化學(xué)仿生學(xué),是一門介于化學(xué)與生物學(xué)之間的邊緣科學(xué),是用化學(xué)方法在分子水平上模擬生物體功能的一門科學(xué)。其研究內(nèi)容主要為:模擬生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過程,模擬生物體內(nèi)的物質(zhì)輸送過程,以及模擬生物體內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換等過程。
生物體內(nèi)的成千上萬種化學(xué)反應(yīng)都是在酶催化下進(jìn)行的。酶催化反應(yīng)的特點(diǎn)是在常溫、常壓下,在一個很復(fù)雜的混合體系中專一地、高效地、有條不紊地進(jìn)行著。其高效性就是指強(qiáng)大的催化能力。例如,同樣是催化過氧化氫分解為水和氧氣,過氧化氫酶的催化效率比一般無機(jī)催化劑高一千萬倍。化學(xué)仿生學(xué)的任務(wù)之一就是仿照天然酶合成出人工酶。通過從生物體內(nèi)分離出某種酶之后,研究清楚其化學(xué)結(jié)構(gòu)和作用催化劑的催化機(jī)理,在此基礎(chǔ)上設(shè)法人工合成這種酶或其類似物,用以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的酶催化反應(yīng)而制得相應(yīng)的產(chǎn)品。在這方面已取得的成果的例子有:人工制得了合成氨基酸的酶,也制得了消化蛋白質(zhì)用的常見的酶等。在這方面,對固氮酶的研究是一項(xiàng)非常重要的工作。固氮酶是豆科植物根部產(chǎn)生的一種酶,它在常 溫常壓下就可以使空氣中的氮?dú)馀c某種或某些含氫物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)變成氨提供給植物作氮肥。因此,模擬固氮酶研究如獲得成功,將是化學(xué)仿生學(xué)上的一個十分重大的成果。
生物在物質(zhì)輸送、濃縮、分離方面能力也是驚人的,象海帶能從海水中富集碘,比海水中碘的濃度提高千倍以上;大腸桿菌體內(nèi)外鉀離子濃度差達(dá)3000倍等,這些都生物靠通過細(xì)胞膜來進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的。所以人們設(shè)想,如能模擬生物膜的這種輸送、分離功能,合成一種高效、選擇性強(qiáng)的分離膜,將會使物質(zhì)的分離、提純達(dá)到一種市郊、快速、專一的全新途徑。這對于人類開發(fā)利用海洋資源,微量元素的提取,特殊的化學(xué)、分離以及污染控制等方面都會產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。
迄今為為止,人們在開發(fā)新能源,提高能源轉(zhuǎn)化率等方面已取得了不少成就,但和生物界相比則又顯得渺小了。一般的電燈,有90%以上的電能是轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏速M(fèi)掉的,即便是節(jié)能燈也要浪費(fèi)65%以上的電能。而生物體內(nèi)進(jìn)行的光能、電能、化學(xué)能等各種能量間的轉(zhuǎn)換,其效率之高已為人所知。如熒火蟲通過自身螢光素和螢光酶的作用,發(fā)光率竟達(dá)100%。生物體利用食物氧化所釋放能量的效率是70%-90%,而我們利用燃燒煤 或石油能量的效率通常只有20%-40%。在能源日趨短缺的今天,模仿生物高效利用能量的技能已成為節(jié)能研究的重要課題,同時對開發(fā)新能源也有極其重大的指導(dǎo)意義。