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• 液晶同时具备有序性和流动性，这两种性质是生命系统进行生理活动的一个基本要求，因此液晶在生物领域具有重要的作用和研究价值^[1-3]。目前，基于髓磷脂象、脂质体和细胞膜的溶致液晶研究已经成为一个重要的科学分支^[4]。此外，核酸^[5-6]、蛋白^[7-8]、病毒^[9-10]等生物大分子也容易形成溶致液晶。这些生物大分子依靠自身的两亲性质容易形成亲水区域和疏水区域，这种自组装性质为稳定它们在水中的溶致液晶行为起到了关键作用。

  目前，对液晶应用研究具有推动性的成果主要集中于热致液晶材料方面^[11-15]。热致液晶分子只有微弱的两亲性，其介晶相及液晶的有序性是通过分子自身的空间三维结构、刚性、柔性及弱分子间作用力(如范德华力和偶极作用力^[16])来实现的。这些特性使得热致液晶能够对外力刺激做出有效的响应，比如，热致液晶对光电刺激的快速响应行为引发了液晶显示器和便捷式计算机行业的革命。溶致液晶的形成一般是因为刚性分子在溶剂中的有序排列，而热致液晶是由于刚性分子中含有柔性链，其中刚性部分决定分子取向，柔性部分决定分子流动性。热致液晶与溶致液晶在分子结构上的区别，为设计生物分子热致液晶提供了新思路。在该体系中，生物大分子液晶的热致相变行为将成为研究的重点。

  本文将着重对无溶剂包覆的生物大分子热致液晶材料的制备和形成进行阐述。生物大分子与表面活性剂除了可以通过共价修饰的方法结合形成新材料，还可与带有柔性烷基链的表面活性剂通过静电作用力结合，结合后的产物只需一步冻干脱水便可制备得到生物大分子热致液晶复合材料^[11-15]。本文介绍了基于核酸^[13-14]、蛋白^{[12, 15]}和病毒颗粒^[11]的热致液晶材料的设计、制备以及它们在生物催化、生物光电和生物医学方面的潜在应用价值。

  1   基于核酸的热致液晶

  核酸依靠静电作用力可以实现自组装^[17-18]，在此基础上我们^{[11, 13]}发现，DNA或RNA能与带正电荷的表面活性剂结合形成一系列的核酸热致液晶流体(图 1)。较之前使用的聚乙二醇基团，该项研究中采用了脂肪烷基链取代的铵盐表面活性剂，将其与DNA结合后得到DNA-表面活性剂复合物液晶中间相。通过光学偏光显微镜分析发现，该复合物液晶在室温下具有近晶型层状结构特性(图 1a和1b)。随着温度升高，DNA液晶失去双折射纹理变成无序液体状态。进一步通过X射线小角散射实验证明，该核酸液晶材料中形成长程有序的层状结构，另外液晶材料的层状断裂面通过速冻断层透射电镜可以直接观察。熔化后的DNA-表面活性剂复合物流体具有很好的热稳定性，其相转变温度可以通过控制烷基链的长度来调节，一般情况下，随着烷基链的增长，液晶相转化为各向同性流体的温度会降低。这类DNA-表面活性剂复合物热致液晶的形成得益于它们分子自身的刚性结构、柔性以及弱分子间作用力等特性。有文献报道，富含水的DNA液晶中间相^{[1, 19]}，其形成主要原因是DNA分子各向异性的棍状结构满足Onsager准则。而它们能在较低浓度形成液晶，则是因为两亲性微相分离，DNA堆叠形成长径比更大的棍状结构，两者之间具有本质的区别。

  图1 DNA与表面活性剂结合后形成的层状结构的热致液晶^[13] Figure1. Lamellar structured thermotropic liquid crystal formation from DNA-surfactant complex^[13]

