华南理工大学蒋凌翔课题组Nature Chemistry: 设计新型高分子让“凝聚液滴”稳如磐石

天然生物系统中，细胞核仁、P颗粒等生物分子凝聚体通过液–液相分离（LLPS）形成无膜液滴，调控多种细胞功能。这类液滴易发生融合、成熟和对温度、盐度、pH及有机溶剂等环境变化的敏感性，严重制约其在仿生人工细胞和药物递送等领域的应用。此前已有研究利用磷脂或特定聚合物进行膜化，但多局限于单一体系，缺乏通用性。

近日，华南理工大学蒋凌翔研究团队，在《Nature Chemistry》上发表了一篇题为《Universal membranization of synthetic coacervates and biomolecular condensates towards ultrastability and spontaneous emulsification》的论文，首次系统构建了一套可广泛适用于各种合成凝聚物与生物分子凝聚体的两亲嵌段聚合物（CAPs）库，成功为无膜液滴赋予高机械强度、可控界面性能，并实现了液滴的自发乳化与极端环境耐受性。论文通讯作者是蒋凌翔，第一作者是唐达。

核心突破：CAPs库设计

图1. 亲凝聚、自缔合和亲稀相段的三嵌段CAP分子。

图1展示了本研究的总体设计思路：研究团队开发了一系列通用型两亲嵌段聚合物（CAPs），旨在为各种合成和天然的无膜液滴（如小分子、合成聚合物、蛋白质、核酸等凝聚体）构建稳定的“人工膜”。每条CAP分子链具有足够的长度，能够跨越凝聚相与稀相的界面。其中，“亲凝聚相”区段通过多价相互作用牢固地锚定于凝聚物表面；“亲稀相”区段则伸展入外部稀相；中间的自缔合结构促进界面处聚合物膜的自发组装。这种设计使得CAPs能够在多种化学成分迥异的凝聚体表面形成稳定的膜结构，从而实现从分子设计到膜化组装的模块化与普适化。这一策略不仅提升了液滴的机械稳定性，抑制了融合与成熟，还显著提高了液滴在极端环境下的耐受性，如高温、高盐、极端pH值和有机溶剂等。

CAP分子膜化凝聚物的普适性

图2. 膜化凝聚液滴。

在图2中，作者展示了7种被CAP膜化的凝聚液滴。每组图片左侧为白光通道，右侧为荧光通道，CAP分子使用Rhodamine B标记。COND10@CAP23图像的绿色通道反映了EGFP在液滴中的均匀分布。利用共聚焦激光扫描显微镜对CAP膜化凝聚相进行成像时，二维图像中CAP荧光清晰环绕于凝聚液滴表面，表明CAP分子高度富集于界面。进一步的z‑stack横截面和三维重建图则证实，一层致密且连续的CAP聚合物膜完全覆盖整个液滴表面，有效将内部凝聚相与外部稀相实现了物理隔离。

CAP膜的超稳定性

图3. 超稳定的膜化液滴。

作者构建了一套微流控装置，用于实时监测膜化前后凝聚相液滴的粗化动力学。在未添加CAP的对照组中，液滴会在短短10分钟内通过聚结与成熟过程迅速长大，最终在每个大液滴内仅残留一个完整的球形凝聚体；而经CAP膜化后的凝聚液滴，其粒径分布与数量密度在至少两天内保持高度稳定。尽管在布朗运动驱动下膜化液滴频繁碰撞，也始终未见聚结或融合现象，由此可见CAP膜作为物理屏障，有效阻止了液滴在“细胞尺寸”范围内的融合与成熟。进一步的统计分析显示，对照组液滴几乎全部发生融合，而膜化液滴则几乎零融合。利用光镊操纵两颗直径约5 μm的悬浮液滴进行碰撞实验时，未膜化的COND3液滴在接触瞬间即刻融合，而COND3@CAP23液滴则在被迫轻微变形的过程中始终保持各自完整。定量测量表明，CAP膜的弯曲模量较液态脂质膜高出约一个数量级，其刚性接近凝胶态脂质膜或高分子材料的水平。

神奇的发现-凝聚物的自发乳化

图4. 自发乳化的过程。

作者在宏观尺度通过肉眼或光学显微镜观察到了整个体系的自发乳化过程，进一步利用共聚焦激光扫描显微镜在微观尺度记录了乳化液滴从凝聚相“出芽”到进入稀相的全过程。在实验图像中，白光通道和荧光通道分别对应CAP分子修饰下的凝聚相与稀相，两相界面被安排在图片的对角线上，左下方为凝聚相、右上方为稀相。观察到界面并非平滑平坦，而是呈现明显的波浪状起伏，这一形貌与经典的瑞利–泰勒不稳定性描述的两不混溶流体界面扰动模式高度相似。沿着界面向稀相方向伸出的凸起以约2–3 μm的周期排列（见图 4中红色箭头标注），所“出芽”产生的微液滴直径约1–2 μm，且在稀相中保持分散、不再融合。随时间演化，这些凸起会在不同位置消失并重新出现，同时整体界面前沿逐渐向浓相方向（左下角）回缩。荧光通道的图像进一步证明，新的微液滴正是以“出芽”方式从凝聚相尖端生成，并被推送至稀相（图 4）。

总结

综上所述，本文针对无膜液滴（如合成凝聚物和生物分子凝聚体）易发生融合、成熟及对环境条件（如温度、盐度、pH）敏感的问题，提出了一种通用的膜化策略。研究团队构建了一套凝聚相–两亲嵌段聚合物（CAPs）库，这些CAPs分子能够在液滴界面自发形成聚合物膜，显著提升液滴的机械稳定性，抑制融合与成熟，并在多种极端环境中保持稳定。此外，某些类型的CAPs还能使凝聚液滴实现自发乳化，即无需外力搅拌，即可将大片凝聚层分散成小液滴。这一现象在油水体系中已有研究，但在各种化学或生物凝聚体系中的大规模验证尚属首次。这种自发乳化过程在工业中有望减少能耗，在生物研究中则可能为模拟细胞内各种无膜细胞器提供新思路，甚至有助于实现合成生物学中的微型反应器和人工细胞构想。

来源：高分子科学前沿

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