核心概念
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。
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。
統計資料
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。