自组装，最新Nature系列综述！
自组装，最新Nature系列综述！
现代细胞本质上是一个组织化的生化反应网络，这些反应能够自我复制，并在远离平衡态热力学的控制下，在空间上不同的隔室内发生。作为生命最简单的体现，细胞包含了尚未被完全理解的复杂化学反应网络集合，而这些反应的起源也尚未明确。尽管可以在体外通过合成获得蛋白质和核酸合成的复杂化学过程、膜动力学和细胞信号传导，但实现从非生命物质到现代细胞的转变仍然是科学的巅峰。一个具有生命物质特性的最小合成系统应该包含三个基本要素：代谢网络，它将构筑基元的构建和破坏与自我组织联系起来；自我复制能力，用于制作多个副本；以及一个包含反应网络和复制装置的物理隔室。重要的是，为了使最小系统避免衰退到平衡态，所有这些要素都应与能量消耗相结合。这些要素协同工作，潜在突变引入的多样性在原则上可以导致振荡、适应和认知等复杂特性的出现，最终为达尔文进化论奠定基础。当代生命的多样性并没有为进化早期阶段提供证据，从而建立达尔文所描述的富含营养的温暖池塘与最后一个共同祖先出现之间的联系。尽管仍处于起步阶段，但系统化学领域已经尝试采用“系统方法”来构建化学反应网络，这些网络可以在非平衡态热力学的范围内整合生命过程催化、区室化和复制的特性。
一般来说，化学家和生物学家已经对具有催化和复制能力的隔室结构有了全面的了解，并且可以在平衡条件下对它们进行模拟。然而，要创建具有生命特性的系统，肯定需要与非平衡环境进行整合，细胞在动力学上稳定但在热力学上活化的现存构建块（氨基酸、肽、核酸和脂质）是这种远离平衡过程的产物，这些过程具有生命和死亡周期。系统化学已经将这一焦点扩展到对化学反应相互作用网络中出现特性的研究上。
在这篇文章中，来自印度加尔各答科学教育与研究学院的Dibyendu Das教授团队综述了利用简单构建块生成自组装结构的工作进展，以尝试在非平衡条件下连接这三个总体要素，同时为向具有生命物质特性的过渡奠定基础。该工作以题为“Non-equilibrium self-assembly for living matter-like properties”发表在《Nature Reviews Chemistry》上。
非平衡条件下代谢反应循环的产生
生命系统利用非平衡条件下的反应网络来获取生物分子集合。这些反应网络由热力学活化的分子驱动，可以实现自组装和解组装的循环。尽管在没有酶的情况下构建简化版的现有代谢反应网络是一个挑战，但研究人员已经开发出纯化学基础的最小代谢反应循环，在非平衡条件下运行。这些最小代谢循环通常包括两个途径：激活和失活。
在人工自组装系统中实现时间控制是一个有挑战的任务，但研究人员提出了独特的策略，通过平衡激活反应(驱动组装)和失活反应(导致解组装)的动力学来维持瞬态的超分子结构。一些最小代谢循环利用了自组装状态的内在催化性质来实现失活途径，从而创造非平衡条件。这些纯化学系统的发展有助于推进向具有类似生命物质特性的适应性材料的过渡。
此外，研究人员提出，要创造出真正的"驱动"自组装过程和反应网络，系统应该具有能量消耗途径的动力学不对称性，以便在稳态条件下远离平衡。目前，大多数最小代谢循环要么没有这种动力学不对称性，要么由于涉及多种非共价相互作用而难以实现。未来，整合代谢、隔离和复制与非平衡热力学的关系，将是理解具有生命物质般动态特性的自适应材料的重要一步。
纯化学系统的代谢反应周期
