The process of self-assembly spontaneously creates well-defined structures from various chemical building blocks. Self-assembly can include different levels of complexity: it can be as simple as the dimerization of two small building blocks driven by hydrogen bonding or as complicated as a cell membrane, a remarkable supramolecular architecture created by a bilayer of phospholipids embedded with functional proteins. The study of self-assembly in simple systems provides a fundamental understanding of the driving forces and cooperativity behind these processes. Once the rules are understood, these guidelines can facilitate the research of highly complex self-assembly processes. Among the various components for self-assembly, an amphiphilic molecule, which contains both hydrophilic and hydrophobic parts, forms one of the most powerful building blocks. When amphiphiles are dispersed in water, the hydrophilic component of the amphiphile preferentially interacts with the aqueous phase while the hydrophobic portion tends to reside in the air or in the nonpolar solvent. Therefore, the amphiphiles aggregate to form different molecular assemblies based on the repelling and coordinating forces between the hydrophilic and hydrophobic parts of the component molecules and the surrounding medium. In contrast to conventional amphiphiles, supra-amphiphiles are constructed on the basis of noncovalent interactions or dynamic covalent bonds. In supra-amphiphiles, the functional groups can be attached to the amphiphiles by noncovalent synthesis, greatly speeding their construction. The building blocks for supra-amphiphiles can be either small organic molecules or polymers. Advances in the development of supra-amphiphiles will not only enrich the family of conventional amphiphiles that are based on covalent bonds but will also provide a new kind of building block for the preparation of complex self-assemblies. When polymers are used to construct supra-amphiphiles, the resulting molecules are known as superamphiphiles. This Account will focus on the use of amphiphiles and supra-amphiphiles for self-assembly at different levels of complexity. We introduce strategies for the fabrication of robust assemblies through self-assembly of amphiphiles. We describe the supramolecular approach for the molecular design of amphiphiles through the enhancement of intermolecular interaction among the amphiphiles. In addition, we describe polymerization under mild conditions to stabilize the assemblies formed by self-assembly of amphiphiles. Finally, we highlight self-assembly methods driven by noncovalent interactions or dynamic covalent bonds for the fabrication of supra-amphiphiles with various topologies. Further self-assembly of supra-amphiphiles provides new building blocks for complex structures, and the dynamic nature of the supra-amphiphiles endows the assemblies with stimuli-responsive functions.

Acidic pH is a critical physiological factor for controlling the activities and functions of lysosome. Herein, we report a novel dual site-controlled and lysosome-targeted intramolecular charge transfer-photoinduced electron transfer-Fluorescence resonance energy transfer (ICT-PET-FRET) fluorescent probe (CN-pH), which was essentially the combination of a turn-on pH probe (CN-1) and a turn-off pH probe (CN-2) by a nonconjugated linker. Coumarin and naphthalimide fluorophores were selected as donor and acceptor to construct the FRET platform. Hydroxyl group and morpholine were simultaneously employed as the two pH sensing sites and controlled the fluorescence of coumarin and naphthalimide units by ICT and PET, respectively. The sensing mechanism of CN-pH to pH was essentially an integration of ICT, PET, and FRET processes. Meanwhile, the morpholine also can serve as a lysosome-targeted group. By combining the two data analysis approaches of the ratios of the two emission intensities (R) and the reverse ratio R' (R' = 1/R), the fluorescent ratio of CN-pH can show proportional relationship to pH values in a very broad range from pH 4.0 to 8.0 with high sensitivity. The probe has been successfully applied for the fluorescence imaging of the lysosomal pH values, as well as ratiometrically visualizing chloroquine-stimulated changes of intracellular pH in living cells. These features demonstrate that the probe can afford practical application in biological systems.

A new ratiometric fluorescent H2 O2 probe, benzopyrylium-coumarin (BC), is designed by using an oxonium moiety as the unique H2 O2 response site. The BC probe exhibits an extremely large emission shift of 221 nm in response to H2 O2 , and is successfully applied for the simultaneous near-infrared and two-photon imaging of H2 O2 in living cells, mouse-liver tissues, and zebrafish.

Aeschynomene indica rhizobia (AIRs) are special classes of bacteria capable of nodulating without nodulation factors and have photosynthetic capacity. With an aim to characterize the structural variations in Bradyrhizobium genomes during its evolution, the genomes of AIRs and the reference Bradyrhizobium strains were compared utilizing molecular biology, bioinformatics, and biochemistry techniques. The presence of symbiotic nitrogen fixation (nif) genes and photosynthetic genes, as well as components of the T3SS (Type III secretion system) and T3CP (Type III chaperone) in the genome of AIRs, was also assessed. Additionally, the origin, evolutionary history, and genes associated with the NF-independent nodulation pattern in AIRs were explored. The results indicate that horizontal gene transfer events have occurred in AIRs, and three distinct origins of AIRs were estimated: early differentiated AIRs, non-symbiotic Bradyrhizobium, and non-AIRs. In contrast to the significant genetic transformations observed in the second and third groups, the first group of AIRs displays a rich evolutionary history, exhibits high species diversity, and primarily relies on vertical transmission of nitrogen fixation and photosynthetic genes. Overall, the findings provide a fundamental theoretical foundation for gaining a deeper understanding of the phylogeny and genealogy of AIRs.