生物學(xué)與化學(xué)的結(jié)合
實(shí)驗(yàn)室k / 2019-04-23
在自然生命世界中尋找研究思路的趨勢(shì)也對(duì)今天的納米技術(shù)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。研究方法包括狹義的仿生法，科學(xué)家們?cè)噲D拷貝自然中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)或者機(jī)制，以及更廣義的仿生法，戲稱為”生物靈感”。老問(wèn)題來(lái)了：這個(gè)至少涉及化學(xué)和生物學(xué)之間緊密聯(lián)盟的領(lǐng)域是否威脅到了化學(xué)的學(xué)科地位呢？
在化學(xué)的歷史中，化學(xué)和生命科學(xué)之間的關(guān)系，猶如化學(xué)與物理學(xué)之間的關(guān)系一樣，在塑造科學(xué)公眾形象中是一個(gè)重要因素。前面的文章已經(jīng)介紹了，在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造生命的化學(xué)家大人物們是如何在煉金術(shù)傳統(tǒng)的崩塌中幸存下來(lái)，并在19世紀(jì)隨著有機(jī)合成的興起而重新回歸科學(xué)視野。在21世紀(jì)早期，有機(jī)合成化學(xué)家的形象似乎比以往任何時(shí)候都更加顯赫，但是今天的科學(xué)怪人弗蘭肯斯坦更像是對(duì)DNA修修補(bǔ)補(bǔ)的分子生物學(xué)家而不是古老的有機(jī)化學(xué)家的代表。
諷刺的是，在20世紀(jì)七八十年代的“塑料時(shí)代”，當(dāng)合成化學(xué)品文化到達(dá)頂峰的時(shí)候，化學(xué)家們開(kāi)始把注意力轉(zhuǎn)向天然產(chǎn)物，并把它作為靈感的來(lái)源而不只是一個(gè)原始材料的供應(yīng)站。以化學(xué)和生命科學(xué)這兩個(gè)不同的學(xué)科相結(jié)合為背景，自然或者更精確說(shuō)是生物又返回到了合成化學(xué)的世界。首先，分析生物作為原始材料來(lái)源的潛力，以制備環(huán)境友好的材料。所以，化學(xué)家們?cè)噲D用植物纖維來(lái)合成生物高聚物以制備可降解的垃圾袋和其他環(huán)境敏感型的消費(fèi)品。其次，在尋求設(shè)計(jì)高性能、多功能復(fù)合材料過(guò)程中，生物成為了靈感的來(lái)源。面對(duì)某些合成化合物不充足的問(wèn)題，材料科學(xué)家和化學(xué)工程師意識(shí)到生物中已經(jīng)存在更好的材料。因此，通過(guò)分析貝殼或最索然無(wú)味的骨骼結(jié)構(gòu)，研究者們開(kāi)始發(fā)現(xiàn)這些生物是如何制造出天然的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，以及這些結(jié)構(gòu)組成材料性能在生物環(huán)境約束下的最佳組合。海膽或者鮑魚殼呈復(fù)雜的形態(tài)，能夠承擔(dān)各種功能，而這些奇異的生物礦物結(jié)構(gòu)就是由常見(jiàn)的原材料碳酸鈣構(gòu)成的。類似地，蜘蛛絲是極其薄而堅(jiān)固的纖維，其強(qiáng)度重量比值是人工材料無(wú)法相比的?？茖W(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)對(duì)木材這種原型材料重新下了定義，它不只是浸于輕木質(zhì)基質(zhì)中由定向長(zhǎng)纖維構(gòu)成的復(fù)合材料，而且也是具有不同組織水平結(jié)構(gòu)并可觀察的復(fù)合結(jié)構(gòu)。因此，大自然似乎已經(jīng)為現(xiàn)代化學(xué)家所面臨的最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題提供了優(yōu)雅的解決方案。正如材料科學(xué)家斯蒂芬·曼恩（Stephen Mann）的樂(lè)觀表述：
我們知道在生物學(xué)領(lǐng)城已經(jīng)找到了一套解決方案，我們因此備受鼓舞。那么接下來(lái)的挑戰(zhàn)是闡明這些生物策略，進(jìn)行體外檢驗(yàn)，并將其進(jìn)行合道修改并應(yīng)用到相關(guān)的學(xué)術(shù)領(lǐng)域和技術(shù)研究中。
通常，在材料科學(xué)與工程這個(gè)交叉學(xué)科新領(lǐng)域的保護(hù)傘下，上述這些仿生策略促進(jìn)了生物學(xué)家和化學(xué)家之間的協(xié)作。生物材料帶給化學(xué)家們?cè)S多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：第一，大部分材料為多功能材料并且是對(duì)各種功能之間的一個(gè)良好甚至是最佳的折中。第二，不像人工化學(xué)品，生物材料不會(huì)排除至可以說(shuō)不可免會(huì)含有雜質(zhì)，瑕疵、混合物和復(fù)合材料。第三，考察精細(xì)結(jié)構(gòu)后會(huì)發(fā)現(xiàn)，生物材料存在復(fù)雜的等級(jí)結(jié)構(gòu)，它在不同的放大級(jí)別中呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
