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“分子機(jī)器”的啟示：機(jī)器人醫(yī)生和模擬生命前景可期
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【世界機(jī)械網(wǎng)】 時(shí)間：2016-10-07 來(lái)源：中金在線-it新聞 【收藏本頁(yè)】
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諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)今年曝出“冷門”——頒給了屬于“純化學(xué)”范疇的“分子機(jī)器”。此前歷年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)都授予了交叉學(xué)科，比如生物、物理、生物化學(xué)和生物物理等等。“分子機(jī)器”的啟示：機(jī)器人醫(yī)生和模擬生命前景可期
10月06日訊，法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)的讓-彼埃爾·索瓦(Jean-Pierre Sauvage)教授、美國(guó)西北大學(xué)的詹姆斯·弗雷澤·斯圖達(dá)(James Fraser Stoddart)爵士以及荷蘭格羅寧根大學(xué)的伯納德·費(fèi)林加(Bernard Feringa)教授共同摘得了這一諾貝爾最重要的獎(jiǎng)項(xiàng)。他們因在分子機(jī)器的設(shè)計(jì)和合成上的貢獻(xiàn)而獲獎(jiǎng)。
而在這一領(lǐng)域，我國(guó)也具有領(lǐng)先世界的水準(zhǔn)。華東理工大學(xué)的田禾院士科研團(tuán)隊(duì)所從事的研究領(lǐng)域，正是“分子機(jī)器的設(shè)計(jì)和合成”。該領(lǐng)域獲得諾獎(jiǎng)將有助于盡早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
“吞下”一個(gè)外科醫(yī)生
“分子機(jī)器”又稱生物納米機(jī)器，構(gòu)件主要是蛋白質(zhì)等生物分子，具有小尺寸、多樣性、自適應(yīng)、僅依靠化學(xué)能或者熱能驅(qū)動(dòng)、分子調(diào)劑等其它人造機(jī)器難以比擬的性能，對(duì)促進(jìn)生物學(xué)的發(fā)現(xiàn)以及仿生學(xué)具有重要意義。
“分子機(jī)器”是在1959年作為納米技術(shù)的概念被提出的。當(dāng)時(shí)著名的物理學(xué)家理查德-費(fèi)曼(Richard Feynman)就大膽預(yù)測(cè)，分子機(jī)器未來(lái)將會(huì)在納米機(jī)器人手術(shù)和定位藥物在人體內(nèi)的輸送方面起到關(guān)鍵作用。他說(shuō)：“雖然這個(gè)想法聽(tīng)起來(lái)很瘋狂，但是如果人們能夠吞下一個(gè)外科醫(yī)生，這樣的手術(shù)會(huì)很有意思。”他描繪道，只要把這個(gè)外科醫(yī)生放進(jìn)人體的血液中，他就能夠抵達(dá)心臟，并且查看哪里出了問(wèn)題，然后他會(huì)拿出小刀，把不好的地方，比如腫瘤部位切除。
費(fèi)曼的想法很快在一部科幻片中得到了體現(xiàn)。1966年美國(guó)影片《奇幻旅行》(Fantastic Voyage)講述了一個(gè)潛水艇艦隊(duì)如何微縮并注入到一個(gè)科學(xué)家的體內(nèi)，為他進(jìn)行血管手術(shù)從而拯救了他的生命。
50年后的今天，人們雖然仍然未將科幻片變成現(xiàn)實(shí)，但是費(fèi)曼的預(yù)言還在被很多人努力證實(shí)。科學(xué)家們希望有一天能將化療藥物直接運(yùn)輸?shù)饺梭w需要的部位，殺死腫瘤細(xì)胞，并且不傷害好的細(xì)胞。然而這個(gè)證明的過(guò)程是漫長(zhǎng)的。就像這次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)之一的Fraser Stoddart說(shuō)的：“這不是一夜之間就能發(fā)生的，需要很長(zhǎng)時(shí)間和優(yōu)秀人才的共同努力。”
事實(shí)上，在50年代和60年代時(shí)，科學(xué)家就已經(jīng)嘗試著把化學(xué)的環(huán)形元素連接這鏈條，來(lái)產(chǎn)生向新的分子。不過(guò)一直到1983年，重大的成果發(fā)現(xiàn)了。法國(guó)人Sauvage教授成功地將兩個(gè)環(huán)狀分子連接在一起，形成了一條特殊的鏈條，即雙環(huán)化合物。通常分子是由原子間通過(guò)共享電子對(duì)構(gòu)成的共價(jià)鍵形成的，但是在這個(gè)鏈條中，分子是由更加自由的機(jī)械性相互作用形成的。要想讓一個(gè)機(jī)器完成任務(wù)，必須由相互之間能夠相對(duì)移動(dòng)的部件組成，Sauvage教授所發(fā)現(xiàn)的這兩個(gè)互鎖的環(huán)狀分子就是能夠相對(duì)移動(dòng)的。
