科大團隊破解「液–液相分離」分子自組裝過程關鍵機制

你是否曾好奇，貽貝是如何瞬間將自身牢牢粘附在岩石上，從而抵禦海浪的猛烈衝擊？它們只需不到30秒即可完成這一過程。然而，在實驗室中，模擬這種被稱為「液–液相分離」（LLPS）的分子自組裝過程往往需要數十分鐘甚至數小時。近日，香港科技大學（科大）的研究團隊透過大規模分子動力學模擬和理論分析，成功破解「液–液相分離」（LLPS）的分子自組裝過程的關鍵機制，解開了這個長期困擾科學界的謎題，為即時生物相容性外科黏合劑提供啟示。

這項理論突破已發表於《自然通訊》期刊，題為「Mixing protocols determine liquid–liquid phase separation dynamics in polyelectrolyte complex coacervation」。有關研究從根本上改變了我們對帶電聚合物形成複雜結構的理解。研究團隊成員包括科大化學及生物工程學系助理教授陳伸升（共同通訊作者）、其博士生吳宗培（第一作者），以及美國加州理工學院迪克和芭芭拉·迪金遜（Dick and Barbara Dickinson）化學工程教授的王振綱教授。

這項最新研究建基在陳教授團隊以往的研究成果。團隊利用一個功能強大的定制模擬平台，同時追蹤超過一百萬個帶電粒子，首次完整模擬了「液–液相分離」的整個過程，並明確模擬了流體動力學和靜電作用力。他們發現，若模擬自然界的「通量路徑」（即分子在目標點混合）可以創建一個電化學「高速公路」，從而以驚人的速度驅動組裝過程。在這種特定的路徑下，「液–液相分離」中的凝聚域隨時間動態增長，其冪律關係為 t^2/3，而經典理論預測的冪律關係為t^1/3。這種不同的尺度關係帶來了一個驚人的結果：模擬結果表明，利用自然界的方法形成一個半厘米的黏附液滴僅需10秒，而採用傳統的實驗室技術則需要超過47年。

陳伸升教授表示：「大自然一直是我們的靈感泉源。實驗室中緩慢的實驗節奏與海洋生物超快的組裝速度之間存在明顯落差，是我們必須解決的關鍵問題。我們早前的研究發現聚電解質『液–液相分離』動力學與傳統液滴粗化理論規律有着本質的不同。而這項新研究則提供了實踐藍圖。透過在前所未有的長度和時間尺度上模擬整個組裝過程，我們超越了理論層面，揭示了大自然如何實現如此驚人的組裝速度。這最終為我們提供了創造按需組裝材料的線索，對於即時生物相容性外科黏合劑以至可編程智能材料，均具有重大意義。」

這項最新突破建基於陳教授2023年發表在《物理評論快報》的奠基性研究，該開創性的工作首次從根本上挑戰了數十年來關於帶電聚合物體系液滴粗化的經典理論。該論文證實，帶電聚合物（包括大多數無序蛋白）的動力學遵循一套截然不同的路徑和標度律，有效地改寫了「液–液相分離」的既有規則。目前發表在《自然通訊》上的這項研究充分實現了早期研究所勾畫的願景，提供了確鑿的理論計算依據和清晰可行的機制來解釋這些新規則。