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  同时我们发现，在DNA复合物流体中，核酸碱基可以发生可逆氧化还原反应，从而产生基于相态变化的电致变色行为^[20](图 2)。据文献^[21-22]报道，在各向同性的液体相态中，由电场诱导产生的红色可以产生秒级别的快速开关效应，而在DNA近晶相中，我们观察到长达4 h的光记忆现象。进一步将处于着色状态的DNA液晶材料降温到晶体态，光记忆时间将会延长，这表明着色记忆时间的长短可以通过改变DNA-表面活性剂流体的相态来调节。另外，我们还发现电致变色的响应时间可以通过DNA的长度进一步调控。由于这种核酸液晶电致变色具有时间和温度双重效应，有望利用这种行为研制智能标签，应用于包装盒上检测易腐食品及医药产品。

  图2 基于DNA-表面活性剂复合物热致液晶材料的电致变色行为^[20] Figure2. Phase-dependent electrochromic device based on solvent-free DNA-surfactant liquid crystalline complexes^[20]

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  含有偶氮苯基元的新型材料受到越来越多的关注^[23]，向列相结构的液晶材料也相继被报道^[24]，最近，我们利用带正电荷的含有偶氮苯基元的表面活性剂与单链/双链DNA结合，首次得到了向列相DNA热致液晶^[14](图 3a和3b)，而且双链DNA与表面活性剂结合脱水后，部分DNA仍保持双螺旋结构。光照前后，因偶氮苯单元由反式结构转变为顺式结构，从而使得DNA-表面活性剂热致液晶材料的机械强度发生了改变，这将为基于DNA热致液晶的刺激-响应型生物材料的发展和生物医学应用提供新的选择。

  图3 (a) 双链DNA与偶氮苯表面活性剂静电作用形成复合液晶材料的结构示意图；(b)室温下，DNA复合材料在偏光显微镜下的向列相液晶纹理^[14] Figure3. (a)Schematic of nematic ordering of double-stranded DNA-surfactant complex driven by electrostatic force; (b)Polarized optical microscopy image of DNA-surfactant complex showing nematic texture at room temperature^[14]

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  2   基于蛋白的热致液晶

  受到前期报道的纳米颗粒流体研究工作的启发，Mann课题组^[25]制备了无溶剂包覆的铁蛋白液晶液体。所制备的复合流体材料在25 ℃时熔化，并表现出典型的每个复合物只含有6个水分子的水合特征，这比覆盖亲水表面所需的水分子(一个蛋白需要526个水分子)明显要少得多，同时，也少于维持蛋白质运动和功能的水分子数目(一个蛋白分子需要60个水分子)。当升温到35 ℃左右的时候，该蛋白复合物具有粘弹性和近晶相结构特征，而近晶相结构特征可通过偏光显微镜和差示扫描量热仪法予以证明^[26]。X射线小角散射实验表明这些液晶相具有层状结构，层间距离与外部铁蛋白直径一致。这是一个有意思的发现，因为铁蛋白是一个球形纳米颗粒，理论上不会出现各向异性组装。该实验表明，蛋白的阳离子化以及接下来与表面活性剂的静电结合可能会改变铁蛋白分子的形状，使其形成椭圆形复合物，从而促进了液晶的形成。

  此外，Mann课题组^[27]合成的各向异性的葡萄糖氧化酶-表面活性剂材料也展示出液体、液晶和固态的相转变特征。由于酶的构象转变温度与液晶相到液体态的转变相关，因此在蛋白-表面活性剂结合物有序结构的形成过程中，其结构单元形状上的各向异性起了关键作用。除以上蛋白外，棒状多肽类(如聚L-赖氨酸或H型六肽)与卵磷脂或十二烷基苯磺酸表面活性剂结合后，也能形成热致液晶^[28]。最近，我们成功合成了未折叠蛋白类热致液晶材料。首先，根据文献[29]，我们通过分子克隆制备了一种含有超级电荷数的多肽，其中在该多肽的重复结构单元中含有谷氨酸。我们利用这些多肽链与带正电荷的表面活性剂结合并脱水后，成功制备了无水的非折叠态蛋白-表面活性剂热致流体材料^{[11, 15]}(图 4)，这种复合材料具有非牛顿流体(近晶相)和牛顿流体(各向同性液体)行为。流变学分析表明，粘弹性性质在该蛋白液晶相中占主导地位，而牛顿流体行为在各向同性液体态中占优势。值得注意的是，该液晶材料的弹性模量可以达到兆帕范围，从而证明了它们独特的弹性性能。进一步实验表明，该复合材料的高强度力学行为是由它们的空间分隔层状结构决定的，并且在多次相转变后仍具有可恢复性。另外，通过对表面活性剂烷基链长度及非折叠态蛋白相对分子质量的改变，可以很好地调节液晶材料的力学强度。

