mRNA疫苗、阿秒物理學(xué)和量子點(diǎn)
——2023年諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)概覽

編譯 莫莊非

2023年10月2日起，2023年諾貝爾獎(jiǎng)陸續(xù)揭曉。2023年的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予卡塔琳 ? 卡里科（Katalin Karikó）和德魯 ? 魏斯曼（Drew Weissman），以表彰他們“在核苷堿基修飾方面的發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對(duì)于新冠大流行期間針對(duì)病毒的mRNA疫苗的快速研發(fā)至關(guān)重要”。物理學(xué)獎(jiǎng)授予皮埃爾 ? 阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、費(fèi)倫茨 ? 克勞斯（Ferenc Krausz）和安妮 ? 呂利耶（Anne L' Huillier），以表彰他們“發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生阿秒光脈沖的實(shí)驗(yàn)方法，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可用于物質(zhì)中電子動(dòng)力學(xué)的研究”?；瘜W(xué)獎(jiǎng)授予蒙吉 ? 巴文迪（Moungi Bawendi）、路易斯 ? 布魯斯（Louis Brus）和阿列克謝 ? ?；颍ˋlexei Ekimov），以表彰他們?cè)凇鞍l(fā)現(xiàn)和合成量子點(diǎn)”方面的貢獻(xiàn)。

諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)歸屬mRNA疫苗相關(guān)研究

諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)（生理學(xué)或醫(yī)學(xué)、物理、化學(xué)）的歸屬往往出人意料。例如，2022年的生理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了斯萬(wàn)特 ? 帕博（Svante Paabo），古DNA領(lǐng)域奠基人，其對(duì)已滅絕人類基因組的揭示工作為我們認(rèn)知人類進(jìn)化提供了大量線索。

2023年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主卡塔琳 ? 卡里科（左）和德魯 ? 魏斯曼（右）

帕博獲獎(jiǎng)當(dāng)之無(wú)愧，不過(guò)鑒于新冠大流行的特殊情況，一些人認(rèn)為2022年生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)有更恰當(dāng)?shù)牡弥?，那便是幫助開發(fā)mRNA疫苗的科學(xué)家。人們不會(huì)忘記，針對(duì)COVID-19的mRNA疫苗以前所未見的速度被發(fā)明、測(cè)試和部署……2023年，瑞典斯德哥爾摩卡羅林斯卡學(xué)院做出了恰當(dāng)?shù)倪x擇。

2023年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的獲得者是卡塔琳 ? 卡里科和德魯 ? 魏斯曼。他們?cè)?jīng)在賓夕法尼亞大學(xué)共事，目前卡里科博士主要在祖國(guó)匈牙利的塞格德大學(xué)工作。許多人都聲稱自己為mRNA疫苗研發(fā)貢獻(xiàn)良多，但卡里科和魏斯曼的工作才是最重要的基石，是他們找到方法來(lái)阻止mRNA疫苗核心分子觸發(fā)人體免疫反應(yīng)（免疫防御將導(dǎo)致疫苗失效），進(jìn)而為一項(xiàng)拯救數(shù)百萬(wàn)人生命的技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。他們的突破性成果，也從根本上改變了科學(xué)界對(duì)mRNA與免疫系統(tǒng)相互作用方式的理解。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，分子遺傳學(xué)的工作原理涉及四個(gè)遺傳“字母”，即四種堿基。DNA的四個(gè)遺傳字母分別為A、C、G、T，即腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤、胸腺嘧啶。所謂的轉(zhuǎn)錄，就是DNA的遺傳字母序列被復(fù)制為類似DNA的mRNA分子。（RNA沒(méi)有T，但有U，即尿嘧啶。）mRNA分子承載的信息——mRNA中的字母“m”指“信使”——隨后被稱為核糖體的分子機(jī)器讀取，并用于組裝所需的蛋白質(zhì)。這就是所謂的翻譯。

運(yùn)用mRNA疫苗防治傳染病的流程是這樣的：創(chuàng)建編碼抗原蛋白的mRNA，將其注入人體，接種者體內(nèi)核糖體讀取信息、進(jìn)行翻譯，得到對(duì)應(yīng)的抗原蛋白。免疫系統(tǒng)能識(shí)別抗原蛋白，將其標(biāo)記為敵人。以后若有攜帶此抗原的真病原體出現(xiàn)，免疫系統(tǒng)可以快速應(yīng)對(duì)。

然而，生物學(xué)中無(wú)易事。生產(chǎn)mRNA疫苗的早期嘗試遇到了困難：機(jī)體會(huì)對(duì)外來(lái)RNA產(chǎn)生免疫防御。細(xì)胞認(rèn)定自己已被感染，將來(lái)訪分子視為外敵，激活炎癥，以殺死對(duì)手。

當(dāng)時(shí)卡里科和魏斯曼意識(shí)到，人工創(chuàng)建的RNA與天然RNA之間必定存在某些顯著化學(xué)差異。一系列實(shí)驗(yàn)揭示了這種差異在于尿嘧啶的確切化學(xué)成分。將尿嘧啶成分調(diào)整為人類版本（修改mRNA天然尿苷上的堿基，使其變成“假尿苷”），問(wèn)題就解決了。

