分子世界中的工程學(xué)奇跡

張唯誠(chéng)

1966年，艾薩克·阿西莫夫在他的科幻小說(shuō)《夢(mèng)幻航行》中描繪了一種只有細(xì)胞大小的潛水艇，小說(shuō)中的人物乘坐這種潛水艇航行在人體中，并遭遇了白血球、抗體和血小板。這個(gè)出自于半個(gè)世紀(jì)前的科學(xué)幻想現(xiàn)在正逐步變成現(xiàn)實(shí)?？茖W(xué)家正在研發(fā)類似的納米裝置，這是一個(gè)可在體外遙控的微小機(jī)器人，將其放入人體中，可以完成許多醫(yī)學(xué)任務(wù)，如為帕金森癥患者釋放多巴胺，為血友病患者釋放凝血因子，為癌癥患者釋放抗癌藥物……

讓分子成為“機(jī)器”

要理解這樣的機(jī)器，我們需要走進(jìn)納米的世界中。使用一些科學(xué)的方法，科學(xué)家可以在非常小的尺度上對(duì)物質(zhì)進(jìn)行修改和創(chuàng)造，這就是納米科技。納米世界小得難以想象，1納米僅為1米的10億分之一。正因?yàn)槿绱酥?，納米科技讓科學(xué)家得以在分子的世界中大顯身手，也使傳統(tǒng)的化學(xué)發(fā)生了革命性的改變。

1987年，三位科學(xué)家獲得了當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，其中之一是法國(guó)人讓-馬利·萊恩，他第一個(gè)提出“超分子化學(xué)”概念。盡管那時(shí)的化學(xué)研究仍強(qiáng)調(diào)分子本身的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，但改變已然發(fā)生。

1983年，法國(guó)化學(xué)家讓-皮埃爾·索瓦日（曾師從讓-馬利·萊恩）成功合成一種名為“索烴”的兩個(gè)互扣的環(huán)狀分子，它們能夠相對(duì)移動(dòng)，這是改變的第一步;1991年，英國(guó)化學(xué)家弗雷澤·斯托達(dá)特將一個(gè)環(huán)狀分子套在一個(gè)啞鈴狀的線形分子軸上，且環(huán)狀分子能圍繞這個(gè)軸上下移動(dòng)，這是改變的第二步;1999年，荷蘭化學(xué)家伯納德·費(fèi)林加完成了第三步，他設(shè)計(jì)出在構(gòu)造上能向一個(gè)特定方向旋轉(zhuǎn)的分子馬達(dá)，這個(gè)馬達(dá)可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)比自身大一萬(wàn)倍的物體旋轉(zhuǎn)起來(lái)。此時(shí)，分子有了“機(jī)器”的屬性，而且這樣的機(jī)器真的可以動(dòng)起來(lái)了。

當(dāng)新千年的鐘聲敲響的時(shí)候，這三位科學(xué)家的開(kāi)創(chuàng)性努力開(kāi)始結(jié)出豐碩的成果，一個(gè)充滿無(wú)限可能的化學(xué)新時(shí)代拉開(kāi)序幕。化學(xué)家開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)室里用合成出來(lái)的小分子制造生物大分子組件，它們依靠化學(xué)能、熱能或者光能運(yùn)動(dòng)，能夠執(zhí)行特定任務(wù)，成為所謂的生物納米機(jī)器。就這樣，科學(xué)家們?cè)谛⌒〉姆肿邮澜缋飫?chuàng)造了一個(gè)神奇的工程學(xué)新天地。

打造“顯微工廠”

2004年，美國(guó)紐約大學(xué)化學(xué)家納德里安·西曼和他的同事在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造了一個(gè)能用雙足行走的DNA分子機(jī)器人，它的腳是兩個(gè)DNA片斷，長(zhǎng)度僅為10納米。第二年，這些科學(xué)家的工作又有進(jìn)展。他們通過(guò)編程，讓DNA分子機(jī)器人不僅能夠行走，還能在行走中自動(dòng)組裝成更大的分子。過(guò)程是這樣的，DNA分子機(jī)器人沿著一條由單鏈DNA分子鋪就的“軌道”向前移動(dòng)，并沿途“拾起”DNA分子以及一種與生物分子具有良好親和性的金納米微粒。就這樣，納米機(jī)器人被不斷地組裝，如同一條自動(dòng)化的生產(chǎn)線，最后成為一件“產(chǎn)品”，而這件“產(chǎn)品”只有在顯微鏡下才能看清。

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的化學(xué)工程師米蘭·斯托揚(yáng)諾維奇和他的研究小組也研制出一個(gè)能自動(dòng)行走和工作的DNA分子機(jī)器人，它的行走路徑也是一條DNA“軌道”，但它的腳有三條，所以被科學(xué)家稱為“分子蜘蛛”。斯托揚(yáng)諾維奇相信，將來(lái)的“分子蜘蛛”可以游走于自然物體的表面，例如身體的肌肉，從而完成修復(fù)肌肉組織的任務(wù)。

要打造一個(gè)“顯微工廠”，需要各種部件：傳送帶、電梯、汽車、齒輪、管子和軸等。在德國(guó)慕尼黑科技大學(xué)分子納米科技實(shí)驗(yàn)室里，亨德里克·迪茨和他的同事就在制造這樣的部件，而所有部件的結(jié)構(gòu)都來(lái)自于一束束雙螺旋DNA鏈。

