在模仿自然系統（如細胞和細胞器）的研究中，通過分隔對多步驟的酶反應進行時空控制是至關重要的。到目前為止，科學家們已經使用脂質體、囊泡或聚合物體將不同的酶物理性地分開，作為”人造細胞器”發揮作用。
但是現在，由韓國浦項基礎科學研究所內的自組裝和複雜性中心的KIM Kimoon主任領導的研究小組成功地證明了只用可聽的聲音就能對化學反應進行同樣的時空調節，這與上述的先前方法完全不同。
儘管聲音已被廣泛用於物理學、材料科學和其他領域，但它很少被用於化學領域。特別是，可聽聲音（在20-20000赫茲的範圍內）由於其能量低，到目前為止還沒有被用於化學反應中。然而，早在2020年，來自IBS的同一個小組就首次成功地證明了通過可聽聲音產生的駐波對大氣中的氣體進行選擇性溶解來調節化學反應。
圖2. 可聽聲音介導的對葡萄糖/GOx/HRP/ABTS級聯反應的時空控制。(A) 葡萄糖/GOx/HRP/ABTS級聯反應的示意圖。(B) 在不應用聲音的情況下產生的隨機形狀的圖案 (C) 應用聲音輸入（40赫茲）獲得的同心環圖案的時間依賴性變化。資料來源：基礎科學研究所
研究人員仔細觀察了由可聽聲音誘導的溶液的運動，發現由於波的節點區域，溶液被分開而沒有混合在一起，就好像不同的層被一堵看不見的牆擋住了。他們把這種由可聽聲音產生的溶液的瞬時域稱為”假分層”，並利用它來控制溶液中基於酶的級聯反應網絡。在這種現象中，在一個由可聽聲音上下振動的容器中誘發的液體流動，在波的節點周圍不會相互混合，因此，溶液會自然而然地被分隔開來。
這個新發現啟發了該小組利用這一現象來嘗試對多步驟酶反應進行時空調節。通常情況下，這樣做需要使用脂質或聚合物來創建人工隔間，但Kim的研究小組表明，僅使用可聽的聲音就可以做到這一點。為了實現這一目標，他們利用空氣中的氧氣只溶解在振動溶液的反節點區域這一事實，設計了一個聰明的系統。
圖3. (A) 可被聽到的聲音和酶介導的金納米粒子組裝的時空控制。彩色的同心圖案和TEM圖像取自圖案的每個區域。(B）納米顆粒圖案的水凝膠（左）及其對選擇性細胞生長的利用（右）。在熒光顯微鏡圖像中，紅色斑點代表圖案化水凝膠表面的HeLa細胞。資料來源：基礎科學研究所
為了測試這個系統，Kim的小組進行了一個由葡萄糖氧化酶（GOx）和辣根過氧化物酶（HRP）組成的多步驟酶反應。在第一步，GOx酶催化葡萄糖的氧化併產生過氧化氫。然後這種過氧化物被HRP酶用來推動第二步，即把無色的ABTS染料氧化成青色的ABTS自由基。如果青色出現在溶液中的特定區域，研究人員就會知道他們的系統按計劃工作。
正如預期的那樣，作者能夠直觀地觀察到青色的同心環圖案，這證實了他們只用聲音就能成功地對GOx-HRP級聯反應進行時空控制（圖2）。作者進一步表明，這種方法可以擴展到控制氧化還原驅動的原位生長或溶液中存在的時空域內的納米顆粒的pH響應性自組裝。(圖3A）。此外，作者還介紹了納米粒子圖案水凝膠的製備，它只在選定的區域含有自組裝的粒子。這些凝膠可用於特定區域的細胞生長平台（圖3B）。
“這種使用可聽聲音的新方法將提供一種全新的、可靠的戰略，以控制溶液中可預測的但瞬時生成的偽區塊內的化學過程，”KIM 主任解釋說。