  图4 带负电荷的非折叠蛋白与阳离子表面活性剂结合后形成具有层状结构的热致液晶材料^[15] Figure4. The lamellar structure of liquid crystal material formed by negatively supercharged polypeptide and cationic surfactant^[15]

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  3   基于病毒颗粒的热致液晶

  最近，我们又制备得到了具有各向异性、单分散、相对分子质量更大的棒状M13噬菌体的热致液晶流体^[11]。M13外壳蛋白带有负电荷，它能够与含有长脂肪链的铵盐表面活性剂结合后形成液晶，其层状结构通过光学偏光显微镜与X射线小角散射测试确认^[30]。速冻断层透射电镜也进一步确认所形成的液晶相长程周期性结构，同时在亚层中噬菌体纳米颗粒具有向列型排列。

  4   结论与展望

  本文介绍了有关生物大分子热致液晶材料的分子结构设计和制备的策略，其中生物分子的尺寸可以小至几个纳米，大到微米级别。几类常见的带有负电荷的生物材料，如DNA、RNA、多肽、蛋白和病毒颗粒，通过与带有相反电荷的表面活性剂静电结合得到一类新型的生物大分子热致液晶材料。该类复合物中的静电驱动力对稳定它们的中间液晶相态起着重要的作用。值得注意的是，尽管分子缺乏足够的刚性，单链DNA、RNA和非折叠蛋白分子均可以组装形成具有周期性的近晶型液晶结构。需要强调的是，将来的工作对于合成蛋白热致液晶可以借助基因工程这个强有力的工具来实现。由于这些材料所处的无水液晶环境，因此可以探索这类材料在光电刺激下的生物电子学应用。另外，这类热致液晶在生物材料的选取上具有较大的灵活性，可以通过不同的生物材料制备，这就赋予了此类材料更为广泛的技术应用，比如生物传感、生物催化和生物电子设备。

• 1. [1]

     Nakata M, Zanchetta G, Chapman B D. End-to-End Stacking and Liquid Crystal Condensation of 6 to 20 Base Pair DNA Duplexes[J]. Science, 2007, 318(5854):  1276-1279. doi: 10.1126/science.1143826

  2. [2]

     Koltover I, Salditt T, Rädler J O. An Inverted Hexagonal Phase of Cationic Liposome-DNA Complexes Related to DNA Release and Delivery[J]. Science, 1998, 281(5373):  78-81. doi: 10.1126/science.281.5373.78

  3. [3]

     Hamley I W. Liquid Crystal Phase Formation by Biopolymers[J]. Soft Matter, 2010, 6(9):  1863-1871. doi: 10.1039/b923942a

  4. [4]

     Bangham A D. Liposome Letters[M]. New York:Academic Press, 1983.

  5. [5]

     Strzelecka T E, Davidson M W, Rill R L. Multiple Liquid Crystal Phases of DNA at High Concentrations[J]. Nature, 1988, 331(6155):  457-461. doi: 10.1038/331457a0

  6. [6]

     Livolant F. Ordered Phases of DNA in vivo and in vitro[J]. Physica A, 1991, 176(1):  117-137. doi: 10.1016/0378-4371(91)90436-G

  7. [7]

     Livolant F, Bouligand Y. Liquid Crystalline Phases Given by Helical Biological Polymers(DNA, PBLG and xanthan). Columnar Textures[J]. J Phys Fr, 1986, 47(10):  1813-1827. doi: 10.1051/jphys:0198600470100181300

  8. [8]

