追踪两亲性蠕虫

蠕虫、章鱼、水母:当你在聚合物两栖动物中钓鱼时，你可以钓到一些奇怪的生物。用来描述这些分子自组装结构的隐喻是生物的，这很能说明问题。我们的大脑似乎坚持认为，我们在这里看到的是一个栩栩如生的方面:我们正在目睹类似微生物学的过程。谁知道呢，也许我们就是?

英国谢菲尔德大学的聚合物化学家Steven Armes和他的同事在聚合物自身形成的水溶液中报告了这些微观形式。^[1][２]两亲性嵌段共聚物是具有不同溶剂倾向的两半共聚物链:通常，一段是亲水的，另一段是疏水的。在这方面，这些分子类似于两亲性脂质和其他表面活性剂的加长版，它们自发地形成双分子层(如细胞膜)、胶束、囊泡和其他中尺度结构，以使它们的疏水部分远离水。但是分子堆积、曲率能量和其他因素的微妙平衡可以使这些薄片和聚集体呈现出复杂的形式，比如错综复杂的网络、管道和“蠕虫”胶束。

扭曲的形状

大多数表面活性剂都有小的、紧密的、带电的头部基团，附着在由油性疏水链组成的尾部。但对于嵌段共聚物两亲体，其头部和尾部都可能是长链。这就创造了难以预测的新型自组装的可能性。由肽段制成的两亲体，具有生物相容性，正被探索作为自组装、可注射的组织工程支架。在一个例子中近日报道，^[3]这种合成分子形成了宏观的管子，如果它们在挤压成网络时破裂，它们有自愈的能力。

Armes及其同事所研究的聚合物两亲体将自发地形成微观网络，除此之外还有很多其他的东西。它们的共聚物由两种水溶性甲基丙烯酸酯单体制成，其中一种形成亲水聚合物，另一种形成疏水聚合物。关键因素是后者通过可逆添加-断裂链转移(RAFT)的方法在亲水性块上原位生长。这意味着聚合物两亲体在自组装过程中仍在增长，因此结构会随着时间的推移而进化。

以及如何!分子具有相对较短的疏水性链，组装成直径约20-30nm的胶束状小团;较长的链可以形成胶束“蠕虫”，长度可能只有几百纳米。这些逐渐延长和相互连接，直到最长的疏水链，它们形成中空的，大约100-200nm宽的球形囊泡，具有双分子层壁。

但还有更多。在几个小时的生长过程中，纳米结构经历了一系列的转变:从斑点到蠕虫，然后变成分枝和部分结合的蠕虫。从这些蠕虫状的网络中出现了最奇怪的形式:新生的半囊状穹顶，上面附着着蠕虫，看起来像水母。当囊泡开始包裹和闭合时，它们可能会被蠕虫连接在一起，就像两个系在一起的气球，直到最终双分子层壳闭合和密封。

这些结构虽然复杂，但却是可控和可预测的。而且它们可能会有用武之地。Armes与细胞生物学家合作的工作表明，由蠕虫状共聚两亲体组件制成的凝胶可以作为基质，将干细胞存储在可活但静态的状态下，抑制细胞增殖。更重要的是，这种材料对人类胚胎也有同样的作用，使它们在不进行低温保存的情况下休眠数日。^[4]在工业赞助商的支持下，Armes目前正在探索大规模合成聚合物材料的可能性。

生命的迹象?

然而，除了表面形态上的相似之外，这些复杂的结构还有什么真正逼真的吗?也许吧。美国哈佛大学的Juan Pérez-Mercader和他的同事们刚刚报告了对RAFT方法的修改，以制造出更大的具有显著性能的聚合物囊泡。^［5］这些隔室是由光化学聚合过程中形成的聚合物两亲体构成的，其中包括一种光敏剂，这种光敏剂可以产生链生长所需的自由基——这意味着聚合可以随光开关。

研究人员从最初的小单体液滴，培养出了10μm大的囊泡。但一旦它们达到这种“巨大”的尺寸，意想不到的事情就会发生:囊泡破裂，回到最初的液滴状态。只要有光源，这个循环就会一次又一次地重复。Pérez-Mercader和同事们称之为“凤凰行为”。

更重要的是，囊泡朝着光线移动。研究人员认为，这种几乎令人毛骨悚然的“趋光性”是由于水在囊泡膜上流动造成的，这是由囊泡表面张力的不平衡引起的:朝光的一面经历了更多的聚合，因此更亲两性。由表面张力梯度引起的流体流动称为马兰戈尼效应是众所周知的。

这些复杂的行为，包括原始形式的复制和定向运动，能否告诉我们关于早期地球上“原始细胞”的起源?这只是目前阶段的推测，但对于哈佛大学生命起源计划的成员Pérez-Mercader来说，这无疑是动机的一部分。