薛定諤指出，生命以負熵為生。普里高津則提出了耗散結構理論，進一步闡釋了能量在有序結構演化中的作用。生物組裝體常常展現(xiàn)出這種能量耗散的特性。例如，微管蛋白需要不斷消耗三磷酸鳥苷，以維持其組裝結構并執(zhí)行牽引染色體分離等生物功能。
目前，借助化學手段，人們已成功構建了多種耗散組裝體系，獲得了瞬態(tài)結構和性質。然而，遠離平衡態(tài)的涌現(xiàn)功能，例如機械功能，仍然相對稀缺。因此，需要拓展耗散組裝的研究范式，來探索能量消耗所帶來的獨特性質與行為。這將有助于開發(fā)復雜功能，并深化對生命活性的理解。
2024年11月8日北京時間18:00，中國科學院深圳先進技術研究院劉凱研究員和荷蘭格羅寧根大學Sijbren Otto團隊合作在Nature Chemistry上在線發(fā)表題為“Molecular-scale dissipative chemistry drives the formation of nanoscale assemblies and their macroscale transport”的研究論文，突破了耗散組裝系統(tǒng)中機械做功的難題，證明了高能態(tài)的耗散組裝體可作為能量轉化器，這為開發(fā)活性材料提供了新視角。
總體上，我們通過調(diào)節(jié)耗散反應的速率，控制組裝動態(tài)和通訊行為，將耗散組裝和馬蘭戈尼效應自組織整合起來，構建了一個可趨化性運動的活性液滴系統(tǒng)。
圖1. 化學燃料驅動的液滴形成和馬蘭戈尼對流
首先開發(fā)了一種耗散酰胺鍵，并構筑了活性液滴。馬來酸酐和辛胺在水溶液中反應得到一種酰胺化合物，其在酸性條件下易于水解。碳二亞胺可作為第二種燃料分子，驅動二酸廢料與辛胺重新生成酰胺化合物，從而構建耗散反應網(wǎng)絡。在這一過程中，酰胺產(chǎn)物能夠通過分子間的靜電和疏水作用與辛胺組裝形成凝聚體液滴。這些液滴中的疏水區(qū)域有助于溶解馬來酸酐，進而加速反應，實現(xiàn)自催化的生長。
圖2. 液滴的結構表征和自我生長
通過控制化學燃料的添加，可以實現(xiàn)對液滴生長的動態(tài)調(diào)控。一方面，化學燃料能觸發(fā)反應-組裝網(wǎng)絡中酰胺化合物與辛胺的濃度拮抗效應，促進液滴的震蕩式生長；另一方面，當液滴完全水解消失后，加入化學燃料能夠使其再生，這一循環(huán)可以重復多次，展現(xiàn)出瞬態(tài)結構的特征。
圖3. 液滴的耗散組裝和瞬態(tài)結構
進一步利用活性液滴與油酸之間的化學通訊，獲得了耗散組裝系統(tǒng)的機械功能。當在液滴溶液表面滴加油酸時，水面上的液滴會向著油酸運動。這是由于液滴中水解釋放出的辛胺可被油酸吸收，從而在水-空氣界面上形成辛胺濃度梯度，進而導致表面張力的梯度變化。最終，憑借馬蘭戈尼效應，液體從低表面張力區(qū)域流向高表面張力區(qū)域，促使液滴發(fā)生運動。此外，通過控制燃料分子的加入，可以調(diào)節(jié)液滴的運動速度和持續(xù)時間。
圖4. 液滴的定向運動與調(diào)控
上述系統(tǒng)中，化學燃料在分子尺度上驅動酰胺鍵的合成；在納微尺度上，促進高能活性液滴的生成；在宏觀尺度上，推動液體流動而帶動液滴定向運動。通過活性液滴和馬蘭戈尼回流這兩種耗散結構的耦合，實現(xiàn)了跨尺度的能量轉化。同時，該研究為控制馬蘭戈尼效應提供了源-庫系統(tǒng)的調(diào)控方法，可用于物質的精確傳送，并有望在構建組裝圖案和活性流體方面發(fā)揮重要作用。此外，該液滴系統(tǒng)由簡單的分子構成，可作為趨化性運動的原始細胞模型，進一步構筑復雜群體行為。
劉凱研究員為本文第一作者，劉凱研究員、Sijbren Otto教授為本文共同通訊作者，中科院深圳先進院為第一單位。
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