科学家实现了对活性物质前所未有的控制

布兰迪斯大学领导的国际研究团队在活性物质物理领域取得重大突破，一项研究详述发表本周在物理评论X。这项开创性的研究通过将 3D 活性向列液晶捕获在细胞大小的球形液滴中，首次对有关 3D 活性向列液晶的关键理论预测进行了实验验证。

向列液晶由沿同一方向排列的细长分子组成，已经发生了革命性的变化，尤其是智能手机和电脑屏幕中使用的液晶显示器 (LCD)。控制这些材料中分子的方向可以实现我们日常所依赖的生动显示。

在活性向列液晶中，分子消耗能量来推动自身。这些活性材料在没有任何外力的情况下表现出动态、逼真的行为，例如自发变形和流动。活性向列相的例子包括,，甚至振动盘上的米粒。

先前的实验研究表明，3D 主动向列经常表现出混沌动力学。然而，一项开创性的活性物质理论预测，当能量水平较低或限制较强时，这些材料应该停止移动。新的研究表明，将这些材料限制在细胞大小的液滴内确实可以阻止它们混乱的自搅拌运动。

该研究的主要作者 Salman Alam 博士说：“这一刻让人想起液晶技术的早期。” “我们已经成功地控制和稳定了活性液晶，将化学能转化为运动，类似于我们自己的细胞的运作方式。这种对活性混沌的控制对于这些材料的未来工程应用至关重要。”

该团队将微管束（对细胞分裂至关重要的生物聚合物）与运动蛋白和油混合，形成乳液，这是油醋汁中油水混合物的活性类似物。

“将这些材料限制在细胞状液滴中是一个游戏规则的改变者，”布兰代斯大学物理学助理教授兼通讯作者纪尧姆·杜克洛博士解释说。 “多年来，我们的团队一直在寻求测试活性物质理论的这一基本预测。将理论与实验结果如此无缝地结合起来确实是非凡的。”

这事实证明对研究的成功至关重要。 Abhinav Singh 博士隶属于德累斯顿工业大学、马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所以及德累斯顿系统生物学中心，领导了理论工作和模拟工作。

“我们的理论预测与实验结果的一致性是显着的，”辛格博士指出。 “它证实了活性物质的基本行为，可以增进我们对生命系统的理解，并为新的纳米技术创新打开大门。”

这项研究对于理解各种生物过程具有重要意义，从组织中的细胞排列到细胞分裂过程中的有丝分裂纺锤体组织。

“除了证实理论之外，这项研究还为材料科学和软机器人技术的进步铺平了道路，”阿帕纳·巴斯卡兰教授说，来自布兰迪斯大学，布兰迪斯仿生材料研究科学与工程中心 (MRSEC) 主任，也是这项研究的合著者。 “我们正在扩大对生命规则的理解，模糊物质与生命之间的界限。”

控制活性生物聚合物的能力可能会导致人造细胞、自愈材料和生物医学应用的进步。例如，这项研究可以帮助了解如何防止转移性癌细胞或细菌生物膜的不受控制的扩散，这是活性向列相的两个典型例子。

随着活性物质物理领域标志着这一里程碑，研究人员已经在探索未来的应用。 “我们正处于新时代的边缘Duclos 博士总结道：“这是生物学、物理学和工程学的交叉点。我们的工作旨在通过构建具有类似生命特性的材料来促进活性物质研究和应用的创新。”