大多數生命特征依賴于復雜的分子組裝和失衡的生化反應。這在生命系統中是可能的，因為復雜的反饋回路介導了更高水平的連續動力學控制和能量耗散。例如，生物體中的大量生理功能都是由時間調節的酶反應控制的。一個突出的例子是晝夜節律，它利用晝夜循環來調節代謝活動的交替。在這些過程中，代謝物濃度的浮動需要通過正反饋回路積累化學信號，并通過負反饋回路抑制其產生。這導致了通常被稱為穩態的失衡狀態。這些反饋回路在調節代謝物水平方面的復雜和動態相互作用是生命系統的基本特征之一，可以作為人工失衡系統合成的靈感來源。聚合物囊泡是自組裝的嵌段共聚物囊泡，可以模擬細胞和細胞器對酶的劃分，并且可以定制為對小分子底物永久半透性或響應化學和物理刺激切換半透狀態。可以利用這些特性來生成載酶的聚合物納米反應器，該反應器僅在它們響應于刺激而處于不平衡狀態時才進行催化。生命系統已經進化到維持這些不平衡過程的一種方法是通過化學選擇性通道控制代謝物的運輸。在模擬人工系統中這種刺激響應通道的活動時，小分子光開關特別有吸引力，因為它們能夠在溶液和固態下改變幾何形狀、極性和吸收曲線。該特性允許通過簡單地以非侵入方式應用光來對分子系統進行外部空間和時間控制。這些系統的例子包括用光響應偶氮苯或螺吡喃部分官能化的聚合物囊泡。然而，一般來說，這些系統只對可見光譜的紫外線 (UV) 或藍色區域有反應，異構化的時間尺度可能從幾分鐘到幾天變化很大，這與供體-受體 Stenhouse 加合物 (DASA) 系統不同，據報道表現出分鐘的切換時間尺度。DASA 是在兩種異構體之間改變平衡的負光開關。在黑暗中，平衡轉變為有色三烯-烯醇，在可見光照射下，形成極性更強的無色環戊烯酮異構體。這些特性使 DASA 非常適合在不同材料中穩健地實施以實現廣泛應用。例如，將 DASA 與聚合物囊泡的疏水小葉偶聯允許在光照射下處于失衡狀態，從而允許分子滲透穿過現在的半透膜，當光線消失時恢復到初始的非滲透狀態。受晝夜節律過程的啟發，英國皇家工程院院士、美國國家工程院外籍院士、帝國理工學院Molly M. Stevens教授等人設計了串聯工作的反饋回路，以促進由含有酯酶（DASA–酯酶）的DASA功能化聚合酶體納米反應器驅動的失衡pH狀態的調節。DASA通過控制底物在光照下通過半透膜的滲透，模擬活細胞中光感受器耦合的跨膜通道。因此，DASA–聚合物囊泡非常適合調節由光觸發的外部反饋回路。圖|通信聚合物納米反應器之間的 DASA 光開關驅動的酶反饋回路當前模擬細胞間通訊的聚合體納米反應器系統結合了失衡反饋回路，需要通過添加外部化學燃料進行介質操作。為了在不需要添加外部化學燃料的情況下提供更精確的反饋回路調節機制，研究人員設計了一個可以通過光進行外部操縱的系統。這包括一個納米反應器，該反應器通過一個光開關和一個包含 pH 敏感酶的恒定半透性納米反應器來交替小分子半透性狀態。為了實現綠光觸發的納米反應器，合成了一種 DASA 修飾的兩親嵌段共聚物，并通過溶劑交換法自組裝，同時封裝了酯酶（DASA-酯酶）。反過來，使用光引發的可逆加成-斷裂鏈轉移聚合誘導自組裝 (photo-PISA) 合成固有的半透性納米反應器，并原位封裝脲酶以產生 PISA-脲酶。1）當用綠光照射DASA–酯酶時，聚合體膜變得半透性，以促進底物（乙酸乙酯）與包封酶接觸，從而生成乙酸。該系統內的第一個負反饋回路是通過將酸的形成與pH敏感顏料甲基紅（MR）偶聯而產生的，當pH降低時，甲基紅轉變為綠光吸收物質。由于乙酸在綠光下催化形成，質子化顏料的形成與 DASA 納米反應器競爭吸收光，直到 DASA 的光開關能力失活而中斷催化。2）第二級調控是通過聚合誘導自組裝（PISA）合成的固有半透性聚合體引入的，該聚合體包封了脲酶（PISA–脲酶）。盡管在堿性條件下無活性，但酸性條件顯著增加了脲酶的活性，可將其底物尿素轉化為堿性氨。這種堿基的形成使 MR (MR-) 的去質子化回到其非綠光吸收狀態。因此，綠色吸收質子化 MR (MRH) 的濃度可以通過綠光的照射或撤回來調節。重要的是，MRH 濃度的控制與光控 pH 狀態有關。這進一步允許通過將綠光轉導成不平衡的化學機械信號來調節浸入與納米反應器相同的介質中的pH響應性水凝膠的溶脹率。圖|綠光介導的 DASA-酯酶催化活性調節和負反饋環生成總的來說，研究人員展示了如何使用聚合體納米反應器和水凝膠的三元系統來模擬復雜的生物通訊過程并通過正負反饋回路自我調節它們的行為。這些在暗堿性條件下處于休眠平衡狀態的納米反應器在受到光照射時會轉變為失衡狀態。1）首先，DASA-酯酶對其底物燃料的滲透性受到光的調節。2）其次，通過 DASA-酯酶和PISA-脲酶分別積累酸和堿，本體溶液的 pH 值以延遲的方式變化。3）第三，水凝膠的延遲溶脹和去溶脹響應于本體溶液中pH的調節而發生。通過進一步優化，此類系統可以適用于新穎和多樣化的應用，包括人造細胞器、原始細胞或軟機器人原始組織。此外，這項工作的另一個重要成果是成功破譯了一種用光控酶調節培養基pH的方法。這種方法可以用作控制廣泛催化劑的有力工具，因為在許多情況下，催化劑的轉化率可以通過接近其最佳pH值來調節，理解驅動生物功能的分子機制背后的基本概念，可以為制造新的失衡系統和材料提供關鍵見解。在這方面，聚合體納米反應器模擬了生物膜的分區性質，并為創造具有類似生命特性的復雜功能材料提供了堅實的平臺。此外，該系統能夠在生物學相關的緩沖條件下運行，為光控納米反應器間信號傳遞和納米反應器/活細胞化學通信開辟了一條途徑。這項工作的未來前景將擴展到使用具有更廣泛酶的光響應納米反應器來制作能夠自主運動、自組織、自驅動和自適應行為的材料。圖|通過 DASA-酯酶和 PISA-脲酶納米反應器之間的化學通訊來調節 pH 值Rifaie-Graham, O., Yeow, J., Najer, A. et al. Photoswitchable gating of non-equilibrium enzymatic feedback in chemically communicating polymersome nanoreactors. Nat. Chem. (2022).https://doi.org/10.1038/s41557-022-01062-4
