用分子組裝機(jī)器

楊先碧

你能想到世界上最小的機(jī)器有多小嗎？螺絲那么大，針尖那么大，灰塵那么大？都不對(duì)。世界上最小的機(jī)器是肉眼看不到的分子機(jī)器，它們比細(xì)胞和病毒還要小。來(lái)自法國(guó)的皮埃爾·索維奇、美國(guó)的弗雷澤·斯托達(dá)特以及荷蘭的伯納德·費(fèi)林加，因?yàn)檠芯窟@些分子機(jī)器獲得重大突破，而共同獲得了2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。三位科學(xué)家的成就之所以能夠獲得諾獎(jiǎng)青睞，是因?yàn)樗麄兊难芯看偈乖緹o(wú)序的分子能夠接受控制并執(zhí)行特定任務(wù)，為化學(xué)的發(fā)展開(kāi)啟了一個(gè)新世界。

在微小的空間內(nèi)移動(dòng)

我們?nèi)粘Ｊ褂玫臋C(jī)器，是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的零件組成的。在給予一定的能量之后，機(jī)器會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)，其實(shí)質(zhì)是內(nèi)部的零件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。比如，我們各種電器中常用的電動(dòng)機(jī)，由轉(zhuǎn)子和定子組成，通電以后轉(zhuǎn)子就能轉(zhuǎn)起來(lái)。

日常的機(jī)器是我們看得見(jiàn)摸得著的，而分子機(jī)器是十分微小的，其尺寸往往只有幾納米到幾十納米，大約是頭發(fā)絲直徑的千分之一，因此分子機(jī)器又常常被稱為“納米機(jī)器人”。盡管分子機(jī)器如此之小，但它也像日常機(jī)器那樣由兩個(gè)或兩個(gè)以上的分子構(gòu)件組成，得到合適的能量之后也能夠運(yùn)轉(zhuǎn)，然后在微小的空間內(nèi)移動(dòng)。

由于分子機(jī)器尺寸小得超出人們的想象，其研制過(guò)程也殊為不易。斯托達(dá)特說(shuō)：“分子機(jī)器不是一夜之間就能發(fā)明的，它需要很長(zhǎng)時(shí)間和很多優(yōu)秀人才的共同努力?！敝圃旆肿訖C(jī)器的最初構(gòu)想要回溯到1950年。當(dāng)時(shí)，美國(guó)著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼第一次提出，未來(lái)可以制造微小機(jī)械，讓其能夠?qū)嵤└鞣N各樣的精密操作。從那以后，制造分子機(jī)器就成為人類夢(mèng)寐以求的向往。

分子機(jī)器“三部曲”

在長(zhǎng)達(dá)30多年的時(shí)間里，三位獲獎(jiǎng)?wù)咄瓿闪朔肿訖C(jī)器設(shè)計(jì)與合成的“三部曲”。第一個(gè)華麗的樂(lè)章是索維奇于1983年實(shí)現(xiàn)的，他成功地將兩個(gè)環(huán)狀分子扣在一起，形成名為“索烴”的分子機(jī)器。這種機(jī)器有些像我們的自行車(chē)鏈條的一部分，不過(guò)更像我們玩過(guò)的“九連環(huán)”玩具。

“索烴”由兩個(gè)或多個(gè)互相鎖在一起的環(huán)狀分子組成，而且這兩個(gè)（或多個(gè)）環(huán)狀分子能夠相對(duì)移動(dòng)。諾貝爾評(píng)選委員會(huì)在公布這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)時(shí)，選用面包對(duì)“索烴”進(jìn)行了更形象的說(shuō)明：他們拿出兩個(gè)套在一起的面包圈，解釋一對(duì)彼此獨(dú)立但又相連的分子。

索維奇是武漢大學(xué)和武漢科技大學(xué)的客座教授，曾經(jīng)到上述兩所大學(xué)和中南大學(xué)講學(xué)，做過(guò)與分子機(jī)器有關(guān)的主題講座。2013年10月21日，索維奇教授訪問(wèn)武漢科技大學(xué)，當(dāng)天正好是他69歲的生日。