     Yu S M, Conticello V P, Zhang G. Smectic Ordering in Solutions and Films of a Rod-Like Polymer Owing Tomonodispersity of Chain Length[J]. Nature, 1997, 389(6647):  167-170. doi: 10.1038/38254

  9. [9]

     Dogic Z, Fraden S. Ordered Phases of Filamentous Viruses[J]. Curr Opin Colloid Interface Sci, 2006, 11(1):  47-55. doi: 10.1016/j.cocis.2005.10.004

  10. [10]

      Chung W J, Oh J W, Kwak K. Biomimetic Self-Templating Supramolecular Structures[J]. Nature, 2011, 478(7369):  364-368. doi: 10.1038/nature10513

  11. [11]

      Liu K, Chen D, Marcozzi A. Thermotropic Liquid Crystals from Biomacromolecules[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2014, 111(52):  18596-18600. doi: 10.1073/pnas.1421257111

  12. [12]

      Perriman A W, Cölfen H, Hughes R W. Solvent-Free Protein Liquids and Liquid Crystals[J]. Angew Chem Int Ed, 2009, 48(34):  6242-6246. doi: 10.1002/anie.200903100

  13. [13]

      Liu K, Shuai M, Chen D. Solvent-free Liquid Crystals and Liquids from DNA[J]. Chem Eur J, 2015, 21(13):  4898-4903. doi: 10.1002/chem.201500159

  14. [14]

      Zhang L, Maity S, Liu K. Nematic DNA Thermotropic Liquid Crystals with Photoresponsive Mechanical Properties[J]. Small, 2017, 13(34):  1701207. doi: 10.1002/smll.v13.34

  15. [15]

      Liu K, Pesce D, Ma C. Solvent-Free Liquid Crystals and Liquids Based on Genetically Engineered Supercharged Polypeptides with High Elasticity[J]. Adv Mater, 2015, 27(15):  2459-2465. doi: 10.1002/adma.201405182

  16. [16]

      Ramamoorthy A. Thermotropic Liquid Crystals[M]. Wiley, 2007: 269-274.

  17. [17]

      Radler J O, Salditt T, Safinya C R. Structure of DNA-Cationic Liposome Complexes:DNA Intercalation in Multilamellar Membranes in Distinct Interhelical Packing Regimes[J]. Science, 1997, 275(5301):  810-814. doi: 10.1126/science.275.5301.810

  18. [18]

      Liu K, Zheng L, Liu Q. Nucleic Acid Chemistry in the Organic Phase:From Functionalized Oligonucleotides to DNA Side Chain Polymers[J]. J Am Chem Soc, 2014, 136(40):  14255-14262. doi: 10.1021/ja5080486

  19. [19]

      Strzelecka T E, Davidson M W, Rill R L. Multiple Liquid Crystal Phases of DNA at High Concentrations[J]. Nature, 1988, 331(6155):  457-460. doi: 10.1038/331457a0

  20. [20]

      Liu K, Varghese J, Gerasimov J Y. Controlling the Volatility of the Written Optical State in Electrochromic DNA Liquid Crystals[J]. Nat Commun, 2016, 7:  11476. doi: 10.1038/ncomms11476

  21. [21]

      Candeias L P, Steenken S. Structure and Acid-Base Properties of One-Electron-Oxidized Deoxyguanosine, Guanosine, and 1-Methylguanosine[J]. J Am Chem Soc, 1989, 20(20):  1094-1099.

  22. [22]

      Rokhlenko Y, Cadet J, Geacintov N E. Mechanistic Aspects of Hydration of Guanine Radical Cations in DNA[J]. J Am Chem Soc, 2014, 136(16):  5956-5962. doi: 10.1021/ja412471u

  23. [23]

      夏旭林, 颜良发, 古绪鹏. 新型偶氮苯金属配合物的合成与性能[J]. 应用化学, 2010,27,(1): 32-37. XIA Xulin, YAN Liangfa, GU Xupeng. Synthesis, Characterization and Properties of Novel Azobenzene Containing Metal Complexes[J]. Chinese J Appl Chem, 2010, 27(1):  32-37.

