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282013
 


2005年是《科学》杂志创刊125周年,该杂志列出了125个我们不知道的问题。前25名是:我们能把化学自组装推进多远?Robert Service写道

…化学家们热衷于寻找创造性的新方法来组装分子。在过去的100年里,他们主要通过制造和破坏原子共享电子时形成的强共价键来实现这一点。通过这个技巧,他们学会了将多达1000个原子组合成他们喜欢的任何分子构型。

但是

……与我们周围的大自然相比,这种复杂程度相形见绌。从细胞到雪松树,一切都是通过小分子之间无数较弱的联系联系在一起的。这些弱相互作用,如氢键、范德华力和p-p相互作用,支配着从DNA著名的双螺旋到H键的一切组装2液态水中的O分子。这种微妙的力量不仅仅是驱赶分子,还可能使结构组装成更复杂的层次结构。脂质结合形成细胞膜。细胞组织形成组织。组织结合形成有机体。今天,化学家们无法接近大自然使其看起来像例行公事的复杂性。

他最后问道:“他们会学会制造自我组装的复杂结构吗?”


把“自我组装”作为一个复合词,听起来好像它适用于组装自己的结构。但许多科学家的假设不止于此:短语“摇晃并烘焙”适用于将正确的成分添加到含有正确介质和正确催化剂的锅中的过程,在正确的时间跨度内,按照正确的温度顺序加热并冷却,等等!一块纳米级的瑞士手表。


炼金术士就是这样做的,虽然它很强大——这就是我们如何将多达1000个原子通过共价键连接在一起的结构——但我们不应该期望用这种方式制造手表。事实上,一位经济学家(!)在一篇关于复杂性体系结构他提出了一个他在社会系统中观察到的替代过程,其他人也在自然界中观察到了。赫伯特·西蒙想象着两个钟表匠。一个人用它的组件组装手表,一次从头组装一块手表。另一种方法是将基本组件组装成模块,一次一个模块,制作出无数个a型模块、无数个B型模块等等,然后将模块组装成超级模块、第一类模块、第二类模块等等,再将超级模块组装成无数只手表。这种分层结构减少了错误数量,提高了效率。这也是大自然在生物学中做事情的方式。


与一个世纪前生物学家所设想的“原生质”形象相反,生物学家现在设想细胞是一个高度组织的结构,有隔板、通信链路、支持上层结构,所有这些都由大量蛋白质分子提供服务,每个分子都是特定任务的专家。这些蛋白质分子不会在人群中四处游荡;它们在隔间、走廊和其他空间中四处移动,遇到本应在那里的其他实体。服务描述为目前超出我们技术范围的结构的雪松树是受限制的结果管理组件。


由于生物系统是最常见的使用管理组装的系统,我们应该期望文献中的管理组装首先是高度生物性的。例如,Bartosz Lewandowski等人在《科学》杂志上报道说人工小分子机器合成序列特异性肽在这里,他们“报道了一种人工小分子机器的设计、合成和操作,该机器沿着分子链行进,提取阻碍其路径的氨基酸,合成序列中的肽。”


诀窍是在一个受控的空间内组织这些小任务,以获得……工厂。工厂将能够制造出比我们迄今为止制造的任何东西都要多得多的东西。