上述種種都發(fā)生在2005年。之后，這個(gè)領(lǐng)域緩慢而穩(wěn)步地發(fā)展。到2020年初，當(dāng)世界各國(guó)政府驚慌失措時(shí)，兩家公司——拜恩泰科（BioNTech，卡里科博士曾擔(dān)任高級(jí)副總裁）和莫德納（Moderna）——已經(jīng)在研究mRNA疫苗。他們創(chuàng)建了編碼新冠刺突蛋白的mRNA，從而開發(fā)出有效針對(duì)新冠病毒的mRNA疫苗版本。

挽救數(shù)百萬(wàn)人生命的疫苗讓卡里科和魏斯曼成為英雄。而2023年的諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)顯然認(rèn)識(shí)到了這一事實(shí)。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予觀察電子運(yùn)動(dòng)的物理學(xué)家

原子內(nèi)部的世界轉(zhuǎn)“阿秒”即逝。圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子能在不到一阿秒的時(shí)間里改變其位置或能量。一阿秒是一秒的十億分之一的十億分之一，一秒含有的阿秒數(shù)量比現(xiàn)在宇宙年齡含有的秒的數(shù)量多一倍不止。

2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主皮埃爾 ? 阿戈斯蒂尼（左）、費(fèi)倫茨 ? 克勞斯（中）和安妮 ? 呂利耶（右）

因此，直接觀察電子的運(yùn)動(dòng)非常困難。不過(guò)，2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主找到了一種觀察電子世界的方法。皮埃爾 ? 阿戈斯蒂尼、費(fèi)倫茨 ? 克勞斯和安妮 ? 呂利耶引領(lǐng)了阿秒激光技術(shù)的發(fā)明——每個(gè)阿秒激光脈沖僅持續(xù)幾百阿秒，可用于拍攝電子運(yùn)動(dòng)的快照。

阿秒超快激光的工作原理與閃光燈類似，能幫助捕捉日常生活中快速移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)畫面。例如，蜂鳥每秒可以拍打翅膀80次，這是人眼很難分辨的，而借助高速相機(jī)和閃爍速度快于蜂鳥翅膀拍動(dòng)速度的閃光燈，就可以拍攝蜂鳥在飛行中的動(dòng)作細(xì)節(jié)。

呂利耶教授的工作產(chǎn)生了短到足以觀察電子運(yùn)動(dòng)的光脈沖。1987年，她在巴黎附近的薩克雷核研究中心工作，試驗(yàn)激光和氬氣或氖氣等惰性氣體。她發(fā)現(xiàn)激光將能量傳遞給氣體原子，使它們的電子脫離原子核控制，而當(dāng)這些電子最終被重新控制住時(shí)，便會(huì)以光的形式釋放能量。

這些光的波依次相互作用。它們的波峰重合時(shí)，就會(huì)變得更加強(qiáng)烈。當(dāng)波峰遇到波谷，光的強(qiáng)度就會(huì)下降。有時(shí)，如果光的波能以正確方式發(fā)生相互作用，它們就會(huì)產(chǎn)生持續(xù)幾百阿秒的紫外脈沖。

2001年，同樣在法國(guó)工作的阿戈斯蒂尼將呂利耶的觀察結(jié)果轉(zhuǎn)化為一項(xiàng)可操作的技術(shù)。他設(shè)計(jì)了一種能產(chǎn)生一系列光脈沖的方法，每個(gè)脈沖可持續(xù)250阿秒。大約同一時(shí)間，克勞斯在維也納獨(dú)立工作，成功產(chǎn)出一系列脈沖，每個(gè)脈沖持續(xù)650阿秒。

如今，科學(xué)家已將光脈沖進(jìn)一步縮短至幾十阿秒。當(dāng)然，這些超快的“閃光燈”仍不夠快，無(wú)法清楚定格原子核周圍的電子，但拍攝得模糊總比沒(méi)法拍攝強(qiáng)得多。在理想的阿秒光脈沖出現(xiàn)之前，科學(xué)家只能談?wù)撾娮釉谔囟〞r(shí)間處于特定位置的概率。這些脈沖還可用于測(cè)量電子與原子核的結(jié)合程度，以及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中電子脫離原子核所需的時(shí)間。

其他方面的應(yīng)用就更遙遠(yuǎn)了。阿秒光脈沖有望應(yīng)用于創(chuàng)造超快電子器件，這種器件的半導(dǎo)體在絕緣和導(dǎo)電狀態(tài)之間的切換速度會(huì)比現(xiàn)在快得多。此外，它們也可用于助推大型分子發(fā)射特征輻射（由分子的精確化學(xué)組成決定）。舉個(gè)例子，我們可以用它分析血液樣本，尋找最細(xì)微的疾病標(biāo)志物。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)花落量子點(diǎn)研究

量子世界充滿悖論。光由粒子還是波組成？糾纏粒子如何能以比光速更快的速度相互影響？如果諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)直到頒獎(jiǎng)當(dāng)天上午晚些時(shí)候才確定獲獎(jiǎng)?wù)摺辽俟俜绞沁@么說(shuō)的——那么為什么有兩份瑞典報(bào)紙會(huì)比官方早幾個(gè)小時(shí)披露獲獎(jiǎng)?wù)呙麊危?/p>

