北理工課題組在液-液相分離系統(tǒng)的模塊化設(shè)計方面取得進展
發(fā)布日期:2025-12-15 供稿:化學與化工學院 攝影:化學與化工學院
編輯:田柳 審核:王振華 閱讀次數(shù):
通過液-液相分離(Liquid-Liquid Phase separation, LLPS)形成的凝聚體液滴被廣泛認為是生命起源的方式之一。在這方面,尋找能夠發(fā)生LLPS的小分子化合物是該領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。
近日,北京理工大學化學與化工學院高寧教授、鄭小燕教授和清華大學化學系李廣濤教授合作,在《德國應(yīng)用化學》(Angew. Chem. Int. Ed. 2025,e19342)報道了一類新型LLPS分子(圖1)。在前期的工作中,作者發(fā)現(xiàn)了一類具有“疏水頭基-親水鏈段-疏水頭基”結(jié)構(gòu)的對稱性分子,能夠發(fā)生典型的LLPS現(xiàn)象(Angew. Chem. Int. Ed. 2025,64,e202422601)。從分子設(shè)計的角度,分子對稱性并不會影響LLPS行為。因此,在本工作中,作者進一步優(yōu)化分子結(jié)構(gòu),設(shè)計了一類更簡潔的“疏水頭基-親水鏈段”相分離分子(分子量介于 211–215 Da)。這類超低分子量的LLPS分子具有極簡的分子結(jié)構(gòu),大幅降低了分子的自由度,使得精確解析LLPS 的分子相互作用成為可能,為探索基于LLPS的生命起源提供了分子基礎(chǔ)。

圖1. 極簡液-液相分離(LLPS)分子的結(jié)構(gòu)及其在水溶液中的分相行為
該研究以極簡的 NapNO 分子為代表,通過設(shè)計一系列結(jié)構(gòu)相似的分子,結(jié)合全原子模擬,從實驗和理論兩方面系統(tǒng)解析了驅(qū)動LLPS的關(guān)鍵分子作用力(圖2)。結(jié)果表明,疏水相互作用、π–π 相互作用和氫鍵是LLPS的分子驅(qū)動力。當NapNO分子間相互作用與溶劑化作用達到微妙平衡時才會發(fā)生 LLPS,分子間相互作用顯著大于溶劑化作用時導致沉淀,反之會使分子在水中溶解。

圖2. 極簡分子的LLPS行為與分子模擬
基于此類分子框架,通過模塊化引入不同的功能基團,可構(gòu)建功能導向型液-液相分離系統(tǒng)(圖3)。例如,使用四苯乙烯基團(TPE)替代萘基,可以得到自發(fā)光的凝聚體液滴;引入二茂鐵基團或偶氮苯基團則分別產(chǎn)生氧化還原響應(yīng)與光響應(yīng)的凝聚體液滴。這種模塊化的設(shè)計靈活性高、拓展性強,為液-液相分離相關(guān)研究提供了強大的分子工具包。

圖3. LLPS分子體系的模塊化設(shè)計
凝聚體液滴最重要的特性之一是選擇性富集客體分子。在這方面,本文中報道的小分子凝聚體液滴可以有效地富集疏水染料、小分子、蛋白質(zhì)、高分子以及納米顆粒等,表現(xiàn)出顯著的疏水選擇性和芳香選擇性。小分子凝聚體液滴強大的富集能力和疏水微環(huán)境可使其作為高效微反應(yīng)器,促進與生命起源相關(guān)的系列反應(yīng)(圖4)。例如,小分子凝聚體液滴能夠顯著加速氨基酸參與的 C-N 偶聯(lián)反應(yīng);增強手性納米酶的催化效率并保持其立體選擇性。同時,凝聚體液滴還能夠富集互補DNA鏈并促進其雜交與能量轉(zhuǎn)移,實現(xiàn)顯著的能量共振轉(zhuǎn)移(FRET)信號放大。這些結(jié)果表明 小分子凝聚體液滴不僅具備富集和加速反應(yīng)的能力,還可以支持多種生命相關(guān)過程,是模擬生命起源過程與構(gòu)筑仿生反應(yīng)器的理想平臺。

圖4. NapNO凝聚體液滴作為微反應(yīng)器加速化學反應(yīng)
綜上,本研究建立了一個普適性強、化學結(jié)構(gòu)極簡的LLPS平臺,可用于構(gòu)建任務(wù)導向型凝聚體系統(tǒng)。該平臺不僅為揭示LLPS分子驅(qū)動力提供了新視角,還推動了凝聚體在生命起源研究與人工細胞應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。
論文的第一作者是北京理工大學訪問學者、清華大學博士后張曉坤博士,通訊作者是北京理工大學的高寧教授、鄭小燕教授和清華大學的李廣濤教授。此研究得到了國家自然科學基金委的經(jīng)費支持。
原文:Minimalist Molecules Drive Liquid-Liquid Phase Separation to Modularly Assemble Functional Coacervate Protocells. (Very Important Paper)
Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e19342. DOI: 10.1002/anie.202519342.
原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202519342
分享到:
