《Green Synthesis and Catalysis》：Temporal programming in dissipative chemical systems: From instant switching to oscillatory properties
编辑推荐：
生命系统远离热力学平衡运行，持续消耗能量以维持动态结构和功能。通过复杂的反应网络和反馈回路，生物系统实现了对细胞分裂、细胞内运输和信号转导等基本过程的精确时间控制。受这些现象启发，化学家们开发了多种利用化学燃料（包括ATP、碳二亚胺、酸碱反应和核酸反应网络）的
生命系统远离热力学平衡运行，持续消耗能量以维持动态结构和功能。通过复杂的反应网络和反馈回路，生物系统实现了对细胞分裂、细胞内运输和信号转导等基本过程的精确时间控制。受这些现象启发，化学家们开发了多种利用化学燃料（包括ATP、碳二亚胺、酸碱反应和核酸反应网络）的耗散性非平衡系统，以产生瞬态和自适应行为。本综述从时间控制的角度讨论了耗散化学系统的最新进展，并将其分为三个不同的机制：瞬时开关、延迟开关响应和振荡开关动力学。研究人员重点介绍了代表性系统，以说明能量耗散如何转化为可编程寿命、顺序激活和自主节律行为。此外，研究人员还讨论了将耗散网络与自适应材料、分子信息处理系统和合成细胞相结合的新兴机遇。尽管在系统复杂性、可扩展性和废物积累方面仍存在挑战，但时间编程的非平衡系统有望在自适应功能材料和仿生化学技术的发展中发挥越来越重要的作用。
一、研究背景与科学问题
生命系统的核心特征之一是它们能够在远离热力学平衡的状态下运行，通过持续的能量消耗来维持动态的结构和功能。与趋向于最小自由能状态的平衡系统不同，生物体利用能量耗散建立仅在连续燃料消耗下才持续存在的动态结构。这种耗散过程使生物系统能够快速响应环境信号、维持稳态、处理信息并适应变化的条件。生物非平衡过程的一个决定性特征是它们编码时间信息的能力，这体现在GTP水解驱动的微管快速组装与解聚、环磷酸腺苷（cAMP）信号通路引入的延迟放大效应，以及转录反馈环路产生的昼夜节律振荡等方面。
然而，人工合成的耗散化学系统在实现类似的时间编程能力方面仍面临诸多挑战。此前综述主要依据燃料化学、分子架构或反应机理对耗散系统进行分类，而时间行为本身作为一个统一的框架来理解和设计非平衡系统尚未得到充分重视。因此，开展这项研究的必要性在于：时间编程决定了化学系统如何处理信息、协调多个反应和执行功能，从时间控制角度系统梳理耗散化学系统的进展对于指导未来自适应材料和合成细胞的开发具有重要意义。
二、研究方法与技术路线
研究人员采用的关键技术方法主要包括：（1）基于化学燃料（如ATP、碳二亚胺EDC、结构编码的氨基酸酰基磷酸酯、γ-环糊精）驱动的活化-去活化反应循环；（2）酶催化反应网络（如T4 DNA连接酶与BamHI限制性内切酶、马铃薯腺苷三磷酸双磷酸酶apyrase、脲酶与酯酶、RNase H、聚合酶-外切酶-切口酶PEN体系）用于调控活化与去活化动力学；（3）DNA链置换反应与正交酶降解途径结合的时间延迟策略；（4）基于转录调控的负反馈振荡器设计与捕食者-猎物分子振荡器模型。
三、主要研究结果
1. 瞬时开关系统
