分子机器——多学科的交叉点

我们生活在机器高度发达的时代。各个时代的科学技术都在机器的设计与制造上得到综合与体现。本文将论述生命科学、化学、物理、材料与信息等不同领域的发展都导致了分子机器的研究，讨论分子机器的特点与功能，分析设计与制造分子机器有待解决的问题。

一、分子机器——多学科的交叉点

“机器为应用机械力的一种器具，由许多相互关联的部件所组成，每一部件都有一特定的功用。”这是《牛津大字典》对机器所下的定义。人类在生产活动和科学实验中制造了各种机器，以满足其生活的需要，增强认识和变革自然的能力。从某种意义上说，一部人类的文明史就是一部机器不断发展的历史。机器的发达程度既是时代物质文明的体现，也是时代科学技术水平的标志。

1.从生物机器到分子机器

生物学中活力论与机械论之争可追溯到17世纪或更远。笛卡儿等是机械论的鼻祖，他们用杠杆、齿轮和弹簧等构成的机器来类比生物，其理论基础是牛顿力学。机械论者把生物视为机器，对生物学从中世纪唯灵论的束缚下解放出来起了决定性作用。在燃烧学说和热力学建立后，以普雷斯特（Priestly J）为代表，主张生物体是一部燃烧着的热机。在维勒（Wohler F）合成尿素和巴斯德（Pasteur L）关于微生物的生物化学开创性工作之后，人们认识到生物体更像一座化工厂，它不仅燃烧着食物，还要合成生物需要的各种物质。化学热力学及开放体系非平衡热力学是这类观点的理论基础。

20世纪中期，分子生物学得以建立，遗传、蛋白质生物合成等生命现象可以在分子水平上加以剖析，实现了生物学从整体研究向分子水平研究的转变。生物机器就自然演变为分子机器了。生物体就是由分子机器组装出的一个复杂的自动控制的化学工厂。卡洛（Calow P）在《生物机器——研究生命的控制论途径》一书中阐述了这一观点。随着分子生物学的发展，揭示出蛋

白质和核酸等大分子在生物体中俨然是一架精心设计的灵巧机器，执行着特定的使命。

2.分子工程与分子机器

随着化学与相邻学科对分子的掌握日益得心应手，分子设计和分子工程应运而生。近年来，国内外在化学、材料科学和生命科学中都己越来越重视分子设计和分子工程，并不乏成功事例，标志着化学正步入人们向往己久的分子工程学阶段。化学过程的开发若能用分子元件实现确定工程目标，这样的分子工程实质上就成为分子机器的设计与制造了。20世纪80年代聚乙烯、聚丙烯均相分子催化剂的研制就是一个范例。

伊文（EvenJA）于1980年受雇于埃克森（Exxon）公司，开始研究ZieglerNatta催化剂定向聚合奥秘。经过他及其他一些研究组的努力，将环茂二烯及其衍生物与铁等金属原子的络合物开发成为聚乙烯和聚丙烯的催化剂。通过对两个环茂二烯分子之间的结构与对称性的改变，可以调控聚乙烯链的支化和聚丙烯侧链的定向排列。他们的研究证实烯烧聚合采取顺位插入的机制，配合物催化剂犹如一台分子纺车，精密地控制单体的聚合。环茂二烯金属络合物作为分子机器革新了重要塑料的工业合成。这一范例表明不仅生物的酶可以实现化学反应的高效、专一和原子节约，人工设计的催化剂也可达到分子机器的水平，这将是21世纪化学与化学工程所要追求的一个目标。

3.超越微电子器件的极限——分子器件

20世纪40年代建立的固体量子理论，为半导体科学技术的发展奠定了基础。1947年晶体管发明、1958年集成电路问世，从此，大有一日千里之势，集成规模从每芯片几十个元件，发展到每片集成百万个元件以上的甚大或巨大规模集成电路。随着器件尺寸的缩小，集成密度按平方关系提高，速度和功耗亦大幅度改善。微细加工技术是微电子工艺发展的关键。90年代初线宽达到0.25μm，1998年己实现0.15μm的突破。由于微细加工方法精度有限及在器件小尺度时量子效应将占主导地位，这些都跟制了器件尺寸的进一步缩小。当前，将0.1μm作为晶体管定义下的尺寸极限。

