分子機器——多學科的交叉點

我們生活在機器高度發達的時代。各個時代的科學技術都在機器的設計與製造上得到綜合與體現。本文將論述生命科學、化學、物理、材料與信息等不同領域的發展都導致了分子機器的研究，討論分子機器的特點與功能，分析設計與製造分子機器有待解決的問題。

一、分子機器——多學科的交叉點

“機器為應用機械力的一種器具，由許多相互關聯的部件所組成，每一部件都有一特定的功用。”這是《牛津大字典》對機器所下的定義。人類在生產活動和科學實驗中製造了各種機器，以滿足其生活的需要，增強認識和變革自然的能力。從某種意義上說，一部人類的文明史就是一部機器不斷髮展的歷史。機器的發達程度既是時代物質文明的體現，也是時代科學技術水平的標誌。

1.從生物機器到分子機器

生物學中活力論與機械論之爭可追溯到17世紀或更遠。笛卡兒等是機械論的鼻祖，他們用槓桿、齒輪和彈簧等構成的機器來類比生物，其理論基礎是牛頓力學。機械論者把生物視為機器，對生物學從中世紀唯靈論的束縛下解放出來起了決定性作用。在燃燒學說和熱力學建立後，以普雷斯特（Priestly J）為代表，主張生物體是一部燃燒著的熱機。在維勒（Wohler F）合成尿素和巴斯德（Pasteur L）關於微生物的生物化學開創性工作之後，人們認識到生物體更像一座化工廠，它不僅燃燒著食物，還要合成生物需要的各種物質。化學熱力學及開放體系非平衡熱力學是這類觀點的理論基礎。

20世紀中期，分子生物學得以建立，遺傳、蛋白質生物合成等生命現象可以在分子水平上加以剖析，實現了生物學從整體研究向分子水平研究的轉變。生物機器就自然演變為分子機器了。生物體就是由分子機器組裝出的一個複雜的自動控制的化學工廠。卡洛（Calow P）在《生物機器——研究生命的控制論途徑》一書中闡述了這一觀點。隨著分子生物學的發展，揭示出蛋

白質和核酸等大分子在生物體中儼然是一架精心設計的靈巧機器，執行著特定的使命。

2.分子工程與分子機器

隨著化學與相鄰學科對分子的掌握日益得心應手，分子設計和分子工程應運而生。近年來，國內外在化學、材料科學和生命科學中都己越來越重視分子設計和分子工程，並不乏成功事例，標誌著化學正步入人們嚮往己久的分子工程學階段。化學過程的開發若能用分子元件實現確定工程目標，這樣的分子工程實質上就成為分子機器的設計與製造了。20世紀80年代聚乙烯、聚丙烯均相分子催化劑的研製就是一個範例。

伊文（EvenJA）於1980年受僱於埃克森（Exxon）公司，開始研究ZieglerNatta催化劑定向聚合奧秘。經過他及其他一些研究組的努力，將環茂二烯及其衍生物與鐵等金屬原子的絡合物開發成為聚乙烯和聚丙烯的催化劑。通過對兩個環茂二烯分子之間的結構與對稱性的改變，可以調控聚乙烯鏈的支化和聚丙烯側鏈的定向排列。他們的研究證實烯燒聚合採取順位插入的機制，配合物催化劑猶如一臺分子紡車，精密地控制單體的聚合。環茂二烯金屬絡合物作為分子機器革新了重要塑料的工業合成。這一範例表明不僅生物的酶可以實現化學反應的高效、專一和原子節約，人工設計的催化劑也可達到分子機器的水平，這將是21世紀化學與化學工程所要追求的一個目標。

3.超越微電子器件的極限——分子器件

20世紀40年代建立的固體量子理論，為半導體科學技術的發展奠定了基礎。1947年晶體管發明、1958年集成電路問世，從此，大有一日千里之勢，集成規模從每芯片幾十個元件，發展到每片集成百萬個元件以上的甚大或巨大規模集成電路。隨著器件尺寸的縮小，集成密度按平方關係提高，速度和功耗亦大幅度改善。微細加工技術是微電子工藝發展的關鍵。90年代初線寬達到0.25μm，1998年己實現0.15μm的突破。由於微細加工方法精度有限及在器件小尺度時量子效應將佔主導地位，這些都跟制了器件尺寸的進一步縮小。當前，將0.1μm作為晶體管定義下的尺寸極限。

