深度解讀2016諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：分子馬達(dá)與納米火箭，分子機(jī)器很有可能會(huì)在未來(lái)的新材料、傳感器、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域大顯身手。有望推動(dòng)納米技術(shù)走向成熟。　因在分子機(jī)器設(shè)計(jì)與合成領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，三位科學(xué)家獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)。國(guó)內(nèi)媒體指出，分子機(jī)器存在的學(xué)術(shù)意義在于，它給傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)和納米科技建立了一座橋梁。外媒報(bào)道稱，該領(lǐng)域獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?wù)J可，有望推動(dòng)納米技術(shù)逐步走向成熟，未來(lái)將主要用于醫(yī)療和材料兩大領(lǐng)域。在醫(yī)療領(lǐng)域中，分子機(jī)器有望更精準(zhǔn)捕捉癌細(xì)胞并進(jìn)行消滅；在材料領(lǐng)域中，該設(shè)備能幫助科學(xué)家研發(fā)新型智能材料。

目前，科技巨頭已開(kāi)始涉足該領(lǐng)域。谷歌旗下X實(shí)驗(yàn)室此前在全球科技大會(huì)上表示，針對(duì)癌癥和其他疾病的早期診斷與治療，正在設(shè)計(jì)一種納米機(jī)器。海外研究報(bào)告預(yù)計(jì)，到2020年，全球納米生物市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)420億美元。

2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予讓-皮埃爾·紹瓦熱（Jean-Pierre Sauvage），J·弗雷澤·斯托達(dá)特（J. Fraser Stoddart）和伯納德·L·費(fèi)林加（Bernard L. Feringa），因其“發(fā)明了行動(dòng)可控、在給予能源后可執(zhí)行任務(wù)的分子機(jī)器”。信息技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了小型化的技術(shù)革命，今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)工作把化學(xué)研究帶入了一個(gè)全新的維度。

1983年，讓-皮埃爾·紹瓦熱邁出了通往分子機(jī)器的第一步，他將兩個(gè)環(huán)狀分子連成鏈狀，并將其命名為索烴。隨后的1991年，斯托達(dá)特成功制備了輪烷，其中一個(gè)分子為鏈，一個(gè)分子為環(huán)，環(huán)分子可以繞鏈轉(zhuǎn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家成功研制了分子起重機(jī)、分子肌肉和分子芯片。費(fèi)林加則是發(fā)展分子發(fā)動(dòng)機(jī)的第一人。1999年，他制備了一種能夠持續(xù)朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的分子發(fā)動(dòng)機(jī)，用它轉(zhuǎn)動(dòng)了比它大一萬(wàn)倍的玻璃杯，并且設(shè)計(jì)了一個(gè)微型車。

本屆諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)邘Щ瘜W(xué)走出了僵局，并用給予能量的方式控制了分子的運(yùn)動(dòng)。從發(fā)展的眼光看，分子機(jī)器之于我們正如電動(dòng)機(jī)之于19世紀(jì)的科學(xué)界先輩，那時(shí)他們并不知道這些線圈和磁石會(huì)化為電車、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇等等走進(jìn)千家萬(wàn)戶。分子機(jī)器很有可能會(huì)在未來(lái)的新材料、傳感器、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域大顯身手。

2015年12月號(hào)的《環(huán)球科學(xué)》中的《分子馬達(dá)與納米火箭》一文就著重介紹了斯托達(dá)特和費(fèi)林加的工作，斯托達(dá)特在采訪中說(shuō)：“這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)走過(guò)了漫長(zhǎng)的道路，現(xiàn)在是時(shí)候向外界證明它們是有用的了。”而獲得2016年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，對(duì)于分子機(jī)器這個(gè)前景無(wú)限的新興領(lǐng)域，無(wú)疑是最好的鼓勵(lì)。