80年代设想以功能分子或生物分子作为电子元件，将分子开关应用到计算机，描绘出了分子电子学的前景。开展分子组装制备分子器件成为90年代研究热点，莱恩（Lehn JM）超分子化学的提出促进了这一领域的研究。近年来，取得了令人鼓舞的进展。利用细胞紫红质组成的LB光电薄膜可以清晰地记录人像，这是分子器件的一个突破。已设计和合成出旋转体分子，它是由线型分子穿过大环状分子组成，环状分子的位置可受外部信号控制。这类超分子可视为光控分子机器的雏形，也可发展为分子记忆元件。分子导线、分子开关、分子整流及分子存储等元件的设计与合成皆己有引人注目的结果。

二、分子机器的特点和功能

与常规机器相比，分子机器在组成元件、部件连接方式、机器尺度及机器工作原理等方面皆有极大差异。常规机器是由宏观的元件靠物理的方法机械组装构成，如齿轮、杠杆等部件用螺丝、焊接等方式组装成机床、汽车、电脑等机器。而分子机器是由原子、功能基团或分子等微观元件，借助原子间的化学键，或分子间键形成的一个有序功能系统。由微观元件配装出的分子机器在尺度上处在纳米范围，故又称其为纳米机器。当然，由纳米机器还可进一步组装，形成更大的组织，如自然界生长出的细胞、器官和生物体，但其基本的功能元件是生物大分子。机器元件与其连接方式的原则差别，决定了这两类机器工作原理的不同。常规机器是建立在力学、热力学、电磁学及固体物理的基础之上，分子机器主要是以分子生物、化学、量子力学和非线性科学等为其理论基础。

由分子等微观元件组成的分子机器可能具有何种功能？机器的功能一般是指对输入到输出的变换方式，可用系统论的传递函数来描述机器的功能。这里广义的变换泛指传输、储存和变换三种类型。输入与输出的对象概括地可分为物质、能量和信息三种。依据输入、输出的类型，则有物质变换的机器、能量变换机器和信息变换的机器三大类。按变换的具体形式，又可细分为若干亚类，如传输信息的机器、储存信息的机器和变换信息的机器等。

酶是一部物质变换的精密机器，它高效与专一地催化生物化学反应，驱动生物体内的各种代谢变化。α-淀粉酶是一部切割葡萄糖昔键的分子机器，它切断长链，使淀粉最终变为α-麦芽糖。血红蛋白是由4个亚基部件构成的运输O2分子的分子机器，它从肺气泡中取氧，然后输送给肌红蛋白和其他需氧的细胞和组织。

存在于植物、藻类和细菌中的光合作用中心是一部结构复杂的能量转换器，它利用天线分子叶绿素吸收光能，引发光化学反应，形成腺昔三磷酸（ATP），再还原生成糖，最终实现了光能至化学能的转换。

DNA是由四种脱氧核糖核酸单元形成的双螺旋结构的生物大分子。DNA序列贮存着遗传信息，它充当生命之蓝图。通过自主复制得到永存，通过转录生成信使mRNA，以新生的mRNA为模板，翻译成氨基酸序列。

自然界在上亿年的进化中，创造出了如此高效精美的无数分子机器，确实令人惊叹！但人类从不满足于欣赏，而是要创新。犹如化学在发掘天然产物的过程中，创造出了不仅在数量上，而且在性能上也超越天然的合成化合物。人类在学习生物分子机器的过程中，定将会创造出人工分子机器。令人兴奋的是这一创造己经开始。诺贝尔奖得主科里（Corey EJ）开创的以环状棚炕作手性配体进行的不对称合成有极高的选择性，这是一个典型的模拟酶。格雷兹（Gratzel M）研制的光驱动的分子电子泵，是以钉配合物做光敏剂，模拟光合作用，获得了光电转化效率达10%的突破性进展。现已将具有信息传递、分子识别功能的DNA组装成像集成电路的芯片，用做基因鉴定、将会为生物医学与临床诊断开创全新的局面。应用DNA进行计算，已解决哈密顿路径问题，虽然只是在实验室试管中的计算，但它展现了分子计算机的诱人前景。

