圈,圈圈,圈圈圈,很多很多圈

  化学, 视觉

几千年来“所罗门结”一直是智慧的象征,其造型在建筑和艺术方面得到了广泛应用,在欧洲、中东地区的各种文化遗迹中,乃至现代生活的瓷砖镶嵌中,人们可以很容易地找到这种结构或类似的结构变体(见下图)。据意大利神话记载,所罗门王居住在一座山上,遵从上帝的旨意去保护一个村庄,为了使其免受巨石的袭击,设计了这个可以缚住三块巨石的结,由两个环形圈圈交叉互错四次构成。

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而2006年有闲的科学家们已经在实验室中把这个图形做了出来!文章首发于 Angewandte Chemie (《德国应用化学》)期刊,说的是加州大学洛杉矶分校Cari Pentecost等人利用化学合成方法,创造了微观纳米尺度下“所罗门结”。这个故事端得是个研究中无心插柳的好例子:原来这帮化学家一开始乃醉心于Borromean分子环的构造——一种由三个两两连扣的分子环组成的结构,其中任何一环断裂都会导致另两个环脱离——其实该团队早在两年前就已成功得到了由二氨基联吡啶和甲酰基吡啶聚合成的Borromean分子环,因为单独使用锌离子或铜离子作为反应催化剂都有效,遂有点蛋疼地决定将方法改进下,想看看一半锌离子和铜离子会带来什么,结果出来是竟是美妙的两个套圈(如下图),虽说一时之间也还想不出这么个东西能派啥实际用场,但不要紧,美就是一切——站在这个制高点就足以挡开任何挑衅的眼光。

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无独有偶,另一个著名的象征结构“莫比乌斯圈”也在不久前由生物学家完成了made in lab的过程,这个由德国数学家/天文学家莫比乌斯和约翰·李斯丁独立发现的玩意儿在现实中做起来其实十分简单,以一纸带旋转半圈再把两端粘上之后即得,它的奇妙之处在于只有一个面,一个小虫子上去以后就永远绕圈圈别想下来了,荷兰艺术家埃舍尔曾籍此灵感画过一张爬着六只蚂蚁的名画(下图)。此次,这项亚利桑那大学生物设计中心的科学家郝燕(音译)等人完成的“莫比乌斯圈”构造中主要是利用了DNA折叠技术。

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DNA折叠技术最初由加州理工学院计算与神经系统的研究人员Paul Rothemund率先发掘,神奇而又简洁可行地用几百个短的DNA链将一个非常长的链像“订书钉”那样一层一层钉成二维结构,可以做出三角星、笑脸和微型地图等精妙绝伦的图案,令人叹为观止,初创者也因此荣登了某期《自然》杂志的封面。

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此次郝燕他们的实验设计如上图所示,用了11根单股的M13mp18病毒DNA螺旋作为支架,164个短的寡核苷酸作为“订书钉”,并行缠绕折叠出长度为210纳米,宽度为25~30纳米左右(双螺旋本身的宽度之和加上空隙)的一根带,然后沿着中轴转180度,再首尾相接起来,闭合。原子力显微镜(下图彩色)和透射电镜(下图黑白)都清晰显示最后的确得到了符合预期的结构。

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做实验做高兴了的科学家们还一发不可收拾。现实中,“莫比乌斯圈”可以沿着中线剪开变成一个更大的转过720度的环,或者沿着三分之一线剪开变成一个大环套一个小环,他们都想试试,于是竟然不可思议地采用链置换技术一一实现,成果见下图。好玩好看的研究一定有人赏识,很快被发表在了2010年10月号的《自然纳米技术》上。

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