研究人员发现，瞬时开关系统的特征在于燃料添加与从初始状态向活化状态转变之间存在直接的时序耦合，诱导时间远小于活化态的寿命。典型代表包括：Walther团队开发的ATP燃料瞬态DNA聚合系统，通过ATP依赖的连接反应与BamHI切割反应的竞争实现动态共价结构，其寿命可通过ATP浓度和酶比例在24小时至约16天内精确调控；Prins团队构建的ATP驱动瞬态囊泡纳米反应器，ATP同时作为燃料和瞬态结构介体，通过腺苷三磷酸双磷酸酶水解ATP导致囊泡自发解离，半衰期在5分钟至43分钟范围内可调；Boekhoven团队发展的碳二亚胺（EDC）燃料二羧酸循环，通过形成瞬态酸酐驱动相分离和超分子自组装，组装体寿命可从87分钟延伸至164分钟；Pappas团队提出的结构编码磷酸酯燃料概念，通过氨基酸侧链修饰调控瞬态肽结构的稳定性，实现寿命从87分钟至48小时的可编程控制；Qu团队开发的单荧光团超分子多色发射系统，通过α-淀粉酶水解γ-环糊精实现黄色到蓝色荧光的可逆切换，寿命在90分钟至8小时内可调。
2. 延迟开关系统
研究人员揭示，延迟开关系统的特征在于燃料添加与功能态达成之间存在有限但显著的时序间隙，诱导时间成为系统的显式特征。Walther团队构建的生物催化pH反馈网络，利用脲酶催化的尿素分解与酯酶催化的酯水解之间的动力学屏障引入延迟，通过调节脲酶/酯酶浓度比可将延迟时间从不足1分钟延长至约25分钟，并成功将该pH反馈耦合至pH响应的DNA交联聚合物水凝胶中实现瞬态溶胶-凝胶-溶胶转变。Ricci团队发展的DNA链置换反应系统，通过RNase H、UDG或FPG等酶对阻断链的选择性降解来控制链置换反应的启动时间，峰值输出时间可在30分钟至805分钟内精确调节，并通过正交酶-阻断链对实现在同一溶液中独立控制多个反应模块的激活顺序。
3. 振荡开关系统
研究人员证明，振荡开关系统能够在单次燃料输入后表现出初始态与功能态之间的重复转换，这一周期性动态通过反馈、扩增、降解和再生机制实现。Winfree团队构建的双开关转录振荡器，通过T7 RNA聚合酶介导的转录和RNA介导的链置换驱动节律行为，振荡周期为1至3小时，可持续16至20小时，数学模型揭示了酶水平和模板比例如何调控系统在稳定态与持续振荡之间的转变。Fujii和Rondelez开发的捕食者-猎物分子振荡器，基于聚合酶-外切酶-切口酶（PEN）反应模拟生态种群动态，在一个封闭系统中实现了超过20次稳健振荡，周期为一至数小时，并通过引入两个捕食者-猎物对和互惠催化连接实现振荡器的同步化与同相锁定。
四、讨论与结论
研究人员在讨论部分指出，构建耗散非平衡系统的本质在于热力学与动力学因素的权衡。从热力学角度看，从初始态A到瞬态B的转变在最终平衡条件下是不利的，燃料消耗提供了驱动这一上坡转化所需的能量输入；从动力学角度看，活化速率常数必须足够高，同时去活化速率不能过大，从而将系统困在非平衡态中一段可控时间。在此基础上，延迟行为可通过在燃料输入与B态形成之间引入门控过程来实现，而振荡行为则需要额外的负反馈机制和适当的时间尺度分离来反复创造状态转变的条件。
研究人员展望了三个重要发展方向：将耗散反应网络与自适应材料（如DNA水凝胶、超分子聚合物和动态凝聚体）集成，实现材料力学性能、渗透性和生化活性的自主调控；发展耗散生物分子凝聚体，通过引入能量消耗反应网络调控基因表达和酶促级联反应；构建合成细胞，整合多个同时运行的非平衡子系统并保持跨尺度的通信与协调。
研究结论强调，时间编程已成为理解和设计耗散化学系统的有力框架。从快速开关到延迟响应再到自主振荡，合成非平衡网络正日益模仿生命系统的动态行为。分子编程、系统集成和自适应材料的持续进步有望将耗散化学从孤立演示转变为接近生命复杂性和精妙程度的功能化学系统。