基于化学的最小反应循环系统可以用来实现复制和/或隔离系统的目标，这些系统受非平衡热力学的约束。这些自下而上的方法需要整合代谢、复制和隔离等元素，才能在远离平衡的条件下展现生命体所需的复杂性和多样性，从而实现适应和进化。
通过使用热力学活化的高能分子来驱动反应网络远离平衡，可以实现最小代谢循环。这些系统如果具有内在的催化能力，例如聚集后显示加速催化，就可以为出现诸如多功能催化和收敛-发散级联等新兴功能提供机会，从而增加反应网络的复杂性。此外，将化学反应网络可以与在非平衡条件下运行的隔离系统相结合。这些隔离系统可以随时间变化，促进反应物在异质环境中的时间差异定位。
尽管这些系统展示了在非平衡条件下进行(去)激活循环以产生瞬时组装体的潜力，并整合了最小代谢循环、隔离和复制等元素，但大多数合成系统仍缺乏内在的催化多样性，只能利用动力学可行的反应，如富电子底物的氧化或羧酸酯和/或活化磷酯的水解。要实现动力学挑战性的偶联反应，如酰胺键的形成和非活化磷酯的水解，从而驱动高能结构的组装，仍然是一个巨大的挑战。此外，这些系统也未能展示由于能量耗散而产生的高能结构，以及利用这些结构做功的能力，这是生物系统所具有的特征。
图1. 化学代谢循环
图2. 非平衡条件下的反应循环
具有催化电位的代谢反应循环
在非平衡条件下，通过简单的化学构建模块可以实现具有催化潜力的代谢反应循环。这些循环利用自组装状态的加速催化能力来促进代谢过程，类似于生物体中的代谢途径。例如，使用脂质化组氨酸构建模块，通过耦合反应生成酯，这些酯与未反应的构建模块共组装，并在共组装状态下通过咪唑基团的协同效应加速酯的水解，触发解组装过程。这种策略模仿了生物化学中的策略，如微管蛋白的动态不稳定性。
研究还探索了短肽序列在非平衡条件下形成β-折叠丰富的结构，这些结构通过自组装形成纤维网络，并在自组装状态下展示出加速的水解反应，完成代谢循环。这些系统展示了通过自组装状态的内在催化能力来构建更复杂的代谢循环的可能性。
此外，通过环境触发的氧化和还原反应，人们开发了基于化学基础的（去）激活反应循环。例如，利用大气氧气触发的氧化反应形成超分子聚集体，随后在还原环境中，这些聚集体被转换回原来的单体状态，完成解组装反应循环。
这些研究展示了在非平衡条件下，通过简单化学系统实现复杂代谢循环的潜力，为理解生命起源和开发新型自适应材料和系统提供了重要的基础。
图3. 具有催化电位的循环
非平衡条件下的分区化
非平衡条件下实现隔离系统是构建具有生命体特征的最小化化学系统的关键元素之一。这些隔离系统可以随时间变化，促进反应物在异质环境中的时间差异定位，从而增加反应网络的复杂性。
研究人员提出了将化学反应网络与在非平衡条件下运行的隔离系统相结合的方法。这些隔离系统可以作为一个功能性的"细胞"来容纳代谢循环，并与复制和其他生命体特征相集成。例如，通过利用相分离现象和浓度梯度，可以在这些隔离系统内部创造出动态的微环境，促进反应物的时间和空间定位。这种方法有助于实现反应网络的复杂性，并为出现诸如多功能催化和收敛-发散级联等新兴功能提供机会。
然而，目前这些化学基础的隔离系统还存在一些局限性。首先，它们缺乏与生物系统类似的复杂结构和性质，如能够限制代谢反应网络的膜结构。现有的瞬时隔离系统也未能展示出反馈控制的生长和分裂循环，这是生命体的一个重要特征。此外，这些隔离系统的内部结构和组织程度也远低于生物膜系统的复杂性。
图4. 分平衡条件下的分区化
非平衡条件下的自复制
在非平衡条件下,研究人员设计了一些合成的自复制系统。这些系统通常包含两个过程：激活和失活。激活过程涉及自组装状态的构建，而失活过程则破坏这种自组装状态，从而完成一个简单的代谢循环。