自然进化付出了漫长的岁月，人类学习自然并超越自然也不可能一蹦而就。1824年维勒（Wöhler F）合成出尿素，1965年后，肯席（Kishi Y）等完成了存在271种异构体的海葵毒素的全合成。与生物分子机器相比，上述所引结果仍十分原始，无论结构的精巧与性能的效率皆还相距甚远，但重要的是人类已开始向分子机器这个方向迈步。从尿素到海葵毒素合成的科学历史给我们以启示，精巧高效的化学酶、人工光合成中心、分子智能机、分子计算机、能复制的分子机器，乃至人工生命等分子机器迟早定将问世，这是科学发展之铁的逻辑。

三、有待解决的问题

分子机器的种类繁多，但皆涉及如何依据功能设计分子机器与如何实现设计，这是制造分子机器的两个基本问题。

1.如何设计分子机器

目前，人类还不能像设计机床、汽车与电脑那样来设计分子机器，因为尚无系统理论来指导如此复杂的设计，但大自然花费了上亿年的进化时间，已设计和创造了精巧的分子机器。生物体是人工分子机器可以借鉴的宝库和范本，模拟生物是设计人工分子机器的一条途径。分子机器的仿生方法就是在分子水平上再现生物功能的策略，生物大分子的结构及其工作机制自然就成为人工模拟的基础。测定蛋白质、核酸等大分子及其有序组合体的结构，揭示结构与功能的关系，不仅是分子生物学发展的需要，也将为人工分子机器的设计提供原型与启示。

模拟不是复制，它是借鉴生物体系的结构与功能，以简化的模型体系来模拟生物系统，让其在不同程度上再现生物分子机器的某些重要特征。鉴于生物系统的复杂性，仿生模拟是必要的，也是科学的。在开展直接研究生物体系的结构与功能的同时，发展仿生模拟的工作，使两者相互促进，相得益彰。米切尔（Michel H）等成功地从绿红极毛杆菌中分离提纯了光合作用中心，测定了其单晶的三维空间结构，分析了单电子传递的根据。莫尔（Moore T A）等设计的五元人工光合成体系，就是模拟光合中心的结构，将光敏分子、给电子体和受体等组元通过键合，形成的分子有序组合体，其电荷分离态的寿命已达340μs。

依据现有的化学与物理等学科的理论，利用己积累的经验进行分子机器的设计，也已有成功事例，不失为一有效的方法。用环茂二烯金属有机化合物均相催化烯短聚合，这一分子催化剂就是一部分子机器，它控制着单体的聚合和取向。这一分子机器的设计依据了丙烯定向聚合的柯西（Cossee P）等的模型，以及金属有机化学的理论与经验。这是近年来取得具有重要工业价值的分子机器，令人鼓舞。

为使分子机器在未来达到程序化设计的水平，建立系统的理论和完善的数据库是必不可少的条件。分子机器的数据库包括结构元件、机器类型与结构、结构与功能等，它为设计提供了选择空间，也为揭示分子机器的原理与规律准备了素材。

分子识别和化学事件的有序组合是分子机器涉及到的两个基本理论问题。

分子机器当应能专一而有效地将输入变换为输出。首要要求的是机器能接受与识别输入的对象，一般将要涉及分子识别。通常理解分子识别为底物与给定受体问选择性地键合，并产生专一性功能的过程。迄今发现选择性键合通常不是单一原子间的键合，而是分子间多个原子间的键合，如DNA形成双螺旋、酶与底物间的结合等。怎样引发识别，中间识别过程如何进行，多位键合是逐一实现，还是协同并行操作，何时停止识别，诱发出专一的功能。识别过程与功能产生的关系等基本问题有待众多学科交叉协作，方能创造性地解决。

