分子仿生为构建新体系与发展生物新材料提供空间

——第387次香山科学会议综述

　　仿生体系的分子组装是化学、物理学、生物学和材料学等交叉领域的一个研究热点，分子仿生的理念成为近年来国际科技界普遍关注的一个前沿科学问题。出席日前在北京举行的以“分子仿生”为主题的第387次香山科学会议的专家指出，分子仿生将在人类探索生物世界奥秘、新材料合成和新型功能器件的研制等方面发挥重要作用。

　　分子马达值得期待

　　在生物体与生命过程中，生物分子通过不同层次的自组装，由微观到宏观，自发地形成了复杂且精确的多级结构体系，实现了各种特异性的生物功能。会议执行主席、中科院化学所李峻柏研究员在题为《分子仿生》的主题评述报告中介绍，分子仿生是以人工合成分子或生物基元为研究对象，在分子水平上组装或制备结构与功能仿生的新材料与新系统，研究与模拟生物体中蛋白的结构与功能、生物膜的选择性、通透性、生物分子或其类似物的检测和合成等。分子仿生可以模拟生物体实现多功能的集成与关联，制备智能材料或分子机器，也可以仿生实现生物相容和生物功能，制备生物医用材料与器件，为现代材料科学、特别是生物新材料的发展提供了无限的创新发展空间。

　　生物分子马达是将化学能转化为力学能的生物大分子。这些大分子广泛存在于细胞内，它们是蛋白质，也可以是DNA，常处在纳米尺度，因此也称作“纳米机器”，分布在线粒体膜内的ATP合酶被认为是迄今为止最小的一种旋转分子马达。

　　哈尔滨工业大学微纳米技术研究中心贺强教授介绍，将从生物体中分离的ATP合酶重组到仿生微胶囊上，不仅能实现活性蛋白在体外的重组，再现生物体中ATP合成的生物过程，更好地理解活性蛋白功能，同时也有助于人们模仿生物体的自组装、识别及跨膜的物质传输等功能，开发出相应的功能材料和器件，如新的仿生材料、药物靶向输送和控制释放载体等。

　　清华大学隋森芳教授介绍了生物三维电子显微学在这方面的进展及其在分子仿生领域中的意义。隋森芳说，在较复杂的系统层次上对生物大分子自组装体系以及由它们进一步形成的亚细胞结构的组装、结构及功能的研究已经成为现代生物学研究的热点之一。

　　会议执行主席、清华大学刘冬生教授指出，核酸分子马达未来的研究热点应该是定量研究核酸分子马达的做功过程，揭示纳米尺度下的能量转化规律，制备出生物医用领域中的智能材料，同时为研究蛋白质分子内/间相互作用提供工具。

　　仿生膜制备仍面临诸多挑战

　　细胞是组成人体和生物体的基本单元，细胞膜具有其特定的组成、结构和功能，对细胞的生物活性和功能具有决定性的意义。通过对细胞膜的材料、结构和功能进行科学的模仿制成“仿生膜”，将有望创造出化学、生物物理、生物化学、医学和药学的新概念和新技术。会议执行主席、中国科学院长春应用化学研究所汪尔康研究员说，进一步揭示天然生物膜的奥秘，更加充分地了解和掌握其生命机理，对解决医学、农业以及工业上的实际问题具有重要的指导意义。

　　李峻柏介绍，仿生膜的研究就是在充分了解和认识生物膜的组成、结构和功能，尤其是磷酯、脂质体和蛋白及其结合体的结构和功能的基础上，设计与制造出与其组成或结构相似的仿生膜体系，模仿生物膜的信息传输和识别功能。

　　中科院过程工程研究所张欣研究员指出，仿生膜结构材料的可控制备依然面临着诸多挑战，包括尺寸和均一性的控制、仿生膜的结构模拟、更复杂的仿生膜及其功能的设计与调控、规模化制备技术和装备以及仿生膜的实际应用等。仿生膜的可控制备目前还停留在试验阶段，开发新型的规模化制备技术和装备并最终实现产业化，将成为未来的发展方向之一。

　　构建功能化分子仿生体系

　　会议执行主席、中国科学院理论物理研究所欧阳钟灿研究员介绍，很多天然和人工组装的结构，如病毒衣壳、蛋白质组装体、DNA聚合物和表面活性剂组装体都能形成正二十面体结构，正二十面体相对其他正多面体具备最小的弹性能量，是最稳定的多面体对称结构。这一发现对认识自组装体的形成机制和力学性质，以及新型组装体的构建和功能化具有指导作用。

　　中国科学院化学研究所范青华研究员认为，实现分子仿生体系的功能化将是未来研究中所遇到的挑战之一。

　　与会专家一致认为，从分子组装的角度研究仿生体系目前在国际上还处于发展的初期，目前我国科学家在该领域处于较为领先的地位。分子仿生研究应服务于能源、环境检测、生物医药等重大领域。重点应关注：搭建复杂生物体系的微流控技术研究平台，发展活性分子仿生体系的构建，将现有的ATP合酶马达蛋白体系拓展到其他马达蛋白体系；建立分子仿生组装体形态演化物理模型；开发新型分子仿生功能可控器件；开发新的分子仿生微纳工艺，提高仿生体系的稳定性和重现性；发展新技术提高理解分子仿生体系工作的精确性，开展分子仿生纳米机器和蛋白质分子仿生工程等前沿领域的研究等。