撰文：馬克·佩普洛（Mark Peplow）   翻譯：楊科

一個(gè)機(jī)器人沿著預(yù)定軌道緩慢行進(jìn)，時(shí)不時(shí)停下來(lái)伸出手臂收集一下零件，并把收集起來(lái)的零件放置在背后一個(gè)特別設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)里。一處收集完成后，機(jī)器人繼續(xù)向前行進(jìn)，重復(fù)這一過(guò)程——直到按照既定設(shè)計(jì)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(shí)只有幾納米長(zhǎng)，你可能會(huì)以為上面描述的是一個(gè)高科技工廠中的場(chǎng)景。而在這條納米流水線中，零件是氨基酸，多個(gè)零件則串成了一小段多肽。完成這一系列任務(wù)的機(jī)器人由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的化學(xué)家戴維·利（David Leigh）所設(shè)計(jì)，這也是迄今為止在分子尺度上設(shè)計(jì)出的最復(fù)雜的機(jī)器人之一。

這個(gè)機(jī)器人并不孤單，因?yàn)樗摹案赣H”戴維·利只是逐漸壯大的“分子建筑師”大軍中的一份子。他們希望通過(guò)化學(xué)手段去模擬活細(xì)胞中可像機(jī)器一般發(fā)揮作用的生物分子，比如沿著細(xì)胞內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)蛋白，或是通過(guò)讀取遺傳密碼合成蛋白質(zhì)的核糖體。在過(guò)去的25年里，研究人員已經(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。

然而，這一領(lǐng)域目前的發(fā)展到達(dá)了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)?！拔覀円呀?jīng)制造出了五六十種不同的（分子）馬達(dá)，”荷蘭格羅寧根大學(xué)的化學(xué)家本·費(fèi)林加（Ben Feringa，2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主）說(shuō)道，“我現(xiàn)在更關(guān)心的是怎么使用它們，而不是再造出一種新的馬達(dá)來(lái)?！边@一跡象在今年6月份的美國(guó)戈登會(huì)議（US Gordon conferences）上就已清楚地出現(xiàn)。這一在學(xué)術(shù)界有著舉足輕重地位的會(huì)議今年首次將“分子機(jī)器及其潛在應(yīng)用”作為重點(diǎn)議題，標(biāo)志著該領(lǐng)域的研究進(jìn)入新的紀(jì)元——本次會(huì)議的組織者、以色列魏茨曼科學(xué)研究所的化學(xué)家拉法爾·克萊因（Rafal Klajn）如是說(shuō)。戴維·利也說(shuō)：“在15年內(nèi)，分子機(jī)器領(lǐng)域的研究將成為化學(xué)和材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域的核心部分。”

要達(dá)到戴維·利所期望的目標(biāo)并非易事。首先，研究人員得知道如何讓數(shù)以億計(jì)的分子機(jī)器協(xié)同工作，產(chǎn)生可觀測(cè)到的宏觀效果，除此之外，研究人員還需要讓這些分子機(jī)器易于操控，保證它們可以在不間斷的情況下完成無(wú)數(shù)次操作。

這也就是為什么該領(lǐng)域的眾多專家并不期望分子機(jī)器的首批應(yīng)用會(huì)涉及到多么復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。但他們認(rèn)為，組成這些分子機(jī)器的基本部件將會(huì)在眾多的科學(xué)領(lǐng)域中得到應(yīng)用：比如用于靶向釋藥的光敏開(kāi)關(guān)，或是可以根據(jù)光信號(hào)進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)或儲(chǔ)能的智能材料，這意味著分子建筑師們需要與其他可能從“分子零件”中受益的領(lǐng)域展開(kāi)合作。克萊因說(shuō)：“我們必須讓這些合作伙伴們相信，‘分子零件’絕對(duì)可以給他們帶來(lái)驚喜?！?/span>

分子穿梭機(jī)

