分子世界中的工程學奇跡

張唯誠

1966年，艾薩克·阿西莫夫在他的科幻小說《夢幻航行》中描繪了一種只有細胞大小的潛水艇，小說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。這個出自于半個世紀前的科學幻想現(xiàn)在正逐步變成現(xiàn)實。科學家正在研發(fā)類似的納米裝置，這是一個可在體外遙控的微小機器人，將其放入人體中，可以完成許多醫(yī)學任務，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“機器”

要理解這樣的機器，我們需要走進納米的世界中。使用一些科學的方法，科學家可以在非常小的尺度上對物質進行修改和創(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。正因為如此之小，納米科技讓科學家得以在分子的世界中大顯身手，也使傳統(tǒng)的化學發(fā)生了革命性的改變。

1987年，三位科學家獲得了當年的諾貝爾化學獎，其中之一是法國人讓-馬利·萊恩，他第一個提出“超分子化學”概念。盡管那時的化學研究仍強調分子本身的結構與性質，但改變已然發(fā)生。

1983年，法國化學家讓-皮埃爾·索瓦日（曾師從讓-馬利·萊恩）成功合成一種名為“索烴”的兩個互扣的環(huán)狀分子，它們能夠相對移動，這是改變的第一步;1991年，英國化學家弗雷澤·斯托達特將一個環(huán)狀分子套在一個啞鈴狀的線形分子軸上，且環(huán)狀分子能圍繞這個軸上下移動，這是改變的第二步;1999年，荷蘭化學家伯納德·費林加完成了第三步，他設計出在構造上能向一個特定方向旋轉的分子馬達，這個馬達可以驅動一個比自身大一萬倍的物體旋轉起來。此時，分子有了“機器”的屬性，而且這樣的機器真的可以動起來了。

當新千年的鐘聲敲響的時候，這三位科學家的開創(chuàng)性努力開始結出豐碩的成果，一個充滿無限可能的化學新時代拉開序幕。化學家開始在實驗室里用合成出來的小分子制造生物大分子組件，它們依靠化學能、熱能或者光能運動，能夠執(zhí)行特定任務，成為所謂的生物納米機器。就這樣，科學家們在小小的分子世界里創(chuàng)造了一個神奇的工程學新天地。

打造“顯微工廠”

2004年，美國紐約大學化學家納德里安·西曼和他的同事在實驗室里創(chuàng)造了一個能用雙足行走的DNA分子機器人，它的腳是兩個DNA片斷，長度僅為10納米。第二年，這些科學家的工作又有進展。他們通過編程，讓DNA分子機器人不僅能夠行走，還能在行走中自動組裝成更大的分子。過程是這樣的，DNA分子機器人沿著一條由單鏈DNA分子鋪就的“軌道”向前移動，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，納米機器人被不斷地組裝，如同一條自動化的生產(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。

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

要打造一個“顯微工廠”，需要各種部件：傳送帶、電梯、汽車、齒輪、管子和軸等。在德國慕尼黑科技大學分子納米科技實驗室里，亨德里克·迪茨和他的同事就在制造這樣的部件，而所有部件的結構都來自于一束束雙螺旋DNA鏈。

科學家通過改變鏈的長度、彎曲度和排列方式等得到不同的DNA三維納米結構。例如，在DNA束的一邊增加若干對核苷就可以延長該邊，而在另一邊刪除核苷則可以使DNA束更彎曲。科學家使用這種方法達到隨意控制DNA鏈彎曲度的目的，用這些不同彎曲度的構件能組合成更加復雜的DNA三維結構。

在納米的尺度上，制造零件的操作過程是如何進行的呢？原來，科學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，部件碰撞在一起后的結果正是人們所需要的，于是，通過多回合的碰撞和相互粘連后，便得到科學家想要的形狀。當然，前提是要對這些分子結構進行正確的程序設計。通過這樣的方法，科學家能組裝出更加復雜的結構，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90年代，伯納德·費林加曾組裝了一輛“納米汽車”，同樣是用生物分子為材料。

開始的時候，汽車只有底盤和輪子，沒有發(fā)動機，所以只能靠外力行駛。科學家們必須把它放在一層熱黃金顆粒表面，依靠磁場作用推動它向前行駛。后來，科學家將一個分子馬達裝在汽車上，當受到某種特定波長的光的照射時，它會朝一個方向旋轉。

這部汽車的長是4納米，寬為3納米，在一根頭發(fā)絲的橫截面上，可以停放20萬輛這樣的汽車。使用核磁共振技術，科學家可以監(jiān)測分子馬達是否在運轉，從而推斷納米汽車的行駛速度，其結果是，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行的車。

未來的應用領域

這些DNA納米結構有什么用呢？從目前來看，它們只能應用于科學研究，讓科學家可以在納米的尺度內探索一些生物物理學和納米化學方面的問題。但從長遠上看，它們將在計算機、醫(yī)藥和生物科學領域里發(fā)揮重要作用。

悉尼生物科技公司的科學家正在開發(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從激素到細菌的所有物質，而且速度非常快。雖然這種傳感器目前尚在實驗階段，但走向實際應用應該為時不遠了。

美國喬治敦大學的科學家研制出一種專門針對腫瘤的脂質體輸送裝置，通過這種裝置可以向腫瘤細胞中輸送一種名為p53的基因。p53是一種腫瘤抑制基因，它的正常功能是調控細胞增殖。一般情況下，當一個細胞增長得太快時，p53會指令這個細胞自毀，而假若p53停止工作，細胞便會無節(jié)制地生長并發(fā)生惡變。p53的缺失還會導致腫瘤細胞抵制放療和化療，給治療帶來嚴重的困難。

怎樣把p53準確地送到癌細胞中去呢？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胞中傳輸鐵元素的分子。由于腫瘤細胞的迅速生長需要大量的鐵，所以許多種類的癌細胞都為鐵傳遞蛋白預備了大量的受體，這些受體的作用就是引導鐵進入細胞中。在實驗中，科學家將裝載有p53的脂質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，讓老鼠身體中癌細胞的受體“吸引”這些納米脂質體，從而準確地“引導”它們進入到癌細胞中。

現(xiàn)在，類似的裝置在全世界的實驗室里都在源源不斷地產(chǎn)生，它們走進人們的日常生活也許為時不遠了。可以預測的是，未來人類將在物質世界一大一小的兩個端頭創(chuàng)造最激動人心的奇跡。在大的一端，人類將創(chuàng)造伸向宇宙的“超級工程”：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)造物質世界中最令人驚嘆的工程學奇跡。

【責任編輯】龐 云