对自然的态度

几个世纪以来，化学家们一直对大自然的威严及其解决问题的能力感到敬畏。虽然这其中的一部分是伟大的灵感来源，但在试图复制它时，我们有意忽略了一个特征:挥霍。

大自然花费了大量的资源来制造可以解决微小问题的蛋白质，而不是做出明智的解决方案。当你的车爆胎时，你用一个功能最小的机器给它充气——气泵。相反，大自然在蛋白质生成和核酸汤中摸索，直到找到一个极其复杂的分子鲁布·戈德堡机器，它可以做同样的工作。几乎没有什么能阻止气泵工作。然而，分子鲁布-戈德堡机器的故障几率随着复杂性呈指数级增长。一个小的错误就能严重破坏整个机器，导致它失败。这需要自己修理，用同样的方法。

通过生命起源前的化学和进化，大自然已经揭示了生命存在的先决条件，也为我们提供了一系列生物工具。虽然这些工具中的许多都极其复杂和脆弱，但大多数都比我们试图使用的任何人造工具更好地完成它们的特定工作。因此，我们必须仔细选择我们从哪些方面获得灵感。

性能问题

在20世纪的大部分时间里，人们对生物系统的工作原理知之甚少，因此很难宣称化学研究已经用自然的方法解决了我们的问题。更常见的说法是，一种被充分理解的合成物胜过了自然。例如，如果生物系统中出现了问题，并最终导致疾病，化学可以用来合成一种药物，在生物系统解决问题之前解决问题。

随着我们对自然系统的理解不断提高，一些科学家试图改变大自然的生产过程来生产新的分子。利用相互关联的催化剂武库，自然系统可以创造出具有完美形状的小分子，用于调节某些过程，这些过程也可以对人类产生有益的药用效果。虽然科学家们已经改变了植物的用途来制造这些分子，但植物通常只能制造少量的这些材料。另一方面，合成化学家已经能够利用他们的知识，相对而言，使用更多原子经济的试剂和催化剂，进行可扩展的药物分子合成，就像制造地西泮、布洛芬和扑热息痛等药物一样。我们现在所处的位置是，我们可以接触到不同的化学，知情设计的力量，以及机器学习等技术，使分子和材料能够取代甚至改善生物学中的自然功能。

信息是关键

革命性的发现，如氢键、DNA双螺旋结构和核糖体，帮助化学家了解生物系统是如何工作的，以及支配大自然解决问题态度的基本原则。很明显，自然界最复杂的方面是它处理信息的能力——目前自然界在这方面的技能远胜于化学家。这正是化学家应该从中汲取最多灵感的地方。这一点，再加上使用适当的化学物质来划分不同的细胞成分，代谢能量来源，并催化其化学反应网络，是大自然如何导致生命增殖的关键。然而，我们必须认识到，大自然用来做这件事的材料是第一种，但不一定是最好的。例如，化学家现在使用许多工业规模的钯催化剂进行化学转化，其规模和化学选择性远远优于自然界中的类似反应。

随着发现的出现，复制技术应运而生。在过去的一个世纪里，科学家们已经确定了基因编辑、基因组测序和氨基酸测序的方法。这催生了进一步的技术，使生物学与化学相结合，并使自然过程更精确地解决化学问题，如酶的定向进化和天然产物的半合成。

大自然的肆意挥霍为我们提供了一个历经千年进化的工具库，用来解决分子尺度上的问题。我们必须利用这些工具，但它们应该是我们人为创造的工具的补充。我们需要关注大自然正在解决的问题，但要专注于使用我们自己设计的工具。这种精神使我们更接近实现化学-生物混合工具箱，摆脱进化包袱，修复导致疾病的自然功能障碍。这是突破化学科学界限的最佳方式，也是我们从自然中汲取灵感的最合适方式。