80年代設想以功能分子或生物分子作為電子元件，將分子開關應用到計算機，描繪出了分子電子學的前景。開展分子組裝製備分子器件成為90年代研究熱點，萊恩（Lehn JM）超分子化學的提出促進了這一領域的研究。近年來，取得了令人鼓舞的進展。利用細胞紫紅質組成的LB光電薄膜可以清晰地記錄人像，這是分子器件的一個突破。已設計和合成出旋轉體分子，它是由線型分子穿過大環狀分子組成，環狀分子的位置可受外部信號控制。這類超分子可視為光控分子機器的雛形，也可發展為分子記憶元件。分子導線、分子開關、分子整流及分子存儲等元件的設計與合成皆己有引人注目的結果。

二、分子機器的特點和功能

與常規機器相比，分子機器在組成元件、部件連接方式、機器尺度及機器工作原理等方面皆有極大差異。常規機器是由宏觀的元件靠物理的方法機械組裝構成，如齒輪、槓桿等部件用螺絲、焊接等方式組裝成機床、汽車、電腦等機器。而分子機器是由原子、功能基團或分子等微觀元件，藉助原子間的化學鍵，或分子間鍵形成的一個有序功能系統。由微觀元件配裝出的分子機器在尺度上處在納米範圍，故又稱其為納米機器。當然，由納米機器還可進一步組裝，形成更大的組織，如自然界生長出的細胞、器官和生物體，但其基本的功能元件是生物大分子。機器元件與其連接方式的原則差別，決定了這兩類機器工作原理的不同。常規機器是建立在力學、熱力學、電磁學及固體物理的基礎之上，分子機器主要是以分子生物、化學、量子力學和非線性科學等為其理論基礎。

由分子等微觀元件組成的分子機器可能具有何種功能？機器的功能一般是指對輸入到輸出的變換方式，可用系統論的傳遞函數來描述機器的功能。這裡廣義的變換泛指傳輸、儲存和變換三種類型。輸入與輸出的對象概括地可分為物質、能量和信息三種。依據輸入、輸出的類型，則有物質變換的機器、能量變換機器和信息變換的機器三大類。按變換的具體形式，又可細分為若干亞類，如傳輸信息的機器、儲存信息的機器和變換信息的機器等。

酶是一部物質變換的精密機器，它高效與專一地催化生物化學反應，驅動生物體內的各種代謝變化。α-澱粉酶是一部切割葡萄糖昔鍵的分子機器，它切斷長鏈，使澱粉最終變為α-麥芽糖。血紅蛋白是由4個亞基部件構成的運輸O2分子的分子機器，它從肺氣泡中取氧，然後輸送給肌紅蛋白和其他需氧的細胞和組織。

存在於植物、藻類和細菌中的光合作用中心是一部結構複雜的能量轉換器，它利用天線分子葉綠素吸收光能，引發光化學反應，形成腺昔三磷酸（ATP），再還原生成糖，最終實現了光能至化學能的轉換。

DNA是由四種脫氧核糖核酸單元形成的雙螺旋結構的生物大分子。DNA序列貯存著遺傳信息，它充當生命之藍圖。通過自主複製得到永存，通過轉錄生成信使mRNA，以新生的mRNA為模板，翻譯成氨基酸序列。

自然界在上億年的進化中，創造出瞭如此高效精美的無數分子機器，確實令人驚歎！但人類從不滿足於欣賞，而是要創新。猶如化學在發掘天然產物的過程中，創造出了不僅在數量上，而且在性能上也超越天然的合成化合物。人類在學習生物分子機器的過程中，定將會創造出人工分子機器。令人興奮的是這一創造己經開始。諾貝爾獎得主科裡（Corey EJ）開創的以環狀棚炕作手性配體進行的不對稱合成有極高的選擇性，這是一個典型的模擬酶。格雷茲（Gratzel M）研製的光驅動的分子電子泵，是以釘配合物做光敏劑，模擬光合作用，獲得了光電轉化效率達10%的突破性進展。現已將具有信息傳遞、分子識別功能的DNA組裝成像集成電路的芯片，用做基因鑑定、將會為生物醫學與臨床診斷開創全新的局面。應用DNA進行計算，已解決哈密頓路徑問題，雖然只是在實驗室試管中的計算，但它展現了分子計算機的誘人前景。