我們現(xiàn)在看到的很多分子機(jī)器，其原型都可以追溯到1991年由化學(xué)家弗雷澤·斯托達(dá)特（Fraser Stoddart，2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主）所設(shè)計(jì)的一個(gè)略顯粗糙的分子器件。這個(gè)分子體系也就是今天我們常常會(huì)聽(tīng)到的“輪烷”（rotaxane），由一個(gè)環(huán)狀分子和一個(gè)穿過(guò)此環(huán)狀分子空腔的鏈狀分子共同組成。鏈狀分子的兩端在結(jié)構(gòu)上具有較大的空間位阻，可以防止套在其中的環(huán)狀分子滑脫，在靠近兩端的地方還含有可與環(huán)狀分子發(fā)生鍵連作用的化學(xué)基團(tuán)。斯托達(dá)特在研究中發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀分子可以在鏈狀分子兩端的化學(xué)位點(diǎn)之間來(lái)回移動(dòng)，由此他設(shè)計(jì)出了第一個(gè)分子級(jí)的短程穿梭裝置。

1994年，斯托達(dá)特改進(jìn)了他的設(shè)計(jì)，讓鏈狀分子的兩端分別帶有不同的結(jié)合位點(diǎn)，這一新的分子穿梭機(jī)在水溶液中試驗(yàn)成功。改變?nèi)芤旱乃釅A度，可以讓環(huán)狀分子在位點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)可逆的來(lái)回移動(dòng)，使得該“穿梭機(jī)”在某種程度上變成了一種可逆型開(kāi)關(guān)。這種可逆型開(kāi)關(guān)在未來(lái)不僅可用于制造熱敏、光敏或是感受特定化學(xué)物質(zhì)的傳感器，還可用做體內(nèi)納米級(jí)藥物載體的開(kāi)關(guān)，在正確的時(shí)間和地點(diǎn)釋放藥物。

斯托達(dá)特的分子開(kāi)關(guān)具有兩個(gè)非常重要的特質(zhì)，這也正是分子機(jī)器的兩大特點(diǎn)：第一，環(huán)狀分子與鏈狀分子在位點(diǎn)結(jié)合的相互作用并不是高強(qiáng)度的共價(jià)鍵，而是帶正電區(qū)域與帶負(fù)電區(qū)域之間的靜電吸引作用。這種作用相對(duì)較弱，換句話說(shuō)，環(huán)狀分子與鏈狀分子之間的結(jié)合可以隨時(shí)被打破與重建，就像雙鏈DNA間的氫鍵一樣。第二，斯托達(dá)特設(shè)計(jì)的分子“穿梭機(jī)”并不需要外在能量就能完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)：裝置運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于溶液中分子間的相互碰撞，也就是常說(shuō)的布朗運(yùn)動(dòng)。

在這之后，五花八門的分子開(kāi)關(guān)層出不窮。有的是基于光或溫度的變化，有的則是通過(guò)結(jié)合溶液中特定的離子或分子來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)，而后者的原理與細(xì)胞膜上的離子通道響應(yīng)外界化學(xué)信號(hào)來(lái)進(jìn)行開(kāi)/閉的工作模式如出一轍。

然而，斯托達(dá)特卻在這股潮流中將他的研究引向了另一個(gè)方向。他與加州理工學(xué)院的詹姆斯·希思（James Heath）合作，用數(shù)百萬(wàn)個(gè)輪烷制造出了一個(gè)三明治型的數(shù)據(jù)記錄裝置。這些輪烷被夾在硅電極與鈦電極之間，可在電信號(hào)的作用下從一種狀態(tài)切換到另一種，由此完成數(shù)據(jù)的記錄。這一“分子存儲(chǔ)器”長(zhǎng)約13微米，可記錄16萬(wàn)比特的信息，每比特對(duì)應(yīng)幾百個(gè)輪烷分子。這樣的存儲(chǔ)密度相當(dāng)于每平方厘米可存儲(chǔ)約100GB的數(shù)據(jù)，與目前最好的商用硬盤相比也毫不遜色。斯托達(dá)特的團(tuán)隊(duì)用該數(shù)據(jù)記錄裝置中最穩(wěn)定的24個(gè)比特單位，存儲(chǔ)并檢索出了“CIT”三個(gè)字母（加州理工學(xué)院的首字母簡(jiǎn)稱）。但他的這一裝置并不結(jié)實(shí)，使用了還不到100次，就土崩瓦解了。一個(gè)可行的解決辦法是將它們加載到更堅(jiān)韌的多孔材料——金屬有機(jī)骨架材料（metal-organic framework，MOF）上。這種材料不但可以保護(hù)裝置，還可以通過(guò)有效的組織形成精確的3D陣列。