1991年，Stoddart爵士成功地合成了輪烷，實(shí)現(xiàn)了分子機(jī)器的第二步。輪烷是一類由一個(gè)環(huán)狀分子套在另一個(gè)線性分子上二形成的內(nèi)鎖型的超分子體系。
而另外一個(gè)獲獎(jiǎng)?wù)邅?lái)自荷蘭的Feringa教授則發(fā)明了首個(gè)分子馬達(dá)，被視作分子機(jī)器領(lǐng)域的標(biāo)志性事件。1999年，他制作了一個(gè)分子轉(zhuǎn)子葉片，能夠持續(xù)朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。此后，他又設(shè)計(jì)了一輛“分子汽車”。
2011年，首輛四輪的“納米汽車”，底盤和四個(gè)輪子都是由分子構(gòu)成。四個(gè)輪子能夠向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，并且能在一個(gè)表面上開(kāi)動(dòng)。
2013年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)教授David Leigh領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)制造出一臺(tái)納米機(jī)器人，能夠抓取氨基酸并把它們連接起來(lái)，就如同人體細(xì)胞的核糖那樣。
盡管這些發(fā)現(xiàn)都還僅限于實(shí)驗(yàn)室展示，但是科研人員正在挖掘這一技術(shù)的潛力，并預(yù)測(cè)其有能力成為真正改變?nèi)藗儸F(xiàn)實(shí)生活的應(yīng)用。其中很重要的一個(gè)應(yīng)用前景就在于分子機(jī)器人在生物體內(nèi)的自動(dòng)生成。比如針對(duì)病毒的機(jī)器人，可能會(huì)通過(guò)它的分子鉗子與特定的病毒相結(jié)合，向腫瘤部位集中運(yùn)輸藥物。
“上海制造”的分子機(jī)器
值得一提的是，此次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的三位教授中的兩位與中國(guó)都有很深的淵源。例如上海華東理工大學(xué)在“分子機(jī)器”領(lǐng)域就擁有一支國(guó)際領(lǐng)先的科研團(tuán)隊(duì)。華理田禾院士團(tuán)隊(duì)與三個(gè)新晉諾獎(jiǎng)得主在學(xué)術(shù)科研上有著密切的合作和交流。Stoddart教授先后于2005年和2007年兩次訪問(wèn)華理，并受聘為華理名譽(yù)教授。Feringa教授也于2007年到訪過(guò)華理，并將于下個(gè)月應(yīng)邀來(lái)上海參加“2016光致變色國(guó)際研討會(huì)”，他同時(shí)還是華理化學(xué)學(xué)院副院長(zhǎng)曲大輝教授在荷蘭博士后工作期間的合作導(dǎo)師。
華東理工大學(xué)的張雋佶博士向記者解釋道：“廣泛地講，分子機(jī)器的含義來(lái)自于自然界。就像生命體中的ATP酶一樣，它是天然的傳導(dǎo)和利用物質(zhì)和能量的裝置。而此次獲獎(jiǎng)的人造分子機(jī)器，它是運(yùn)用合成與化學(xué)修飾手段構(gòu)建的功能性分子或者化學(xué)體系。通常分子機(jī)器是基于合成及超分子組裝的功能性化學(xué)組分的集合，它的目的是模擬宏觀的機(jī)器工作模式，從微觀再現(xiàn)并產(chǎn)生作用。”
作為一個(gè)微型器件的化學(xué)基礎(chǔ)，分子或超分子必須能夠響應(yīng)某種外部的刺激信號(hào)(物理的或者化學(xué)刺激)，針對(duì)性地產(chǎn)生輸出信號(hào)或者做有用功，才是實(shí)現(xiàn)機(jī)器功能的基本要求。張雋佶表示：“與功能性化學(xué)體系(如分子開(kāi)關(guān)、化學(xué)傳感器等)不同的是，分子機(jī)器在響應(yīng)的基礎(chǔ)上往往還要求能夠引起組分或者分子單元間的相對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并伴隨物質(zhì)與能量的流動(dòng)產(chǎn)生特定的機(jī)器功能。”
