第385次香山科學會議聚焦自組裝本質規律研究

　　自組裝是超分子科學最關鍵的問題之一。自組裝是組裝基元通過分子間相互作用自發地形成有序結構的過程，是創造新物質和產生新功能的重要手段。

　　出席日前在京舉行的以“功能超分子體系：多層次的分子組裝體”為主題的第385次香山科學會議的中外專家指出，揭示自組裝的本質和規律是當前自組裝研究的迫切需求;盡管國內外自組裝的研究取得了較快發展，但依然有許多問題亟待研究。

　　構建新物質新功能的有效手段

　　自組裝研究的基本問題是揭示組裝基元間分子間相互作用的本質和協同規律，在此基礎上實現對自組裝過程的調控，并制備具有特定功能的自組裝體系。

　　法國路易斯巴斯德大學Jean-Marie Lehn教授應邀到會作了主題評述報告。他在報告中指出，可用于自組裝的構筑基元非常豐富，包括有機分子、合成高分子、生物大分子、離子、膠體粒子、超分子及聚合物等，涉及化學、物理、材料以及生命科學等諸多領域，被認為是解決材料、能源、健康與環境等當前人類發展面臨的主要挑戰的希望所在。由于自組裝的本質在于各種分子間的相互作用，因此自組裝材料具有可逆、自適性甚至自修復的特征，可在環境友好的條件下形成和循環;此外，利用自組裝形成的特殊超分子結構，再結合化學合成還可能制備常規化學合成無法實現的材料等。

　　發展新型的組裝基元，創造多種多樣的自組裝體系一直是自組裝研究的重點之一;它既可為理論研究提供模型，又可為功能研究提供相應的材料。從自組裝研究的歷史來看，每一種新的、功能獨特的組裝基元的出現和使用都推動著自組裝研究邁上一個新臺階。也正是基于這些組裝基元和組裝體系的研究，才導致分子識別、協同效應等概念的提出，并豐富自組裝研究的范疇。由于自組裝體一般在納米尺寸，因此自組裝也是制備納米結構和器件的重要手段;同時自組裝的構筑基元豐富多樣，不僅可以是合成有機小分子，還可以是無機分子、合成高分子、生物大分子、膠體顆粒及納米粒子等，甚至可以利用超分子聚集體作為基元進行高層次組裝。

　　與會專家認為，實現對自組裝過程的調控是當前自組裝研究的難點，也是自組裝發展的突破點。雖然從根本上實現對自組裝過程的調控是科學家們的夢想，但目前調控的策略與手段還相當匱乏，因此發展可控自組裝方法，對于實現自組裝體的功能至關重要。目前，我國科學家通過各種調節手段，如光、pH值、氧化還原、生物酶以及主客體相互作用等，已在超分子表面活性劑組裝行為研究方面取得進展。

　　引領生物醫學技術創新

　　生物自組裝是自組裝的最高形式。自然界的一切生命以及相關功能都是分子通過多重弱相互作用協同，以非常精密、準確和程序化可控的方式自組裝而實現的，并能夠實現對多種刺激的響應，實現復雜的功能。開展模擬生物自組裝研究，將有利于實現復雜功能組裝體系的構建，獲得類生物功能的化學體系。

　　專家認為，自組裝是生命活動的根本，開展生物和仿生自組裝研究將從源頭上提供調控生命過程的新方法和新工具，包括發展基因芯片等在內的新一代高靈敏度、高特異性檢測技術，提供新型智能載藥體系和獲得具有更好生物相容性的材料等，并由此引領生物醫學技術的創新。如基于對DNA堿基互補配對原則的充分認識，人們已經可以從分子水平設計并構建DNA的多層次組裝體，包括核酸傳感器、DNA分子馬達、刺激響應性智能材料或DNA的各種維度組裝體。通過對生物分子動態組裝過程與驅動機制的研究，還將促進對生命過程的了解，開發高靈敏度、高選擇性、低副作用的疾病診療手段，破解生命起源的奧秘。

　　模擬生物組裝已從最初的生物膜結構的模擬，發展到生物膜某些動態結構和功能的模擬以及利用生物特異性相互作用進行可控復雜體系的組裝。許多人工構建的薄膜體系可用于研究界面和表面分子識別，并可作為生物輸運的載體等。雖然生物模擬組裝的靈感源于自然，但該領域的研究更在于創造。美國哈佛大學S. S. Mansy等人在實驗室人工構筑出一種單細胞模型，這種模型能夠自我復制和進化，已經具備了“生命”的基本特征。此外，模擬生物組裝有望實現持續高效的光合成反應，在能源科學領域有著重要意義。

　　揭示自組裝本質和規律

　　與會專家指出，當前無論是化學自組裝體系的研究，還是生物演化過程的探索，都面臨同一個問題，即如何理解和應用自組裝的本質和規律。分子自組裝的本質在于各種弱相互作用和協同效應，有關理論研究遠不能滿足實驗研究的要求，尚無很好的理論能夠指導實驗研究。盡管分子自組裝研究已取得一些重要進展，但目前的分子自組裝方法多為一級靜態組裝，具有能量和物質交換的動態自組裝尚處于初級研究階段，構建復雜的功能組裝體系仍是一項重大挑戰。對分子組裝過程的認識尚待深入，亟須發展可控的自組裝方法，實現有限尺度的功能體系組裝。分子自組裝的發展應致力于結構構筑與功能組裝相統一，雖然組裝體的功能多種多樣，但核心科學問題，即電子轉移、能量傳遞和化學轉換等問題亟待闡明。

　　專家分析認為，雖然目前對組裝基元的研究范圍很廣，但可控自組裝基元的研究尚須加強;盡管對自組裝體結構和性質的研究較多，但對組裝本質和規律的認識較少，特別缺乏自組裝的系統理論;對組裝體結構的表征研究較多，但缺乏組裝過程的表征方法;以基礎性研究為主，功能導向的研究較少;從化學和材料的角度研究較多，與物理、生命科學的交叉尚待加強，因此揭示自組裝的本質和規律是當前分子自組裝研究的迫切需求。

　　“復雜超分子體系的研究是分子自組裝未來研究的目標之一。自組裝的研究只有從單一體系發展到多元體系、從單一層次發展到多層次、從靜態發展到動態、從不可控發展到可控、從模型體系發展到功能材料，才能推動源頭創新，實現自組裝研究的突破性發展。”Jean-Marie Lehn說。