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研究背景

自组装是化学系统中一种重要的过程，因其能够通过简单的分子构建复杂的动态行为而成为研究热点。然而，现有的自组装系统通常依赖于生物催化剂或外部能量输入，存在无法在封闭系统中实现自主周期性（解）组装的挑战。此外，合成化学物质的自组装动态通常受到向化学平衡松弛的限制，使得系统难以表现出复杂的非平衡行为。有鉴于此，研究人员尝试开发完全由合成化学分子组成的系统，通过反馈回路实现自主的动态行为。

成果简介

有鉴于此，Dibyendu Das团队设计了一种基于单一氨基酸或二肽的简单系统，利用pH驱动的非共价组装和自组装态的时间延迟催化，加上动态共价键的形成，在封闭系统中安装了反馈回路。

结果显示，该系统能够在非平衡条件下表现出自主的多次周期性（解）组装动态，且无需进化的生物催化剂支持。此外，研究人员通过数学建模进一步验证了该反应网络的振荡机制，预测了反馈回路对系统短暂振荡能力的相对贡献。相关成果在Nature Communications期刊上发表了题为“Feedback driven autonomous cycles of assembly and disassembly from minimal building blocks”的最新论文。这一研究展示了利用纯合成分子构建自驱动系统的可能性，为动态活性材料的设计提供了新的思路。

值得注意的是， Dibyendu Das教授团队近日在JACS以及Nature Reviews Chemistry上接连发表重要成果!

研究亮点

1. 实验首次利用单一氨基酸/二肽实现自主（解）组装；

本研究首次设计了一种基于单一氨基酸或二肽的系统，在封闭体系中实现了自主（解）组装周期。该系统完全由合成化学物质构成，不依赖于外部生物催化剂。通过pH驱动的非共价组装以及时间延迟的动态共价键形成，实现了多次周期性（解）组装过程，展示了复杂的动态网络行为。

2. 实验通过构建反馈回路验证动态特性；

研究通过非共价组装与自组装状态下的加速催化作用结合，成功引入正交反馈回路，从而在单批次反应物中实现了动态平衡条件下的周期性振荡。数学建模进一步证明了该反应网络能够产生短暂振荡，并预测了反馈回路对系统振荡能力的相对贡献。这为解释合成系统如何通过简单化学实现复杂动态行为提供了理论依据。

图文解读

图1：动态自组装的示意图。

图 2：在 pH 7.5 和 6.5 条件下凝胶的形成及其催化活性。

图 3：自主的 pH 变化实现了组装的再生。

图 4：自组装的时间依赖性生成及其催化活性。

图 5：在未加缓冲条件下，包含 A* 和 BC 的闭合系统中多次循环的（解）组装过程。

图 6：周期性（解）组装的数学建模。

结论展望

现代生物体依赖复杂的非平衡代谢途径网络，这些网络通过进化产生的酶来构建（合成代谢）和分解（分解代谢）分子，从而维持内稳态。活体系统采用非共价组装和共价连接两种机制，以实现这些复杂的行为。

本研究展示了一个简单的化学网络，只使用两种组分——单一氨基酸/二肽和热力学激活的小分子酯，展示了复杂的动态行为，例如能够表现出反馈驱动的瞬时振荡，其中（解）组装行为随着单次反应物加入而呈现周期性变化。

该系统利用非共价组装，促进了催化加速并产生了非线性pH梯度，从而导致动态共价键的再生，并在封闭系统中建立了反馈回路。尽管该系统未能表现出真正的振荡行为，但它可以作为一个最小化的合成网络示例，在封闭系统中展示周期性行为，尤其是在没有高级生物催化系统的情况下。

文献信息

Reja, A., Jha, S., Sreejan, A. et al. Feedback driven autonomous cycles of assembly and disassembly from minimal building blocks. Nat Commun 15, 9980 (2024).