近日，海角社区 超分子结构与材料全国重点实验室李云峰教授团队在非平衡软材料领域取得新的进展，成功构建出一种具有时间可编程延迟输出的化学燃料驱动的逻辑门（CFLG）。相关成果以“A Chemically Fueled Logic Gate with Temporally Programmable Output Delays by Harnessing Transient States of One Molecule in Two Independent Reaction Pathways”为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。

在生命系统中，输出信号的延迟是普遍存在且至关重要的机制，例如神经系统的突触延迟，能提升信号传递的复杂度与准确性；免疫系统的适应性应答、生物钟的转录翻译负反馈环路等，也依赖这种时间调控维持生命代谢稳态。这类延迟机制有助于生物体提高信息处理的复杂性与准确性，并维持代谢活动的动态平衡。虽然目前已有化学燃料驱动的逻辑系统可实现部分布尔逻辑运算和瞬时状态转换，但始终难以实现类似生命体系的可编程延迟输出功能，核心瓶颈在于缺乏能同时在两个互不干扰的反应网络协同作用下，实现对输入信号进行逻辑门控的分子构建单元。

团队前期在非平衡自组装领域已经取得了一系列的成果，如磁场驱动的高分子胶体液滴的非平衡自组装（Sci. Adv. 2019, 5, eaav1035），荧光自调节的非平衡自组装纳米粒子（CCS Chem. 2023, 5, 669）以及拮抗酶反应网络驱动的自液化水凝胶粘合剂（Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202503010）。团队从生命系统中的非平衡信号延迟机制获得灵感，设计了一种基于四苯基卟啉-赖氨酸衍生物（TY）的双酶促反应网络系统。该系统整合了尿素-脲酶、三磷酸腺苷（ATP）-马铃薯腺苷三磷酸双磷酸酶（PA）两个独立的酶促反应网络，通过调控TY分子在不同反应路径中的非平衡状态，成功构建了具有可编程时间延迟的CFLG。两个反应网络在体系中分别驱动TY分子的不同非平衡过程：前者主要调控分子的质子化状态及颜色变化，后者则调控TY与ATP之间的组装，并影响体系的颜色和荧光状态。

图1.由双酶促反应网络驱动、具有可编程延迟输出的CFLG示意图。(a)由尿素-脲酶反应网络与ATP-PA反应网络驱动的非平衡体系示意图。(b) CFLG逻辑框架图。(c)化学燃料驱动的逻辑系统的非延迟与延迟过程示意图。

研究人员发现，TY分子具有独特的双重响应特性：一方面是对质子的响应性，在酸性条件下，TY吡咯环上的氮原子质子化会导致卟啉大环扭曲，表现为溶液对绿光(500-570 nm)的吸收减少，对红光(620-750 nm)的吸收增加，使溶液颜色由红色变为绿色，同时，溶液的荧光特性始终保留。将质子化过程与尿素-脲酶反应网络耦合，可实现对TY质子响应变色的调控。向体系中加入盐酸，溶液颜色由红色转变为绿色。在脲酶的作用下，尿素会逐步水解提升溶液pH，TY分子恢复原有结构，使溶液颜色恢复为红色。通过调节尿素和脲酶的浓度，就能精准控制这一非平衡颜色变化过程的寿命（τ₁）。

另一方面，带正电荷的TY分子可与带负电荷的ATP通过静电作用组装形成纳米颗粒，该组装过程会使体系颜色由红色变为绿色，并导致明显的荧光猝灭。将该组装过程与ATP-PA反应网络耦合，加入ATP后TY形成瞬态组装体，在ATP水解酶的作用下ATP会逐渐水解，TY-ATP组装体解离，溶液的红色和荧光信号随之恢复。透射电子显微镜显示，ATP加入后与TY共组装形成平均直径约39nm的球形纳米颗粒；随着ATP不断水解，颗粒尺寸逐渐减小，最终恢复为游离TY分子。这一非平衡组装过程的寿命（τ₂）可以通过调控ATP，ATP水解酶和缓冲液的浓度实现精准调节。

由于两种过程都会使溶液呈现由红变绿再恢复到红色的非平衡变化，在此基础上，团队将两条独立反应网络整合到同一体系中，构建出具有双输入（H⁺、ATP）和双输出（颜色、荧光）的复杂逻辑系统。在颜色变化层面，H⁺或ATP任一输入都会触发溶液颜色由红色为绿色，构成“NOR”逻辑门；而颜色恢复过程则需要脲酶与PA同时作用，构成“AND”逻辑门。在荧光变化层面，ATP输入会导致荧光猝灭，构成“NO”逻辑门；PA驱动的ATP水解则会使荧光恢复，构成“YES”逻辑门。

图2.化学燃料驱动的逻辑系统中的输出。(a–c)非延迟输出的化学燃料驱动的逻辑系统的状态变化图。随时间变化的418 nm和444 nm处的紫外-可见吸收光谱(a)及655 nm处的荧光强度(b)，以及颜色和荧光的输出状态(c)。(d–f)含延迟输出的化学燃料驱动逻辑系统的状态变化图。随时间变化的418 nm和444 nm处的紫外-可见吸收光谱(d)及655 nm处的荧光强度(e)，以及输出状态(f)。(g)含延迟输出的化学燃料驱动逻辑系统随时间变化的输出状态。(h)化学燃料驱动的逻辑系统的延迟时间随脲酶浓度的变化关系。

该工作的关键在于对两类非平衡过程寿命的相对调节。通过调控τ₁与τ₂的相对时长，该系统展现出丰富的非平衡状态：当τ₁小于τ₂时，系统仅会出呈现“红色+荧光”和“绿色+无荧光”两种输出状态，这也是传统的CFLG会经历的状态；而当τ₁大于τ₂时，会出现一个独特的延迟输出状态——当ATP已完全水解、荧光先行恢复时，体系仍保持酸性，此时溶液颜色保持绿色但荧光已恢复，由此形成“绿色+荧光”的额外非平衡状态。该状态意味着颜色恢复滞后于荧光恢复，构成了具有延迟特征的输出信号，这类似于生物系统中时间延迟的信号处理机制。

更重要的是，通过调整反应网络中的酶浓度等动力学参数，延迟输出状态的持续时间可实现程序化调节。在设定的实验条件下，体系的延迟输出时长可由0分钟调整至约23分钟。这种由两个化学反应网络控制的异步信号变化，为人工材料模拟生命系统中的延迟信号处理提供了新的分子设计路径。

文章链接：//onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.5439859?af=R