索維奇曾在講座中透露，與科學(xué)史上不少研究一樣，他的這一成功也來(lái)自一個(gè)意外。他本來(lái)在從事光化學(xué)領(lǐng)域研究，重點(diǎn)研究太陽(yáng)能引發(fā)的光化學(xué)催化反應(yīng)，但當(dāng)他建立了一種光化學(xué)活性復(fù)合物模型后，卻意外發(fā)現(xiàn)一種獨(dú)特的分子鏈：兩個(gè)分子圍繞銅離子糾纏在一起，這就是“索烴”的由來(lái)。

在第二個(gè)樂(lè)章中，斯托達(dá)特出場(chǎng)了。他合成了名為“輪烷”的分子機(jī)器。這種機(jī)器由一個(gè)環(huán)狀分子和一個(gè)啞鈴狀的線性分子組成，就像車(chē)輪套在車(chē)軸承上一樣。這個(gè)環(huán)狀分子不是在線性分子這個(gè)“軸”上像車(chē)輪那樣轉(zhuǎn)動(dòng)，而是沿著線性分子上下移動(dòng)，最大移動(dòng)距離為0.7納米。1994年，斯托達(dá)特還合成了由5個(gè)環(huán)狀分子鎖在一起的分子機(jī)器，十分像奧運(yùn)會(huì)會(huì)旗上的五環(huán)，它將這種分子機(jī)器稱為“奧林匹克索烴”。

斯托達(dá)特與中國(guó)頗有緣分，他是“千人計(jì)劃”短期項(xiàng)目入選者，還在天津大學(xué)、吉林大學(xué)擔(dān)任教授、名譽(yù)教授等職位。2017年3月，斯托達(dá)特訪問(wèn)復(fù)旦大學(xué)，他在與化學(xué)系本科學(xué)生的交流時(shí)表示：“成功的秘密就在于克服困難的能力。生活總有不如意的事，會(huì)有很多出乎意料的情況和難題要面對(duì)。這就是對(duì)于人生的考驗(yàn)，考驗(yàn)?zāi)隳芊裢咨频靥幚磉@些困難。”

斯托達(dá)特鼓勵(lì)復(fù)旦大學(xué)的學(xué)生：“要充滿熱情做自己喜愛(ài)的事，要學(xué)會(huì)走出逆境，不要陷入困境難以自拔。行動(dòng)起來(lái)，朝著自己的方向努力，才有機(jī)會(huì)看到希望的曙光?！彼雇羞_(dá)特有句口頭禪：“我的標(biāo)準(zhǔn)就是把任何事情都做到極致?！庇幸淮?，斯托達(dá)特要求一個(gè)學(xué)生測(cè)試樣品，當(dāng)時(shí)得出的結(jié)果和他預(yù)期僅有一點(diǎn)差距，但他堅(jiān)持讓學(xué)生重新做實(shí)驗(yàn)。

最后出場(chǎng)的是費(fèi)林加，他設(shè)計(jì)出了能向一個(gè)特定方向旋轉(zhuǎn)的分子馬達(dá)。1999年，他研制了一個(gè)分子轉(zhuǎn)子葉片，葉片能夠朝著同一方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)。這個(gè)馬達(dá)可以讓一個(gè)微型玻璃缸旋轉(zhuǎn)起來(lái)。這個(gè)微型玻璃缸雖然直徑和高度都只有28微米，但是它比分子馬達(dá)本身大1萬(wàn)倍。

費(fèi)林加得知自己獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)時(shí)說(shuō)：“我很震驚，我不知道該如何描述，因?yàn)檫@太令人驚訝了。我很榮幸也很激動(dòng)?！辟M(fèi)林加是格羅寧根大學(xué)的傳奇人物，他總是充滿活力、富有激情。每天早上，他都騎自行車(chē)上班，還騎得飛快。費(fèi)林加教授也與中國(guó)有緣，他是我國(guó)和荷蘭合辦的煙臺(tái)格羅寧根大學(xué)的榮譽(yù)教授，還給該校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的本科生上過(guò)課，給新材料研究中心的研究人員指導(dǎo)過(guò)研究課題。

