生物学与化学的结合
实验室k / 2019-04-23
在自然生命世界中寻找研究思路的趋势也对今天的纳米技术产生了深远的影响。研究方法包括狭义的仿生法，科学家们试图拷贝自然中发现的结构或者机制，以及更广义的仿生法，戏称为”生物灵感”。老问题来了：这个至少涉及化学和生物学之间紧密联盟的领域是否威胁到了化学的学科地位呢？
在化学的历史中，化学和生命科学之间的关系，犹如化学与物理学之间的关系一样，在塑造科学公众形象中是一个重要因素。前面的文章已经介绍了，在实验室创造生命的化学家大人物们是如何在炼金术传统的崩塌中幸存下来，并在19世纪随着有机合成的兴起而重新回归科学视野。在21世纪早期，有机合成化学家的形象似乎比以往任何时候都更加显赫，但是今天的科学怪人弗兰肯斯坦更像是对DNA修修补补的分子生物学家而不是古老的有机化学家的代表。
讽刺的是，在20世纪七八十年代的“塑料时代”，当合成化学品文化到达顶峰的时候，化学家们开始把注意力转向天然产物，并把它作为灵感的来源而不只是一个原始材料的供应站。以化学和生命科学这两个不同的学科相结合为背景，自然或者更精确说是生物又返回到了合成化学的世界。首先，分析生物作为原始材料来源的潜力，以制备环境友好的材料。所以，化学家们试图用植物纤维来合成生物高聚物以制备可降解的垃圾袋和其他环境敏感型的消费品。其次，在寻求设计高性能、多功能复合材料过程中，生物成为了灵感的来源。面对某些合成化合物不充足的问题，材料科学家和化学工程师意识到生物中已经存在更好的材料。因此，通过分析贝壳或最索然无味的骨骼结构，研究者们开始发现这些生物是如何制造出天然的自适应结构，以及这些结构组成材料性能在生物环境约束下的最佳组合。海胆或者鲍鱼壳呈复杂的形态，能够承担各种功能，而这些奇异的生物矿物结构就是由常见的原材料碳酸钙构成的。类似地，蜘蛛丝是极其薄而坚固的纤维，其强度重量比值是人工材料无法相比的。科学家们现在已经对木材这种原型材料重新下了定义，它不只是浸于轻木质基质中由定向长纤维构成的复合材料，而且也是具有不同组织水平结构并可观察的复合结构。因此，大自然似乎已经为现代化学家所面临的最具挑战性的问题提供了优雅的解决方案。正如材料科学家斯蒂芬·曼恩（Stephen Mann）的乐观表述：
我们知道在生物学领城已经找到了一套解决方案，我们因此备受鼓舞。那么接下来的挑战是阐明这些生物策略，进行体外检验，并将其进行合道修改并应用到相关的学术领域和技术研究中。
通常，在材料科学与工程这个交叉学科新领域的保护伞下，上述这些仿生策略促进了生物学家和化学家之间的协作。生物材料带给化学家们许多经验教训：第一，大部分材料为多功能材料并且是对各种功能之间的一个良好甚至是最佳的折中。第二，不像人工化学品，生物材料不会排除至可以说不可免会含有杂质，瑕疵、混合物和复合材料。第三，考察精细结构后会发现，生物材料存在复杂的等级结构，它在不同的放大级别中呈现不同的结构特点。
但是，仿生化学并不局限于仅仅尝试模拟生物材料的精致考究的复杂结构，纳米技术的到米也让化学家们把柱意力放在了生物材料在生物物质建造中所承担的角色上。对于纳米级物质的设计，人的双手以及其他化学家们通常所使用的工具都是毫无用处的。德勒克斯勒构想了一个合适的工具用于克服实践难题，并杜撰了“通用组装器”一词来形容这个工具。这样的人工“通用组装器”在现实中还未出现，其实最低等的单细胞生物浑身上下都是特异性的组装器。进一步讲，由于组装器可以自我组装和自我维护，所以活细胞找到了更加优雅的解决方案来执行这种纳米级的合成。自组装现象在生物系统中无处不在，从技术角度看这将大有神益，因为自组装是一个自发的可逆过程，应用广泛而且产生很少或者没有废物。
在活细胞自组装机制基础上演化出了两种不同的技术策略。第一种，科学家现在可以充分利用生物演化选择的分子机制把生物系统的建造模块拼装起来，并引导它们完成其他的目标。例如，用DNA双螺旋链的互补结构制备以DNA为模板的毫微晶体管或者其他电路，这在当今的许多实验室里是常规工作。在这个技术策略中，化学所处的首要地位让位于基因工程，因为是重组DNA完成的合成工作。生物计算是一个新的研究领域，它得益于DNA制造纳米级结构的潜在能力。生物工程师把DNA作为制造新结构的模板，在重新结合DNA时利用原子力显微镜（AFM）进行细节控制。
另一种技术策略从更严格意义上来讲属于化学策略，它涉及利用原子和分子的热力学和化学性质模拟生物体中观察到的自组装生物过程。在这个背景下化学家面临的挑战是，在不依赖于DNA遗传密码系统的情况下如何实现组分的自组装并控制自组装导致的形态发生。为了迎接挑战，化学家们在合成中调用了所有的物理学和化学的资源。这些资源包括在空间受限的反应区域、外部诱导（比如使用重力场、电场或磁场）、机械压力、改变试剂等情况下发生化学转变。在形成和打破原子间共价键时他们还喜欢使用弱键，比如氢键、范德华力等。
化学家们最近还从大自然中吸取了其他方面非常有用的经验教训，特别是关于实现他们的最终目的将意味着什么。在多年的实践和经验累积中，合成化学家们慢慢地逐渐习惯了在极端条件协助下操作反应，比如高温、低压，这些极端条件非常消耗能量，他们也会用大量的有机溶剂实施反应，然而反应一旦完成则这些溶剂很难可以安全废弃。而大自然教会我们，在室温和非常脏乱的水溶液环境下实施化学反应也是有可能的。对这些自然反应条件的模仿导致形成一种新的化学风格，1977年雅克·莱维治（Jacques Livage）首创用”温和化学”一词来表示这种化学风格。在准生理条件下利用温和化学法实施反应以获得新的物质，而同时只产生可以再生和生物降解的副产物。所有这些低成本的反应都与自然的合成过程密切相关。温和化学的发展导致了越来越多的复杂的反应原材料的使用，比如大分子、聚集物和胶体。在结合这些大型的复杂分子时，化学家们不再仅限于考虑原子和分子之间作用力强的共价键，而是与DNA模板一样，也可以有像氢键这样的弱键合力。这种定位氢键的化学导致产生了一个新的化学分支，1978年让·马利·雷恩称之为超分子化学。按照雷恩的说法，这种新化学分支其目的是用氢键和立体化学重现生物学中观察到的受体和底物（配体）之间相互作用的选择性。基于这种选择性的分子识别使得建造模块可以自组装形成超分子结构，甚至可以利用这些组装机制形成宏观的物质材料。
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