今年早些時(shí)候，加拿大溫莎大學(xué)的羅伯特·舒爾科（Robert Schurko）和斯蒂芬·勒布（Stephen Loeb）宣布，他們已經(jīng)可以在每立方厘米的金屬有機(jī)骨架材料中嵌入大約10^21個(gè)分子穿梭機(jī)。而就在上個(gè)月，斯托達(dá)特公開(kāi)了另一種加載有“開(kāi)關(guān)型輪烷”的金屬有機(jī)骨架材料。該材料與一個(gè)電極相連，通過(guò)改變電壓，可以讓全體輪烷分子同時(shí)完成開(kāi)關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

研究金屬有機(jī)骨架的專家希望這些結(jié)實(shí)的3D骨架能夠提供比傳統(tǒng)硅晶體管更高密度的分子開(kāi)關(guān)，并且讓這些分子開(kāi)關(guān)在轉(zhuǎn)換時(shí)更易控制，以便提供超強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。“用科幻的眼光展望，我們希望讓每一個(gè)分子都可以存儲(chǔ)一比特的信息?！崩詹颊f(shuō)道，“但更現(xiàn)實(shí)的想法是讓一塊包含有上百個(gè)分子開(kāi)關(guān)的金屬有機(jī)骨架材料存儲(chǔ)一比特的信息。只要骨架材料上大部分的分子開(kāi)關(guān)都運(yùn)行良好，它們就可以用來(lái)有效地編碼數(shù)據(jù)?！?/span>

還有一些科學(xué)家利用輪烷來(lái)制造可切換型催化劑。2012年，戴維·利在其發(fā)表的文章中介紹了一種帶有氮原子的輪烷系統(tǒng)。氮原子位于鏈狀分子的中段，即環(huán)狀分子包圍著的位置。當(dāng)向該系統(tǒng)加入酸性溶液時(shí)，環(huán)狀分子會(huì)移向輪烷的一端，將中間的氮原子暴露出來(lái)。這時(shí)，氮原子就可以作為催化劑去催化某些化學(xué)反應(yīng)。而就在去年11月，戴維·利又將他的研究推進(jìn)了一步：他設(shè)計(jì)了一種含有兩個(gè)不同催化位點(diǎn)的輪烷系統(tǒng)。當(dāng)環(huán)狀分子從一端移向另一端時(shí)，輪烷的反應(yīng)活性也會(huì)隨之改變，因此該系統(tǒng)可以用兩種不同的方式來(lái)處理體系中的分子混合物。戴維·利現(xiàn)在的研究目標(biāo)是模擬細(xì)胞中的酶——把多種不同的可切換型催化劑投放到同一個(gè)溶液體系中，利用它們各自的催化特點(diǎn)，使目標(biāo)分子能夠按照一定的反應(yīng)順序生成更加復(fù)雜的最終產(chǎn)物。

納米馬達(dá)

1999年，第一臺(tái)分子馬達(dá)的成功合成又將這一領(lǐng)域的研究向前推進(jìn)了一大步。分子馬達(dá)由費(fèi)林加的團(tuán)隊(duì)完成，含有兩個(gè)相同的“葉片”單元，葉片之間通過(guò)碳碳雙鍵加以固定。當(dāng)用大量的光能打破葉片間的化學(xué)鍵時(shí)，葉片便可以旋轉(zhuǎn)起來(lái)。尤為關(guān)鍵的是，葉片形狀經(jīng)過(guò)特別的設(shè)計(jì)，可以保證它們只繞同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。因此，只要能提供合適的光能和熱能，這臺(tái)馬達(dá)便可以持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

費(fèi)林加用類似的分子馬達(dá)制造出了四輪驅(qū)動(dòng)的納米車。在另一項(xiàng)研究中，他在液晶薄膜中摻雜了分子馬達(dá)，后者可以讓液晶薄膜產(chǎn)生足夠大的扭曲度，從而使放置在膜上的玻璃棒緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)。這根玻璃棒長(zhǎng)達(dá)28微米，是馬達(dá)尺寸的上千倍。

