Functional molecules and polymers for the creation of life-like systems

Living systems rely on compartmentalization, non-equilibrium processes, and spatially organized chemical reactions to sustain complex functions. Reproducing these features in artificial systems represents a central challenge in protocell research. In this context, coacervates have emerged as promising models due to their high molecular density, dynamic responsiveness, and ability to sequester functional components and enhance chemical reactions. However, their intrinsic structural instability has so far limited their broader applicability. This thesis investigates coacervate-based microcompartments as non-equilibrium protocellular systems capable of structural reconfiguration, selective molecular organization, and functional chemical activity. This work aims to establish coacervate microdroplets and coacervate vesicles as versatile platforms for the construction of active and adaptive protocells. A mechanically driven, dissipative pathway is introduced to induce the reconfiguration of stable nano-coacervates into organized and robust coacervate vesicles, demonstrating a general and tunable strategy to overcome coacervate instability. This approach is extended to multiple polyelectrolyte systems, highlighting its broad applicability. In parallel, stable coacervate microdroplets are developed from functional synthetic polymers and employed as enzymatic microreactors, where chemical activity can be transduced into real-time fluorescent signals, enabling direct readout of non-linear enzymatic dynamics under non-equilibrium conditions. Beyond enzymatic systems, coacervate vesicles are functionalized with catalytic polyoxometalates to generate photocatalytic protocells capable of light-driven reactions, including water oxidation. The integration of catalytic activity, structural organization, and signal transduction within single compartments highlights the potential of coacervates as programmable microreactors. Overall, this work demonstrates how non-equilibrium assembly, molecular integration, and functional design can drive the emergence of complexity in synthetic systems, positioning coacervate-based protocells as versatile platforms for protocell research.

I sistemi viventi si basano sulla compartimentazione, su processi fuori dall’equilibrio e sull’organizzazione spaziale delle reazioni chimiche per sostenere funzioni complesse. Riprodurre queste caratteristiche in sistemi artificiali rappresenta una sfida centrale nella ricerca sulle protocellule. In questo contesto, i coacervati sono emersi come modelli promettenti grazie alla loro elevata densità molecolare, alla risposta dinamica agli stimuli esterni e alla capacità di sequestrare componenti funzionali e accelerare le reazioni chimiche. Tuttavia, la loro intrinseca instabilità strutturale ne ha finora limitato una più ampia applicabilità. Questa tesi indaga sistemi protocellulari basati su coacervati fuori dall’equilibrio, capaci di riconfigurazione strutturale, organizzazione molecolare selettiva e attività chimica funzionale. L’obiettivo è stabilire coacervati e vescicole come piattaforme versatili per la costruzione di protocellule attive e adattive. Viene introdotto un processo dissipativo basato sull’energia meccanica per indurre la riconfigurazione di nano-coacervati stabili in vescicole organizzate e robuste, dimostrando una strategia generale e modulabile per superare l’instabilità dei coacervati. Questo approccio è estendibile a diversi sistemi polielettrolitici, evidenziandone l’ampia applicabilità. In parallelo, vengono sviluppate coacervati stabili a partire da polimeri sintetici funzionali, utilizzabili come microreattori enzimatici, in cui l’attività chimica può essere trasdotta in segnali fluorescenti in tempo reale. Oltre ai sistemi enzimatici, le vescicole di coacervato vengono funzionalizzate con poliossometalati catalitici per generare protocellule fotocatalitiche capaci di catalizzare reazioni guidate dalla luce come l’ossidazione dell’acqua. L’integrazione di attività catalitica, organizzazione strutturale e trasduzione del segnale all’interno di singoli compartimenti evidenzia il potenziale dei coacervati come microreattori programmabili. Nel complesso, questo lavoro dimostra come l’assemblaggio fuori dall’equilibrio, l’integrazione molecolare e il design funzionale possano guidare l’emergere della complessità in sistemi sintetici, posizionando le protocellule basate su coacervati come piattaforme versatili per la ricerca sulle protocellule.