局部抑制与远端激活的化学酶促反应-扩散系统：仿生信号传导的新策略

《Nature Communications》：A chemoenzymatic reaction-diffusion system with local inhibition and distal activation

本刊推荐：为模拟生物信号传导中的局部抑制与远端激活(LIDA)现象，研究人员开发了一种基于尿素-脲酶-ATP-金纳米颗粒的化学酶促反应-扩散系统。通过实验与模拟证实，利用前体激活剂(ProA)与抑制剂(IN)的扩散差异，成功在凝胶基质中实现了Kemp消除反应的空间门控激活。该系统为开发具有神经形态行为的自组装材料提供了新思路。

　　

在生物系统中，信号分子通过反应-扩散机制实现精确的时空调控是生命活动的基本特征。从图灵提出的形态发生理论到Gierer-Meinhardt的激活-抑制模型，科学家们一直试图揭示生物体如何通过简单的化学信号产生复杂的空间模式。然而，在合成系统中实现类似生物系统的局部抑制与远端激活(LIDA)效应仍面临挑战，特别是需要协调多种扩散速率不同的化学物种。

传统的人工反应-扩散系统往往在化学输入点附近产生局部组装或反应激活，难以模拟生物系统中常见的远距离信号传导特性。这一局限阻碍了仿生材料在神经形态计算、可编程软物质等前沿领域的发展。为此，印度科学教育与研究学院莫哈利分校的Subhabrata Maiti团队在《Nature Communications》发表了创新性研究成果。

研究人员巧妙设计了包含脲酶(E)、阳离子金纳米颗粒(GNP)和5-硝基苯并异恶唑(NBI)的琼脂糖凝胶系统。通过在中心点注入尿素(前体激活剂ProA)和ATP(抑制剂IN)，利用尿素快速扩散而ATP因与GNP结合而缓慢扩散的特性，结合脲酶将尿素转化为碱性激活剂A(碳酸氢铵)的过程，成功实现了Kemp消除反应的空间调控。该研究的关键技术方法包括：金纳米颗粒的合成与表征、凝胶基质的优化制备、紫外-可见光谱动力学监测、pH空间分布测定以及基于偏微分方程的反应-扩散数值模拟。

研究结果与讨论

实验框架设计

研究团队构建了一个催化水凝胶基质作为反应-扩散系统的基础平台。系统核心是碱催化的质子转移开环反应(Kemp消除反应)，底物5-硝基苯并异恶唑(R)均匀分布在琼脂糖凝胶中，在碱性条件下经GNP催化转化为2-氰基-4-硝基苯酚(P)。脲酶(E)负责将中性的尿素(ProA)转化为碱性激活剂A(碳酸氢铵)，而带负电的ATP(IN)则通过与阳离子GNP的结合实现扩散限制。

凝胶体系中最终产物形成的时空演化

通过监测不同区域在380nm波长处的吸光度，研究人员发现当中心注入50mM尿素+5mM ATP时，最大产物形成区域出现在距离中心4-5mm处，而非注射点附近。相比之下，直接注入激活剂A(碳酸氢铵)与ATP的混合物时，反应始终在中心区域附近发生。

LIDA系统pH的时空变化

使用溴百里酚蓝(BTB)作为pH指示剂的研究显示，注射点附近区域(2mm内)在60分钟内保持酸性(pH<6)，而距离中心3mm和5mm区域的pH分别在60分钟时达到7.2和8.1。这表明酸性ATP在注射点附近聚集，而尿素快速扩散至远端区域并转化为碱性物质，激活了Kemp消除反应。

LIDA模型系统的数值模拟

研究人员建立了包含六个化学物种的二维反应-扩散偏微分方程模型，模拟了不同扩散系数和反应速率参数下的系统行为。模型显示当抑制常数与激活常数比值(k_IN/k_A)为10³时，在所有扩散系数比例下均观察到明显的LIDA效应。值得注意的是，使用ProA+IN的系统比直接使用A+IN的系统能产生更显著的远端激活效果。

考虑pH敏感性的脲酶反应性模拟

通过引入高斯曲线描述脲酶活性的pH依赖性，模型进一步证实了实验观察到的LIDA效应。即使在考虑pH对酶活性的影响和产物扩散的情况下，ProA+IN系统仍比A+IN系统表现出更明显的空间门控特性。

这项研究通过巧妙的化学设计实现了合成系统中的局部抑制与远端激活效应，突破了传统反应-扩散系统的空间限制。该系统的独特之处在于利用前体激活剂的酶促转化过程与抑制剂的扩散限制特性相结合，实现了反应激活区域的精确时空控制。理论模型不仅验证了实验现象，还为设计更复杂的化学信号传导系统提供了通用平台。这项成果为开发具有神经形态行为的自组装材料、可编程软物质和仿生信号网络奠定了重要基础，标志着人工化学系统向生物智能迈出了关键一步。