最近幾十年，科學(xué)家對在合成系統(tǒng)中模仿細(xì)胞的部分分子通信過程產(chǎn)生了興趣。他們的動機(jī)有很多。藥物研發(fā)經(jīng)常要編造一個良好的偽裝，使得合成分子能夠冒充成天然分子，且更容易與受體結(jié)合，從而阻礙或者引發(fā)一種生物化學(xué)信號。眼睛的視網(wǎng)膜細(xì)胞和嗅覺系統(tǒng)中都發(fā)生了信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，這啟發(fā)了我們提出分子傳感器的概念，用這樣的傳感器能以很高的靈敏度檢測到光或其他分子。分子工程師正在研究嗅覺器官，期待從中獲取靈感來設(shè)計“人工鼻子”，用以鑒別復(fù)雜的分子混合物。

“鎖鑰原理”是自然界高聲歌頌的一項(xiàng)原理：分子相合則相聚。注若將這種“相識”轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄐ诺倪^程，就需要讓結(jié)合的事件能觸發(fā)受體的某種轉(zhuǎn)化，使信號能夠繼續(xù)傳遞下去。在生物當(dāng)中，這種傳遞過程一般是催化，即結(jié)合使得受體轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨浮２贿^信號也可以通過其他方式傳遞：比如釋放光或釋放電子，或者（像乙酰膽堿受體一樣）產(chǎn)生電化學(xué)勢。

在超分子化學(xué)中，構(gòu)建分子尺度上的人工信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程是個常見的目標(biāo)。這個領(lǐng)域正是受到生物學(xué)的啟發(fā)而肇始的。1960年代，法國化學(xué)家讓-瑪麗·萊恩研究了所謂的冠醚分子，這種分子可以識別并結(jié)合特定的金屬離子。萊恩的興趣點(diǎn)是將鈉離子和鉀離子輸送通過脂質(zhì)膜。除了經(jīng)由蛋白質(zhì)通道和離子泵來傳送外，還有另一種策略，即用分子把離子包裹起來，而分子“可溶解”于脂類細(xì)胞膜的內(nèi)部。這種分子是天然存在的，名字稱為離子載體。一個典型的例子是纈氨霉素，這是個環(huán)形的多肽，中間的空洞適合填入鉀離子。冠醚則是模仿纈氨霉素的合成物質(zhì)，它們同樣也是環(huán)形，也能在中間的空洞結(jié)合金屬離子。根據(jù)空洞與離子的相對大小不同，金屬離子結(jié)合的緊密程度也有所不同。若空洞過大，則金屬離子結(jié)合得較松散，會在里面“撞來撞去”；若空洞過小，金屬離子就填不進(jìn)去了。因此，我們可以調(diào)節(jié)冠醚使它適合特定的金屬離子——換言之就是要展示分子識別的威力。

到了1970年代，萊恩和其他研究人員制出了各種形狀和尺寸的合成受體分子，設(shè)計出的空洞能夠適合范圍很廣的目標(biāo)物，包括無機(jī)的，也包括有機(jī)的。這些“客人”分子被它們的主人用相互作用力抓住，這種相互作用比分子用來抓住自身原子的共價鍵要弱。這樣客人就有可能被抓起來，然后再被釋放。這正是纈氨霉素運(yùn)送鐵離子的方式：纈氨霉素先在膜的一側(cè)捕捉一個離子，通過膜之后在另一側(cè)把離子釋放。超分子化學(xué)，本質(zhì)上正是談?wù)撚盟缮⒌穆?lián)系把分子結(jié)合起來，又可以使它們解離成各個部分。

當(dāng)冠醚抓起一個金屬離子時，它們就會變形。冠醚單獨(dú)存在時，是個非常松弛、軟綿綿的環(huán)，像橡皮筋一樣。當(dāng)中心帶有金屬離子時，它就組織成較為穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，環(huán)上有了“之”字形的彎曲，也就是像個皇冠（如圖36）。受體結(jié)合了標(biāo)的物時，通常都會發(fā)生類似的變形。

如果我們的目標(biāo)只是要結(jié)合而已，那么較大的變形就不太如意，因?yàn)槭荏w的內(nèi)部重組會讓結(jié)合變得麻煩，較難實(shí)現(xiàn)。這也是為什么很多超分子的主人部分會設(shè)計得使它們在接收客人前就預(yù)先排列好，讓結(jié)合引發(fā)的變形達(dá)到最小化。

但如果我們的意圖是利用結(jié)合來觸發(fā)信號的向下傳遞，那變形就常常是很關(guān)鍵的了。2000年，柏林洪堡大學(xué)的烏爾里克·薛爾特和同事們報告，發(fā)現(xiàn)一例主客結(jié)合所引發(fā)的巨大變形。他們制造了一種受體分子，你可以認(rèn)為它是一系列“更小的分子”，包括兩只胳膊，兩條腿，還有一個像靈活的軀干的“傳感器”元件把胳膊和腿都連接起來。若兩只胳膊合起來圍住一個鋅離子，傳感器元件就會翻個跟頭，把兩條腿拉開（如圖37）。兩條腿的末端有熒光基團(tuán)，當(dāng)它們距離增加時就會改變發(fā)射波長，從綠光變?yōu)樽贤夤?。研究者們指出，這種受體分子顯示出蛋白質(zhì)受體在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方面所具有的一些特性，與標(biāo)的物結(jié)合時做出響應(yīng)，一方面形狀發(fā)生變化，另一方面行為也能發(fā)生變化。

人們通過分子工程，已經(jīng)在好幾種其他的合成受體上實(shí)現(xiàn)了由變形導(dǎo)致分子發(fā)光性質(zhì)的改變。但要像G蛋白信號機(jī)制那樣，通過識別與結(jié)合來轉(zhuǎn)化分子的催化行為，則困難得多，因?yàn)檫@就要確保最終的形狀恰恰就是催化劑能夠工作的形狀。而要將好幾種分子組織成一條信號傳遞流，就更加困難了。無論如何，超分子化學(xué)家們的技能也在日益增長，如果我們很快就能看到人造分子通信系統(tǒng)協(xié)調(diào)地工作，像人體那樣精妙和諧地調(diào)節(jié)著自身的領(lǐng)地，那也不值得大驚小怪。

注　這個比喻是德國化學(xué)家埃米爾·菲舍爾在1894年首次使用的，用以解釋為何酶所催化的轉(zhuǎn)化具有很強(qiáng)的選擇性?！?/p>