張雋佶目前在華理田禾課題組工作，據(jù)他介紹，田禾院士在“分子機(jī)器的設(shè)計(jì)和合成”領(lǐng)域的研究成果也是諾獎(jiǎng)級(jí)的。早在2004年，田禾院士領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)就設(shè)計(jì)出直徑比頭發(fā)絲還細(xì)的“分子梭”和“分子算盤”，進(jìn)而運(yùn)用熒光來(lái)感知其運(yùn)動(dòng)軌跡，讓葡萄糖分子產(chǎn)生計(jì)算甚至是思維能力，從而在“模擬生命體，以幫助人類恢復(fù)體力或者修復(fù)受損記憶”的高峰研究領(lǐng)域跨進(jìn)了扎實(shí)的一步。
這臺(tái)“上海制造”的分子機(jī)器，用通俗的語(yǔ)言來(lái)解釋，就像是在一根木棍上穿一個(gè)無(wú)底的水桶，在某種外力的作用下，水桶得以左右滑動(dòng)。當(dāng)然，這是將它放大10億倍的效果。透過(guò)熒光光譜儀，才能感受它的難度系數(shù)：“木棍”由偶氮或苯乙烯分子制成，“水桶”的材質(zhì)則是由6-7個(gè)葡萄糖分子“手牽手”組成的環(huán)糊精分子，桶口直徑僅為0.6納米。田禾院士等運(yùn)用光驅(qū)動(dòng)，讓“水桶”在紫外光的照射下獲得動(dòng)能，或左或右地在“棍子”上來(lái)回穿梭運(yùn)動(dòng)，一個(gè)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(diào)教”下，“分子梭”學(xué)會(huì)了“加2”或“減2”的簡(jiǎn)單算術(shù)，成為具有原始計(jì)算功能的“分子算盤”。
據(jù)田禾院士介紹，一旦“分子算盤”發(fā)展成熟，電腦就可升級(jí)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(tái)“上海制造”的分子機(jī)器已躋身國(guó)際先進(jìn)行列，而其獨(dú)創(chuàng)的熒光檢測(cè)法更是成為各國(guó)科學(xué)家普遍采用的表征方式。
正如美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)Donna Nelson教授所說(shuō)的：“全世界對(duì)于諾貝爾獎(jiǎng)的關(guān)注度是極高的，諾貝爾獎(jiǎng)也會(huì)影響科學(xué)界未來(lái)的研究方向，會(huì)讓分子機(jī)器領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的研究人員會(huì)涌向這一領(lǐng)域，吸引更多資金投入進(jìn)來(lái)。所以應(yīng)用應(yīng)該會(huì)快于預(yù)期。”
諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)今年曝出“冷門”——頒給了屬于“純化學(xué)”范疇的“分子機(jī)器”。此前歷年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)都授予了交叉學(xué)科，比如生物、物理、生物化學(xué)和生物物理等等。
法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)的讓-彼埃爾·索瓦(Jean-Pierre Sauvage)教授、美國(guó)西北大學(xué)的詹姆斯·弗雷澤·斯圖達(dá)(James Fraser Stoddart)爵士以及荷蘭格羅寧根大學(xué)的伯納德·費(fèi)林加(Bernard Feringa)教授共同摘得了這一諾貝爾最重要的獎(jiǎng)項(xiàng)。他們因在分子機(jī)器的設(shè)計(jì)和合成上的貢獻(xiàn)而獲獎(jiǎng)。
而在這一領(lǐng)域，我國(guó)也具有領(lǐng)先世界的水準(zhǔn)。華東理工大學(xué)的田禾院士科研團(tuán)隊(duì)所從事的研究領(lǐng)域，正是“分子機(jī)器的設(shè)計(jì)和合成”。該領(lǐng)域獲得諾獎(jiǎng)將有助于盡早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
“吞下”一個(gè)外科醫(yī)生
“分子機(jī)器”又稱生物納米機(jī)器，構(gòu)件主要是蛋白質(zhì)等生物分子，具有小尺寸、多樣性、自適應(yīng)、僅依靠化學(xué)能或者熱能驅(qū)動(dòng)、分子調(diào)劑等其它人造機(jī)器難以比擬的性能，對(duì)促進(jìn)生物學(xué)的發(fā)現(xiàn)以及仿生學(xué)具有重要意義。
