mRNA疫苗、阿秒物理學和量子點
——2023年諾貝爾科學獎概覽

編譯 莫莊非

2023年10月2日起，2023年諾貝爾獎陸續揭曉。2023年的生理學或醫學獎授予卡塔琳 ? 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現，這項發現對于新冠大流行期間針對病毒的mRNA疫苗的快速研發至關重要”。物理學獎授予皮埃爾 ? 阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、費倫茨 ? 克勞斯（Ferenc Krausz）和安妮 ? 呂利耶（Anne L' Huillier），以表彰他們“發現了產生阿秒光脈沖的實驗方法，這項發現可用于物質中電子動力學的研究”。化學獎授予蒙吉 ? 巴文迪（Moungi Bawendi）、路易斯 ? 布魯斯（Louis Brus）和阿列克謝 ? 埃基莫夫（Alexei Ekimov），以表彰他們在“發現和合成量子點”方面的貢獻。

諾貝爾生理學或醫學獎歸屬mRNA疫苗相關研究

諾貝爾科學獎（生理學或醫學、物理、化學）的歸屬往往出人意料。例如，2022年的生理學獎頒給了斯萬特 ? 帕博（Svante Paabo），古DNA領域奠基人，其對已滅絕人類基因組的揭示工作為我們認知人類進化提供了大量線索。

2023年諾貝爾生理學或醫學獎得主卡塔琳 ? 卡里科（左）和德魯 ? 魏斯曼（右）

帕博獲獎當之無愧，不過鑒于新冠大流行的特殊情況，一些人認為2022年生理學或醫學獎有更恰當的得主，那便是幫助開發mRNA疫苗的科學家。人們不會忘記，針對COVID-19的mRNA疫苗以前所未見的速度被發明、測試和部署……2023年，瑞典斯德哥爾摩卡羅林斯卡學院做出了恰當的選擇。

2023年諾貝爾生理學或醫學獎的獲得者是卡塔琳 ? 卡里科和德魯 ? 魏斯曼。他們曾經在賓夕法尼亞大學共事，目前卡里科博士主要在祖國匈牙利的塞格德大學工作。許多人都聲稱自己為mRNA疫苗研發貢獻良多，但卡里科和魏斯曼的工作才是最重要的基石，是他們找到方法來阻止mRNA疫苗核心分子觸發人體免疫反應（免疫防御將導致疫苗失效），進而為一項拯救數百萬人生命的技術奠定了基礎。他們的突破性成果，也從根本上改變了科學界對mRNA與免疫系統相互作用方式的理解。

簡單來說，分子遺傳學的工作原理涉及四個遺傳“字母”，即四種堿基。DNA的四個遺傳字母分別為A、C、G、T，即腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤、胸腺嘧啶。所謂的轉錄，就是DNA的遺傳字母序列被復制為類似DNA的mRNA分子。（RNA沒有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器讀取，并用于組裝所需的蛋白質。這就是所謂的翻譯。

運用mRNA疫苗防治傳染病的流程是這樣的：創建編碼抗原蛋白的mRNA，將其注入人體，接種者體內核糖體讀取信息、進行翻譯，得到對應的抗原蛋白。免疫系統能識別抗原蛋白，將其標記為敵人。以后若有攜帶此抗原的真病原體出現，免疫系統可以快速應對。

然而，生物學中無易事。生產mRNA疫苗的早期嘗試遇到了困難：機體會對外來RNA產生免疫防御。細胞認定自己已被感染，將來訪分子視為外敵，激活炎癥，以殺死對手。

當時卡里科和魏斯曼意識到，人工創建的RNA與天然RNA之間必定存在某些顯著化學差異。一系列實驗揭示了這種差異在于尿嘧啶的確切化學成分。將尿嘧啶成分調整為人類版本（修改mRNA天然尿苷上的堿基，使其變成“假尿苷”），問題就解決了。

上述種種都發生在2005年。之后，這個領域緩慢而穩步地發展。到2020年初，當世界各國政府驚慌失措時，兩家公司——拜恩泰科（BioNTech，卡里科博士曾擔任高級副總裁）和莫德納（Moderna）——已經在研究mRNA疫苗。他們創建了編碼新冠刺突蛋白的mRNA，從而開發出有效針對新冠病毒的mRNA疫苗版本。

