We explore the potential of nanocrystals (a term used equivalently to nanoparticles) as building blocks for nanomaterials, and the current advances and open challenges for fundamental science developments and applications. Nanocrystal assemblies are inherently multiscale, and the generation of revolutionary material properties requires a precise understanding of the relationship between structure and function, the former being determined by classical effects and the latter often by quantum effects. With an emphasis on theory and computation, we discuss challenges that hamper current assembly strategies and to what extent nanocrystal assemblies represent thermodynamic equilibrium or kinetically trapped metastable states. We also examine dynamic effects and optimization of assembly protocols. Finally, we discuss promising material functions and examples of their realization with nanocrystal assemblies.

Abstract Nuclear molecules control the functional properties of the chromatin fiber by shaping its morphological properties. The biophysical mechanisms controlling how bridging molecules compactify the chromatin are a matter of debate. On the one side, bridging molecules could cross-link faraway sites and fold the fiber through the formation of loops. Interacting bridging molecules could also mediate long-range attractions by first tagging different locations of the fiber and then undergoing microphase separation. Using a coarse-grained model and Monte Carlo simulations, we study the conditions leading to compact configurations both for interacting and non-interacting bridging molecules. In the second case, we report on an unfolding transition at high densities of the bridging molecules. We clarify how this transition, which disappears for interacting bridging molecules, is universal and controlled by entropic terms. In general, chains are more compact in the case of interacting bridging molecules since, in this case, interactions are not valence-limited. However, this result is conditional on the ability of our simulation methodology to relax the system towards its ground state. In particular, we clarify how, unless using reaction dynamics that change the length of a loop in a single step, the system is prone to remain trapped in metastable, compact configurations featuring long loops.

Abstract Cells can precisely program the shape and lateral organisation of their membranes using protein machinery. Aiming to replicate a comparable degree of control, here we introduce DNA-Origami Line-Actants (DOLAs) as synthetic analogues of membrane-sculpting proteins. DOLAs are designed to selectively accumulate at the line-interface between co-existing domains in phase-separated lipid membranes, modulating the tendency of the domains to coalesce. With experiments and coarse-grained simulations, we demonstrate that DOLAs can reversibly stabilise two-dimensional analogues of Pickering emulsions on synthetic giant liposomes, enabling dynamic programming of membrane lateral organisation. The control afforded over membrane structure by DOLAs extends to three-dimensional morphology, as exemplified by a proof-of-concept synthetic pathway leading to vesicle fission. With DOLAs we lay the foundations for mimicking, in synthetic systems, some of the critical membrane-hosted functionalities of biological cells, including signalling, trafficking, sensing, and division.

Influenza A virus (IAV) infection relies on the action of the hemagglutinin (HA) and neuraminidase (NA) membrane proteins. The HA ligands anchor the IAV virion to the cell’s surface by binding the sialic acid (SA) present on the host’s receptors while NA is an enzyme capable of cleaving the SA from the extracellular environment. It is believed that the activity of NA ligands increases the motility of the virions favoring the propagation of the infection. In this work, we develop a numerical framework to study the dynamics of a virion moving across the cell surface for timescales much bigger than the typical ligand-receptor reaction times. We find that the rates controlling the ligand-receptor reactions and the maximal distance at which a pair of ligand-receptor molecules can interact greatly affect the motility of the virions. We also report on how different ways of organizing the two types of ligands on the virions’ surface result in different types of motion that we rationalize using general principles. In particular, we show how the emerging motility of the virion is less sensitive to the rate controlling the enzymatic activity when NA ligands are clustered. These results help to assess how variations in the biochemical properties of the ligand–receptor interactions (as observed across different IAV subtypes) affect the dynamics of the virions at the cell surface.