2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主蒙吉 ? 巴文迪（左）、路易斯 ? 布魯斯（中）和阿列克謝 ? 埃基莫夫（右）

2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)名單提前泄露事件是史無(wú)前例的。有些人誤以為報(bào)紙發(fā)了假消息。然而，最終，事實(shí)證明獲獎(jiǎng)?wù)呔褪悄侨弧杉?? 巴文迪、路易斯 ? 布魯斯和阿列克謝 ? 埃基莫夫。他們發(fā)現(xiàn)、解釋并利用了量子領(lǐng)域一個(gè)違反直覺的規(guī)律：材料特性有時(shí)不僅取決于化學(xué)成分，而且取決于大小。

這種挑戰(zhàn)直覺的材料就是量子點(diǎn)，也就是半導(dǎo)體納米晶體。當(dāng)紫外光脈沖賦予量子點(diǎn)能量時(shí)，量子點(diǎn)內(nèi)的電子會(huì)被激發(fā)至更高能態(tài)，脫離原子核控制，同時(shí)又被束縛于晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)，直到它們?cè)僖园l(fā)射光波的形式釋放能量，然后回歸初始狀態(tài)。

然而，量子點(diǎn)的微小尺寸限制了電子所能發(fā)射的光的波長(zhǎng)。光的顏色由波長(zhǎng)決定。較小尺寸的量子點(diǎn)產(chǎn)生能量較高的藍(lán)光，較大尺寸的量子點(diǎn)則產(chǎn)生能量較低的紅光。如果量子點(diǎn)的尺寸超過(guò)10納米（大約是紅細(xì)胞尺寸的千分之一），能產(chǎn)生光的量子效應(yīng)就會(huì)消失。

自20世紀(jì)30年代以來(lái)，關(guān)于量子點(diǎn)物理學(xué)原理的理論就已十分成熟。但應(yīng)用這些知識(shí)看起來(lái)不大可能。1979年，情況發(fā)生了變化，當(dāng)時(shí)任職于蘇聯(lián)圣彼得堡瓦維洛夫國(guó)立光學(xué)研究所的埃基莫夫開始了對(duì)量子點(diǎn)的首次實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)。他生產(chǎn)玻璃，同時(shí)得到了形成于玻璃內(nèi)部的微小氯化銅晶體——改變晶體尺寸，就可改變它們發(fā)出的光的顏色。此項(xiàng)工作證明了先前的理論預(yù)測(cè)。瑞典皇家理工學(xué)院的奧洛夫 ? 拉姆斯特羅姆（Olof Ramstr?m）表示，?；虻膶?shí)驗(yàn)意味著，一些中世紀(jì)的彩色玻璃制造商很可能不知不覺地開拓了量子點(diǎn)應(yīng)用前沿。

彩色玻璃或許很有吸引力，但對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，它是一種很難使用的介質(zhì)。1983年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種更易于處理的玻璃制造方法。當(dāng)時(shí)在美國(guó)新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的布魯斯博士發(fā)現(xiàn)溶液中自由漂浮的粒子也具備材料尺寸起主要作用的量子效應(yīng)。

如果要在商業(yè)上應(yīng)用量子點(diǎn)的神奇特性，就必須開展細(xì)致的工程設(shè)計(jì)。工程問(wèn)題的解決者正是第三位獲獎(jiǎng)?wù)撸瑏?lái)自麻省理工學(xué)院的巴文迪博士。1993年，他和研究小組經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在特制加熱溶液中注入恰好使溶液飽和且能夠生成納米晶體的物質(zhì)，然后再調(diào)整溶液溫度，就能得到指定大小的量子點(diǎn)，而且品質(zhì)幾乎完美。這種簡(jiǎn)單易行的生產(chǎn)方法開啟了大規(guī)模應(yīng)用量子點(diǎn)的大門。

之后幾十年間，量子點(diǎn)對(duì)人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。它們被用于照明、太陽(yáng)能利用以及生物醫(yī)學(xué)成像（標(biāo)記身體部位）。所謂的QLED電視（Q即代表量子點(diǎn)）和電腦顯示器被大批生產(chǎn)、廣泛使用，且迅速進(jìn)入大眾市場(chǎng)，具有高色域、高亮度、不易“燒屏”、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前，量子點(diǎn)在高端電視方面的應(yīng)用最為大眾所知，但未來(lái)甚至有望應(yīng)用于量子計(jì)算機(jī)的架構(gòu)中。

量子點(diǎn)最重大的影響可能還是在納米科學(xué)領(lǐng)域。這個(gè)領(lǐng)域旨在利用各種量子奇異性以實(shí)現(xiàn)多樣應(yīng)用。盡管長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家一直夢(mèng)想圍繞量子點(diǎn)開疆拓土，但鮮有人認(rèn)為如此微小規(guī)模的精密工程具有可行性。2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主的工作帶來(lái)了同行急需的希望。

資料來(lái)源TheEconomist