但是，仿生化學(xué)并不局限于僅僅嘗試模擬生物材料的精致考究的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，納米技術(shù)的到米也讓化學(xué)家們把柱意力放在了生物材料在生物物質(zhì)建造中所承擔(dān)的角色上。對(duì)于納米級(jí)物質(zhì)的設(shè)計(jì)，人的雙手以及其他化學(xué)家們通常所使用的工具都是毫無(wú)用處的。德勒克斯勒構(gòu)想了一個(gè)合適的工具用于克服實(shí)踐難題，并杜撰了“通用組裝器”一詞來(lái)形容這個(gè)工具。這樣的人工“通用組裝器”在現(xiàn)實(shí)中還未出現(xiàn)，其實(shí)最低等的單細(xì)胞生物渾身上下都是特異性的組裝器。進(jìn)一步講，由于組裝器可以自我組裝和自我維護(hù)，所以活細(xì)胞找到了更加優(yōu)雅的解決方案來(lái)執(zhí)行這種納米級(jí)的合成。自組裝現(xiàn)象在生物系統(tǒng)中無(wú)處不在，從技術(shù)角度看這將大有神益，因?yàn)樽越M裝是一個(gè)自發(fā)的可逆過(guò)程，應(yīng)用廣泛而且產(chǎn)生很少或者沒(méi)有廢物。
在活細(xì)胞自組裝機(jī)制基礎(chǔ)上演化出了兩種不同的技術(shù)策略。第一種，科學(xué)家現(xiàn)在可以充分利用生物演化選擇的分子機(jī)制把生物系統(tǒng)的建造模塊拼裝起來(lái)，并引導(dǎo)它們完成其他的目標(biāo)。例如，用DNA雙螺旋鏈的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)制備以DNA為模板的毫微晶體管或者其他電路，這在當(dāng)今的許多實(shí)驗(yàn)室里是常規(guī)工作。在這個(gè)技術(shù)策略中，化學(xué)所處的首要地位讓位于基因工程，因?yàn)槭侵亟MDNA完成的合成工作。生物計(jì)算是一個(gè)新的研究領(lǐng)域，它得益于DNA制造納米級(jí)結(jié)構(gòu)的潛在能力。生物工程師把DNA作為制造新結(jié)構(gòu)的模板，在重新結(jié)合DNA時(shí)利用原子力顯微鏡（AFM）進(jìn)行細(xì)節(jié)控制。
另一種技術(shù)策略從更嚴(yán)格意義上來(lái)講屬于化學(xué)策略，它涉及利用原子和分子的熱力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)模擬生物體中觀察到的自組裝生物過(guò)程。在這個(gè)背景下化學(xué)家面臨的挑戰(zhàn)是，在不依賴于DNA遺傳密碼系統(tǒng)的情況下如何實(shí)現(xiàn)組分的自組裝并控制自組裝導(dǎo)致的形態(tài)發(fā)生。為了迎接挑戰(zhàn)，化學(xué)家們?cè)诤铣芍姓{(diào)用了所有的物理學(xué)和化學(xué)的資源。這些資源包括在空間受限的反應(yīng)區(qū)域、外部誘導(dǎo)（比如使用重力場(chǎng)、電場(chǎng)或磁場(chǎng)）、機(jī)械壓力、改變?cè)噭┑惹闆r下發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)變。在形成和打破原子間共價(jià)鍵時(shí)他們還喜歡使用弱鍵，比如氫鍵、范德華力等。
化學(xué)家們最近還從大自然中吸取了其他方面非常有用的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，特別是關(guān)于實(shí)現(xiàn)他們的最終目的將意味著什么。在多年的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)累積中，合成化學(xué)家們慢慢地逐漸習(xí)慣了在極端條件協(xié)助下操作反應(yīng)，比如高溫、低壓，這些極端條件非常消耗能量，他們也會(huì)用大量的有機(jī)溶劑實(shí)施反應(yīng)，然而反應(yīng)一旦完成則這些溶劑很難可以安全廢棄。而大自然教會(huì)我們，在室溫和非常臟亂的水溶液環(huán)境下實(shí)施化學(xué)反應(yīng)也是有可能的。對(duì)這些自然反應(yīng)條件的模仿導(dǎo)致形成一種新的化學(xué)風(fēng)格，1977年雅克·萊維治（Jacques Livage）首創(chuàng)用”溫和化學(xué)”一詞來(lái)表示這種化學(xué)風(fēng)格。在準(zhǔn)生理?xiàng)l件下利用溫和化學(xué)法實(shí)施反應(yīng)以獲得新的物質(zhì)，而同時(shí)只產(chǎn)生可以再生和生物降解的副產(chǎn)物。所有這些低成本的反應(yīng)都與自然的合成過(guò)程密切相關(guān)。溫和化學(xué)的發(fā)展導(dǎo)致了越來(lái)越多的復(fù)雜的反應(yīng)原材料的使用，比如大分子、聚集物和膠體。在結(jié)合這些大型的復(fù)雜分子時(shí)，化學(xué)家們不再僅限于考慮原子和分子之間作用力強(qiáng)的共價(jià)鍵，而是與DNA模板一樣，也可以有像氫鍵這樣的弱鍵合力。這種定位氫鍵的化學(xué)導(dǎo)致產(chǎn)生了一個(gè)新的化學(xué)分支，1978年讓·馬利·雷恩稱之為超分子化學(xué)。按照雷恩的說(shuō)法，這種新化學(xué)分支其目的是用氫鍵和立體化學(xué)重現(xiàn)生物學(xué)中觀察到的受體和底物（配體）之間相互作用的選擇性?；谶@種選擇性的分子識(shí)別使得建造模塊可以自組裝形成超分子結(jié)構(gòu)，甚至可以利用這些組裝機(jī)制形成宏觀的物質(zhì)材料。
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