摘要
在粒子自组装的领域，如果所有的部分都是不同的，就有可能可靠地构造几乎任意的结构1，2，3.，但到目前为止，含有较少成分的系统仅限于奇异晶体的组装4，5，6．这里我们介绍了一个胶体液滴链的最小模型系统7通过可编程的DNA相互作用，引导它们向下折叠成特定的几何形状。液滴在真实的空间和时间中被观察到，揭示了折叠的规则。结合实验、模拟和理论，我们证明了控制相互作用开关的顺序可以引导折叠成独特的结构，我们称之为胶体折叠体8．最多13个液滴的最简单交替序列(ABAB…)在二维中产生11个折叠体，在三维中产生一个折叠体。优化液滴序列并添加额外的味道，可以唯一编码619种可能的二维几何图形中的一半以上。Foldamers由至少13个液滴组成，具有孔的开放结构，提供多孔设计。数值模拟表明，折叠体可以进一步相互作用，形成复杂的超胶体结构，如二聚体、带状和马赛克。我们的结果与动力学无关，因此适用于所有长度尺度上具有等级相互作用的聚合物材料，从有机分子一直到魔方蛇。该工具箱能够将大规模设计编码为短聚合物序列，将折叠置于材料自组装的最前沿。
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数据可用性
支持本研究结果的数据可根据要求从通讯作者处获得。数据包括实验数据集和计算数据集，实验视频分析的Matlab脚本和计算数据集分析的Python脚本。
代码的可用性
自定义计算机代码，以建立折叠树，识别折叠体和耗散粒子动力学(DPD)代码，以模拟胶异构体的折叠可从相应的作者要求。我们为扩展数据图中的枚举代码提供了伪代码2．DPD也可以在诸如HOOMD和LAMMPS等开源软件包中使用。
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确认
我们感谢D. Pine, A. Grosberg, P. Chaikin, S. Hilgenfeldt, E. Clément, O. Rivoire和L. Leibler。这项工作得到了巴黎大区(Région Île-de-France)在Blaise Pascal国际杰出主席的支持。这项工作也得到了国家科学基金会MRSEC项目的支持。国家科学基金(NSF) DMR-1420073;美国国家科学基金PHY17-48958;NSF DMR-1710163，欧盟地平线2020研究和创新计划，由Marie skodorska - curie资助协议No. 754387，以及由巴黎市政府EMERGENCE(S)资助。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
A.M.设计了材料，合成了液滴系统，进行了折叠实验，并开发了数据分析工具来提取随时间变化的折叠产物。M.M.B.和Z.Z.构造了生成折叠树和刚性态的理论模型。M.M.B.开发了枚举折叠体的算法，编写了分子动力学代码并进行了数值模拟。J.B.和Z.Z.构想了这项研究并监督了这项研究。手稿由J.B.和Z.Z.以及a.m.和M.M.B.共同撰写
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然感谢吴宁和Menachem Stern以及其他匿名审稿人对本工作的同行评审所作的贡献。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
图1链长分布。
这个面板显示了一个典型的链长实验的分布，在半对数尺度上。观察范围内的链N= 3−14呈指数分布。
扩展数据图2折叠器搜索算法流程图。
上面的面板显示了运行算法所需的成分:哈密顿路径的集合{H我，N}、序列和协议。输入是嵌入在几何图形上的一组彩色哈密顿路径，如所示N= 7和一个候补一个B一个B一个B一个序列。底部面板概述了算法的主要步骤。图中LM为局部最小值，TS为瞬态，GM为全局最小值。
扩展数据图3交替的Foldamer产量一个B一个B具有长度的序列N= 6−13。
从左到右，我们分别展示了单步、两步和三步协议的结果。所有产量都以相对产量给出，其中折叠体的数量由相应协议结束时观察到的刚性结构的总数归一化。实验观测数为n6[梯子，三角形，雪佛龙]= (67,19,86)，，n7[火箭#1，火箭#2，花]= (175,25,7)，n8[沙漏]= 8，n9[贵宾犬]= 24和n10[crown] = 8。“ND”代表“No Data”。模拟收益率YSimDownhill而且YSimStepThermal分别来自两种不同的方案，纯下坡和阶跃热淬火，由超过> 2000个不同初始条件的平均结果(采样误差可以忽略不计)。两种模拟协议之间的显著差异是由于在阶跃热化情况下的有限解绑定概率被优化以允许胶体逃脱动力学陷阱，即局部极小值，并正确折叠(参见补充视频)8和扩展数据图。4(a))，而这在下坡情况下是不可能的。例外情况是N= 7花和N= 10层，折叠器经历几何挫折，因为下坡协议中锁定键的不可逆性实际上提高了产量。这两种模拟方法给出了严格在二维折叠中可以获得的屈服范围。实验进行有限温度淬灭，这是更好地模拟热模拟协议在所有情况下。注意，除了一个(三角形)实验产量都在模拟预测的范围内。这一实验产量超过了优化模拟，因为只有在实验中才有可能通过罕见的3D偏移来避免局部极小值。
扩展数据图4交替序列和设计序列的最佳折叠器产量。
(a)相对折裂产量YR(%)为粘结强度的函数ϵ/kBT对于三种折叠器结构:梯子(蓝色)，沙漏(橙色)和皇冠(绿色)。这些结构分别举例说明了由1步、2步和3步协议产生的文件夹。结果是通过等待得到的τ= 103.时间单位(t.u)，第一次相互作用，并设置τ= 102T. u用于后续交互作用。我们注意到ϵ/kBT仅指协议中第一步的绑定强度;协议中的后续步骤被视为纯下坡折叠。(b)图中三种叠体的相对产量。4 (b)．如扩展数据图所述。3.，Y年代我米Downh我ll对应于纯下坡折叠，其中链很可能被困在路径上的局部最小值中。Y年代我米年代tepTher米一个l收率是优化结合强度的结果ϵ淬火长度τ．表中的结果是通过设置得到的τ= 103.T.u .和选择ϵ/kBT= 8N= 8和N= 13条链，和ϵ/kBT= 7N= 11链。
扩展数据图5二维六方晶格中的非紧簇。
第一个非紧密星团出现在N= 13;为N= 14有6个不同的集群，对于N= 15我们确定41。所有非致密星团都包含一个六角形孔。对于绿色表示的结构，在随机序列空间中至少存在一种协议可以唯一地折叠它们。
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麦克马伦，A, Muñoz巴萨戈提，M.，泽拉夫契奇，Z。et al。通过可编程折叠实现乳液液滴的自组装。自然610， 502-506(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05198-8
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