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“分子機器”的啟示：機器人醫生和模擬生命前景可期

諾貝爾化學獎今年曝出“冷門”——頒給了屬於“純化學”範疇的“分子機器”。此前歷年的諾貝爾化學獎都授予了交叉學科，比如生物、物理、生物化學和生物物理等等。

法國斯特拉斯堡大學的讓-彼埃爾·索瓦(Jean-Pierre Sauvage)教授、美國西北大學的詹姆斯·弗雷澤·斯圖達(James Fraser Stoddart)爵士以及荷蘭格羅寧根大學的伯納德·費林加(Bernard Feringa)教授共同摘得了這一諾貝爾最重要的獎項。他們因在分子機器的設計和合成上的貢獻而獲獎。

而在這一領域，我國也具有領先世界的水準。華東理工大學的田禾院士科研團隊所從事的研究領域，正是“分子機器的設計和合成”。該領域獲得諾獎將有助於盡早實現商業化應用。

“吞下”一個外科醫生

“分子機器”又稱生物納米機器，構件主要是蛋白質等生物分子，具有小尺寸、多樣性、自適應、僅依靠化學能或者熱能驅動、分子調劑等其它人造機器難以比擬的性能，對促進生物學的發現以及仿生學具有重要意義。

“分子機器”是在1959年作為納米技術的概念被提出的。當時著名的物理學家理查德-費曼(Richard Feynman)就大膽預測，分子機器未來將會在納米機器人手術和定位藥物在人體內的輸送方面起到關鍵作用。他說：“雖然這個想法聽起來很瘋狂，但是如果人們能夠吞下一個外科醫生，這樣的手術會很有意思。”他描繪道，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，並且查看哪里出了問題，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註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。

50年後的今天，人們雖然仍然未將科幻片變成現實，但是費曼的預言還在被很多人努力證實。科學家們希望有一天能將化療藥物直接運輸到人體需要的部位，殺死腫瘤細胞，並且不傷害好的細胞。然而這個證明的過程是漫長的。就像這次獲得諾貝爾化學獎之一的Fraser Stoddart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。”

事實上，在50年代和60年代時，科學家就已經嘗試著把化學的環形元素連接這鏈條，來產生向新的分子。不過一直到1983年，重大的成果發現了。法國人Sauvage教授成功地將兩個環狀分子連接在一起，形成了一條特殊的鏈條，即雙環化合物。通常分子是由原子間通過共享電子對構成的共價鍵形成的，但是在這個鏈條中，分子是由更加自由的機械性相互作用形成的。要想讓一個機器完成任務，必須由相互之間能夠相對移動的部件組成，Sauvage教授所發現的這兩個互鎖的環狀分子就是能夠相對移動的。

1991年，Stoddart爵士成功地合成了輪烷，實現了分子機器的第二步。輪烷是一類由一個環狀分子套在另一個線性分子上二形成的內鎖型的超分子體系。

而另外一個獲獎者來自荷蘭的Feringa教授則發明了首個分子馬達，被視作分子機器領域的標誌性事件。1999年，他制作了一個分子轉子葉片，能夠持續朝一個方向旋轉。此後，他又設計了一輛“分子汽車”。

2011年，首輛四輪的“納米汽車”，底盤和四個輪子都是由分子構成。四個輪子能夠向一個方向旋轉，並且能在一個表面上開動。

2013年，英國曼徹斯特大學教授David Leigh領導的團隊制造出一臺納米機器人，能夠抓取氨基酸並把它們連接起來，就如同人體細胞的核糖那樣。

盡管這些發現都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。

“上海制造”的分子機器

值得一提的是，此次獲得諾貝爾化學獎的三位教授中的兩位與中國都有很深的淵源。例如上海華東理工大學在“分子機器”領域就擁有一支國際領先的科研團隊。華理田禾院士團隊與三個新晉諾獎得主在學術科研上有著密切的合作和交流。Stoddart教授先後於2005年和2007年兩次訪問華理，並受聘為華理名譽教授。Feringa教授也於2007年到訪過華理，並將於下個月應邀來上海參加“2016光致變色國際研討會”，他同時還是華理化學學院副院長曲大輝教授在荷蘭博士後工作期間的合作導師。

華東理工大學的張雋佶博士向記者解釋道：“廣泛地講，分子機器的含義來自於自然界。就像生命體中的ATP酶一樣，它是天然的傳導和利用物質和能量的裝置。而此次獲獎的人造分子機器，它是運用合成與化學修飾手段構建的功能性分子或者化學體系。通常分子機器是基於合成及超分子組裝的功能性化學組分的集合，它的目的是模擬宏觀的機器工作模式，從微觀再現並產生作用。”

作為一個微型器件的化學基礎，分子或超分子必須能夠響應某種外部的刺激信號(物理的或者化學刺激)，針對性地產生輸出信號或者做有用功，才是實現機器功能的基本要求。張雋佶表示：“與功能性化學體系(如分子開關、化學傳感器等)不同的是，分子機器在響應的基礎上往往還要求能夠引起組分或者分子單元間的相對機械運動，並伴隨物質與能量的流動產生特定的機器功能。”

張雋佶目前在華理田禾課題組工作，據他介紹，田禾院士在“分子機器的設計和合成”領域的研究成果也是諾獎級的。早在2004年，田禾院士領銜的團隊就設計出直徑比頭發絲還細的“分子梭”和“分子算盤”，進而運用熒光來感知其運動軌跡，讓葡萄糖分子產生計算甚至是思維能力，從而在“模擬生命體，以幫助人類恢複體力或者修複受損記憶”的高峰研究領域跨進了紮實的一步。

這臺“上海制造”的分子機器，用通俗的語言來解釋，就像是在一根木棍上穿一個無底的水桶，在某種外力的作用下，水桶得以左右滑動。當然，這是將它放大10億倍的效果。透過熒光光譜儀，才能感受它的難度系數：“木棍”由偶氮或苯乙烯分子制成，“水桶”的材質則是由6-7個葡萄糖分子“手牽手”組成的環糊精分子，桶口直徑僅為0.6納米。田禾院士等運用光驅動，讓“水桶”在紫外光的照射下獲得動能，或左或右地在“棍子”上來回穿梭運動，一個微型“分子梭”由此誕生。“木棍+水桶”的組合與算盤頗為相似，在田禾院士等的“調教”下，“分子梭”學會了“加2”或“減2”的簡單算術，成為具有原始計算功能的“分子算盤”。

據田禾院士介紹，一旦“分子算盤”發展成熟，電腦就可升級為容量更大、算得更快的“分子腦”，從而擺脫“摩爾定律”的極限束縛。目前，這臺“上海制造”的分子機器已躋身國際先進行列，而其獨創的熒光檢測法更是成為各國科學家普遍采用的表征方式。

正如美國化學學會Donna Nelson教授所說的：“全世界對於諾貝爾獎的關註度是極高的，諾貝爾獎也會影響科學界未來的研究方向，會讓分子機器領域蓬勃發展，越來越多的研究人員會湧向這一領域，吸引更多資金投入進來。所以應用應該會快於預期。”