第一作者：王夏蕊

通讯作者：谭蔚泓院士、岳亮教授

通讯单位：湖南大学

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102593

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天然生物分子网络在细胞功能的实现中扮演着关键角色。它们通过协调复杂的时间动态，推动各种生命活动有序进行。对这类网络的化学组装和功能模拟，不仅有助于揭示其化学基础和运作机制，也为构建和应用类生命系统提供了新的思路。本研究提出了一种通用、模块化、可编程的“生成-耗散”网络（Generative Dissipative Networks, GDNs）框架，用于实现和调控复杂的时间动态行为，如图1所示。该框架包括两类基本模块：“生成模块”用于持续产生燃料分子，为网络提供驱动力；“耗散模块”则通过消耗燃料触发瞬时的输出信号。通过灵活组合和集成这些模块，我们构建了多层次的GDN网络，具备不同的组成、规模、连接方式和拓扑结构，从而实现了对脉冲信号的多相调控、重复频率控制以及多重脉冲时序的精确编程。更重要的是，该网络框架还能作为一个多功能的时间编码平台，应用于如RNA转录、DNA凝聚等重要生物过程的时间调控。这一框架展示了其在生物功能编程和类生命系统构建中的广阔前景。

图1. 通用、模块化和可编程的GDN框架

背景介绍

在生命系统中，细胞通过耗散能量维持非平衡态，并利用复杂的时间动态信号（如脉冲、多稳态和振荡态等）来调控生物功能。生物信号分子的动态特性，包括振幅、持续时间或频率等变化，能够影响基因的表达和细胞的表观遗传状态。这类动态信号的编码能力远超单一时间点信号，成为生命信息处理的关键方式。然而，在人工体系中如何构建具备类似动态特性的网络，一直是合成化学、系统化学和系统生物学领域面临的重大挑战。

图文解析

在这项工作中，团队创新性地提出了“生成模块”与“耗散模块”的组合策略。生成模块通过催化反应产生“燃料分子”，耗散模块则通过燃料的消耗触发可控的脉冲行为。通过灵活的模块组合、拓扑结构设计，研究人员构建了一系列功能丰富的GDNs系统，实现了脉冲多相位调控（如图2所示）；重复频率可调的动态行为（如图3所示）；脉冲时序的精准控制（如图4和图5所示）。该系统的通用性和模块化特性，使其能够如“程序代码”般灵活编排，实现对复杂时间动态特性的可预测构建与调节。

更令人瞩目的是，研究团队还利用所构建的GDNs平台实现了对RNA转录和DNA凝聚体瓦解的时间动态调控，证明了其在模拟生命系统行为方面的强大潜力（如图6和图7所示）。这不仅为深入理解时间动态在生物功能中的作用机制提供了模型体系，也为构建具有生命行为的合成系统提供了技术路径。

图2. “一对一”GDN → 脉冲Ⅰ的多相控制

图3. 分级的“多对一”GDNs → 脉冲Ⅱ的重复频率、时间间隔和振幅调控

图4. 两重“一对一”GDNs → 脉冲信号的顺序、时间间隔和振幅调控

图5. 三重“一对一”GDN-9 → 三个脉冲信号的时间顺序编程

图6. GDN-10和GDN-11介导的RNA转录的时间动态调控

图7. GDN-12和GDN-13介导的DNA凝聚体的时间动态调控

总结与展望

谭蔚泓院士与岳亮教授团队的这项工作，是人工动态系统设计迈向“时间动态编程”的关键一步。该研究为发展智能响应材料、可控药物释放系统以及模拟生命过程的合成系统提供了全新工具与理论支持，有望在化学生物学、合成生物学及材料科学等交叉领域产生深远影响。

课题组介绍

谭蔚泓，中国科学院院士、发展中国家科学院院士。谭蔚泓教授长期致力于分子医学、生物分析化学、化学生物学的前沿研究与临床应用，在Science等学术刊物上发表学术论文900余篇，H-index 158，引用次数逾85,000次。2014-2021连续八年入选全球高被引研究人员名单。研究成果分别获2014年和2020年国家自然科学二等奖，2018年何梁何利基金科学与技术进步奖，2018年美国化学会“光谱化学分析奖”，2019年美国PITTCON分析化学成就奖、2019年Ralph N. Adams生物分析化学成就奖。2005年当选美国AAAS Fellow，2015年当选中国科学院院士，2016年当选发展中国家科学院院士。

岳亮，湖南大学化学化工学院教授，博士生导师，岳麓学者，国家高层次人才计划入选者。2015博士毕业于吉林大学化学学院超分子结构与材料国家重点实验室，师从吴立新教授。2016年至2020年在耶路撒冷希伯来大学从事博士后研究，合作教授：Itamar Willner院士。2021年加入湖南大学。主要从事核酸-生物纳米技术与合成生物学等前沿交叉领域研究，包括人工生物分子网络与人工细胞的模块化设计、构建、结构拓展及其仿生功能应用等。目前以第一作者或通讯作者身份发表文章共15篇，包括Nat. Commun. 2篇；Sci. Adv. 1篇；J. Am. Chem. Soc. 7篇；Angew. Chem. Int. Ed. 2篇；Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1篇；ACS Nano 1篇。

原文信息

X.-R. Wang, S. Wang, L. Yue, W.-H. Tan, Designing generative dissipative networks for programming complex temporal dynamics and functions. Chem. 2025, 102593.