科大团队破解“液–液相分离”分子自组装过程关键机制

你是否曾好奇，贻贝是如何瞬间将自身牢牢粘附在岩石上，从而抵御海浪的猛烈冲击？它们只需不到30秒即可完成这一过程。然而，在实验室中，模拟这种被称为“液–液相分离”（LLPS）的分子自组装过程往往需要数十分钟甚至数小时。近日，香港科技大学（科大）的研究团队透过大规模分子动力学模拟和理论分析，成功破解“液–液相分离”（LLPS）的分子自组装过程的关键机制，解开了这个长期困扰科学界的谜题，为即时生物相容性外科黏合剂提供启示。

这项理论突破已发表于《自然通讯》期刊，题为《Mixing protocols determine liquid–liquid phase separation dynamics in polyelectrolyte complex coacervation》。有关研究从根本上改变了我们对带电聚合物形成复杂结构的理解。研究团队成员包括科大化学及生物工程学系助理教授陈伸升（共同通讯作者）、其博士生吴宗培（第一作者），以及美国加州理工学院迪克和芭芭拉·迪金森（Dick and Barbara Dickinson）化学工程教授的王振纲教授。

这项最新研究建基在陈教授团队以往的研究成果。团队利用一个功能强大的定制模拟平台，同时追踪超过一百万个带电粒子，首次完整模拟了“液–液相分离”的整个过程，并明确模拟了流体动力学和静电作用力。他们发现，若模拟自然界的“通量路径”（即分子在目标点混合）可以创建一个电化学“高速公路”，从而以惊人的速度驱动组装过程。在这种特定的路径下，“液–液相分离”中的凝聚域随时间动态增长，其幂律关系为 t^2/3，而经典理论预测的幂律关系为 t^1/3。这种不同的尺度关系带来了一个惊人的结果：模拟结果表明，利用自然界的方法形成一个半厘米的黏附液滴仅需10秒，而采用传统的实验室技术则需要超过47年。

陈伸升教授表示：“大自然一直是我们的灵感泉源。实验室中缓慢的实验节奏与海洋生物超快的组装速度之间存在明显落差，是我们必须解决的关键问题。我们早前的研究发现聚电解质‘液–液相分离’动力学与传统液滴粗化理论规律有着本质的不同。而这项新研究则提供了实践蓝图。透过在前所未有的长度和时间尺度上模拟整个组装过程，我们超越了理论层面，揭示了大自然如何实现如此惊人的组装速度。这最终为我们提供了创造按需组装材料的线索，对于即时生物相容性外科黏合剂以至可编程智能材料，均具有重大意义。”

这项最新突破建基于陈教授2023年发表在《物理评论快报》的奠基性研究，该开创性的工作首次从根本上挑战了数十年来关于带电聚合物体系液滴粗化的经典理论。该论文证实，带电聚合物（包括大多数无序蛋白）的动力学遵循一套截然不同的路径和标度律，有效地改写了“液–液相分离”的既有规则。目前发表在《自然通讯》上的这项研究充分实现了早期研究所勾画的愿景，提供了确凿的理论计算依据和清晰可行的机制来解释这些新规则。