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  • 从今年的诺贝尔奖来看,机器人医生和模拟生命很有戏

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    • 时间:2016-10-08
    • 来源: 第一财经网
    • 编译:zy
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       诺贝尔化学奖今年曝出“冷门”——颁给了属于“纯化学”范畴的“分子机器”。此前历年的诺贝尔化学奖都授予了交叉学科,比如生物、物理、生物化学和生物物理等等。
     
      法国斯特拉斯堡大学的让-彼埃尔·索瓦(Jean-Pierre Sauvage)教授、美国西北大学的詹姆斯·弗雷泽·斯图达(James Fraser Stoddart)爵士以及荷兰格罗宁根大学的伯纳德·费林加(Bernard Feringa)教授共同摘得了这一诺贝尔最重要的奖项。他们因在分子机器的设计和合成上的贡献而获奖。
     

     
      而在这一领域,我国也具有领先世界的水准。华东理工大学的田禾院士科研团队所从事的研究领域,正是“分子机器的设计和合成”。该领域获得诺奖将有助于尽早实现商业化应用
     
      “吞下”一个外科医生
     
      “分子机器”又称生物纳米机器,构件主要是蛋白质等生物分子,具有小尺寸、多样性、自适应、仅依靠化学能或者热能驱动、分子调剂等其它人造机器难以比拟的性能,对促进生物学的发现以及仿生学具有重要意义。
     
      “分子机器”是在1959年作为纳米技术的概念被提出的。当时著名的物理学家理查德-费曼(Richard Feynman)就大胆预测,分子机器未来将会在纳米机器人手术和定位药物在人体内的输送方面起到关键作用。他说:“虽然这个想法听起来很疯狂,但是如果人们能够吞下一个外科医生,这样的手术会很有意思。”他描绘道,只要把这个外科医生放进人体的血液中,他就能够抵达心脏,并且查看哪里出了问题,然后他会拿出小刀,把不好的地方,比如肿瘤部位切除。
     
      费曼的想法很快在一部科幻片中得到了体现。1966年美国影片《奇幻旅行》(Fantastic Voyage)讲述了一个潜水艇舰队如何微缩并注入到一个科学家的体内,为他进行血管手术从而拯救了他的生命。
     
      50年后的今天,人们虽然仍然未将科幻片变成现实,但是费曼的预言还在被很多人努力证实。科学家们希望有一天能将化疗药物直接运输到人体需要的部位,杀死肿瘤细胞,并且不伤害好的细胞。然而这个证明的过程是漫长的。就像这次获得诺贝尔化学奖之一的Fraser Stoddart说的:“这不是一夜之间就能发生的,需要很长时间和优秀人才的共同努力。”
     
      事实上,在50年代和60年代时,科学家就已经尝试着把化学的环形元素连接这链条,来产生向新的分子。不过一直到1983年,重大的成果发现了。法国人Sauvage教授成功地将两个环状分子连接在一起,形成了一条特殊的链条,即双环化合物。通常分子是由原子间通过共享电子对构成的共价键形成的,但是在这个链条中,分子是由更加自由的机械性相互作用形成的。要想让一个机器完成任务,必须由相互之间能够相对移动的部件组成,Sauvage教授所发现的这两个互锁的环状分子就是能够相对移动的。
     
      1991年,Stoddart爵士成功地合成了轮烷,实现了分子机器的第二步。轮烷是一类由一个环状分子套在另一个线性分子上二形成的内锁型的超分子体系。
     
      而另外一个获奖者来自荷兰的Feringa教授则发明了首个分子马达,被视作分子机器领域的标志性事件。1999年,他制作了一个分子转子叶片,能够持续朝一个方向旋转。此后,他又设计了一辆“分子汽车”。
     