有些化學(xué)家認(rèn)為，盡管分子馬達(dá)很酷，但最終并不會(huì)有什么實(shí)際用處?！拔覍?duì)這些人造馬達(dá)的應(yīng)用一直持懷疑態(tài)度。它們制造起來(lái)非常復(fù)雜，而且非常難以量產(chǎn)。”德國(guó)慕尼黑大學(xué)的化學(xué)家迪爾克·特勞納（Dirk Trauner）說(shuō)道。然而，這些分子機(jī)器背后隱藏的化學(xué)原理可能會(huì)非常有用。基于相同的光切換機(jī)理，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了大約100種類似藥物的化合物，光信號(hào)可以使這些化合物開(kāi)始或停止發(fā)揮藥理活性。

今年7月，由特勞納領(lǐng)導(dǎo)的研究小組就發(fā)布了一種光敏型康普立停A-4。這是一種有著嚴(yán)重副作用的強(qiáng)效抗癌藥，會(huì)無(wú)差別地攻擊腫瘤細(xì)胞以及相似的健康細(xì)胞，而特勞納團(tuán)隊(duì)制備的可切換型新藥能夠有效地減少這種副作用：當(dāng)藥物分子處于“關(guān)閉”狀態(tài)時(shí)，分子內(nèi)含有一個(gè)氮氮雙鍵，藥物在整體上并不具備活性。當(dāng)用藍(lán)光照射分子，打破氮氮雙鍵之后，雙鍵連接的兩部分會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使藥物分子重新產(chǎn)生活性。特勞納提到，如果利用柔性導(dǎo)管或是植入性裝置來(lái)傳遞光信號(hào)，這種靶向控制可以在僅僅10微米大小的人體組織內(nèi)實(shí)現(xiàn)。他的下一步工作，就是利用小鼠對(duì)這些新型化合物的抗癌效果進(jìn)行測(cè)試。

特勞納也希望這些光敏型化合物可以讓患有黃斑變性和色素性視網(wǎng)膜炎（這些疾病會(huì)破壞眼內(nèi)的視桿及視錐細(xì)胞）的人重見(jiàn)光明?！斑@是極易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)椴≡钗挥谘鄄?，你不需要?dān)心如何引入光信號(hào)?！碧貏诩{說(shuō)道。在去年的實(shí)驗(yàn)中，他向盲鼠的眼睛里注射了一種叫DENAQ的光敏型藥物分子，使盲鼠在幾天的時(shí)間里恢復(fù)了部分視覺(jué)（可以分辨白天與黑夜）。他的團(tuán)隊(duì)目前正嘗試把這項(xiàng)技術(shù)推廣到靈長(zhǎng)類動(dòng)物身上，希望在兩年之內(nèi)開(kāi)展人體試驗(yàn)。

特勞納和克萊因都認(rèn)為，這項(xiàng)研究最主要的挑戰(zhàn)在于說(shuō)服謹(jǐn)小慎微的醫(yī)藥行業(yè)，讓他們相信光敏型藥物有著巨大潛力，即便它們還沒(méi)有人體上的使用記錄。特勞納說(shuō)：“一旦他們看清了這一領(lǐng)域的價(jià)值，我們的研究就能更好地開(kāi)展下去?！?/span>

分子行走裝置

早在生物從海洋進(jìn)化到陸地上之前，細(xì)胞內(nèi)就已形成了一套可自行“行走”的細(xì)胞機(jī)器。一個(gè)經(jīng)典的例子就是具有雙叉形結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)蛋白——在進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，它可以沿著細(xì)胞內(nèi)的微管骨架移動(dòng)。

