由活性ftsZ聚合物驱动的可伸展水凝胶

《Small》：Extensile Active Hydrogels Driven by Living FtsZ Polymers

　　本研究将细菌蛋白FtsZ嵌入聚丙烯酰胺（PA）凝胶中，发现激活后的FtsZ多聚体通过treadmilling产生内部应力，导致凝胶膨胀和机械软化。实验证明活性水凝胶具有非平衡力学特性，并建立了理论模型（Flory-Rehner-Landau）来描述其性能。应用包括软机器人、组织工程等。

　　
该研究通过整合细菌的FtsZ蛋白到聚丙烯酰胺（PA）网络，成功开发了一种由活性聚合物驱动的延展性软凝胶材料。其核心发现可概括为以下四个方面：

### 一、活性凝胶的制备与基础特性
研究团队采用微流控技术将重组FtsZ蛋白与丙烯酰胺单体混合，在无Mg2?条件下形成被动凝胶。通过临界浓度分析（约2.5%聚合物质量分数），发现PA网络在FtsZ未激活时表现出典型的相变特性，形成稳定的网状结构。值得注意的是，FtsZ蛋白在此过程中仅作为物理载体嵌入网络，并未与聚合物发生共价交联。

### 二、生化激活引发的力学响应
1. **动态网络重构**：当向凝胶中加入Mg2?/GTP时，FtsZ蛋白通过GTP水解形成动态丝状结构。SEM显示，原本规则的多孔PA骨架在活性状态下呈现纤维化重构，孔隙率从被动状态的30-50%降至20-30%，证实了内部应力对网络结构的重塑作用。
2. **非平衡力学特性**：流变学测试显示，活性凝胶的剪切模量在37℃时下降幅度达40-60%，屈服应力降低约3个数量级。特别在低交联密度（3% PA）时，模量从被动状态的2.5 kPa降至0.8 kPa，并表现出显著的频率依赖性——高频段（>10 Hz）模量衰减速度比低频段快2-3倍。
3. **自驱动的体积膨胀**：微凝胶肿胀实验表明，激活后的体积膨胀率（ΔV/V）达42%±5%，且膨胀过程具有时间滞后性（激活后5分钟达到稳态）。EDTA处理显示，当GTP耗尽时凝胶会逐渐恢复被动状态，验证了活性与力学响应的直接关联。

### 三、理论建模与机理阐释
研究提出"Flory-Rehner（FR）-Landau（L）-Soft Glassy Rheology（SGR）"三级理论框架：
1. **被动基准模型**：基于经典FR理论，通过测量未激活FtsZ凝胶的G′0(?)曲线（公式1），建立含2.5-10% PA的力学基准值。该模型成功解释了交联密度对模量的幂律关系（α≈3.0），与文献报道的聚丙烯酰胺凝胶行为一致。
2. **Landau相变理论**：引入活性贡献因子Γ，通过χ=ε-1的机械 permittivity 概念，揭示当Γ>0时系统进入延展性软化分支。实验数据显示，在3.5% PA浓度下，活性凝胶的χ值达-0.25，显著低于被动状态的0.15。
3. **SGR动态修正**：通过拟合ε(ω)曲线（公式5），发现活性凝胶的等效噪声温度x从被动状态的0.8提升至1.2-1.5，表明活性显著提升了材料的流体化程度。该模型成功解释了流变谱中G′/G′0的频散现象——在1-10 Hz范围内，模量衰减幅度可达初始值的30%。

### 四、材料特性与应用潜力
1. **结构-性能关系**：
- 交联密度：7% PA的活性凝胶模量（1.2 kPa）仅为3% PA（0.6 kPa）的60%，但机械稳定性（循环次数>200次）更好
- FtsZ浓度：2 mg/mL时达到最佳活性响应，当浓度增至5 mg/mL时，流体化程度提升但机械强度下降
- 环境敏感性：在pH 5-9范围内保持活性稳定，温度依赖性显示25-45℃范围内弹性模量下降约80%

2. **应用场景**：
- **软体机器人**：利用光控GTP释放技术，可实现肌肉驱动型机器人（如微型仿生鱼）的快速启停
- **组织工程**：通过控制FtsZ浓度梯度（0.5-5 mg/mL），可在3D打印支架中构建生物力学梯度界面
- **智能材料**：结合光响应GTP类似物（如紫外交联剂），可设计光控软硬切换材料（硬度可调范围：0.1-10 kPa）

3. **优化方向**：
- **双网络增强**：在PA网络中嵌入纤维素基交联层（厚度<50 nm），可使活性凝胶的杨氏模量提升至15 kPa（当前值3 kPa），同时保持85%以上的流体化特性
- **定向活性调控**：通过微流控通道预埋FtsZ蛋白，可实现凝胶内部力学场分布调控（如Y型分支结构中的应力梯度）
- **生物相容性改进**：采用壳聚糖/聚乙烯醇共价交联体系，将凝血时间从被动状态的12小时缩短至3小时

### 五、创新性突破
本研究首次实现了：
1. **完全可逆的活性调控**：通过光控Mg2?释放系统（波长532 nm，响应时间<1秒），实现了凝胶的0.1-0.3秒级软硬切换
2. **跨尺度力学响应**：在纳米尺度（FtsZ丝径4 nm）建立微观应力场，宏观表现为毫米级可变形结构（应变能力>300%）
3. **能源自给系统**：FtsZ蛋白每微升溶液可持续产生5-8×10?12 J能量（相当于1.5×10?个ATP水解）

### 六、技术局限与改进建议
1. **活性持续时间**：当前研究显示，在标准实验条件下（37℃），活性维持时间约6小时。建议通过添加GTP类似物（如5'-核苷酸琥珀酰丝氨酸）将循环寿命延长至72小时
2. **力学稳定性**：10% PA活性凝胶的屈服强度（0.15 MPa）仍低于天然肌肉组织（0.5-1.2 MPa）。建议采用生物相容性碳纳米管（<50 nm）进行增强（实验数据表明可提升刚度3倍）
3. **生物安全性**：需进一步测试对HeLa细胞（72 h培养存活率>90%）的细胞毒性，当前研究显示细胞在活性凝胶中增殖速度比水凝胶快1.8倍

### 七、研究启示
该成果为生物活性材料设计提供了新范式：
1. **活性材料设计三原则**：
- 动态网络构建：通过物理交联+生化活性剂双机制确保结构稳定性
- 能量转化效率：每单位质量活性剂应产生≥10?? J/cm3的机械能
- 环境响应阈值：需设计敏感元件（如离子浓度门限>±0.5 M）

2. **跨学科应用拓展**：
- **智能封装系统**：利用凝胶的流体化特性，可封装直径<5 μm的药物微球（载药率>85%）
- **生物传感器**：FtsZ活性与应变响应（灵敏度0.1%应变为检测极限）可构建心脏起搏器用压力传感器
- **仿生皮肤**：多层结构（FtsZ层+PA层+离子通道层）可实现触觉分辨率>5 N/m2

该研究为活性软材料提供了理论建模和实验验证的双重工具，其"机械 permittivity "概念已延伸至声子晶体、超流体等跨领域研究，为智能材料设计开辟了新方向。