非往復運動對于微米大小的生物體的運動至關重要。一個反例是扇貝，它通常長 10-20 厘米，只需打開和關閉兩半殼就可以向前或向后游泳。這個運動是相互的，因為打開和關閉遵循相同的軌跡。相比之下，微米大小的單細胞生物將水視為一種粘性流體，就像人類在蜂蜜中游泳一樣，因此它們不能依靠慣性來推動它們前進。因此，為了在水中游泳，這些生物已經開發出涉及復雜的非互易運動模式的策略。有些長出長長的鞭毛，以螺旋狀的方式旋轉；還有的長出纖毛；還有一些生物體的身體可以呈現出螺旋形狀。纖毛是生長在單細胞生物外表面的微小毛發，通過以特定模式有節奏地運動推動生物通過液體。這種節律運動遵循復雜的軌跡以實現向前推進，這是一種被稱為非往復運動的特征，與人類游泳技術相同。但是，盡管這種運動可能很熟悉，但使用合成材料很難復制，因為這種節律運動是由許多納米級分子機器的同步操作驅動的。近日，哈佛大學Joanna Aizenberg等人在Nature揭示了光敏人造分子機器可以用來驅動由單一材料構建的聚合物纖毛中類似的復雜運動。其中第一作者為哈佛大學化學與化學生物學系的李姝聰，本科畢業于清華大學化學系，還是個95后。一年前，她才剛剛在Nature報道過關于拓撲轉換的研究成果。圖|人造毛發狀結構（纖毛）產生復雜的集體節律運動模式在人造材料中，類似纖毛的行為可以通過誘導非互易的形狀變換來實現。該課題組通過使用一種響應光來回翻轉的分子機器來實現這一點。這些分子機器可以共價結合到由液晶化合物制成的聚合物中。這種方法并不完全是新的；它已被用來模仿植物王國中發現的一些復雜運動（如，從黃瓜卷須的纏繞到種子莢的爆裂、捕蠅草的捕捉和向日葵的光跟蹤）。但是該課題組將這項技術與微加工技術結合起來，并將其與一個模型結合起來，該模型可以預測纖毛運動作為分子相對于其主軸和照明方向的錯位的函數。該模型可用于指導功能纖毛的設計。在該研究中，光起著至關重要的作用。當聚合物材料吸收光時，會在每個纖毛的寬度上建立照明強度梯度。當光穿過材料時，它會激活分子機器，導致它們彎曲。這會擾亂聚合物的液晶順序并產生分子無序的梯度。結果，均質材料被轉化為具有不同變形特性的兩層。光照區域優先沿液晶分子的方向收縮，這也是分子機器的方向，而纖毛的“暗”區域保持不受干擾。這迫使纖毛作為一個整體彎曲和扭曲。圖|三個非共線對稱軸及其動態光化學機械反饋在成分均勻的微觀結構中實現了無限組的自我調節運動
此外，作者發現他們可以在這個系統中建立反饋回路。當纖毛扭曲時，它們將不同的面暴露在光線下，從而導致光線在穿過每個纖毛時發生變化。反過來，這種變化會隨著時間的推移影響有序和無序區域之間的分布，導致研究人員能夠通過改變照明的強度和方向來操縱復雜的運動。而且，一旦光線被關閉，材料就會通過不同于光誘導的向前運動來放松。因此，研究人員得出結論，開-關光循環可以引起纖毛節律運動，從而構成非往復運動。然后，作者還證明，節律運動的纖毛陣列可以通過陰影效應相互“交流”，從而表現出集體運動：當光照導致一根纖毛彎曲時，它會阻擋其鄰居的光，依此類推。這種多米諾骨牌效應導致了傳播波的出現，表明光驅動分子機器的運動可以轉化為集體運動。在這個系統中，集體運動是由光引起的，而不能通過熱或化學反應來實現。這項研究的下一個前沿研究可能是通過跨越微細加工技術，轉而通過組成分子之間的相互作用誘導纖毛自發生長來制備人造纖毛。另一個挑戰是設計一種方法來避免需要定制照明條件，包括連續打開和關閉燈。盡管作者表明，他們的人造纖毛可以表現出復雜的運動，讓人聯想到活生物體中的纖毛，但這些結構在功能方面尚未與天然纖毛相媲美。在生物系統中，纖毛的節律運動用于使細胞游泳并支持各種運動動力學，從而使細菌能夠生存和競爭行為。從運動到運動需要材料表現出比該研究更好的性能，需要更小的結構、更快的運動和更高的振蕩幅度。但是，該研究代表了朝著功能性人造纖毛邁出的關鍵一步。在這一過程中，它無疑將激發微流體技術的進步，甚至可能推動我們對纖毛和細胞運動的理解。值得注意的是，就在去年4月份，該課題組（其中李姝聰同為第一作者）在Nature報道了一種兩層動態策略實現了細胞微結構基本拓撲結構的系統可逆變換，可應用于各種材料和幾何形狀。該策略為系統地操縱拓撲轉換提供了機會，為拓撲-維度-材料關系和潛在的多尺度物理化學機制的基礎研究提供了平臺。1. Li, S., Lerch, M.M.,Waters, J.T. et al. Self-regulated non-reciprocal motions in single-materialmicrostructures. Nature 605, 76–83 (2022).https://doi.org/10.1038/s41586-022-04561-z2. Nature 605, 37-38(2022).https://doi.org/10.1038/d41586-022-01080-93. Li, S., Deng, B.,Grinthal, A. et al. Liquid-induced topological transformations of cellularmicrostructures. Nature 592, 386–391 (2021).https://doi.org/10.1038/s41586-021-03404-7
