科學家實現了對活性物質前所未有的控制

布蘭迪斯大學領導的國際研究團隊在活性物質物理領域取得重大突破，一項研究詳述發表本週在物理評論X。這項開創性的研究透過將 3D 活性向列液晶捕獲在細胞大小的球形液滴中，首次對 3D 活性向列液晶的關鍵理論預測進行了實驗驗證。

向列液晶由沿著同一方向排列的細長分子組成，已經發生了革命性的變化，尤其是智慧型手機和電腦螢幕中使用的液晶顯示器 (LCD)。控制這些材料中分子的方向可以實現我們日常所依賴的生動顯示。

在活性向列液晶中，分子消耗能量來推動自身。這些活性材料在沒有任何外力的情況下表現出動態、逼真的行為，例如自發性變形和流動。活性向列相的例子包括,，甚至振動盤上的米粒。

先前的實驗研究表明，3D 主動向列經常表現出混沌動力學。然而，一項開創性的活性物質理論預測，當能量水平較低或限制較強時，這些材料應該會停止移動。新的研究表明，將這些材料限制在細胞大小的液滴內確實可以阻止它們混亂的自攪拌運動。

該研究的主要作者 Salman Alam 博士說：“這一刻讓人想起液晶技術的早期。” “我們已經成功地控制和穩定了活性液晶，將化學能轉化為運動，類似於我們自己的細胞的運作方式。這種對活性混沌的控制對於這些材料的未來工程應用至關重要。”

團隊將微管束（對細胞分裂至關重要的生物聚合物）與運動蛋白和油混合，形成乳液，這是油醋汁中油水混合物的活性類似物。

「將這些材料限制在細胞狀液滴中是一個遊戲規則的改變者，」布蘭代斯大學物理學助理教授兼通訊作者紀堯姆·杜克洛博士解釋道。 “多年來，我們的團隊一直在尋求測試活性物質理論的這一基本預測。將理論與實驗結果如此無縫地結合起來確實是非凡的。”

這事實證明對研究的成功至關重要。 Abhinav Singh 博士隸屬於德勒斯登工業大學、馬克斯·普朗克分子細胞生物學和遺傳學研究所以及德累斯頓系統生物學中心，領導了理論工作和模擬工作。

「我們的理論預測與實驗結果的一致性是顯著的，」辛格博士指出。 “它證實了活性物質的基本行為，可以增進我們對生命系統的理解，並為新的奈米技術創新打開大門。”

這項研究對於理解各種生物過程具有重要意義，從組織中的細胞排列到細胞分裂過程中的有絲分裂紡錘體組織。

「除了證實理論之外，這項研究還為材料科學和軟機器人技術的進步鋪平了道路，」阿帕納·巴斯卡蘭教授說，來自布蘭迪斯大學，布蘭迪斯仿生材料研究科學與工程中心 (MRSEC) 主任，也是這項研究的合著者。 “我們正在擴大對生命規則的理解，模糊物質與生命之間的界限。”

控制活性生物聚合物的能力可能會導致人造細胞、自癒材料和生物醫學應用的進步。例如，這項研究可以幫助了解如何防止轉移性癌細胞或細菌生物膜的不受控制的擴散，這是活性向列相的兩個典型例子。

隨著活性物質物理領域標誌著這一里程碑，研究人員已經在探索未來的應用。 「我們正處於新時代的邊緣Duclos 博士總結道：“這是生物學、物理學和工程學的交叉點。我們的工作旨在通過構建具有類似生命特性的材料來促進活性物質研究和應用的創新。”