自然進化付出了漫長的歲月，人類學習自然並超越自然也不可能一蹦而就。1824年維勒（Wöhler F）合成出尿素，1965年後，肯席（Kishi Y）等完成了存在271種異構體的海葵毒素的全合成。與生物分子機器相比，上述所引結果仍十分原始，無論結構的精巧與性能的效率皆還相距甚遠，但重要的是人類已開始向分子機器這個方向邁步。從尿素到海葵毒素合成的科學歷史給我們以啟示，精巧高效的化學酶、人工光合成中心、分子智能機、分子計算機、能複製的分子機器，乃至人工生命等分子機器遲早定將問世，這是科學發展之鐵的邏輯。

三、有待解決的問題

分子機器的種類繁多，但皆涉及如何依據功能設計分子機器與如何實現設計，這是製造分子機器的兩個基本問題。

1.如何設計分子機器

目前，人類還不能像設計機床、汽車與電腦那樣來設計分子機器，因為尚無系統理論來指導如此複雜的設計，但大自然花費了上億年的進化時間，已設計和創造了精巧的分子機器。生物體是人工分子機器可以借鑑的寶庫和範本，模擬生物是設計人工分子機器的一條途徑。分子機器的仿生方法就是在分子水平上再現生物功能的策略，生物大分子的結構及其工作機制自然就成為人工模擬的基礎。測定蛋白質、核酸等大分子及其有序組合體的結構，揭示結構與功能的關係，不僅是分子生物學發展的需要，也將為人工分子機器的設計提供原型與啟示。

模擬不是複製，它是借鑑生物體系的結構與功能，以簡化的模型體系來模擬生物系統，讓其在不同程度上再現生物分子機器的某些重要特徵。鑑於生物系統的複雜性，仿生模擬是必要的，也是科學的。在開展直接研究生物體系的結構與功能的同時，發展仿生模擬的工作，使兩者相互促進，相得益彰。米切爾（Michel H）等成功地從綠紅極毛桿菌中分離提純了光合作用中心，測定了其單晶的三維空間結構，分析了單電子傳遞的根據。莫爾（Moore T A）等設計的五元人工光合成體系，就是模擬光合中心的結構，將光敏分子、給電子體和受體等組元通過鍵合，形成的分子有序組合體，其電荷分離態的壽命已達340μs。

依據現有的化學與物理等學科的理論，利用己積累的經驗進行分子機器的設計，也已有成功事例，不失為一有效的方法。用環茂二烯金屬有機化合物均相催化烯短聚合，這一分子催化劑就是一部分子機器，它控制著單體的聚合和取向。這一分子機器的設計依據了丙烯定向聚合的柯西（Cossee P）等的模型，以及金屬有機化學的理論與經驗。這是近年來取得具有重要工業價值的分子機器，令人鼓舞。

為使分子機器在未來達到程序化設計的水平，建立系統的理論和完善的數據庫是必不可少的條件。分子機器的數據庫包括結構元件、機器類型與結構、結構與功能等，它為設計提供了選擇空間，也為揭示分子機器的原理與規律準備了素材。

分子識別和化學事件的有序組合是分子機器涉及到的兩個基本理論問題。

分子機器當應能專一而有效地將輸入變換為輸出。首要要求的是機器能接受與識別輸入的對象，一般將要涉及分子識別。通常理解分子識別為底物與給定受體問選擇性地鍵合，併產生專一性功能的過程。迄今發現選擇性鍵合通常不是單一原子間的鍵合，而是分子間多個原子間的鍵合，如DNA形成雙螺旋、酶與底物間的結合等。怎樣引發識別，中間識別過程如何進行，多位鍵合是逐一實現，還是協同並行操作，何時停止識別，誘發出專一的功能。識別過程與功能產生的關係等基本問題有待眾多學科交叉協作，方能創造性地解決。

