Small:微液滴原始细胞——完全合成的人工生物学系统

地球上的生命体拥有一些普适的基本特征,例如由能量流与物质交换驱动的非平衡态自组装过程即是大多数生命活动的基础。生命系统也即信息系统,能量流所产生的能量梯度能够转化为熵梯度,因而也可以转化成有意义的信息梯度(或者说负熵negentropy)。在分子层面上,生命系统通过耗散能量,产生相互作用力引发分子自组装,形成过渡态结构;这种耗散能量的分子动态自组装,是细胞传输、动力学、信号转导和细胞分裂等许多生物现象的基础。通过模仿生命系统的本质特征用于构建人工生物学系统,不仅能帮助我们理解生命系统运行的基本原理,开发在生物医学和可持续发展中广泛应用的智能材料和系统;而且能启示我们,在地球早期的生命起源过程中,生命是如何由化学反应系统演化而来的。近十年来,研究者尝试在DNA纳米管、蛋白纤维以及脂质体等简单的自组装系统中模仿这一过程。然而现存的生物大分子,已然是经过上亿年进化的高度复杂分子材料;个体分子间的相互作用是如何实现更高阶尺度的动态行为和功能仍属未知。

构建人工生物学系统的核心是实现自组装系统能够持续运行并保持远离热力学平衡态,而其分子自组装和动态结构在时空上都受控于能量流。美国哈佛大学生命起源研究中心(Origins of Life Initiative)Juan Perez-Mercader教授研究团队于近日报道了如何通过简单的化学反应和合成材料构建微液体原始细胞(microdroplet protocells),并实现由能量流驱动的非平衡态仿生动态行为。他们将Belousov-Zhabotinsky振荡反应和活性自由基聚合反应相结合,利用振荡反应产生的化学能驱动分子模块的合成与自组装,最终形成动态微液滴。经典的自组装系统通常稳定于热力学平衡态,而所设计的微液滴原始细胞能够通过复杂的动态形变耗散并转化能量,并远离热力学平衡态。外源能量流驱动能持续改变分子间相互作用力并促进分子扩散,进而使微液体发生相分离;在微观尺度,微液滴原始细胞表现出一系列仿生动态行为,例如,振荡形变、融合并形成复杂动态仿生结构。这一简化的非平衡态原始细胞模型,不但有助于我们理解生命是如何通过分子的自我组织(self-organization)呈现;与此同时,构建这一原始细胞模型所开发的动态自组装方法,及其衍生得到的囊泡、多腔和网状微结构,也将有助激发探索新一代“活体“和仿生材料,以应对生物医学、能源危机和可持续发展中的挑战。

这一成果以封面论文形式发表在Small上。论文的第一作者为程功博士,共同通讯作者为程功博士和Juan Perez-Mercader教授。

论文信息:

Self-Organizing Microdroplet Protocells Displaying Light-Driven Oscillatory and Morphological Evolution

Gong Cheng*, Chenyu Lin, Juan Perez-Mercader*

Small

DOI: 10.1002/smll.202101162

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202101162

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