“分子機(jī)器”是在1959年作為納米技術(shù)的概念被提出的。當(dāng)時(shí)著名的物理學(xué)家理查德-費(fèi)曼(Richard Feynman)就大膽預(yù)測(cè)，分子機(jī)器未來(lái)將會(huì)在納米機(jī)器人手術(shù)和定位藥物在人體內(nèi)的輸送方面起到關(guān)鍵作用。他說(shuō)：“雖然這個(gè)想法聽(tīng)起來(lái)很瘋狂，但是如果人們能夠吞下一個(gè)外科醫(yī)生，這樣的手術(shù)會(huì)很有意思。”他描繪道，只要把這個(gè)外科醫(yī)生放進(jìn)人體的血液中，他就能夠抵達(dá)心臟，并且查看哪里出了問(wèn)題，然后他會(huì)拿出小刀，把不好的地方，比如腫瘤部位切除。
費(fèi)曼的想法很快在一部科幻片中得到了體現(xiàn)。1966年美國(guó)影片《奇幻旅行》(Fantastic Voyage)講述了一個(gè)潛水艇艦隊(duì)如何微縮并注入到一個(gè)科學(xué)家的體內(nèi)，為他進(jìn)行血管手術(shù)從而拯救了他的生命。
50年后的今天，人們雖然仍然未將科幻片變成現(xiàn)實(shí)，但是費(fèi)曼的預(yù)言還在被很多人努力證實(shí)。科學(xué)家們希望有一天能將化療藥物直接運(yùn)輸?shù)饺梭w需要的部位，殺死腫瘤細(xì)胞，并且不傷害好的細(xì)胞。然而這個(gè)證明的過(guò)程是漫長(zhǎng)的。就像這次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)之一的Fraser Stoddart說(shuō)的：“這不是一夜之間就能發(fā)生的，需要很長(zhǎng)時(shí)間和優(yōu)秀人才的共同努力。”
事實(shí)上，在50年代和60年代時(shí)，科學(xué)家就已經(jīng)嘗試著把化學(xué)的環(huán)形元素連接這鏈條，來(lái)產(chǎn)生向新的分子。不過(guò)一直到1983年，重大的成果發(fā)現(xiàn)了。法國(guó)人Sauvage教授成功地將兩個(gè)環(huán)狀分子連接在一起，形成了一條特殊的鏈條，即雙環(huán)化合物。通常分子是由原子間通過(guò)共享電子對(duì)構(gòu)成的共價(jià)鍵形成的，但是在這個(gè)鏈條中，分子是由更加自由的機(jī)械性相互作用形成的。要想讓一個(gè)機(jī)器完成任務(wù)，必須由相互之間能夠相對(duì)移動(dòng)的部件組成，Sauvage教授所發(fā)現(xiàn)的這兩個(gè)互鎖的環(huán)狀分子就是能夠相對(duì)移動(dòng)的。
1991年，Stoddart爵士成功地合成了輪烷，實(shí)現(xiàn)了分子機(jī)器的第二步。輪烷是一類由一個(gè)環(huán)狀分子套在另一個(gè)線性分子上二形成的內(nèi)鎖型的超分子體系。
而另外一個(gè)獲獎(jiǎng)?wù)邅?lái)自荷蘭的Feringa教授則發(fā)明了首個(gè)分子馬達(dá)，被視作分子機(jī)器領(lǐng)域的標(biāo)志性事件。1999年，他制作了一個(gè)分子轉(zhuǎn)子葉片，能夠持續(xù)朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。此后，他又設(shè)計(jì)了一輛“分子汽車”。
2011年，首輛四輪的“納米汽車”，底盤和四個(gè)輪子都是由分子構(gòu)成。四個(gè)輪子能夠向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，并且能在一個(gè)表面上開(kāi)動(dòng)。
2013年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)教授David Leigh領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)制造出一臺(tái)納米機(jī)器人，能夠抓取氨基酸并把它們連接起來(lái)，就如同人體細(xì)胞的核糖那樣。
盡管這些發(fā)現(xiàn)都還僅限于實(shí)驗(yàn)室展示，但是科研人員正在挖掘這一技術(shù)的潛力，并預(yù)測(cè)其有能力成為真正改變?nèi)藗儸F(xiàn)實(shí)生活的應(yīng)用。其中很重要的一個(gè)應(yīng)用前景就在于分子機(jī)器人在生物體內(nèi)的自動(dòng)生成。比如針對(duì)病毒的機(jī)器人，可能會(huì)通過(guò)它的分子鉗子與特定的病毒相結(jié)合，向腫瘤部位集中運(yùn)輸藥物。
“上海制造”的分子機(jī)器