分子机器的运行与常规机器相似，必定也由一系列事件顺序操作完成。不同之处在于分子机器是由分子元件参与的事件，而常规机器由宏观部件的操作完成。分子参与的物质、能量及信息变换统称为化学事件。一系列化学事件的有机组合，产生出生物的特征行为，是生物分子机器的本质和要害所在。如何将化学事件有序组合，以产生特定功能，这是分子机器设计最困难的问题，对化学、物理、分子生物、信息及非线性科学等学科将是一个极大挑战。

2.如何实现设计、制造分子机器

自然巳进化出各种蛋白质、核酸等分子机器，并自组装出了细胞、组织、器官及完整的生物机器。由为数不多的氨基酸等元件组装出了形状各异、功能奇特的生物世界。大自然不仅表明分子机器是可以制造的，并己创造了非常有效的自组装方法和复制方式。组装生物分子机器的程序己储存在分子结构的信息中，通过指挥装置和起动器（如神经组织、激素等），进行着空间上定位、时间上有序的复制、转录、翻译等过程，最终导致生物机器的完整装配。直接利用生物大分子，或对其进行修饰以实现确定的功能是当前制造分子机器富有成效的方法，如DNA芯片、DNA计算机及其他基因工程所取得的重大进展。无疑，这种生物的自组装和自复制的方法是制造人工分子机器追求的目标，人类正在模拟这种模式，自组织膜及自复制分子的合成就是这类研究的开始。

化学家己娴熟地掌握了变革分子的合成技术，毫不夸大地说，凡是自然界所创造的有机分子，合成化学家都能在反应瓶中制备出来，B12和海葵毒素的全合成就是证明。应用合成化学的方法也能制造分子机器，在烯烃聚合的分子催化剂及模拟酶等方面已有成功事例。诺贝尔奖得主莱恩倡导的超分子化学，在制造分子机器方面己显示出巨大的潜力。超分子催化剂比分子催化剂具有更高的选择性，它是模拟酶的合适模型。与剪裁分子的技能相比，人类在组装分子的技术方面就大为逊色了。开发多种组装技术已成为制造分子机器亟待解决的问题之一。

第三种方法是纳米技术，Drexler K是其代表人物，他设想、使用装配器，可选择单个分子（或原子），并让其定位，然后让它与另一个分子（或原子）相互作用，由此实现组装分子（或原子）的操作。STM搬移原子技术的成功，为这种装配器纳米技术的研制带来了希望。但是，如何应用STM来变革分子和装配分子尚存在严重困难，有待创新。

人工机器的方方面面，从原始材料、元件加工、配装流程、操作方式、动力系统及机器功能等无不已经跨越了一个又）个时代。20世纪以前，所有人工机器皆属于宏观元件构成的常规机器。那么，21世纪将是一个转折，人类将迎来一个以微观元件构成的分子机器的时代。诚然，分子机器时代的曙光己依稀可见，但要解决分子设计和制造中的难题还要人类付出极大的努力，才会使分子机器真的成为我们认识世界和变革世界的工具。无论前面的道路多么曲折坎坷，我们相信在征服这些艰险之后，将会带来异常的惊喜，发现一个从未见过的精巧绝伦的分子机器乐园。那时，人类连同他的创造物将会更好地与自然融合，展现出美妙的天人合一的世界。

郭国霖

桂琳琳，1933年1月生于浙江慈城。教授、博士生导师。1953年毕业于北京大学化学系并留校任教，现任《化学学报》与《物理化学学报》编委等职。1992年被国家科委聘为攀登项目“功能体系分子工程学的研究”首席科学家。曾获国家教委科技进步一等奖、二等奖，石油部科技进步二等奖以及中国科学院科技进步二等奖。

唐有祺，1920年7月生于上海。1924年毕业于同济大学，1950年获美国加州理工学院博士学位并留校任海尔（Hale GE）博士后研究员，1951年回国任教于清华大学化学系，1952年到北京大学任教至今。现任北京大学教授，物理化学研究所所长，国家教委科技委主任，中国科学院院士。曾任中国化学学会理事长等职。

閱讀更多 後現代科學技術 的文章

關鍵字: 人工生命 生物技术 物理