他，刚回国加盟南科大，不到半年，以一作兼通讯发Science评述！

李喆，2014年获得北京大学材料化学学士，2019年于美国普渡大学获得分析化学博士学位，师从DNA纳米技术领域专家毛成德教授。2019年-2023年在美国华盛顿大学从事博士后研究，合作导师是蛋白质设计专家、美国科学院院士David Baker教授。2023年12月加入南方科技大学，担任生物医学工程系助理教授、博士生导师。先后获得2019年国家优秀自费留学生奖学金、2019年美国普渡大学M.G. Mellon分析化学奖、2023年国家级青年人才项目。在Science, Nat. Mater., Adv. Mater., JACS等国际重要学术期刊发表论文近20篇。

2023年，李喆博士、王顺智博士和Una Nattermann共同开发了一种设计三维蛋白质晶体的通用方法。通过这种方法来设计蛋白质晶体，可以在原子精度上对晶体进行编程，使其高度多孔且有很强的热稳定性。这些晶体构成了一类新的基因可编码生物材料，可应用于生物催化、传感、化学分离和药物递送等领域。这种开创性的方法使得蛋白质晶体的计算设计具有较高的精度，并且设计的蛋白质晶体在其初级序列中编码了结构和组装信息，为结构生物学研究和生物材料工程提供了强大的平台。相关成果以“Accurate computational design of three-dimensional protein crystals”发表在《Nature Materials》上。

2017年，Jie Song、李喆博士和Pengfei Wang共同合成了双链 DNA 的矩形阵列。通过捏跨一对相对的顶点，瞬时正方形结构转变为两个稳定的矩形结构。DNA 触发链的结合会导致切换到另一种稳定构型。这样，瓦片就沿着特定的路径产生了一连串的转化，从而传递了有关结合发生位置的信息。相关成果以“Reconfiguration of DNA moleculararrays driven by information relay”为题发表在《Science》上。

近日，南科大李喆副教授和普渡大学毛诚德教授在《Science》上发表perspective论文，下面，小编带大家拜读一下这篇论文。

DNA 粒子经过编程可以精确地组装成复杂的晶格

通过分子设计对晶体材料进行工程化已在医学、催化、光学和电子学领域取得了众多长足技术和科学进步。胶体晶体通常被认为是分子晶体的结构类似物，其中的微观粒子而不是分子被排列成高度有序的结构。尽管取得了重大进展，但具有精确结构和特性的胶体晶体工程仍是一项具有挑战性的任务，尤其是与分子晶体所达到的控制水平相比。

在最新一期《Science》中，来自慕尼黑大学和亚利桑那州立大学的两个课题组各自发表了关于利用DNA分子精确可控构筑胶体晶体的文章，挖掘了DNA分子的可编程性，并阐释了构建复杂晶格的可能性。为了说明这些工作的重要性，Science还在同期刊登了由南方科技大学李喆副教授和DNA纳米技术领域专家毛成德教授撰写的题为“Engineering colloidal crystals molecule by molecul”展望性评述文章。

传统的胶体粒子可由多种材料组成，直径从纳米到微米不等。它们在尺寸均匀性、形状控制、多分散性以及微调颗粒间相互作用的能力方面也往往存在局限性。相比之下，DNA 折纸颗粒克服了这些限制，因为这些特性可以以纳米级的精度编程到 DNA 中。由数百条DNA单链组装而成的DNA折纸微粒可以设计成几乎任何可以想象的微观形状和大小。尽管十多年前人们就意识到了 DNA 折纸在胶体组装方面的潜力，但要实现本期《Science》所描述的可编程性，还需要经过漫长的试验和犯错。例如，粒子的结构挠性或粒子间的相互作用会导致组装坍塌或扭曲。粒子间的非特异性相互作用会导致另一种结构。此外，紧密的相互作用也会使 DNA 粒子随机聚集成动力学陷阱，阻碍形成热力学上稳定的有序状态。

在最新一期《Science》上，慕尼黑大学Gregor Posnjak和Tim Liedl等人创造了立方金刚石晶格，这是最苛刻的胶体晶体几何形状之一，其中粒子的排列方式与金刚石中碳原子的排列方式相同。这种排列方式具有较大的开放空间，在能量上并不有利。因此，这种结构在胶体晶体中的成功率很低。为了克服这个问题，作者设计了一种 DNA 折纸四足动物。每个四面体由四条平行的双链 DNA（24 个双链）臂组成。每条臂的顶端都有单链 DNA 尾部，尾部带有互补序列，可以使尾部杂交。由于四足虫是通过 DNA 杂交连接臂来相互联系的，因此必须精心设计序列才能实现正确的组装。两个相邻的四足虫之间需要形成多个 DNA 杂交，以获得均匀、交错的构象，而不是黯然失色的构象。同时，DNA 杂交必须足够微弱，才能组装出秩序井然、具有清晰刻面的胶体晶体。

此外，亚利桑那州立大学Petr Šulc课题组Hao Liu建立了一个强大的计算实验框架，用于基于 DNA 折纸设计胶体晶体。在他们的模拟中，作者将 DNA 折纸视为表面上具有多个相互作用斑块的球形颗粒，并使用反馈回路来促进有利于晶格形成的设计，并排除导致不期望的竞争性组装的设计。经过一定的迭代后，作者获得了烧绿石晶格（一种在每个角连接的四面体形状的排列），在计算机中具有高产率。作者通过将DNA八面体或二十面体组装成烧绿石晶格，进一步通过实验证实了模拟结果。每个球形 DNA 颗粒表面上的相互作用斑块是多个柔性 DNA 单链的簇，没有任何方向控制。他们设计了四种不同的粒子，每个粒子有六个不同的补丁。总共有 24 个不同的补丁，分为 12 对互补 DNA 序列，引导多个不同种类的 DNA 折纸颗粒系统共同组装成所需的晶体。

毛诚德教授和李喆副教授指出尽管单个DNA折纸颗粒可以很容易地产生，但成功组装DNA胶体晶体的关键在于颗粒间相互作用的设计（图）。在 Posnjak 等人的研究中，每个四足虫都有一个位于每个臂顶端的相互作用贴片。在相邻的四元体之间，多个分子相互作用斑块将它们的结合限制在所需的方向上，从而促进晶格的组装。在 Liu 等人的研究方法中，模拟方法广泛搜索并确定了 12 个相互作用斑块对的最佳组合，以发挥协同作用。虽然这些相互作用贴片是灵活的，但其多价性和特异性能将 DNA 折纸粒子固定并包装在所需的晶格位置上。

工程DNA胶体晶体

他们还指出：目前有可能通过设计粒子相互作用来成功组装晶体，但还需要对各种设计参数进行进一步的实验调整和修改，以生成尺寸更大、结构顺序更精确（这会影响晶体的特性）的晶体。用Hao Liu等人描述的方法对单个 DNA 折纸粒子及其相互作用进行工程设计，各种复杂的晶体结构指日可待。胶体晶体也是一种很有前景的支架，可以在与紫外线和可见光波长相当的长度范围内将材料间隔开来，作为光学超材料。例如，Posnjak 等人在金刚石晶格上涂覆无机材料，制造出具有可调带隙的光子晶体。结合 DNA 纳米技术的动态特性，这些高度可编程的胶体晶体可被进一步设计成反应灵敏、可重新配置的光学设备，从而使光的操纵达到前所未有的精确水平。

来源：高分子科学前沿

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