牛津通识读本：分子 [15]
天然纳米技术
合成分子马达要想与天然的马达蛋白比肩，还有很长的路要走。完全人工制造它们真的有意义吗？有没有可能调整现有的马达蛋白并与其他纳米技术相结合呢？一些研究人员已经将马达蛋白从细胞中分离出来，并用化学手段修饰它们，使它们能够完成新的任务。
1997年，普林斯顿大学的斯坦尼斯拉斯·莱布勒和同事们从马达驱动蛋白出发做出一种器件，能够将微管排列成有组织的模式。他们用化学手段将四个驱动蛋白连接起来，形成的组合体很像带四条腿的生物。将其与微管混合在一起，并加入ATP，这些驱动蛋白组合体就会一个接一个地拉动微管，最终形成星状结构（如图31），非常像细胞分裂第一阶段所形成的结构（参见第65页）。
图31 对蛋白质进行修饰，制成半合成分子马达，可诱导微管组成星状结构
在西雅图的华盛顿大学，维奥拉·沃格尔和同事们利用驱动蛋白成功地在表面上朝选定方向推动微管。他们在表面上施以聚四氟乙烯涂层（PTFE）—— 一种不粘涂层，更通俗的名字是特氟龙——再将驱动蛋白分子附着于表面上。涂层是通过摩擦一块PTFE施加上的，于是在摩擦时，聚合物膜就沿摩擦方向形成了凹槽和凸脊的条纹结构。聚合物长链的方向应当与这些凸脊的方向平行。驱动蛋白分子就倾向于附着在这些凸脊上，也就是说它们会排成定向的列状。当微管传送的时候，这些列就成为线性的轨道：驱动蛋白分子像水桶传递接力那样一个接一个地传送微管。在细胞中，微管分子是“固定的”，驱动蛋白是运动的。而在这些实验中，马达蛋白固定在表面上，于是它们的行走运动就推动了微管。
迄今为止，生物分子马达与人工微工程领域最激动人心的融合发生在2000年底，是由纽约州伊萨卡市康奈尔大学的卡罗·蒙泰马尼奥和同事们所实现的。他们使用分子旋转马达推动了一个微观的金属螺旋桨叶片，叶片大约150纳米宽，长度约为宽度的十倍。我们之前曾提到过的ATP合成酶有一个头部，在将ADP转化为ATP时，头部绕着与膜相连的转轴旋转（参见第83页）。蒙泰马尼奥和同事们用金属镍蚀刻出微观的基座，并将ATP合成酶的头部固定在基座上，再将金属叶片固定在转轴上。在适当的条件下，ATP合成酶能够反向工作，将ATP分解为ADP，同时旋转。研究人员向转子提供ATP启动这一过程，继而看到它们在显微镜下开始旋转，平均每秒转五圈（如图32）。
图32 （a）微观的金属叶片固定于旋转马达蛋白ATP合成酶上，在ATP作用下马达蛋白驱动叶片旋转。（b）这种组合体所组成的阵列。其中只有非竖直方向的叶片是按照预期正常工作的，这也说明并非每一例合成都成功
这样的研究拓展了利用分子马达实现分子受控运动的前景，也为化学合成带来了分子尺度这一全新的层面。化学家不必再依赖于漂浮在溶液中的分子随机游荡、碰巧相遇，而可以精确地指定分子应当前往哪里。因为大自然已经设计出了用于这一目标的一系列奇妙的分子机器，所以我猜测分子纳米技术学家会越来越多地利用细胞中的小机器，而不是从头开始设计。这不仅是面向产生机械运动的问题，也面向能量产生、传感器、信息处理等很多领域。我们可能会见到生物学与从前截然不同的学科融合起来，比如机械工程、电子工程等等。正由于这个融合会带来学科独自发展所无法取得的成果，我们可以给它起个新名字，称之为生物协同工程。
注 燃气机在循环中点火耗能、产生运动的关键一步。——译注
注 费林加因该项研究成果获得2016年诺贝尔化学奖。——译注
第六章
传递信息：分子通信
我们每一个个体都是一片新世界。而从分子的视角看生命，一个个细胞非常像一座座城市，里面住满了分子居民。我们多细胞的躯体正是不同城镇之间协调合作的产物。细胞和细胞之间需要相互沟通，就像伦敦和利物浦、纽约和费城——信息会沿着电线传递，或是由信报员来送达。血液和淋巴循环系统像交通运输网，货物在路网上输送到四面八方。正如贝采里乌斯所言：“这种生命的力量是身体机能与原料之间相互作用的结果。”
长久以来，分子生物学只满足于记录细胞的社会网络：推断哪种分子在对哪种分子说话，分子怎么来、怎么去。但这终究是不够的。我们还需要知道，分子说了些什么，信息是怎样一步步地传递的。药物化学家可以利用这些信息来研发新药。医学中一个基本的大问题就是搞清怎样参与体内分子的对话，从而拦截有害的或令人不适的信息，发出新的警告信息，阻止那些不希望发生的相互作用。
很大程度上由于生物化学领域的这些努力，化学本身的面貌得以焕然一新。化学家在生物学中看到的种种可能性点燃了他们的想象力。尽管化学工业有很大一部分致力于生产“消极”的产品——新型的塑料、水泥、粘胶、颜料、合成纤维——但药物分子却总是与它们有点不一样。药物的任务是要参与到一个动态的过程中，去影响细胞的活跃生命。它们像是在扮演剧中角色的演员——诚然，它们经常要靠扮演别人来发挥作用。如今，化学家也已经开始认识到，可以在纯合成化学系统中实现这样的动态活力。于是化学逐渐地较少关注单种分子的性质，而更多地去关注一群不同的分子如何作用——彼此结合或破裂，相互修改各自的趋向性，传递信号。化学开始成为一种过程的科学。
