科学家打造活性液滴系统，基于全新耗散组装系统，可用于打造液滴机器人与人工细胞模型

来源：DeepTech深科技

近日，中国科学院深圳先进技术研究院刘凯研究员和合作者开发出一种基于动态酰胺键的耗散反应网络，并基于此构建出一种活性液滴自组织系统。

研究团队发现，通过调节耗散反应的速率并控制组装过程中的动态行为，可以有效整合耗散组装和马兰戈尼效应，从而使系统表现出趋化性运动能力。

从薛定谔的《生命是什么？》说起

生命的本质究竟是什么？化学与生物是否能够相互转化？是否存在不可逾越的鸿沟？这些问题长期以来一直困扰着人类，也是科学探索中的根本性课题。

20 世纪中期，奥地利维物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）在其著作《生命是什么？》中提出，生命通过“负熵”维持其存在，即生命系统能够吸收外界的能量，并将其转化为结构性有序的过程，从而维持自身的生长与存续。

这一观点揭示了生命系统在热力学中的特殊性，强调了生命系统能够通过能量代谢，克服了热力学第二定律对于封闭系统中熵增趋势的约束。

比利时物理学家伊利亚·普里高津（Ilya Prigogine）则在此基础上进一步发展了这一理论，提出了“耗散结构”理论。他强调，在开放系统中能量的流动与熵的耗散能够推动系统从无序状态自发演化出有序结构。

普里高津的这一理论为人们理解生命系统的热力学特性提供了框架，并表明生命体内的各种生物化学反应与代谢过程，都在耗散结构的背景下发生，通过自由能的转化来驱动非自发的过程，如蛋白质折叠、分子组装等。

这些理论主要基于热力学的计算和推导，但要深入理解和验证这些观点，还需要依赖直接的实验证据。

2000 年，一支国外科研团队报道了一个耗散自组装系统，该系统由毫米大小的磁化磁盘组成，漂浮在液气界面上，在旋转的外部磁场作用下，磁盘会发生旋转，进而在流体中产生排斥流体动力学相互作用，最终形成有序结构。这些聚集体的形态随着磁场的局部扰动而变化。

2010 年，另一支国外科研团队构建了一个耗散组装的凝胶体系，至此才将耗散自组装的概念成功用于化学组装系统。此后，化学家们陆续设计了多种耗散组装体系，并取得了关于瞬态结构和性质的重要成果。

然而，迄今为止，关于能量在耗散组装中的作用研究仍相对较少。特别是，如何通过能量交换过程维持结构的有序性？如何通过自由能的转化驱动非自发的组装过程？能量消耗所引起的远离平衡态的涌现性质与功能是什么？

基于上述背景，刘凯等人希望探索新的耗散化学形式以及开发新的耗散组装系统，借此验证耗散结构理论，从而深入探讨自由能转化与能量耗散如何推动非平衡组装过程，以及探索如何通过能量维持有序结构并赋予其特殊性质。

（来源：Nature Chemistry）

有望创造全新的液滴材料

研究中，该团队着眼于经典有机化学中的反应机制，选择了胺与酸酐在有机溶剂中发生的缩合反应作为研究的切入点。

在这一反应中，胺和酸酐反应生成酰胺，而在酸性条件下，某些酰胺分子由于邻近羧酸基团的存在，会自发地发生水解，羧酸基团在此过程中能够催化水解反应。

基于这一点，他们的研究目标是将这两种反应机制整合进一个反应网络中，从而形成一个具有耗散特性的化学系统。

为此，课题组选择了辛胺与马来酸酐作为反应物，将它们混合在水溶液中。在这一反应系统中，酰胺键的形成与断裂是并行进行的，但采用了不同的反应路径。

研究人员发现，这种反应可以自发形成一个耗散的反应网络。不过，由于酸酐在水中的溶解度较差，于是他们进一步引入碳二亚胺作为次级燃料分子，以确保水解后的二酸废物能够与辛胺再生成酰胺化合物，从而维持连续的耗散循环。

