生物系統(tǒng)真正代表了復(fù)雜的宏觀現(xiàn)象，由微觀化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格控制。隨著科學(xué)家們尋求創(chuàng)造一種逼真的適應(yīng)性和反應(yīng)性材料，研究已經(jīng)加強(qiáng)到基本生物過(guò)程的合成模擬。
一種這樣的生物學(xué)過(guò)程是細(xì)胞骨架蛋白的受控生長(zhǎng)。除了作為維持細(xì)胞形狀的納米骨架之外，這些蛋白質(zhì)的組裝負(fù)責(zé)在細(xì)胞內(nèi)分配營(yíng)養(yǎng)物。因此，它們幾乎控制著細(xì)胞內(nèi)的每個(gè)重要過(guò)程，從分裂到力分布?？梢园踩赝茰y(cè)這些蛋白質(zhì)的組裝控制途徑是細(xì)胞適應(yīng)性和反應(yīng)性行為的關(guān)鍵因素。該過(guò)程的關(guān)鍵部分是以ATP為燃料的代謝系統(tǒng)，該系統(tǒng)以與時(shí)間相關(guān)的方式對(duì)這些組件的生長(zhǎng)和衰減速率進(jìn)行編程。由于尺寸直接與系統(tǒng)的功能效率相關(guān)，因此也對(duì)這些組件的尺寸保持嚴(yán)密控制。
在最近發(fā)表在Nature Communications上的一項(xiàng)研究中，來(lái)自Jawaharlal Nehru高級(jí)科學(xué)與研究中心(JNCASR)和干細(xì)胞生物學(xué)與再生醫(yī)學(xué)研究所(inStem)的科學(xué)家創(chuàng)建了一種具有結(jié)構(gòu)和時(shí)間編程的細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)約合成模擬。這項(xiàng)工作的重點(diǎn)是雙組分單體分子系統(tǒng)的反應(yīng)驅(qū)動(dòng)控制生長(zhǎng)。
“這種合成單體體系設(shè)計(jì)優(yōu)雅，以便在添加烷基胺(燃料)后，將非活性(非組裝)單體體系轉(zhuǎn)化為活性體系(觸發(fā)組裝)，從而產(chǎn)生主要反應(yīng)，”博士說(shuō)。 Subi George，JNCASR的副教授。
他們表明，該反應(yīng)可用于通過(guò)控制燃料的可用性來(lái)精確控制所得組件的一維生長(zhǎng)(納米纖維)。這些納米纖維結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)是由非常弱的分子間相互作用(超分子聚合)驅(qū)動(dòng)的，例如類似于膜中脂質(zhì)雙層的疏水反應(yīng)和類似于DNA中核堿基堆積的芳香相互作用，因此具有高度動(dòng)態(tài)性并具有自修復(fù)功能，如許多生物組件。
“雖然生物系統(tǒng)能夠以極高的精度優(yōu)雅地調(diào)節(jié)自組裝，但在化學(xué)兩親物中賦予瞬時(shí)和活性聚合特性一直是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。原位成型兩親物的設(shè)計(jì)使我們能夠隨意研究動(dòng)態(tài)組裝結(jié)構(gòu)， “Praveen Kumar Vemula博士說(shuō)。
通過(guò)詳細(xì)的光譜和顯微分析，他們確定這種生長(zhǎng)在自然界中“生存”，導(dǎo)致組件具有非常窄的尺寸分布(單分散)。通過(guò)將生長(zhǎng)與獨(dú)特選擇的化學(xué)方案相結(jié)合，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)，從而建立對(duì)生長(zhǎng)和分解動(dòng)力學(xué)的控制。結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了纖維組件的時(shí)間編程瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)。在這兩種情況下，關(guān)鍵時(shí)間特征的操縱都是從幾秒到幾千秒的范圍。因此，該研究代表了開(kāi)發(fā)適應(yīng)性，逼真的超分子材料的關(guān)鍵步驟。
“我們首次證明了超分子聚合的每個(gè)時(shí)間特征都可以進(jìn)行化學(xué)控制，并進(jìn)一步與其他類似于生物系統(tǒng)的參與反應(yīng)相結(jié)合，”該論文的第一作者Ankit Jain說(shuō)。
“使用酶和pH等刺激來(lái)控制自組裝納米結(jié)構(gòu)非常吸引人，”該論文的作者Ashish Dhayani說(shuō)。
“這項(xiàng)工作是設(shè)計(jì)在平衡條件下運(yùn)行的生物模擬有源系統(tǒng)的重大進(jìn)步，其時(shí)空編程與迄今為止報(bào)告的大多數(shù)合成被動(dòng)系統(tǒng)相比，它們只在空間復(fù)雜性的熱力學(xué)平衡下工作，”該論文的共同作者Shikha Dhiman說(shuō)。
接下來(lái)的挑戰(zhàn)是建立可以像生物一樣思考，學(xué)習(xí)和適應(yīng)的合成逼真系統(tǒng)。這項(xiàng)研究就是這樣一個(gè)初步步驟，但仍然需要進(jìn)行大量調(diào)查才能完全模仿自然過(guò)程。該團(tuán)隊(duì)希望應(yīng)用這一原理，并在生物系統(tǒng)中使用這些動(dòng)態(tài)自組裝納米架構(gòu)。