本书中我讨论的很多成果都支持这样的观点，比如研发分子太阳能电池、化学传感器、分子纳米技术、进行信息处理的分子器件等。这个领域内的很多研究都可以用超分子化学这一词来概括，意即超越了分子的化学——关于沟通着的分子的科学。
在本章中，我会首先探索生物学里分子负责通信的几种方式，之后再稍微领略一下如何对合成分子促进类似的群居共生。和以往一样，我们必须记住，尽管大自然是有启发性的，但它却也是吝啬和盲目的。生物所使用材料的广度很有限，而且生物倾向于无止境地为适应新的目的而给出还不错的解决方案，不会每次都完整地探索整条新的大道。正如喷气式飞机并不是放大版的鸽子，睿智的分子工程师从自然界中得到的是原理，而不是设计图。
分子邮件
当星罗棋布的小王国和小城邦为了合作共赢而一致尊重中央当局的权威时，意大利和德国才成其为国家。同样，若不是细胞们类似行事，我们的躯体也就无法成为一个有一致性的整体。这意味着，体内必须要有某种机制，可以向全身发送关于动作的指示、命令和召唤。从大脑出发的神经信号就是躯体协调动作的一种方式。它们是躯体的电话系统。
而在整个身体范围内传送的常规信息则像是寄信，以分子形式作为群发邮件投入血液，这种分子就称为激素。激素的形态和功能多种多样。有的激素是大蛋白质，有的则是小有机分子。有的溶于水，有的则不溶（也就意味着要有信使分子在血液中携带它们）。有的传递紧急消息，比如“快跑！”有的则产生长期的效应，比如促进成长或者性征的发育。
所有激素都是内分泌系统的产物，这个系统包含一系列腺体，它们组成了对整个身体至关重要的调控体系（如图33）。我们已经看到了胰腺中产生的胰岛素和胰高血糖素如何控制血糖含量（参见第78页）。与此类似，细胞的代谢速率是由甲状腺所释放的甲状腺素和三碘甲腺原氨酸所调节的。这些激素能够一定程度地改变心跳速率，从而影响能量的产生和氧的消耗。
图33 身体的内分泌系统，即一系列产生激素的腺体
内分泌系统的控制中心是一个脑部的腺体——下丘脑。下丘脑与它下方的垂体相连，激素就从垂体出发被派遣到其他腺体。例如，代谢速率下降会刺激下丘脑，下丘脑向垂体发出一种叫作促甲状腺激素释放激素的分子。垂体继而就开始发出促甲状腺激素，触发甲状腺采取行动。
垂体释放的所有激素都是多肽，即像蛋白质的较小分子。例如，抗利尿激素通过调节肾脏中尿液的生成来控制体内的含水量。生长激素刺激细胞的增殖，在儿童期和青春期发挥重要的作用。生长激素还能在需要修复时——如伤口愈合时，刺激组织的局部生长。
肾上腺制造一些重要的类固醇激素。这些不溶分子的碳骨架含有若干连在一起的小环。某些类固醇——如皮质醇——能够调节身体能量源的储存和利用，即葡萄糖到糖原的转化，及蛋白质切断成氨基酸。健美人士及运动员会利用这些激素（合法地或非法地）增加体重、锻炼肌肉。
正如你可能已经想到的，肾上腺素也产自肾上腺。在身体响应压力时，它和去甲肾上腺素一起，会迅速释放到血液中。这两种激素能使心率加快，血管扩张，提高对肌肉的供氧量，从而为肌肉最大限度发力做好准备。
性腺（女性为卵巢，男性为睾丸）所释放的激素能够分化性别，并在青春期引发发育的变化。男性体内的睾酮促进精子的产生。女性体内的雌激素和孕酮控制女性生理周期，而这两种激素的制造又是由垂体释放的激素调节的，分别称为卵泡刺激素（FSH）和黄体生成素（LH）。
上述两种激素调节着女性在月经周期中的排卵。在妊娠早期，血液中高含量的孕激素和孕酮抑制了FSH和LH的产生，从而抑制排卵。避孕药也有相同的效果：药里包含雌激素和孕酮，从而诱骗女性的身体以为她已经怀孕了。
当女性到了30多岁时，雌激素的产生量就会下降，特别是在更年期。低水平雌激素的副作用包括易感冠心病、骨质疏松等，这恰是调控雌激素进行激素替代疗法的两种最主要的疾病。这种治疗方法仍然存在争议，因为长期使用雌激素本身也会有副作用，包括易感乳腺癌及各种心脏病。
激发细胞
人体怎样解读激素信息呢？这依赖于信息本身的特性。有的激素可以穿过细胞膜，在细胞里与受体蛋白结合。这样就可以激发受体，刺激特定基因的转录，制造出细胞所需的蛋白质。这称作激素的基因直接作用机制，它作用于较小的不可溶激素，因而能够穿过脂类组成的细胞膜。
但很多激素最多只能敲敲细胞的大门而已，尤其是那些多肽和蛋白质分子的激素。它们会在细胞表面得到管家——受体蛋白的接待，受体蛋白的任务就是将信息传达至细胞内的其他分子。
和大多数分子通信类似，信息从激素传达到受体蛋白的方式颇为亲昵。分子之间毫不