不同于平衡的组装体，基于非平衡组装体的耗散自组装（DSA）体系对于精细控制生命体的时空功能至关重要。近年来，科学家在模拟这一过程方面取得了巨大成就。然而，与复杂的生命体系相比，这些人工DSA仍然显得过于简化。其原因在于，不同于目前的合成DSA体系（可溶性前体开始，非平衡组装体为唯一功能组件），生命系统中的平衡态不仅是功能性非平衡组装体的前体，而且还额外参与一些生命活动，这一特性允许以最低的材料成本实现复杂的功能集成。如何高效利用DSA体系中的物质，实现复杂生物功能集成，将有助于深化对生命体系中物质变化的理解，也将有助于推动人造“活性”材料的发展，但这仍然是一个挑战。
近日，上海科技大学的郑宜君课题组，以手性芳酰基胱氨酸为研究对象，通过秋兰姆类化学燃料的设计，成功构建了可实现生物功能切换的DSA体系。在化学燃料驱动下，组装体可在手性纳米纤维和中空纳米球之间切换，分别实现成纤维细胞增殖促进和疏水性药物的可控递送。
L型芳酰基胱氨酸衍生物在水中组装成具有超分子手性的平衡纳米纤维，其中M-helix（左旋）的纳米纤维可促进成纤维细胞的增殖,而P-helix（右旋）的纳米纤维可抑制成纤维细胞的增殖。这种对成纤维细胞的促进/抑制作用可通过化学燃料控制。
如果起初在纳米纤维中负载疏水性药物（如DOX），随着燃料的加入，纤维组装体将向非平衡中空纳米球转变，这些疏水性药物将借由纳米球被递送至癌细胞中，进而实现对癌细胞的可控杀伤。随着燃料的耗尽，这些非平衡的纳米球将恢复为纳米纤维，实现疏水药物的回收的同时，再次恢复对成纤维细胞的增殖促进作用。在这一DSA体系中，化学燃料是实现这些生物功能切换的关键。
采用纳米纤维作为DSA体系的起点具有具有独特优势。首先，在复杂的DSA中实现了额外的生物功能，即使没有化学燃料，这一基于平衡纳米纤维组装体的生物功能也能保持，这是开发具有可切换生物功能（如细胞膜）DSA体系的基础。另外，通过化学燃料高效转化功能物质，进而实现复杂生物功能的集成，将有助于深化对生命体系中物质变化的理解，也将助力合成新的“活”材料。最后值得一提的是，受燃料剂量和添加时间控制的药物释放动力学表明，这种化学燃料驱动的递送工具在定制化根除癌细胞方面具有一定潜力。
论文信息
Non-Equilibrium Dissipative Assembly with Switchable Biological Functions
Peng Zhao, Yuanfeng Zhao, Yan Lu, Linjie Xu, Bohan Li, Yingshuai Zhao, Wei Zhou, Pu Yan, Youfu Wang, Kecheng Cao, Yijun Zheng
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202409169
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Angewandte Chemie International Edition
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