2025年5月27日，湖南大学化学化工学院谭蔚泓院士与岳亮教授团队合作在Chem期刊上发表了一篇题为“Designing generative dissipative networks for programming complex temporal dynamics and functions”的研究成果。

该成果报道了一种通用、模块化且可编程的“生成-耗散网络”（Generative Dissipative Networks, GDNs）设计框架，能够实现对复杂时间动态行为的精准调控。该框架不仅为类生命的复杂化学系统提供了全新的动态调控策略，也为智能材料与合成生物学中构建可时序编程的功能系统奠定了理论和实践基础。论文通讯作者是岳亮、谭蔚泓；第一作者是王夏蕊。

破解生命动态调控的“时间密码”...

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。例如：NF-κB的动态特性，包括振幅、持续时间或频率等变化，直接影响促炎基因的表达和细胞的表观遗传状态。这类信号的时间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。

“生成-耗散”模块化编程策略

在这项工作中，团队创新性地引入了“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、拓扑结构设计与层级构建，研究人员构建了一系列功能丰富的GDNs系统，实现了：（1）脉冲多相位调控；（2）重复频率可调的动态行为；（3）脉冲时序的精准控制。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。

向合成生命迈进一步

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。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。

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。

图1：通用、模块化和可编程的GDN框架。

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。

（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102593