      2011年,首辆四轮的“纳米汽车”,底盘和四个轮子都是由分子构成。四个轮子能够向一个方向旋转,并且能在一个表面上开动。
     
      2013年,英国曼彻斯特大学教授David Leigh领导的团队制造出一台纳米机器人,能够抓取氨基酸并把它们连接起来,就如同人体细胞的核糖那样。
     
      尽管这些发现都还仅限于实验室展示,但是科研人员正在挖掘这一技术的潜力,并预测其有能力成为真正改变人们现实生活的应用。其中很重要的一个应用前景就在于分子机器人在生物体内的自动生成。比如针对病毒的机器人,可能会通过它的分子钳子与特定的病毒相结合,向肿瘤部位集中运输药物。
     
      “上海制造”的分子机器
     
      值得一提的是,此次获得诺贝尔化学奖的三位教授中的两位与中国都有很深的渊源。例如上海华东理工大学在“分子机器”领域就拥有一支国际领先的科研团队。华理田禾院士团队与三个新晋诺奖得主在学术科研上有着密切的合作和交流。Stoddart教授先后于2005年和2007年两次访问华理,并受聘为华理名誉教授。Feringa教授也于2007年到访过华理,并将于下个月应邀来上海参加“2016光致变色国际研讨会”,他同时还是华理化学学院副院长曲大辉教授在荷兰博士后工作期间的合作导师。
     
      华东理工大学的张隽佶博士向记者解释道:“广泛地讲,分子机器的含义来自于自然界。就像生命体中的ATP酶一样,它是天然的传导和利用物质和能量的装置。而此次获奖的人造分子机器,它是运用合成与化学修饰手段构建的功能性分子或者化学体系。通常分子机器是基于合成及超分子组装的功能性化学组分的集合,它的目的是模拟宏观的机器工作模式,从微观再现并产生作用。”
     
      作为一个微型器件的化学基础,分子或超分子必须能够响应某种外部的刺激信号(物理的或者化学刺激),针对性地产生输出信号或者做有用功,才是实现机器功能的基本要求。张隽佶表示:“与功能性化学体系(如分子开关、化学传感器等)不同的是,分子机器在响应的基础上往往还要求能够引起组分或者分子单元间的相对机械运动,并伴随物质与能量的流动产生特定的机器功能。”
     
      张隽佶目前在华理田禾课题组工作,据他介绍,田禾院士在“分子机器的设计和合成”领域的研究成果也是诺奖级的。早在2004年,田禾院士领衔的团队就设计出直径比头发丝还细的“分子梭”和“分子算盘”,进而运用荧光来感知其运动轨迹,让葡萄糖分子产生计算甚至是思维能力,从而在“模拟生命体,以帮助人类恢复体力或者修复受损记忆”的高峰研究领域跨进了扎实的一步。
     
      这台“上海制造”的分子机器,用通俗的语言来解释,就像是在一根木棍上穿一个无底的水桶,在某种外力的作用下,水桶得以左右滑动。当然,这是将它放大10亿倍的效果。透过荧光光谱仪,才能感受它的难度系数:“木棍”由偶氮或苯乙烯分子制成,“水桶”的材质则是由6-7个葡萄糖分子“手牵手”组成的环糊精分子,桶口直径仅为0.6纳米。田禾院士等运用光驱动,让“水桶”在紫外光的照射下获得动能,或左或右地在“棍子”上来回穿梭运动,一个微型“分子梭”由此诞生。“木棍+水桶”的组合与算盘颇为相似,在田禾院士等的“调教”下,“分子梭”学会了“加2”或“减2”的简单算术,成为具有原始计算功能的“分子算盘”。
     
      据田禾院士介绍,一旦“分子算盘”发展成熟,电脑就可升级为容量更大、算得更快的“分子脑”,从而摆脱“摩尔定律”的极限束缚。目前,这台“上海制造”的分子机器已跻身国际先进行列,而其独创的荧光检测法更是成为各国科学家普遍采用的表征方式。
     
      正如美国化学学会Donna Nelson教授所说的:“全世界对于诺贝尔奖的关注度是极高的,诺贝尔奖也会影响科学界未来的研究方向,会让分子机器领域蓬勃发展,越来越多的研究人员会涌向这一领域,吸引更多资金投入进来。所以应用应该会快于预期。”
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