  24. [24]

      关晓琳, 张扬, 范红婷. 新型含萘基和二乙炔基高双折射液晶分子的合成及光电性能[J]. 应用化学, 2016,33,(5): 533-541. doi: 10.11944/j.issn.1000-0518.2016.05.150198GUAN Xiaolin, ZHANG Yang, FAN Hongting. Synthesis and Photoelectric Properties of Novel Liquid Crystalline Compound Bearing Diethynyl and Naphthyl Groups with High Birefringence[J]. Chinese J Appl Chem, 2016, 33(5):  533-541. doi: 10.11944/j.issn.1000-0518.2016.05.150198

  25. [25]

      Perriman A W, Cölfen H, Hughes R W. Solvent-Free Protein Liquids and Liquid Crystals[J]. Angew Chem Int Ed, 2009, 48(34):  6242-6246. doi: 10.1002/anie.200903100

  26. [26]

      唐龙祥, 严满清, 刘春华. 紫外光交联聚乙烯的结晶行为[J]. 应用化学, 2009,26,(9): 1019-1022. TANG Longxiang, YAN Manqing, LIU Chunhua. Crystallization Behavior of UV-Photocrosslinked High-Density Polyethylene[J]. Chinese J Appl Chem, 2009, 26(9):  1019-1022.

  27. [27]

      Sharma K P, Zhang Y, Thomas M R. Self-Organization of Glucose Oxidase-Polymer Surfactant Nanoconstructs in Solvent-Free Soft Solids and Liquids[J]. J Phys Chem B, 2014, 118(39):  11573-11580. doi: 10.1021/jp507566u

  28. [28]

      Hanski S, Junnila S, Almásy L. Structural and Conformational Transformations in Self-Assembled Polypeptide-Surfactant Complexes[J]. Macromolecules, 2008, 41(3):  866-872. doi: 10.1021/ma7019495

  29. [29]

      Kolbe A, del Mercato L L, Abbasi A Z. De Novo Design of Supercharged, Unfolded Protein Polymers, and Their Assembly into Supramolecular Aggregates[J]. Macromol Rapid Commun, 2011, 32(2):  186-190. doi: 10.1002/marc.v32.2

  30. [30]

      朱鑫, 张淑媛, 李辉. 含二苯并-18-冠-6席夫碱型液晶冠醚钾配合物的液晶行为[J]. 应用化学, 2010,27,(1): 38-42. ZHU Xin, ZHANG Shuyuan, LI Hui. Liquid Crystalline Behavior of Schiff-Base Type Liquid Crystalline Crown ether Potassium Complexes Containing Dibenzo-18-crown-6 Unit[J]. Chinese J Appl Chem, 2010, 27(1):  38-42.

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  图 1  DNA与表面活性剂结合后形成的层状结构的热致液晶^[13]

  Figure 1  Lamellar structured thermotropic liquid crystal formation from DNA-surfactant complex^[13]

  (a)Proposed lamellar structure of DNA-DOAB complex; (b)Polarized optical microscopy image of DNA-DOAB smectic phase

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  图 2  基于DNA-表面活性剂复合物热致液晶材料的电致变色行为^[20]

  Figure 2  Phase-dependent electrochromic device based on solvent-free DNA-surfactant liquid crystalline complexes^[20]

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  图 3  (a) 双链DNA与偶氮苯表面活性剂静电作用形成复合液晶材料的结构示意图；(b)室温下，DNA复合材料在偏光显微镜下的向列相液晶纹理^[14]

  Figure 3  (a)Schematic of nematic ordering of double-stranded DNA-surfactant complex driven by electrostatic force; (b)Polarized optical microscopy image of DNA-surfactant complex showing nematic texture at room temperature^[14]

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  图 4  带负电荷的非折叠蛋白与阳离子表面活性剂结合后形成具有层状结构的热致液晶材料^[15]

  Figure 4  The lamellar structure of liquid crystal material formed by negatively supercharged polypeptide and cationic surfactant^[15]

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