科学家实现了对活性物质前所未有的控制

本周，《物理评论 X》杂志发表了一篇研究报告，详细阐述了布兰迪斯大学领导的国际研究小组在活性物质物理学领域取得的重大突破。这项开创性的研究通过将 3D 活性向列液晶捕获在细胞大小的球形液滴中，首次对有关 3D 活性向列液晶的一个关键理论预测进行了实验验证。

向列液晶由沿同一方向排列的细长分子组成，它彻底改变了现代技术，尤其是在智能手机和电脑屏幕中使用的液晶显示器 (LCD) 方面。控制这些材料中分子的方向可以实现我们日常所依赖的生动显示。

在活性向列液晶中，分子消耗能量来推动自身。这些活性材料表现出动态、栩栩如生的行为，例如自发变形和流动，而无需任何外力。活性向列液晶的例子包括细菌生物膜、癌细胞，甚至是振动板上的米粒。

先前的实验研究表明，3D 活性向列相通常表现出混沌动力学。然而，一项开创性的活性物质理论预测，当能级较低或约束较强时，这些材料应该会停止移动。新研究表明，将这些材料限制在细胞大小的液滴中确实可以阻止它们混沌的自搅拌运动。

“这一刻让人回想起液晶技术的早期，”这项研究的主要作者 Salman Alam 博士说。“我们已经成功控制和稳定活性液晶，将化学能转化为运动，类似于我们自己的细胞的运作方式。这种对活性混沌的控制对于这些材料未来的工程应用至关重要。”

研究团队将微管束(对细胞分裂至关重要的生物聚合物)与运动蛋白和油混合，制成乳液，即醋汁中油水混合物的活性类似物。

“将这些材料限制在细胞状液滴中是改变游戏规则的，”布兰迪斯大学物理学助理教授兼通讯作者 Guillaume Duclos 博士解释道。“多年来，我们的团队一直在寻求验证活性物质理论的这一基本预测。将理论与实验结果如此无缝地结合起来确实非同寻常。”

国际合作对这项研究的成功至关重要。隶属于德累斯顿工业大学、马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所以及德累斯顿系统生物学中心的 Abhinav Singh 博士领导了理论工作和模拟。

“我们的理论预测与实验结果的一致性非常显著，”Singh 博士指出。“它证实了活性物质的基本行为，可以促进我们对生命系统的理解，并为新的纳米技术创新打开大门。”

这项研究对于理解各种生物过程具有重要意义，从组织中的细胞排列到细胞分裂过程中的有丝分裂纺锤体组织。

“除了证实理论之外，这项研究还为材料科学和软机器人技术的进步铺平了道路，”布兰迪斯大学理论物理学家、布兰迪斯仿生材料研究科学与工程中心 (MRSEC) 主任、这项研究的合著者阿帕纳·巴斯卡兰 (Aparna Baskaran) 教授说。“我们正在扩展对生命规则的理解，模糊物质和生命之间的界限。”

控制活性生物聚合物的能力可能会推动人造细胞、自修复材料和生物医学应用的发展。例如，这项研究有助于了解如何防止转移性癌细胞或细菌生物膜不受控制地扩散，这是活性向列相的两个典型例子。

随着活性物质物理学领域迎来这一里程碑，研究人员已经开始探索未来的应用。“我们正处于材料科学新时代的边缘，这是生物学、物理学和工程学的交叉点，”杜克洛斯博士总结道。“我们的工作将通过构建具有类似生命特性的材料来催化活性物质研究和应用的创新。”