科学探索|科研人员实现用声音来控制酶促化学反应科研人员实现用声音来控制酶

在模仿自然系统（如细胞和细胞器）的研究中，通过分隔对多步骤的酶反应进行时空控制是至关重要的。到目前为止，科学家们已经使用脂质体、囊泡或聚合物体将不同的酶物理性地分开，作为"人造细胞器"发挥作用。
【科学探索|科研人员实现用声音来控制酶促化学反应】但是现在，由韩国浦项基础科学研究所内的自组装和复杂性中心的KIM Kimoon主任领导的研究小组成功地证明了只用可听的声音就能对化学反应进行同样的时空调节，这与上述的先前方法完全不同。

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尽管声音已被广泛用于物理学、材料科学和其他领域，但它很少被用于化学领域。特别是，可听声音（在20-20000赫兹的范围内）由于其能量低，到目前为止还没有被用于化学反应中。然而，早在2020年，来自IBS的同一个小组就首次成功地证明了通过可听声音产生的驻波对大气中的气体进行选择性溶解来调节化学反应。

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图2. 可听声音介导的对葡萄糖/GOx/HRP/ABTS级联反应的时空控制。(A) 葡萄糖/GOx/HRP/ABTS级联反应的示意图。(B) 在不应用声音的情况下产生的随机形状的图案 (C) 应用声音输入（40赫兹）获得的同心环图案的时间依赖性变化。资料来源：基础科学研究所
研究人员仔细观察了由可听声音诱导的溶液的运动，发现由于波的节点区域，溶液被分开而没有混合在一起，就好像不同的层被一堵看不见的墙挡住了。他们把这种由可听声音产生的溶液的瞬时域称为"假分层"，并利用它来控制溶液中基于酶的级联反应网络。在这种现象中，在一个由可听声音上下振动的容器中诱发的液体流动，在波的节点周围不会相互混合，因此，溶液会自然而然地被分隔开来。
这个新发现启发了该小组利用这一现象来尝试对多步骤酶反应进行时空调节。通常情况下，这样做需要使用脂质或聚合物来创建人工隔间，但Kim的研究小组表明，仅使用可听的声音就可以做到这一点。为了实现这一目标，他们利用空气中的氧气只溶解在振动溶液的反节点区域这一事实，设计了一个聪明的系统。

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图3. (A) 可被听到的声音和酶介导的金纳米粒子组装的时空控制。彩色的同心图案和TEM图像取自图案的每个区域。(B）纳米颗粒图案的水凝胶（左）及其对选择性细胞生长的利用（右）。在荧光显微镜图像中，红色斑点代表图案化水凝胶表面的HeLa细胞。资料来源：基础科学研究所
为了测试这个系统，Kim的小组进行了一个由葡萄糖氧化酶（GOx）和辣根过氧化物酶（HRP）组成的多步骤酶反应。在第一步，GOx酶催化葡萄糖的氧化并产生过氧化氢。然后这种过氧化物被HRP酶用来推动第二步，即把无色的ABTS染料氧化成青色的ABTS自由基。如果青色出现在溶液中的特定区域，研究人员就会知道他们的系统按计划工作。
正如预期的那样，作者能够直观地观察到青色的同心环图案，这证实了他们只用声音就能成功地对GOx-HRP级联反应进行时空控制（图2）。作者进一步表明，这种方法可以扩展到控制氧化还原驱动的原位生长或溶液中存在的时空域内的纳米颗粒的pH响应性自组装。(图3A）。此外，作者还介绍了纳米粒子图案水凝胶的制备，它只在选定的区域含有自组装的粒子。这些凝胶可用于特定区域的细胞生长平台（图3B）。