分子機(jī)器有啥用

人類最終的夢(mèng)想是讓分子機(jī)器跟我們生活中常見(jiàn)的機(jī)器一樣，完成復(fù)雜的操作。日常機(jī)器的用途顯而易見(jiàn)，然而微小的分子機(jī)器究竟有啥用？諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)在聲明中說(shuō)，這三位獲獎(jiǎng)?wù)甙l(fā)明了“世界上最小的機(jī)器”，將化學(xué)發(fā)展推向了一個(gè)新的維度。費(fèi)林加對(duì)其獲獎(jiǎng)成就解釋說(shuō)：“一旦在分子層面控制了運(yùn)動(dòng)，就為控制其他各種形式的運(yùn)動(dòng)提供了可能。這一研究成果，為未來(lái)新材料的研發(fā)和精密設(shè)備的制造打開(kāi)了一扇新的窗口?！?/p>

由于簡(jiǎn)單的分子機(jī)器有開(kāi)和關(guān)兩種狀態(tài)，很像現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的0和1兩種狀態(tài)。因此，科學(xué)家認(rèn)為分子機(jī)器也可以用來(lái)制造分子計(jì)算機(jī)。斯托達(dá)特的研究團(tuán)隊(duì)先后成功“建成”環(huán)狀分子在線性分子表面上升0.7納米的“分子電梯”，用輪烷構(gòu)成的“分子肌肉”成功彎折了一塊很薄的金箔，還開(kāi)發(fā)出一種基于輪烷的計(jì)算機(jī)芯片，被認(rèn)為在將來(lái)有望顛覆傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)?，F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)晶體管結(jié)構(gòu)已經(jīng)很小了，但相比分子晶體管還是大得太多，分子芯片將像硅基晶體管一樣給計(jì)算機(jī)技術(shù)帶來(lái)革命性變化。

2011年，費(fèi)林加的研究小組在分子馬達(dá)的基礎(chǔ)上制造了一款四驅(qū)納米汽車(chē)，一個(gè)分子底盤(pán)與作為輪子的4個(gè)分子馬達(dá)連接在一起，當(dāng)分子馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)，納米汽車(chē)就能向前行駛。這種納米汽車(chē)有望在微小空間內(nèi)運(yùn)輸特殊化學(xué)物質(zhì)。目前，科學(xué)家還在研究怎樣把多個(gè)分子馬達(dá)組合，或把它們和其他分子聯(lián)系，組成一個(gè)稍微“復(fù)雜”的機(jī)器。在實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家已經(jīng)做成了由350個(gè)原子組成的螺旋槳。

除了三位獲獎(jiǎng)?wù)咭酝?，?shù)以萬(wàn)計(jì)的科學(xué)家正在從事這一領(lǐng)域的研究，他們已經(jīng)設(shè)計(jì)并制造出了大量可以像樂(lè)高積木一樣在納米尺度上完成組裝的分子機(jī)器部件，包括分子開(kāi)關(guān)、分子棘輪、分子馬達(dá)、分子連桿、分子環(huán)和分子推進(jìn)器等。由于分析化學(xué)工具的不斷改善以及構(gòu)建有機(jī)大分子的相關(guān)反應(yīng)的日漸成熟，這一研究領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。

1831年，英國(guó)科學(xué)家法拉第發(fā)明出電動(dòng)機(jī)時(shí)，很少有人明白它能做什么，連法拉第自己和當(dāng)時(shí)其他科學(xué)家都未曾想過(guò)它后來(lái)會(huì)廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，從尖端的航天飛船到日常的交通工具，從工業(yè)用的各種機(jī)械到家用電器，都能看到電動(dòng)機(jī)的身影。而分子機(jī)器正如當(dāng)年的電動(dòng)機(jī)一樣，現(xiàn)在尚未進(jìn)入實(shí)際用途，科學(xué)家認(rèn)為它們未來(lái)很有可能用于開(kāi)發(fā)新材料、新型傳感器和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)等。

分子機(jī)器即將進(jìn)入人體

除了在科研和工業(yè)上的用途外，分子機(jī)器將改變未來(lái)的醫(yī)療，極大地為我們的健康服務(wù)。未來(lái)，我們可能注射各種各樣的分子機(jī)器進(jìn)入我們的身體，讓它們成為我們的健康衛(wèi)士。