受驅(qū)動(dòng)蛋白的啟發(fā)，研究人員利用DNA分子構(gòu)建了一個(gè)人造行走裝置。這個(gè)分子行走裝置起先通過(guò)與互補(bǔ)DNA鏈的結(jié)合錨定在固定的軌道上。當(dāng)在體系中加入競(jìng)爭(zhēng)性的DNA鏈后，分子行走裝置得以釋放并向前行進(jìn)一步。這一領(lǐng)域最激動(dòng)人心的例子來(lái)自于紐約大學(xué)納德里安·西曼（Nadrian Seeman）于2010年公布的一項(xiàng)研究。他所設(shè)計(jì)的DNA行走裝置有四只“腳”和三只“手”，當(dāng)這一裝置繞著由折疊DNA鏈組成的方形結(jié)構(gòu)移動(dòng)時(shí)，它可以利用自己的“手腳”搭載金納米顆粒。

DNA行走器的研究很快就擴(kuò)展到了其他實(shí)驗(yàn)室。但是，如果不給這些行走器安裝內(nèi)置的棘輪系統(tǒng)，使它們可以在必要的時(shí)候停下來(lái)向后走，那么這些行走器就只能漫無(wú)目的地四處游蕩。對(duì)于大多數(shù)分子行走器來(lái)說(shuō)，棘輪系統(tǒng)可以通過(guò)控制固定或松開(kāi)行走器“腿部”的化學(xué)反應(yīng)的相對(duì)速率來(lái)實(shí)現(xiàn)，而前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力則可以通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)的推力來(lái)提供。

在過(guò)去幾年中，詳細(xì)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究和分子動(dòng)力學(xué)模擬數(shù)據(jù)已經(jīng)證明，前文提及的“布朗棘輪”的概念正是所有化學(xué)驅(qū)動(dòng)的分子機(jī)器以及很多生物馬達(dá)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。例如在2013年，密歇根大學(xué)安阿伯分校的化學(xué)生物學(xué)家尼爾斯·瓦爾特（Nils Walter）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組就發(fā)現(xiàn)，剪接體（spliceosome）也是按照相同的機(jī)理工作的。剪接體是在遺傳信息被翻譯成蛋白質(zhì)之前，對(duì)RNA進(jìn)行一系列剪接修飾的一種細(xì)胞機(jī)器?！膀?qū)動(dòng)蛋白正是使用的這樣的工作機(jī)制，核糖體也是，剪接體也是。”瓦爾特補(bǔ)充道。

上述研究表明，生物機(jī)器與人工合成的分子機(jī)器實(shí)質(zhì)上遵守著相同的法則。因此，兩個(gè)領(lǐng)域的研究人員可以在今后的工作中相互取長(zhǎng)補(bǔ)短?！熬湍壳皝?lái)看，兩個(gè)領(lǐng)域在總體上還是相互獨(dú)立的，”瓦爾特說(shuō)，“但我認(rèn)為如果兩個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的研究人員能夠一起合作，下一個(gè)突破一定會(huì)到來(lái)。”

微米火箭

與此同時(shí)，受1966年風(fēng)靡全球的科幻電影《神奇旅程》（Fantastic Voyage）中“微型醫(yī)療潛艇”的啟發(fā)，化學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)由微米顆粒與導(dǎo)管組成的陣列，這個(gè)陣列系統(tǒng)在液體中可以像火箭一樣迅猛移動(dòng)。

這些“微米火箭”的推動(dòng)力有的來(lái)源于自身攜帶的催化劑，后者可利用周圍的液體（通常是過(guò)氧化氫水溶液）產(chǎn)生一連串氣泡；還有的則是直接利用光能或外加的電磁場(chǎng)來(lái)獲取能量，而且外加的電磁場(chǎng)還能起到控制方向的作用?！皹?gòu)成‘微米火箭’的這些納米馬達(dá)每秒行進(jìn)的距離是自身長(zhǎng)度的1 000多倍，這太讓人難以置信了！”加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師約瑟夫·旺（Joseph Wang）興奮地說(shuō)道。他認(rèn)為該器件最具前景的應(yīng)用方向是藥物的快速釋放以及環(huán)境污染物的低成本清理。當(dāng)然，業(yè)內(nèi)的許多專家都謹(jǐn)慎地表示，現(xiàn)在就討論這些納米馬達(dá)的應(yīng)用是否會(huì)比傳統(tǒng)的方法更好還為時(shí)尚早。

