Elucidating chirality transfer in liquid crystals of viruses

by Eric Grelet,... 게시일 arxiv.org 11-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13445.pdf

더 깊은 질문

這項研究的發現如何應用於設計具有特定手性和功能的新型液晶材料？

這項研究揭示了病毒液晶手性的兩個主要機制：靜電交互作用和病毒骨架的螺旋形變，並證明了這兩種機制可以協同或競爭地影響液晶的宏觀手性。基於這些發現，我們可以通過以下策略設計具有特定手性和功能的新型液晶材料：

調控組成單元的形狀和柔性:

模仿 M13 病毒的特性，設計具有一定柔性的棒狀單元，並通過控制其長度和持久長度來調節液晶的螺旋週期和手性。
模仿 Y21M 病毒的特性，設計剛性較高的棒狀單元，並在其表面引入螺旋排列的官能基團，以產生手性靜電交互作用。

調控表面電荷分佈:

通過改變單元表面的化學基團，精確控制其電荷分佈，進而影響靜電交互作用的強度和手性，實現對液晶手性的精細調節。
利用化學修飾或物理吸附等方法，在單元表面引入具有特定手性的分子或纳米粒子，以誘導液晶產生特定手性。

調控外部環境因素:

通過改變溶液的 pH 值、離子強度和溫度等環境因素，可以改變單元間的靜電交互作用和單元的柔性，進而調節液晶的手性和相態。

總之，通過精確控制組成單元的形狀、柔性和表面電荷分佈，以及調節外部環境因素，我們可以設計出具有特定手性和功能的新型液晶材料，例如具有可控反射波段的光學元件、具有手性選擇性的分離膜和催化劑等。

除了病毒柔性和表面電荷分佈外，還有哪些因素可能影響病毒液晶的手性？

除了病毒柔性和表面電荷分佈，以下因素也可能影響病毒液晶的手性：

病毒的長徑比: 理論和實驗都表明，棒狀粒子的長徑比會影響其液晶相態和手性。長徑比越大，越容易形成液晶相，且手性效應越顯著。
病毒的濃度: 病毒濃度會影響病毒之間的相互作用強度。濃度越高，相互作用越強，手性效應也可能越顯著，但也可能導致液晶相態的改變。
溶劑的性質: 溶劑的極性、介電常數和黏度等性質會影響病毒之間的靜電交互作用和病毒的柔性，進而影響液晶的手性。
外部場: 外加電場、磁場和剪切力等外部場可以影響病毒的排列方向，進而影響液晶的手性。
溫度: 溫度會影響病毒的柔性和溶劑的性質，進而影響液晶的手性和相態。

這項研究中使用的計算模型能否應用於研究其他生物系統中的手性現象？

這項研究中使用的計算模型基於原子級別的描述和統計力學原理，可以定量地計算病毒之間的相互作用能和液晶的自由能，並預測液晶的相態和手性。這種方法具有一定的普適性，可以應用於研究其他生物系統中的手性現象，例如：

DNA 和其他生物大分子: 這些分子通常具有手性結構，並且可以形成液晶相。通過建立原子級別的模型，可以研究其手性起源和手性傳遞機制。
細胞骨架: 細胞骨架中的微管和微絲等蛋白纖維也具有手性結構，並且可以形成液晶相。通過模擬這些纖維的相互作用，可以研究細胞骨架的力學性質和自組裝過程。
生物膜: 細胞膜和細胞器膜等生物膜是由脂質和蛋白質組成的液晶相。通過模擬膜的組成和結構，可以研究其相變行為和功能。

然而，需要注意的是，將該模型應用於其他生物系統時，需要根據具體的系統進行適當的修改和調整。例如，需要考慮不同生物分子的化學結構、相互作用類型和外部環境因素等。