科學(xué)家通過(guò)改變鏈的長(zhǎng)度、彎曲度和排列方式等得到不同的DNA三維納米結(jié)構(gòu)。例如，在DNA束的一邊增加若干對(duì)核苷就可以延長(zhǎng)該邊，而在另一邊刪除核苷則可以使DNA束更彎曲?？茖W(xué)家使用這種方法達(dá)到隨意控制DNA鏈彎曲度的目的，用這些不同彎曲度的構(gòu)件能組合成更加復(fù)雜的DNA三維結(jié)構(gòu)。

在納米的尺度上，制造零件的操作過(guò)程是如何進(jìn)行的呢？原來(lái)，科學(xué)家是把一些微小的部件漂浮在溶液中讓它們相互碰撞。有時(shí)，部件碰撞在一起后的結(jié)果正是人們所需要的，于是，通過(guò)多回合的碰撞和相互粘連后，便得到科學(xué)家想要的形狀。當(dāng)然，前提是要對(duì)這些分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行正確的程序設(shè)計(jì)。通過(guò)這樣的方法，科學(xué)家能組裝出更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這就好像讓DNA分子在納米的尺度上表演瑜珈，它們顯示了各種各樣的姿態(tài)。

組裝“納米汽車”

20世紀(jì)90年代，伯納德·費(fèi)林加曾組裝了一輛“納米汽車”，同樣是用生物分子為材料。

開(kāi)始的時(shí)候，汽車只有底盤和輪子，沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)，所以只能靠外力行駛。科學(xué)家們必須把它放在一層熱黃金顆粒表面，依靠磁場(chǎng)作用推動(dòng)它向前行駛。后來(lái)，科學(xué)家將一個(gè)分子馬達(dá)裝在汽車上，當(dāng)受到某種特定波長(zhǎng)的光的照射時(shí)，它會(huì)朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。

這部汽車的長(zhǎng)是4納米，寬為3納米，在一根頭發(fā)絲的橫截面上，可以停放20萬(wàn)輛這樣的汽車。使用核磁共振技術(shù)，科學(xué)家可以監(jiān)測(cè)分子馬達(dá)是否在運(yùn)轉(zhuǎn)，從而推斷納米汽車的行駛速度，其結(jié)果是，這輛車每分鐘可以行駛2納米。慢是慢了些，但它畢竟是納米世界中第一輛能夠自主運(yùn)行的車。

未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域

這些DNA納米結(jié)構(gòu)有什么用呢？從目前來(lái)看，它們只能應(yīng)用于科學(xué)研究，讓科學(xué)家可以在納米的尺度內(nèi)探索一些生物物理學(xué)和納米化學(xué)方面的問(wèn)題。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)上看，它們將在計(jì)算機(jī)、醫(yī)藥和生物科學(xué)領(lǐng)域里發(fā)揮重要作用。

悉尼生物科技公司的科學(xué)家正在開(kāi)發(fā)一種納米生物傳感器，這種傳感器可以在人類的體液中檢測(cè)從激素到細(xì)菌的所有物質(zhì)，而且速度非?？臁ｋm然這種傳感器目前尚在實(shí)驗(yàn)階段，但走向?qū)嶋H應(yīng)用應(yīng)該為時(shí)不遠(yuǎn)了。

美國(guó)喬治敦大學(xué)的科學(xué)家研制出一種專門針對(duì)腫瘤的脂質(zhì)體輸送裝置，通過(guò)這種裝置可以向腫瘤細(xì)胞中輸送一種名為p53的基因。p53是一種腫瘤抑制基因，它的正常功能是調(diào)控細(xì)胞增殖。一般情況下，當(dāng)一個(gè)細(xì)胞增長(zhǎng)得太快時(shí)，p53會(huì)指令這個(gè)細(xì)胞自毀，而假若p53停止工作，細(xì)胞便會(huì)無(wú)節(jié)制地生長(zhǎng)并發(fā)生惡變。p53的缺失還會(huì)導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞抵制放療和化療，給治療帶來(lái)嚴(yán)重的困難。

怎樣把p53準(zhǔn)確地送到癌細(xì)胞中去呢？研究人員選擇了一種類似于鐵傳遞蛋白的抗體斷片。鐵傳遞蛋白是一種向細(xì)胞中傳輸鐵元素的分子。由于腫瘤細(xì)胞的迅速生長(zhǎng)需要大量的鐵，所以許多種類的癌細(xì)胞都為鐵傳遞蛋白預(yù)備了大量的受體，這些受體的作用就是引導(dǎo)鐵進(jìn)入細(xì)胞中。在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家將裝載有p53的脂質(zhì)體附著在具有鐵傳遞蛋白特性的抗體斷片上，然后將它們注入到患有癌癥的老鼠體內(nèi)，讓老鼠身體中癌細(xì)胞的受體“吸引”這些納米脂質(zhì)體，從而準(zhǔn)確地“引導(dǎo)”它們進(jìn)入到癌細(xì)胞中。

現(xiàn)在，類似的裝置在全世界的實(shí)驗(yàn)室里都在源源不斷地產(chǎn)生，它們走進(jìn)人們的日常生活也許為時(shí)不遠(yuǎn)了。可以預(yù)測(cè)的是，未來(lái)人類將在物質(zhì)世界一大一小的兩個(gè)端頭創(chuàng)造最激動(dòng)人心的奇跡。在大的一端，人類將創(chuàng)造伸向宇宙的“超級(jí)工程”：大型太空站、太空組裝工廠、太空電梯和太空電站……而在小的一端，人類無(wú)限的創(chuàng)造力將展現(xiàn)在微觀的分子世界中，在那里，人們將創(chuàng)造物質(zhì)世界中最令人驚嘆的工程學(xué)奇跡。

【責(zé)任編輯】龐 云