在这个过程中，酰胺化合物和辛胺通过分子间的静电作用和疏水作用，共同组装形成液滴。

当液滴中的组分消耗殆尽并最终消失时，他们重新引入化学燃料以实现系统的再生，同时这也突显了这种结构的瞬态特性和自我修复特性。

刘凯表示，这一阶段的实验结果与“常规”耗散组装的预期一致。然而，随着研究的深入，他和合作者意外地观察到了反应网络中出现了双脉冲式的生长模式。

在加入化学燃料后，液滴的浑浊度首先增加，然后急剧下降，接着再次增加，最终消失。这一现象源于耗散反应与共组装过程之间的相互作用，并且会受到组装基元浓度的拮抗调控。

在获得耗散结构作为工具之后，他们迫切希望探索它们的独特性质。虽然理论分析表明，耗散自组装中存在高能态，但直接实验捕捉这些结构一直是一个挑战。

一番思考之后，他们决定向液滴溶液中添加油酸，以期让系统组分变得多样化。

出乎意料的是，课题组观察到液滴开始向油酸迁移，并且在气-水界面上聚集。更为惊讶的是，通过调节化学燃料的添加量，还能精确控制液滴迁移的速率和持续时间。

为了进一步理解这一现象，刘凯等人通过理论计算，得出一个源-汇的马兰戈尼效应模型，借此揭示了这一现象的物理机制。

根据这一模型他们推测：酰胺键中的自由能在液滴内部被捕获，并转化为机械能执行工作，而不是转化为热能进行耗散。

通过此，他们成功构建了一个基于耗散化学反应的自组织系统，同时揭示了该系统中的一些独特现象。

（来源：Nature Chemistry）

这些独特现象分别是：

首先实现了基于动态酰胺键的耗散自组装。

课题组通过马来酸酐与辛胺反应，合成了酰胺化合物，该化合物在酸性条件下易于水解，能够作为反应网络的关键组成部分。

在此过程中，酰胺产物与辛胺通过分子间的静电和疏水相互作用形成凝聚体液滴。

此外，燃料的加入可以实现液滴的再生，使其重复经历生长与消失的周期，同时展现出瞬态结构的特性。

其次实现了非线性的生长动态。

该团队发现通过添加化学燃料，能够调节酰胺化合物与辛胺的浓度，利用二者浓度的拮抗效应和协同组装特性，进而可以调控液滴的震荡式生长行为。

此外，液滴中的疏水区域有助于溶解马来酸酐，从而加速反应，进而实现自催化的生长过程。

再次实现了活性液滴的趋化性运动。

在液滴溶液中加入油酸后，研究人员观察到液滴朝油酸的方向运动。这一现象是由于液滴中水解释放的辛胺被油酸吸收，导致表面张力梯度的变化，从而产生马兰戈尼效应，推动液滴向高表面张力区域流动。

通过精确控制燃料的添加，还能够调节液滴运动的速度和持续时间。

最后实现了耗散系统的跨尺度能量转化。

该系统通过将活性液滴与马兰戈尼回流这两种耗散结构耦合，实现了跨尺度的自由能转化。在分子尺度上，化学燃料能够驱动化学反应；在纳米至微米尺度上能够生成高能活性液滴；在宏观尺度上能够推动液体流动，最终实现化学能向机械能的转化。

（来源：Nature Chemistry）

可用于打造液滴机器人和人工细胞模型等

在应用前景上：

其一，可实现活性流体与非平衡图案构建：通过精确控制马兰戈尼回流，能够在微观尺度上构建活性流体，或驱动宏观自组装，从而形成非平衡组装图案，这为活性材料的开发和微型制造提供了全新思路。

其二，可用于打造液滴机器人：液滴反应工厂将液滴内部的催化反应与物质运输结合起来，实现产物的定向运输与反应。

在这一过程中，液滴内的化学反应可在不同区域分区进行，从而大幅提升化学反应效率。

此外，液滴机器人可以在环境污染物治理中发挥重要作用，从而精确地传递清洁剂、催化剂等物质，显著提高污染物的降解或清除效率。

其三，可用于打造人工细胞模型：利用液滴系统能够模拟细胞群体行为，特别是能够模拟趋化性运动，从而用于研究群体的进化、相互作用以及决策过程。

同时，液滴能够通过能量转化、变形和分裂来模拟细胞的生长过程，为人造细胞的研究提供新思路。

其四，可实现生物医学应用：通过精确控制药物或治疗分子的传递，能够将其精准送达体外目标细胞或组织。

借助动态共价键的调控，可以实现药物在生物环境中的定向释放，减少药物对非目标区域的副作用，提高治疗效果，这在精准药物筛选、细胞治疗等领域尤其具有应用前景。

而在未来，刘凯期望能够进一步精细调控该反应网络中的各类变量，深入挖掘耗散化学系统的更多潜力。

具体来说，他希望创造一种全新的液滴材料——不仅具有智能性，还能够适应环境、做出决策，甚至可能随着时间进化。

正如细胞通过合作形成组织，组织再组成有机体，这些液滴也可能在更大的系统中结合起来，形成更为复杂、更具动态的材料，从而模糊生物系统与非生物系统之间的界限。

参考资料：

1.Liu, K., Blokhuis, A.W.P., Dijt, S.J.et al. Molecular-scale dissipative chemistry drives the formation of nanoscale assemblies and their macroscale transport. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01665-z

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