然而，過(guò)氧化氫作為一種強(qiáng)氧化劑是不可能在人體內(nèi)使用的。約瑟夫·旺也坦率地表示：“如果所有的分子推進(jìn)裝置都建立在過(guò)氧化氫溶液的環(huán)境中，我們確實(shí)應(yīng)該對(duì)該領(lǐng)域的前景持懷疑態(tài)度?！钡驮谌ツ?2月，他公布了一種適用于動(dòng)物活體檢測(cè)的微米級(jí)馬達(dá)。它由一根長(zhǎng)約20微米的塑料導(dǎo)管構(gòu)成，含有一個(gè)鋅質(zhì)的核。馬達(dá)的動(dòng)力來(lái)自于鋅與胃酸反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣。

含有馬達(dá)的導(dǎo)管可以在小鼠的胃中安全推進(jìn)約10分鐘的時(shí)間。接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，約瑟夫·旺用這些含有馬達(dá)的導(dǎo)管向小鼠胃部周圍的組織運(yùn)輸金納米顆粒。結(jié)果，喂食這些金納米顆粒－導(dǎo)管復(fù)合物的小鼠，其胃粘膜上的金含量要比直接喂食金納米顆粒的對(duì)照組高三倍。由此，約瑟夫·旺認(rèn)為，如果把藥物或成像劑裝到微米“火箭”上服用，可以讓它們更加快速而有效地到達(dá)胃組織內(nèi)部?！霸诮酉聛?lái)的五年內(nèi)，我們會(huì)將研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H的體內(nèi)應(yīng)用階段，”約瑟夫·旺說(shuō)，“這真的會(huì)是一趟神奇旅程?！?/span>

目前，這些微米級(jí)火箭與分子機(jī)器的研究還鮮有交叉，但克萊因相信它們之間的聯(lián)系會(huì)越來(lái)越多。“比方說(shuō)，在微型馬達(dá)的表面結(jié)合一個(gè)光敏型的分子開(kāi)關(guān)就能為它的移動(dòng)提供更好的控制?！笨巳R因建議道。

分子泵

在不斷追尋具有實(shí)際用途的分子機(jī)器的過(guò)程中，研究人員開(kāi)始嘗試將不同的元件整合到一臺(tái)裝置上。今年五月，斯托達(dá)特公開(kāi)了一種可以把兩個(gè)環(huán)狀分子從溶液中拉到存儲(chǔ)端的人造分子泵。環(huán)狀分子首先需要克服啞鈴型鏈狀分子一端的空間壁壘，與一個(gè)可切換的連接位點(diǎn)相結(jié)合。之后連接位點(diǎn)改變自己的結(jié)合狀態(tài)，迫使環(huán)狀分子被推開(kāi)并跨過(guò)第二道壁壘，到達(dá)鏈狀分子的存儲(chǔ)端。

這個(gè)分子泵系統(tǒng)并不適用于其他類型的分子，而且它經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)才制造成功?！斑€有很長(zhǎng)的路要走啊?！彼雇羞_(dá)特不無(wú)嘆息地說(shuō)道。但他的發(fā)現(xiàn)至少證明分子機(jī)器可以用來(lái)濃縮分子，打破化學(xué)系統(tǒng)的平衡。在生物領(lǐng)域里，利用離子或是分子形成的濃度梯度來(lái)建立并存儲(chǔ)一定的勢(shì)能，這樣的事情屢見(jiàn)不鮮。“我們正在向生物系統(tǒng)學(xué)習(xí)如何制造一個(gè)分子棘輪?！彼雇羞_(dá)特說(shuō)。

斯托達(dá)特認(rèn)為，這一領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展應(yīng)該從兩方面入手：在微觀層面上，讓這些分子機(jī)器在分子尺度上完成那些不能用其他手段完成的任務(wù)；在宏觀層面上，利用數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的分子機(jī)器的集群效應(yīng)重塑材料形狀，或讓它們可以像蟻群一樣去舉起比自身重得多的東西。

