讓-皮埃爾·索瓦日教授演示「索烴」,這是兩個互扣的環狀分子,是分子機器設計與合成的第一步。
2016年度的諾貝爾化學獎授予了來自法國、美國、荷蘭的三位科學家,他們的獲獎原因為「分子機器的設計和合成」。這些機器可謂「最小機器」,只有人類頭髮的千分之一大小。
儘管目前「分子機器」還僅限於實驗室展示,但是科研人員正在挖掘這一技術的潛力,並預測其有能力成為真正改變人們現實生活的應用。其中很重要的一個應用前景就在於分子機器人在生物體內的自動生成。比如針對病毒的機器人,可能會通過它的分子鉗子與特定的病毒相結合,向腫瘤部位集中運輸藥物。
本報記者 任志方
法國斯特拉斯堡大學的讓-皮埃爾·索瓦日教授、美國西北大學的J·弗雷澤·斯託達特以及荷蘭格羅寧根大學的伯納德·L·費林加教授共同摘得了諾貝爾化學獎。
這是一個有關在分子層面的微觀尺度上設計機器的故事。這三位獲獎人開發出了比人類頭髮絲直徑還要小1000倍的分子機器。製造分子機器的最初構想要回溯到1950年。當時,美國著名物理學家理察·費曼第一次提出,未來可以製造微小機械讓其能夠實施各種各樣的作業。儘管費曼並沒有提出分子機器人的具體概念,但是從那以後,製造分子機器人就成為人類夢寐以求的嚮往。
這個設想的實現過程是漫長的。就像這次諾貝爾化學獎得主之一的J·弗雷澤·斯託達特說的:「這不是一夜之間就能發生的,需要很長時間和優秀人才的共同努力。」
在長達三十多年的時間裡,三位獲獎者完成了分子機器設計與合成的「三步走」:
第一步,索瓦日成功合成了一種名為「索烴」的兩個互扣的環狀分子,而且這兩個分子能夠相對移動；
第二步,斯託達特合成了「輪烷」,即將一個環狀分子套在一個啞鈴狀的線形分子軸上,且環狀分子能圍繞這個軸上下移動,並成功實現了可以上升高度達0.7納米的「分子電梯」和可以彎折黃金薄片的「分子肌肉」；
第三步,費林加設計出了在構造上能向一個特定方向旋轉的分子馬達,這個馬達可以讓一個28微米長、比馬達本身大1萬倍的玻璃缸旋轉起來。有了這三步,分子機器就可以動起來了。
在短短幾十年中,科學家現在已經根據不同的機理造出了數十種分子機器。從發展的角度看,現在的分子機器就相當於19世紀30年代的電動馬達,那時的研究者會在實驗室裡驕傲地展示各式各樣的旋轉曲柄和動輪,而絲毫不知這些東西將發展出電動火車、洗衣機、風扇等一系列深刻影響我們生活的電器。
現在,這個領域到了一個關鍵的節點:如何在現有分子機器上進行有機組合,使其可以互相搭配運行,並產生宏觀可見的效應,而不只是繼續探索製造新的分子馬達。就像我們有了輪胎、底盤、發動機、懸掛系統和剎車系統等等,現在的需要是怎麼組裝成一輛汽車,甚至是一個車隊,而不僅僅是繼續尋找更好的發動機。
打一針分子機器人就能實現基因治療雖然分子機器還是個很新鮮的概念,但它在自然界早就廣泛存在了,人體就有各種精巧的大分子,最嘆為觀止的就是核糖體,這個複雜的分子機器可以把RNA上的遺傳信息轉化成蛋白質的胺基酸序列。2013年,英國曼徹斯特大學教授David Leigh領導的團隊製造出一臺納米機器人,能夠抓取胺基酸並把它們連接起來,就如同人體細胞的核糖那樣。
試著想像這樣一個情景:一個機器人沿著預定軌道緩慢行進,時不時停下來伸出手臂收集一下零件,並放置在背後一個特別設計的結構裡。一處收集完成後,機器人繼續向前行進,重複這一過程——直到按照既定設計把一連串的部件全部收集完畢。
如果不告訴你這條流水線其實只有幾納米長,你可能會以為上面描述的是一個高科技工廠中的場景。而在這條納米流水線中,零件是胺基酸,多個零件則串成了一小段多肽。這就是神奇的分子機器,科學家們猶如「分子建築師」,通過化學手段去模擬活細胞中可像機器一般發揮作用的生物分子,比如沿著細胞內微觀結構移動的驅動蛋白,或是通過讀取遺傳密碼合成蛋白質的核糖體。
將來分子機器成熟了,我們可以製作一種分子機器人,它的大小和病毒差不多,可以準確找到特定的細胞,找出目標DNA片段,然後把它替換成想要的DNA序列。這樣我們就實現了基因治療的宿願,只要注射一針分子機器人就能治病。
變身智能載藥系統直接殺死腫瘤細胞在理察·費曼的最初設想中,分子機器的重要用途之一,就是利用納米機器人手術和局部給藥。「雖然這是一個非常大膽的想法,但如果你能吞下 外科醫生 ,那麼手術會變得很有意思。」理察·費曼描繪道,只要把這個 外科醫生 放進人體的血液中,他就能夠抵達心臟,並且查看哪裡出了問題,然後他會拿出小刀,把不好的地方,比如腫瘤部位切除。
費曼的想法很快在一部科幻片中得到了體現。1966年美國影片《奇幻旅行》(Fantastic Voyage)講述了一個潛水艇艦隊如何微縮並注入到一個科學家的體內,為他進行血管手術從而拯救了他的生命。
五十年後,當初的設想雖仍然未變成現實,但科學家們仍然在為之努力。人們希望,有一天能利用微型機器人將藥物直接遞送有毒性的化療藥物對腫瘤進行治療,而不傷害健康組織。
這類微型機器人,目前在醫療領域研究較多的就是智能載藥系統,這樣的系統已經初步用DNA納米機器人實現了。
《科學》雜誌在2012年發表的研究稱,有研究者採用DNA自組裝形成了貝殼狀機器人。在這個機器人內部有兩個蛋白質藥物,可以用於殺死癌細胞。同時機器人本身帶有細胞類型識別的元件,可以識別哪個是癌細胞哪個是正常細胞。
碰到正常細胞是關閉狀態,這樣蛋白藥物不會接觸細胞,不會對細胞造成傷害。但是如果碰到了癌細胞,納米機器人通過自身的識別元件會識別到癌細胞,並且像變形金剛一樣改變自己的形狀,將藥物暴露出來,殺死細胞。