現(xiàn)在我們吃藥往往是通過(guò)血液循環(huán)經(jīng)過(guò)全身，雖然能夠在病變部位停留，但是也會(huì)在沒(méi)有病的地方停留。這對(duì)沒(méi)有病的部位帶來(lái)或多或少的影響，所以有“是藥三分毒”的說(shuō)法。在未來(lái)，攜帶藥物的分子機(jī)器將定向抵達(dá)我們的病變部位，然后停下來(lái)，再慢慢釋放藥物。這些分子機(jī)器“定點(diǎn)治療”病變部位，不但療效快，而且不會(huì)對(duì)身體其他部位帶來(lái)傷害，因此不會(huì)產(chǎn)生毒副作用。

我們身體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生不少?gòu)U棄物，這些廢棄物并不能完全隨著汗液或糞便排出體外，一些殘留廢棄物就堆積在我們體內(nèi)的血管或其他組織、器官內(nèi)，對(duì)我們的健康帶來(lái)傷害。有了分子機(jī)器，一些肩負(fù)“清淤”功能的分子機(jī)器就可以奔向這些“垃圾堆積處”，挖走廢棄物，然后隨著糞便排出體外。

這些分子機(jī)器甚至可以直接攻擊病變部位，比如癌細(xì)胞，把癌細(xì)胞一個(gè)一個(gè)地徹底消滅，讓癌癥患者恢復(fù)健康。總之，未來(lái)升級(jí)版的分子機(jī)器將成為我們身體內(nèi)優(yōu)秀的“殺毒軟件”，讓我們的身體一直處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)。分子剪刀或許將成為未來(lái)納米機(jī)器人的機(jī)械手臂，在我們體內(nèi)進(jìn)行微小手術(shù)?？傊?，分子機(jī)器將成為未來(lái)精準(zhǔn)醫(yī)療的重要組成部分。

目前，不少國(guó)家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)劃，投入巨資搶占分子機(jī)器這種新科技的戰(zhàn)略高地。每一種新科技的出現(xiàn)，似乎都包含著無(wú)限可能。在不久的將來(lái)，神奇的分子機(jī)器將源源不斷地進(jìn)入人類的日常生活。

（責(zé)任編輯張虹）

DNA分子機(jī)器

美國(guó)加州理工學(xué)院的華裔科學(xué)家錢(qián)璐璐研制出一種具有分揀功能的DNA分子機(jī)器，其身高僅20納米，它每邁一步的距離是6納米。而這看起來(lái)不起眼的一小步，卻需要花費(fèi)5分鐘。錢(qián)璐璐表示，“就好像機(jī)器人被送到火星等人類不能到達(dá)的地方，我們希望有一天可以將DNA分子機(jī)器送到血管等人類無(wú)法到達(dá)的微小之處?！?/p>

我們都知道，DNA是雙螺旋結(jié)構(gòu)，一個(gè)DNA分子有兩個(gè)鏈條。在錢(qián)璐璐設(shè)計(jì)的DNA分子機(jī)器中，有若干根鏈條，其中一根被稱為“入侵鏈”，其他的被稱為“釋放鏈”。在給予一定能量后，入侵鏈可以和第一根釋放鏈結(jié)合，然后又分離;接下來(lái)，入侵鏈與相鄰的下一根釋放鏈結(jié)合再分離。通過(guò)這種不斷的結(jié)合與分離，入侵鏈就可不斷向前移動(dòng)。

DNA分子機(jī)器的移動(dòng)是短距離的，往往只有幾納米。這樣的移動(dòng)是為了對(duì)生物體內(nèi)進(jìn)行精細(xì)地操作。因?yàn)樵谝苿?dòng)過(guò)程中，DNA分子機(jī)器的入侵鏈還可以根據(jù)需要輸送物質(zhì)，比如把藥物輸送到特定位置，把垃圾清理到某個(gè)組織之外。如果患者患有惡性腫瘤，那么這種微小的機(jī)器人甚至可以完成定位，并操作一臺(tái)小型的腫瘤割除手術(shù)。

既然DNA分子機(jī)器移動(dòng)距離只有微不足道的幾納米，那么，它如何才能抵達(dá)人體的相關(guān)部位呢？這其實(shí)不用我們操心，DNA分子機(jī)器可以被注射到血液中，借助血液循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力抵達(dá)人體各處，并在特殊的手段控制下停留在身體某處，完成科學(xué)家交給它的特定任務(wù)。這就如同飛船把機(jī)器人送到空間站，機(jī)器人只需在空間內(nèi)短距離行走，完成人們交給它的任務(wù)。