《Advanced Science》：Dilute but Dense – Reversible Crosslinking Enables Water-Rich (Bio)polymer Condensates
编辑推荐：
本文揭示了可逆交联作为一种全新的熵驱动相分离机制，突破了传统溶剂质量变化和复合凝聚的理论框架。研究通过粗粒化模拟和平均场理论证明，在良溶剂中仅凭瞬态配对交联即可诱导超低聚合物浓度下的液-液相分离（LLPS），形成含水量高达98%的凝聚相。该机制对序列排列展现出惊人鲁棒性，为理解生物分子凝聚体形成和设计可编程无膜材料提供了新范式。
可逆交联驱动的相分离新机制
引言
聚合物-溶剂相分离是软物质和生物系统中广泛存在的自组装现象。在生物领域，液-液相分离驱动着无膜细胞器如应激颗粒、核仁和处理小体的形成。传统上，LLPS被归因于溶剂质量变化或复合凝聚作用，而本文揭示了一种纯粹由熵驱动的全新机制——可逆交联。
通过粗粒化模拟发现，在良溶剂条件下，仅凭瞬态配对交联即可在超低聚合物密度下引发相分离，形成含水量极高的凝聚相。这种机制与Semenov-Rubinstein理论预测高度吻合，其相行为呈现闭合环状共存和重入渗透现象。尤为重要的是，相边界对可交联域沿序列的重排具有显著鲁棒性，仅高度嵌段序列会明显缩小相分离区域。
相行为与理论模型
研究采用包含A、B两种链的珠簧模型，其中可交联单体通过短程吸引势特异性结合。模拟结果显示，当A链较短时系统在低单体浓度下发生相分离，凝聚相单体数密度可低至0.02，对应聚合物堆积分数仅2%。这种闭合环状相图与非化学计量条件下的聚电解质复合凝聚相似，其驱动力源于A链介导的B链间桥接作用。
理论分析表明，相分离由交联自由能贡献主导，该贡献包含结合能和所有可交联A、B单体配对产生的组合熵。尽管理论基于平均场近似，但仅凭有效排斥参数单个拟合参数即可定量重现模拟相边界，其适用范围远超原作者预期。在强结合极限下，相分离机制依然由熵和连通性驱动，凝聚相仍保持高度稀释状态。
序列鲁棒性与微观结构
通过系统改变B链可交联单体分布模式，研究发现当嵌段参数低于0.3时，相图几乎不受序列排列影响。这种特性与基于共缩和溶剂质量的相分离机制形成鲜明对比，后者通常对电荷图案和单体序列高度敏感。
然而，当序列嵌段性显著增强时，凝聚相内部出现密度波动和微区形成。结构因子在非零波矢处出现明显峰位，且随嵌段性增强向更小波矢移动。极端情况下，二嵌段共聚物构型使凝聚相碎裂为离散胶束，其中可交联单体形成核，中性链段构成冠状结构。当大尺寸可交联嵌段位于B链两端时，链中段可在胶束间形成桥接，产生连通的胶束网络。
动力学特性与生物学意义
虽然热力学相边界对序列架构不敏感，但动力学性质预计将受显著影响。可逆交联机制形成的超低密度凝聚体具有高渗透性，为小分子和离子提供充足扩散空间，同时保持低大分子拥挤度。这种特性为设计催化支架和膜分离器等功能材料提供了新思路。
在生物学背景下，该机制为理解RNA驱动的高度可渗透凝聚相形成提供了物理基础。研究表明，凝聚相无需高密度即可发挥功能，这与细胞核质密度相当的RNA凝聚相实验观察相一致。通过将可逆交联与弱静电作用、疏水接触等附加相互作用耦合，可进一步调控相分离窗口和键合寿命，实现对凝聚体粘弹性和粗化动力学的精细调控。
结论与展望
本研究确立了可逆交联作为相分离的第三种基本机制，补充了传统的溶剂质量变化和复合凝聚路径。该熵驱动机制为生物系统中高度稀释组装的调控提供了新视角，同时为合成可编程软材料设计开辟了新途径。未来工作可探索将弱相互作用与可逆交联耦合，以及考虑流体动力学相互作用对凝聚体动力学的影响，进一步拓展该机制在合成生物学和材料科学中的应用前景。
