简单的酶混合实验揭示了化学混乱中如何产生信息

在一个小瓶中，几种酶争夺同一种化学“食物”，每种酶都试图抢在其他酶之前夺取它。在这种混乱的争夺中，出现了意想不到的情况：混合物开始自我组织，能响应外部环境的变化并形成独特的化学模式。这项上月发表在《自然·化学》上的研究表明，看似混乱的化学网络不仅能充当传感器，还能对信息进行分类——这暗示着，即使是原始的化学物质也可能像计算机一样，开始自主“处理”信息。

维也纳大学有机化学家努诺·毛利德（未参与这项新研究）表示：“化学家通常努力抑制竞争和串扰以恢复秩序；而在这里，正是这些‘噪音’来源成了计算的引擎。”这表明“分子的混乱能产生信息，而非混乱。”

研究人员长期以来一直试图制造化学计算机，用分子而非晶体管来完成计算工作。其吸引力不在于速度，而在于能在流体环境中——甚至可能在活细胞内——进行计算。多年来，研究工作包括将反应逐个连接起来，使一种酶的产物成为下一种酶的“燃料”，就像微型化学电路。杜克大学计算机科学家约翰·赖夫说：“直到最近，大多数分子计算都依赖于精心设计——每个反应都像代码行一样预先规划好。”

这种方法在小型系统中有效，但随着网络变得更复杂和不可预测，就会失效。化学家越是努力控制每条路径，无序性就越快出现。荷兰拉德堡德大学的威廉·哈克和他的同事们开始思考：他们一直在对抗的混乱，是否正是解决问题的关键。

哈克决定停止设计，开始观察。该团队构建了一个简单的酶网络——酶是加速化学反应的蛋白质——它们竞争以名为肽的微小蛋白质片段形式存在的“燃料”。当一种酶消耗部分共享燃料或释放产物时，会微妙地改变混合物的酸度和成分，而这些条件决定了其他酶的工作速度。这些变化反过来又会影响第一个反应。没有酶主导这个过程，但它们的竞争行为共同形成了协调的模式。哈克将其比作一群人离开演讲厅：没有人计划流动，但当每个人排队走向门口时，秩序就出现了。

然后，团队在不同的初始条件下制备酶混合物：改变酸度、温度，以及暴露于蓝色LED光脉冲。每个测试都进行到混合物中的反应达到平衡。研究人员使用质谱法（一种通过分子重量识别分子的工具）读取最终稳态下的化学“指纹”。测量结果表明，每组外部条件都会引发独特且可重复的反应模式——这是该网络感知小瓶外部情况的方式。

接下来，哈克的团队训练了一个简单的计算机模型来读取最终的反应模式。该模型能够分辨出是酸度、温度还是光的变化导致了这些模式——证明化学反应捕获并编码了周围环境的信息。哈克表示，反应混合物能够对这些变化进行分类“是最令人惊讶的”，因为这意味着“该系统能够感知环境”。

这种适应性——相同的酶和肽组合无需重新设计就能承担多种传感任务——引起了马里兰大学化学物理学家普拉尤什·蒂瓦里的注意。他说，这项研究表明，化学本身可以通过成为“一个适应多种角色的固定储备库”，充当学习的基质。

然而，格拉斯哥大学化学家李·克罗宁表示，称该系统为功能正常的化学计算机还为时过早。他解释说，目前还没有用于存储或处理信息的明确化学“语言”，而且尽管该网络能够识别输入，但它还不能像真正的计算机那样执行一系列逻辑步骤。“但这是对化学网络内控制的精湛演示——表明更复杂的系统可能指日可待，”他说。

哈克现在希望推动他的分子网络朝着更自主和适应性的行为形式发展。他的团队正在探索赋予该系统“化学视觉”的方法，使其能对不同波长的光做出反应。哈克说，届时，来自LED或计算机芯片的光脉冲可以作为酶混合物的输入信号——连接数字世界和化学世界。

加州大学洛杉矶分校生物工程师伊莉莎·弗兰科称这项工作是新的“网络化学”前沿的一部分。她设想未来这样的耦合系统可以帮助科学家解码细胞用于交流的化学信息——甚至学会引导它们的反应。

对毛利德来说，哈克的化学“浓汤”中发生的简单竞争揭示了一个更深层次的见解：智能的根源可能比我们敢于想象的更深地存在于物质之中。“化学一直是一门信息科学，”他说，“分子不断地感知、响应——并做决定。”