例如，有研究利用铜催化的炔-叠氮环加成反应，生成可自组装成囊泡的化合物，并加速自身的形成过程。而碱催化水解则促进了其解离。另一个例子是利用硫醇交换反应，生成可自组装成胶束的化合物，并通过过量的前体触发其解离。同时，过氧化氢的氧化可以再生高能前体，从而重启这个循环。
此外，研究人员还发现，在非平衡条件下，可以促进形成热力学上不太稳定但更复杂的复制子。例如，在持续的氧化还原循环中，更复杂的六聚体复制子能够战胜更简单的三聚体，这是由于六聚体对还原的破坏更加抗性。这种复杂的六聚体复制子还表现出更强的逆aldol反应催化活性。
图5. 自复制
趋向于驱动非平衡自组装
在探讨非平衡自组装系统向具有生命物质特性的转变过程中，关键的挑战在于设计能够在非平衡条件下通过消耗能量来运作的合成系统。生命体利用能量耗散的代谢循环来构建高能结构，如微管的形成或分子马达的运动，这些过程是内源性的，需要能量的持续输入以维持其非平衡状态。
在非平衡条件下，合成系统的自组装代谢循环需要展示出动力学不对称性，这是实现非平衡组成的关键。动力学不对称性允许系统在稳态条件下通过能量消耗路径访问非平衡状态。例如，分子机器的定向旋转或化学燃料驱动的内源性合成，都是通过消耗高能底物来实现的。
为了创建这样的驱动自组装过程和反应网络，研究者提出了在能量消耗路径中引入动力学不对称性的概念。在缺乏动力学不对称性的情况下，即使在稳态条件下，也无法驱动化学反应网络远离平衡状态。因此，人们强调了在设计合成系统时考虑非平衡条件下的动力学特性的重要性。
在尝试将代谢、分隔和复制这三个基本要素整合到一个最小系统中时，面临的挑战是如何在非平衡条件下实现这些要素的协同作用。这样的整合将为生命物质的复杂性奠定基础，包括振荡、适应和化学认知等特性。
这种整合需要考虑多种正交构建模块之间的相互作用，这些模块具有内在的催化能力、自组装形成催化聚集体的倾向、自我复制的能力，以及形成能够限制整个反应网络的隔室的能力。这些过程需要在不同的时间尺度上运作，并且需要在非平衡状态下实现。
自我复制单元需要具有内在的催化活性，这将有助于其组装和解组装周期，并促进化学反应的转化，从而反馈到复制、催化和隔室化过程中。这种催化和复制的协作在最早的核糖体机器中有所体现，其中动态的互惠共生促进了达尔文阈值的创造。
催化反馈循环和复杂化学反应网络的出现，可能会对自我复制过程的寿命以及包含隔室的稳定性和生长产生深远影响。隔室内部的反应网络产生的产品可能有助于在膜上建立浓度梯度，进一步驱动化学反应。
在封闭系统中，通过批量添加具有热力学活性的组分，可以探索在稳态条件下是否存在高能结构。而在具有稳态条件的开放系统中，增加构建模块的多样性原则上可以导致出现新的特性，如聚集体的复杂化，这些聚集体可以展示更高级的行为。
尽管这些努力可能会导致复杂的系统，但它们可能仍然无法与具有能量收集、真正复制和进化能力的活物质实体相媲美，而可能仅仅是其部分之和，没有有意义的新特性。因此，启动这种假设框架的良好起点是尝试将这三个要素进行二元和三元整合的例子，这些例子最终可能有助于实现真正具有活物质特性的复杂性。
图6. 具有内在催化活性的分区复制因子的系统级集成
总结，该文章探讨了在非平衡热力学条件下通过整合代谢、隔离和复制等关键元素，实现更接近生命体特征的自组装动态系统的可能性。这些研究为理解生命起源和发展提供了新的视角,但实现真正类似生命体的动态系统仍然是一个巨大的挑战，需要进一步的理论和实验探索。