陳倩：她讓材料物質(zhì)“活起來(lái)”

方宇寧/編譯

陳倩：她讓材料物質(zhì)“活起來(lái)”

方宇寧/編譯

現(xiàn)年30歲的伊利諾伊大學(xué)材料科學(xué)家陳倩（Qian Chen）通過(guò)對(duì)置于液體環(huán)境中的材料進(jìn)行觀察實(shí)驗(yàn)，探索了生命物質(zhì)與非生命物物質(zhì)之間的邊界

● 2016年美國(guó)《科學(xué)新聞》評(píng)選出了10位科技新星，他們都是將在各自領(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)的青年科學(xué)家，陳倩名列其中（詳見2017年第3期封底）。

在一個(gè)黑暗的房間里，材料科學(xué)家陳倩沐浴在一片綠光中，她正在觀看納米金棒“翩翩起舞”的實(shí)時(shí)視頻，電腦屏幕顯示，它們?cè)谝粋€(gè)鏡筒如電線桿一般粗的巨大顯微鏡下來(lái)回扭動(dòng)和擺動(dòng)著。

陳倩注意到，這些納米粒子和其他極小的物質(zhì)微粒在液體中不斷游動(dòng)并相互碰撞，它們像細(xì)胞中的分子一樣，不時(shí)組成有序的結(jié)構(gòu)。通過(guò)開創(chuàng)生物學(xué)靈感激發(fā)設(shè)計(jì)新材料之先河，她正在探索如何讓非生物物質(zhì)的材料物質(zhì)“活起來(lái)”，并探尋其背后的意義。接下來(lái)，她準(zhǔn)備近距離觀察并形成自己對(duì)細(xì)胞分子本身的看法：維持生物體晝夜不停運(yùn)轉(zhuǎn)的、靈活多變的多任務(wù)蛋白質(zhì)。

30歲的陳倩已在一些權(quán)威刊物上發(fā)表了許多論文，并將一些極有遠(yuǎn)見的想法變成現(xiàn)實(shí)。她的終極目標(biāo)是：模擬已非常完善的活細(xì)胞機(jī)制，用無(wú)生命材料來(lái)創(chuàng)造生命或類似于生命的東西。

“如果你能看到它，你就可以開始理解它；如果你能理解它，你就可以控制它?！苯衲暝缧r(shí)候，她在伊利諾伊大學(xué)香檳分校的實(shí)驗(yàn)室受訪時(shí)，陳倩如是說(shuō)道。

陳倩最初的理想并不是成為一名科學(xué)家，在中國(guó)長(zhǎng)大的她幻想自己有一天會(huì)成為一名作家。讀中學(xué)時(shí)，她在一篇屢獲殊榮的作文中講述了一個(gè)女孩如何修復(fù)臭氧層的故事。“我的想法是創(chuàng)造出可以拉伸的材料，就像氣球的外皮一樣?！彼f(shuō)。

設(shè)計(jì)模擬生物分子行為的新材料

到達(dá)美國(guó)幾年后，她萌生了發(fā)明新材料和非常規(guī)材料的興趣。作為家中的第一個(gè)大學(xué)生，2007年她從中國(guó)北京大學(xué)畢業(yè)后前往美國(guó)伊利諾伊大學(xué)，并在材料科學(xué)家史蒂夫·格蘭尼克（Steve Granick）手下工作。

陳倩最初的表現(xiàn)就很出色?！袄щy的事情到了她手里就變得輕松容易了。”如今在韓國(guó)蔚山國(guó)立科技研究所的格蘭尼克說(shuō)道，特別是他回憶起在一次實(shí)驗(yàn)中陳倩完成了一些科學(xué)家認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)的壯舉：她讓成千上萬(wàn)的微小粒子組成一個(gè)開放有序的二維結(jié)構(gòu)——而且任由它們自行組裝。

陳倩一直研究的膠粒在顯微鏡下大約只有1微米，陳倩的想法是用一種黏性涂層覆蓋在這些微粒上，黏性涂層就像魔術(shù)貼一樣，當(dāng)粒子彼此碰撞時(shí)就會(huì)粘在一起。起初，“它們看起來(lái)一團(tuán)糟，似乎是一次失敗的實(shí)驗(yàn)?！备裉m尼克說(shuō)道，“如果是別的大多數(shù)研究生，遇到這種情況會(huì)直接放棄繼續(xù)探索?！?/p>

但陳倩沒有放棄，經(jīng)過(guò)一整天的嘗試，經(jīng)過(guò)在液體中反復(fù)的黏合和分離，這些粒子的狀態(tài)終于穩(wěn)定了下來(lái)。通過(guò)功用特殊的涂層和陳倩采用的特殊方式（如覆蓋在每個(gè)粒子的頂部和底部），最終形成了一個(gè)類似于蜂巢的六邊形晶格結(jié)構(gòu)——“戈薇晶格”（kagome lattice）。之前的科學(xué)家們從未能夠誘導(dǎo)膠體粒子形成這樣的開放式多孔結(jié)構(gòu)。陳倩說(shuō)，通常情況下，這些顆粒會(huì)更緊密地聚集在一起，就像水果店貨架上堆放的蘋果一樣。

左：涂上粘性涂層后，膠體粒子以戈薇晶格的形式聚集起來(lái)；右：條紋狀涂層可形成粒子的特定取向

陳倩的研究成果以“定向自組裝膠體戈薇晶格”（Directed self-assembly of a colloidal kagome lattice）為題發(fā)表在2011年的《自然》雜志上。在此篇論文發(fā)表的前一周，陳倩和格蘭尼克在《科學(xué)》雜志上聯(lián)名發(fā)表了另一篇論文 “雅努斯球的超膠體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)”（Supracolloidal reaction kinetics of Janus spheres），論述了粒子自組裝成一個(gè)扭曲鏈或螺旋狀結(jié)構(gòu)的過(guò)程。當(dāng)時(shí)陳倩只有24歲。