值得一提的是，此次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的三位教授中的兩位與中國(guó)都有很深的淵源。例如上海華東理工大學(xué)在“分子機(jī)器”領(lǐng)域就擁有一支國(guó)際領(lǐng)先的科研團(tuán)隊(duì)。華理田禾院士團(tuán)隊(duì)與三個(gè)新晉諾獎(jiǎng)得主在學(xué)術(shù)科研上有著密切的合作和交流。Stoddart教授先后于2005年和2007年兩次訪問(wèn)華理，并受聘為華理名譽(yù)教授。Feringa教授也于2007年到訪過(guò)華理，并將于下個(gè)月應(yīng)邀來(lái)上海參加“2016光致變色國(guó)際研討會(huì)”，他同時(shí)還是華理化學(xué)學(xué)院副院長(zhǎng)曲大輝教授在荷蘭博士后工作期間的合作導(dǎo)師。
華東理工大學(xué)的張雋佶博士向記者解釋道：“廣泛地講，分子機(jī)器的含義來(lái)自于自然界。就像生命體中的ATP酶一樣，它是天然的傳導(dǎo)和利用物質(zhì)和能量的裝置。而此次獲獎(jiǎng)的人造分子機(jī)器，它是運(yùn)用合成與化學(xué)修飾手段構(gòu)建的功能性分子或者化學(xué)體系。通常分子機(jī)器是基于合成及超分子組裝的功能性化學(xué)組分的集合，它的目的是模擬宏觀的機(jī)器工作模式，從微觀再現(xiàn)并產(chǎn)生作用。”
作為一個(gè)微型器件的化學(xué)基礎(chǔ)，分子或超分子必須能夠響應(yīng)某種外部的刺激信號(hào)(物理的或者化學(xué)刺激)，針對(duì)性地產(chǎn)生輸出信號(hào)或者做有用功，才是實(shí)現(xiàn)機(jī)器功能的基本要求。張雋佶表示：“與功能性化學(xué)體系(如分子開(kāi)關(guān)、化學(xué)傳感器等)不同的是，分子機(jī)器在響應(yīng)的基礎(chǔ)上往往還要求能夠引起組分或者分子單元間的相對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并伴隨物質(zhì)與能量的流動(dòng)產(chǎn)生特定的機(jī)器功能。”
張雋佶目前在華理田禾課題組工作，據(jù)他介紹，田禾院士在“分子機(jī)器的設(shè)計(jì)和合成”領(lǐng)域的研究成果也是諾獎(jiǎng)級(jí)的。早在2004年，田禾院士領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)就設(shè)計(jì)出直徑比頭發(fā)絲還細(xì)的“分子梭”和“分子算盤”，進(jìn)而運(yùn)用熒光來(lái)感知其運(yùn)動(dòng)軌跡，讓葡萄糖分子產(chǎn)生計(jì)算甚至是思維能力，從而在“模擬生命體，以幫助人類恢復(fù)體力或者修復(fù)受損記憶”的高峰研究領(lǐng)域跨進(jìn)了扎實(shí)的一步。
這臺(tái)“上海制造”的分子機(jī)器，用通俗的語(yǔ)言來(lái)解釋，就像是在一根木棍上穿一個(gè)無(wú)底的水桶，在某種外力的作用下，水桶得以左右滑動(dòng)。當(dāng)然，這是將它放大10億倍的效果。透過(guò)熒光光譜儀，才能感受它的難度系數(shù)：“木棍”由偶氮或苯乙烯分子制成，“水桶”的材質(zhì)則是由6-7個(gè)葡萄糖分子“手牽手”組成的環(huán)糊精分子，桶口直徑僅為0.6納米。田禾院士等運(yùn)用光驅(qū)動(dòng)，讓“水桶”在紫外光的照射下獲得動(dòng)能，或左或右地在“棍子”上來(lái)回穿梭運(yùn)動(dòng)，一個(gè)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(diào)教”下，“分子梭”學(xué)會(huì)了“加2”或“減2”的簡(jiǎn)單算術(shù)，成為具有原始計(jì)算功能的“分子算盤”。
據(jù)田禾院士介紹，一旦“分子算盤”發(fā)展成熟，電腦就可升級(jí)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(tái)“上海制造”的分子機(jī)器已躋身國(guó)際先進(jìn)行列，而其獨(dú)創(chuàng)的熒光檢測(cè)法更是成為各國(guó)科學(xué)家普遍采用的表征方式。
正如美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)Donna Nelson教授所說(shuō)的：“全世界對(duì)于諾貝爾獎(jiǎng)的關(guān)注度是極高的，諾貝爾獎(jiǎng)也會(huì)影響科學(xué)界未來(lái)的研究方向，會(huì)讓分子機(jī)器領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的研究人員會(huì)涌向這一領(lǐng)域，吸引更多資金投入進(jìn)來(lái)。所以應(yīng)用應(yīng)該會(huì)快于預(yù)期。”
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