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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。

近日，吉林大学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）。相关成果发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。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。

研究人员发现，TY 分子具有独特的双重响应特性（图1）：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（T₁）。

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 39 nm 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1

该工作的关键在于对两类非平衡过程寿命的相对调节（图2）。通过调控 T₁ 与 T₂ 的相对时长，该系统展现出丰富的非平衡状态：当 T₁ 小于 T₂ 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 T₁ 大于 T₂ 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。

图2

基于这种延迟输出可编程的 CFLG，团队实现了具有自毁特性的高容量信息加密应用（图3）。研究人员构建了 4×8 点阵，并在不同点位配置具有不同反应寿命的CFLG。燃料加入后，各点位会随时间经历不同的颜色和荧光状态，从而在特定时刻形成可读取的二进制编码。同时，利用颜色和荧光信号的时空解耦，可实现双通道信息加密——例如同一矩阵在颜色维度呈现 “EAST”，在荧光维度则呈现 “WEST”，大幅提升了加密的安全性和信息容量。同时，由于逻辑门处于非平衡状态，编码图案仅在特定时间窗口内存在，最终会恢复到初始状态，因而具有时间控制和自毁特征，进一步增强了信息安全性。

图3

该工作表明，同一分子构建单元在两个互不干扰的反应网络中的瞬态响应行为可被整合，用于构筑具有多状态、双通道和延迟输出能力的非平衡逻辑系统。该研究突破了传统 CFLG 无法实现可编程延迟输出的局限，拓展了非平衡软材料的范畴，为开发具有复杂逻辑功能、高编码能力的仿生智能材料奠定了基础，有望在生物计算、信息加密、智能传感等领域发挥重要作用。

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由Wiley出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。