厦门大学田中群院士：关于可控组装的一些思考——生命体中的催组装

分子组装是构成分子以上层次物质世界的重要方式。生命体内的分子组装展现了分子组装的最高形式，在组装基元、组装过程、组装环境、组装体功能等方面都显得精妙复杂。不同于人工分子组装中最为常见的自组装方式，生命体内的分子组装具有多路径、多步骤和多级次的复杂性，常常需要其他分子的参与、协助和调控。在这些调控方法中，催组装利用催组剂调控组装过程的速率和路径，是一种高效且高选择性的调控方法。厦门大学田中群院士及其合作者首次从催组装的视角，对生命体中的分子伴侣、组蛋白伴侣、别构因子等催组剂及其催组装过程进行了归纳和综述，这些催组剂在蛋白质折叠、染色质重塑、酶活性调节等过程中发挥着不可替代的作用。越复杂的组装越需要催组装，本文在总结这些催组装实例和分析其优势和规律的基础上，提出了在分子组装研究中，向生命体系学习而发展催组装的必要性及可能的途径，以期提升分子组装研究走向更高层次，并有望为软物质科学和生命科学领域的基础理论和功能应用研究提供新的视角和方法。

分子组装(molecular assembly)指的是在分子间非共价键相互作用下, 若干分子形成某种有序结构聚集体的过程, 是构建分子以上层次的功能材料和生命体系的主要方式。

人工分子组装的研究主要集中在超分子化学、高分子组装、表面分子组装等相关领域. 分子组装研究的主流方向是分子自组装, 它指的是组装基元依靠其之间的相互作用力自发地形成有序结构聚集体的过程。这些聚集体包括有限基元的组装体, 例如各种主客体体系、拓扑结构组装体、DNA纳米结构等, 以及无限基元的组装体, 如超分子聚合物、超分子有机框架、自组装分子单层、DNA三维晶体等。

虽然人们已创造出众多分子组装基元, 并对基元间相互作用进行了研究, 但目前的人工组装体系仍过于简单, 与存在于生命体内的大量复杂组装体系差距较大, 尚无法为生命体中的组装现象提供全面清晰的物理化学图景; 人工组装体也尚不具备生命体所拥有的复杂精巧的功能。

人们愈发地意识到, 分子组装的研究模式的不足是造成这种差距的主要原因。如图 1(a)所示, 人工分子组装中最为常用的方式是“自组装”, 其典型模式为在共价合成组装基元的基础上, 通过非共价键相互作用而自发形成组装体。我们认为, 分子组装研究的发展, 可能长期受到了“自组装”中“自”的观念的限制。这些研究注重面向热力学自发组装过程的组装基元的设计合成, 得到的组装体也较为简单(图1(b–g)),而对组装动力学过程、驱动力的精准调控、可重复性等的关注较少。

图1 常见的人工分子组装体系: (a)人工分子组装一般方式为自组装; (b)主客体体系; (c)分子结;(d)表面自组装分子单层; (e) 超分子有机框架; (f)超分子聚合物; (g) 三维DNA晶体。

然而并非所有的组装过程都是自发的, 复杂的组装往往需要在特定的环境中发生, 其过程常常具有多方向性, 需施加额外调控。外部调控的引入, 将使得组装过程得以发生, 且具有更高的可控性。因此, 作者在此系列文章的首篇（中国科学 : 化学，2012，42, 525-547）中提出, 将分子组装分为自组装和助组装两种; 根据“助”的方式不同, 可将助组装进一步分类为共组装、模板助组装、场助组装、催组装等。分子组装研究的进一步发展, 需要对现有组装方法进行梳理, 需要在自组装之外提出和发展可控组装新方法。

与各种人工分子组装体系相比, 生命体展现了更为精巧、复杂、高级的分子组装现象, 尤其是生命体中已经发展出的一整套高效、精巧且温和的组装调控手段和相应的分子机制。作者通过辨析生命体中的分子组装和目前所研究的人工分子组装的主要异同, 认知并学习生命体中的分子组装调控方式, 对于寻找人工分子组装的发展新方向、揭示生命过程与其机制皆具有重要意义。

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雷志超, 王忻昌, 瞿航, 周岑, 李之豪, 杨柳林, 曹晓宇, 田中群*. 关于可控组装的一些思考——生命体中的催组装. 中国科学：化学, 2020. doi:10.1360/SSC-2020-0127