分子機器的運行與常規機器相似，必定也由一系列事件順序操作完成。不同之處在於分子機器是由分子元件參與的事件，而常規機器由宏觀部件的操作完成。分子參與的物質、能量及信息變換統稱為化學事件。一系列化學事件的有機組合，產生出生物的特徵行為，是生物分子機器的本質和要害所在。如何將化學事件有序組合，以產生特定功能，這是分子機器設計最困難的問題，對化學、物理、分子生物、信息及非線性科學等學科將是一個極大挑戰。

2.如何實現設計、製造分子機器

自然巳進化出各種蛋白質、核酸等分子機器，並自組裝出了細胞、組織、器官及完整的生物機器。由為數不多的氨基酸等元件組裝出了形狀各異、功能奇特的生物世界。大自然不僅表明分子機器是可以製造的，並己創造了非常有效的自組裝方法和複製方式。組裝生物分子機器的程序己儲存在分子結構的信息中，通過指揮裝置和起動器（如神經組織、激素等），進行著空間上定位、時間上有序的複製、轉錄、翻譯等過程，最終導致生物機器的完整裝配。直接利用生物大分子，或對其進行修飾以實現確定的功能是當前製造分子機器富有成效的方法，如DNA芯片、DNA計算機及其他基因工程所取得的重大進展。無疑，這種生物的自組裝和自複製的方法是製造人工分子機器追求的目標，人類正在模擬這種模式，自組織膜及自複製分子的合成就是這類研究的開始。

化學家己嫻熟地掌握了變革分子的合成技術，毫不誇大地說，凡是自然界所創造的有機分子，合成化學家都能在反應瓶中製備出來，B12和海葵毒素的全合成就是證明。應用合成化學的方法也能製造分子機器，在烯烴聚合的分子催化劑及模擬酶等方面已有成功事例。諾貝爾獎得主萊恩倡導的超分子化學，在製造分子機器方面己顯示出巨大的潛力。超分子催化劑比分子催化劑具有更高的選擇性，它是模擬酶的合適模型。與剪裁分子的技能相比，人類在組裝分子的技術方面就大為遜色了。開發多種組裝技術已成為製造分子機器亟待解決的問題之一。

第三種方法是納米技術，Drexler K是其代表人物，他設想、使用裝配器，可選擇單個分子（或原子），並讓其定位，然後讓它與另一個分子（或原子）相互作用，由此實現組裝分子（或原子）的操作。STM搬移原子技術的成功，為這種裝配器納米技術的研製帶來了希望。但是，如何應用STM來變革分子和裝配分子尚存在嚴重困難，有待創新。

人工機器的方方面面，從原始材料、元件加工、配裝流程、操作方式、動力系統及機器功能等無不已經跨越了一個又）個時代。20世紀以前，所有人工機器皆屬於宏觀元件構成的常規機器。那麼，21世紀將是一個轉折，人類將迎來一個以微觀元件構成的分子機器的時代。誠然，分子機器時代的曙光己依稀可見，但要解決分子設計和製造中的難題還要人類付出極大的努力，才會使分子機器真的成為我們認識世界和變革世界的工具。無論前面的道路多麼曲折坎坷，我們相信在征服這些艱險之後，將會帶來異常的驚喜，發現一個從未見過的精巧絕倫的分子機器樂園。那時，人類連同他的創造物將會更好地與自然融合，展現出美妙的天人合一的世界。

郭國霖

桂琳琳，1933年1月生於浙江慈城。教授、博士生導師。1953年畢業於北京大學化學系並留校任教，現任《化學學報》與《物理化學學報》編委等職。1992年被國家科委聘為攀登項目“功能體系分子工程學的研究”首席科學家。曾獲國家教委科技進步一等獎、二等獎，石油部科技進步二等獎以及中國科學院科技進步二等獎。

唐有祺，1920年7月生於上海。1924年畢業於同濟大學，1950年獲美國加州理工學院博士學位並留校任海爾（Hale GE）博士後研究員，1951年回國任教於清華大學化學系，1952年到北京大學任教至今。現任北京大學教授，物理化學研究所所長，國家教委科技委主任，中國科學院院士。曾任中國化學學會理事長等職。

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