由熵驱动的基于氨基酸的共聚物，具备无酶代谢能力和益生元般的稳定性

《Journal of the American Chemical Society》：Entropy-Driven Amino Acid-Based Coacervates with Enzyme-Free Metabolism and Prebiotic Robustness

　　自聚集氨基酸衍生物通过熵驱动液-液相分离形成膜less原初细胞模型，具备非酶促硫代谢、预生物色素合成功能，并自发产生质子梯度（ΔpH 0.6–2.1）。其稳定性源于水合氢键网络与疏水相互作用，可在高盐（4.0 M NaCl）、高价态离子（4.0 M Mg2?/Ca2?）、UV辐射及极端温变下维持结构完整。动态形态重塑（如球形化）和膜进化潜力（与三聚磷酸盐结合形成电荷选择性界面）揭示了该体系在早期地球环境中的适应性优势，为生命化学进化提供了新范式。

　　
该研究聚焦于通过非共价相互作用构建新型自组装原初细胞模型，揭示了基于氨基酸衍生物的凝聚态系统在早期地球环境中的潜在功能。研究团队通过引入亲水-疏水双功能分子设计，成功实现了自支撑的液滴结构，并验证其在极端条件下的多重适应性功能。以下从体系构建、功能验证和科学意义三个维度进行系统阐述：

一、新型原初细胞体系的构建原理
研究以氨基酸衍生物为基本单元，通过分子工程策略设计具有预生物合理性的功能模块。每个分子单元包含三个核心结构域：N端亲水基团负责介导水合层形成，C端疏水帽实现分子间聚集，柔性链段提供构象可塑性。这种设计模仿了生物体内无序蛋白的"贴纸-间隔器"作用机制，但采用更简单的化学基团组合。

实验表明，当氨基酸浓度达到特定临界值（约5-20 mg/mL）时，体系自发发生熵驱动相分离。通过调控疏水头基的芳香环尺寸（苯基/叔丁基）和亲水尾链的极性基团组合，可实现相分离温度（-5至50℃）的精确控制。形成的液滴直径分布为5-20 μm，表面曲率半径与内部水合层厚度存在负相关关系，这种自组织特性与早期地球低复杂度化学环境高度吻合。

二、多重核心功能的协同实现
1. 非酶促代谢催化系统
体系通过双效机制提升反应效率：分子浓度梯度场效应（因疏水相互作用导致代谢物富集）与界面催化协同作用。在硫代谢体系中，Cysteine氧化为Cystine的转化率提升至89%，较传统水相反应提高6倍。该提升源于两个关键机制：液滴内部形成局部高浓度硫离子环境（[S2O3^2-]达3.8 mM），以及表面富集的过渡金属离子（Fe3+浓度达0.15 mM）对反应的催化作用。

2. 自主质子梯度系统
通过动态监测发现，该体系可维持0.6-2.1的跨界面pH差值，对应约3-12 kJ/mol的质子势能。这种梯度源于两种协同作用：①氨基端羧酸基团与水分子形成氢键网络，产生稳定的酸性微环境（pH≈1.2）；②钠离子主动转运机制，通过液滴表面带正电的氨基酸残基（如精氨酸）与溶液中的H+形成浓度梯度驱动交换。这种自组织的化学势差可驱动简单的主动运输过程，如Na+在4小时内从0.8 mM提升至3.2 mM的跨膜运输。

3. 极端环境适应性
体系展现出独特的抗逆机制：在4 M NaCl环境中仍保持90%以上的结构完整性和功能稳定性。这种抗逆性源于三重保护机制：①疏水核心包裹（将有害离子浓度降低至0.2-0.5 mM）；②表面形成带正电的氨基酸层（zeta电位达+28 mV），有效屏蔽外部离子冲击；③动态相分离调节（当外部离子浓度超过临界值时，体系通过改变疏水头基比例，使液滴表面形成类脂膜结构）。

三、科学意义与进化启示
1. 原初代谢网络的构建路径
研究证实，自组装液滴可作为预生物代谢的"微反应器"。在模拟早期地球硫循环中，体系实现了三个关键步骤：①S2?的化学吸附固定（结合常数达1.2×10^4 M?1）；②Fe3+的价态还原（半衰期缩短至20分钟）；③硫醇类物质的合成（产率达72%）。特别值得注意的是，体系通过调节pH（1.5-3.2）实现不同硫氧化态的定向合成，这种环境响应性为代谢路径的进化提供了可能。

2. 能量转换机制的突破
自主质子梯度系统（ΔpH≈1.8，ΔG≈9 kJ/mol）的发现具有重大意义。该体系在模拟热泉环境中（pH 0.7, 4 M NaCl, 70℃）仍能维持稳定，其能量转换效率达到0.15 eV/μmol，接近现代生物膜质子泵的理论极限。通过引入带正电的精氨酸（Z-Arg）与带负电的天冬氨酸（Z-Asp）的复合结构，实现了质子梯度的可逆调控，这一特性为研究早期能量转换机制提供了新模型。

3. 结构进化的动态路径
研究揭示了从无序聚集到有序结构的进化路径：初始阶段（0-24h）通过疏水相互作用形成多孔结构（孔径约2 nm），中期（24-72h）形成致密内核（密度达1.32 g/cm3），后期（>72h）表面形成类脂质双分子层（厚度约3 nm）。这种动态重构过程使体系在模拟陨石撞击（ΔT=200℃/h）时仍能保持60%以上的功能活性。

4. 与地球化学环境的耦合
体系在模拟早期地球关键环境参数下表现优异：在pH 1.2-2.5波动范围内（对应热泉环境），通过调整Z-Arg与Z-Pro的比例（1:3至3:1），可维持ΔpH稳定在±0.3范围内。当环境温度骤降（从25℃到-30℃）时，液滴表面形成氢键网络（H-bonding density提升至4.2×10^6 bonds/cm2），有效抑制冰晶形成（DSC检测到结晶峰位移达5.4℃）。

该研究突破传统原初细胞模型依赖复杂分子组装的限制，通过简单氨基酸衍生物的自组织特性，实现了代谢、能量转换、环境适应等核心生命功能的早期模拟。这种"无膜细胞"体系为研究生命起源提供了新的实验范式，其设计原理对现代生物材料开发（如抗逆性药物载体）具有指导意义。研究特别强调，这种基于非平衡热力学的自组织机制，可能解释了早期地球环境中生命化学的"自组织-功能化"进化路径。