“她的研究成果已躋身于當(dāng)今科研的最前沿，她在科學(xué)研究上充滿進(jìn)取精神且富有創(chuàng)意?！辟e夕法尼亞州立大學(xué)化學(xué)家克里斯汀·基廷（Christine Keating）說(shuō)道。

雖然人們現(xiàn)在還無(wú)法確定這類粒子的應(yīng)用前景究竟如何，但一些研究人員設(shè)想，自組裝材料可應(yīng)用于建造智能水過(guò)濾器或者可根據(jù)陽(yáng)光強(qiáng)弱變化調(diào)整的太陽(yáng)能電池板等，但是所有的可能性在目前都還難以捉摸。陳倩“正在試圖發(fā)明這種粒子的游戲規(guī)則，她為未來(lái)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)?！备裉m尼克說(shuō)道。

她的下一個(gè)研究重點(diǎn)將通過(guò)模擬生物分子的行為，將她的材料分子從自組裝 “101”入門級(jí)水平提升到“大師級(jí)”水平，但她目前的首要任務(wù)是先觀察它們的行為。

開發(fā)新顯微技術(shù)觀察細(xì)胞內(nèi)部動(dòng)態(tài)

2012年，陳倩前往加州大學(xué)伯克利分校與美國(guó)國(guó)家科學(xué)獎(jiǎng)?wù)碌弥鞅Ａ_·阿利維薩托斯（Paul Alivisatos）合作，試圖開創(chuàng)出一項(xiàng)新的顯微鏡技術(shù)。

現(xiàn)在的科學(xué)家可以在顯微鏡下觀察蛋白質(zhì)和DNA的細(xì)節(jié)，但觀察到的結(jié)果通常是靜止的畫面，很難得到蛋白質(zhì)在天然與流動(dòng)世界里活動(dòng)的動(dòng)態(tài)鏡頭，如果能夠看到它們的實(shí)際運(yùn)動(dòng)和行為，就可以揭示出不同蛋白質(zhì)成分在其中所扮演的角色。

“即使是一項(xiàng)令其發(fā)明者獲得2014年諾貝爾獎(jiǎng)的顯微技術(shù)，也只是利用熒光分子來(lái)“照亮”細(xì)胞的移動(dòng)部分，卻不能揭示蛋白質(zhì)活動(dòng)的復(fù)雜性?！标愘徽f(shuō)道。它們只是一些在顯微鏡下發(fā)光的點(diǎn)。想象一下，這就像你從飛機(jī)舷窗看向地面的一輛自卸卡車，你肯定看不到卡車裝卸時(shí)活塞和鉸鏈如何工作的具體細(xì)節(jié)。

“我以這個(gè)為靈感。”陳倩邊說(shuō)邊拿過(guò)筆記本電腦，打開了一個(gè)探索生物學(xué)神奇世界的視頻，電腦動(dòng)畫顯示分子在快速旋轉(zhuǎn)著進(jìn)入細(xì)胞深處，灰綠色的氣泡吸附在長(zhǎng)鏈上，蛋白質(zhì)沿著特定軌跡運(yùn)送著巨大凝膠狀的氣泡。這只是一個(gè)動(dòng)畫模擬的假設(shè)，目前還沒有人能清晰看到動(dòng)畫假想中的現(xiàn)實(shí)圖景，但陳倩目前在伊利諾伊幫助開發(fā)的技術(shù)將有可能改變這一點(diǎn)。

這項(xiàng)正在開發(fā)中的顯微技術(shù)被稱為液相透射電子顯微鏡，它是對(duì)現(xiàn)有顯微技術(shù)的巧妙改進(jìn)。在傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)透射電子顯微鏡（TEM）下，研究人員通過(guò)對(duì)置于真空中的觀察樣品射入一道電子束可獲得亞納米級(jí)的圖像，不過(guò)這個(gè)樣本必須是固態(tài)的——就像石頭一樣——因?yàn)橐后w會(huì)蒸發(fā)。

陳倩通過(guò)在石墨烯的薄層之間夾上一層液體，很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。這就像把水滴放在塑料袋里一樣，液體不會(huì)蒸發(fā)消失，研究人員可以通過(guò)它觀察周圍粒子的隨機(jī)狀態(tài)。陳倩已經(jīng)使用該技術(shù)觀察到了納米金棒兩端相接組裝的行為和連接DNA的納米晶體在三維空間中的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，取得重大突破性進(jìn)展的前景可以說(shuō)已經(jīng)勝利在望。

陳倩利用液相顯微鏡觀察細(xì)胞機(jī)制達(dá)到的清晰程度是以前任何一位科學(xué)家都望塵莫及的，但對(duì)于透露更多的細(xì)節(jié)她持謹(jǐn)慎態(tài)度。如果陳倩能夠成功，她將有可能破解生物學(xué)結(jié)構(gòu)與功能聯(lián)系的代碼——弄清楚蛋白質(zhì)的組成部分，即承擔(dān)具體工作的“活塞”和“鉸鏈”。通過(guò)了解構(gòu)成生命的組成部分，將有助于科學(xué)家從無(wú)生命的人造材料中創(chuàng)造出 “活性”的新材料，并讓它們做自己力所能及的一切事情。

“我們還未能走到那一步，”陳倩說(shuō)，“但這是我們的遠(yuǎn)大夢(mèng)想?！?/p>

[資料來(lái)源：Science][責(zé)任編輯：松 石]