也許符合斯托達(dá)特微觀層面構(gòu)想的典型例子就是戴維·利所設(shè)計(jì)的分子流水線。受核糖體的啟發(fā)，這個(gè)基于輪烷系統(tǒng)的流水線可以沿軸撿拾氨基酸分子，將它們添加到一個(gè)不斷增長(zhǎng)的肽鏈上。但這個(gè)裝置的妙處還在于它能夠產(chǎn)生宏觀上的效果——1018個(gè)這樣的分子流水線在超過(guò)36個(gè)小時(shí)的時(shí)間里合成出了幾毫克的多肽?！澳阍趯?shí)驗(yàn)室里花半小時(shí)內(nèi)沒(méi)辦法完成的事情，分子流水線也沒(méi)辦法完成。然而，這一流水線的出現(xiàn)表明，讓分子機(jī)器沿既定路線，將沿途分子收集到一起是可以實(shí)現(xiàn)的?！贝骶S·利解釋道。他現(xiàn)在正在研究其他類型的分子流水線，比如用于合成具有特定材料特性的高分子聚合物。

在宏觀層面上，如果數(shù)以億計(jì)的分子機(jī)器共同協(xié)作，確實(shí)能夠改變材料的某些宏觀性質(zhì)。比如能夠根據(jù)光或化學(xué)信號(hào)進(jìn)行伸縮的智能凝膠就可以用來(lái)制造可調(diào)節(jié)型鏡片或傳感器。“我敢打賭，在未來(lái)五年之內(nèi)，嵌入了分子開(kāi)關(guān)的新型智能材料就會(huì)問(wèn)世?！辟M(fèi)林加說(shuō)。

類似的分子系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。2012年問(wèn)世的日產(chǎn)防劃iPhone手機(jī)殼就是以東京大學(xué)伊藤耕三教授的工作成果為藍(lán)本制造的：它所使用的材料由高分子鏈穿過(guò)數(shù)個(gè)環(huán)糊精分子之后再拗成“8”字型形成。普通聚合物涂層受到壓力時(shí)，高分子鏈間的連接會(huì)被破壞，由此產(chǎn)生劃痕。但在這種材料中，環(huán)糊精分子可以讓高分子鏈在受力時(shí)能平穩(wěn)地滑過(guò)而不被破壞。用這種材料制成的薄膜甚至可以讓手機(jī)屏幕在錘子的猛擊下不碎。

以上這些成果都意味著“分子建筑師”發(fā)明的分子部件已經(jīng)成熟到了可以應(yīng)用的階段?！斑@一領(lǐng)域的研究已經(jīng)走過(guò)了漫長(zhǎng)的道路，現(xiàn)在是時(shí)候向外界證明它們是有用的了。”斯托達(dá)特充滿信心地說(shuō)道。

人物介紹

讓-皮埃爾·紹瓦熱（Jean-Pierre Sauvage）是法國(guó)配位化學(xué)家，1944年出生于巴黎，他在路易斯·巴斯德大學(xué)取得博士學(xué)位，現(xiàn)任法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)教授，研究領(lǐng)域主要為超分子化學(xué)。

J·弗雷澤·斯托達(dá)特（Sir J. Fraser Stoddart ）是英國(guó)合成分子化學(xué)家，1942年出生于愛(ài)丁堡，現(xiàn)任美國(guó)西北大學(xué)教授，他的研究專長(zhǎng)為分子納米技術(shù)及均相催化。

伯納德·L·費(fèi)林加（Bernard L. Feringa ）是荷蘭合成有機(jī)化學(xué)家，出生于1951年，他于1978年在荷蘭格林羅根大學(xué)取得博士學(xué)位，現(xiàn)任格林羅根大學(xué)化學(xué)系教授、荷蘭科學(xué)院副院長(zhǎng)。他的研究興趣包括立體化學(xué)、有機(jī)合成、非對(duì)稱催化、分子開(kāi)關(guān)及機(jī)器、自組裝及分子納米系統(tǒng)。

本文來(lái)源：《科學(xué)美國(guó)人》中文版《環(huán)球科學(xué)》