挽救數百萬人生命的疫苗讓卡里科和魏斯曼成為英雄。而2023年的諾貝爾獎委員會顯然認識到了這一事實。

諾貝爾物理學獎授予觀察電子運動的物理學家

原子內部的世界轉“阿秒”即逝。圍繞原子核運動的電子能在不到一阿秒的時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量比現在宇宙年齡含有的秒的數量多一倍不止。

2023年諾貝爾物理學獎得主皮埃爾 ? 阿戈斯蒂尼（左）、費倫茨 ? 克勞斯（中）和安妮 ? 呂利耶（右）

因此，直接觀察電子的運動非常困難。不過，2023年諾貝爾物理學獎得主找到了一種觀察電子世界的方法。皮埃爾 ? 阿戈斯蒂尼、費倫茨 ? 克勞斯和安妮 ? 呂利耶引領了阿秒激光技術的發明——每個阿秒激光脈沖僅持續幾百阿秒，可用于拍攝電子運動的快照。

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物體的運動畫面。例如，蜂鳥每秒可以拍打翅膀80次，這是人眼很難分辨的，而借助高速相機和閃爍速度快于蜂鳥翅膀拍動速度的閃光燈，就可以拍攝蜂鳥在飛行中的動作細節。

呂利耶教授的工作產生了短到足以觀察電子運動的光脈沖。1987年，她在巴黎附近的薩克雷核研究中心工作，試驗激光和氬氣或氖氣等惰性氣體。她發現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，而當這些電子最終被重新控制住時，便會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，就會變得更加強烈。當波峰遇到波谷，光的強度就會下降。有時，如果光的波能以正確方式發生相互作用，它們就會產生持續幾百阿秒的紫外脈沖。

2001年，同樣在法國工作的阿戈斯蒂尼將呂利耶的觀察結果轉化為一項可操作的技術。他設計了一種能產生一系列光脈沖的方法，每個脈沖可持續250阿秒。大約同一時間，克勞斯在維也納獨立工作，成功產出一系列脈沖，每個脈沖持續650阿秒。

如今，科學家已將光脈沖進一步縮短至幾十阿秒。當然，這些超快的“閃光燈”仍不夠快，無法清楚定格原子核周圍的電子，但拍攝得模糊總比沒法拍攝強得多。在理想的阿秒光脈沖出現之前，科學家只能談論電子在特定時間處于特定位置的概率。這些脈沖還可用于測量電子與原子核的結合程度，以及化學反應過程中電子脫離原子核所需的時間。

其他方面的應用就更遙遠了。阿秒光脈沖有望應用于創造超快電子器件，這種器件的半導體在絕緣和導電狀態之間的切換速度會比現在快得多。此外，它們也可用于助推大型分子發射特征輻射（由分子的精確化學組成決定）。舉個例子，我們可以用它分析血液樣本，尋找最細微的疾病標志物。

諾貝爾化學獎花落量子點研究

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？如果諾貝爾獎委員會直到頒獎當天上午晚些時候才確定獲獎者——至少官方是這么說的——那么為什么有兩份瑞典報紙會比官方早幾個小時披露獲獎者名單？

2023年諾貝爾化學獎得主蒙吉 ? 巴文迪（左）、路易斯 ? 布魯斯（中）和阿列克謝 ? ?；颍ㄓ遥?/p>

2023年諾貝爾化學獎名單提前泄露事件是史無前例的。有些人誤以為報紙發了假消息。然而，最終，事實證明獲獎者就是那三位——蒙吉 ? 巴文迪、路易斯 ? 布魯斯和阿列克謝 ? ?；颉Ｋ麄儼l現、解釋并利用了量子領域一個違反直覺的規律：材料特性有時不僅取決于化學成分，而且取決于大小。

這種挑戰直覺的材料就是量子點，也就是半導體納米晶體。當紫外光脈沖賦予量子點能量時，量子點內的電子會被激發至更高能態，脫離原子核控制，同時又被束縛于晶體結構內，直到它們再以發射光波的形式釋放能量，然后回歸初始狀態。

然而，量子點的微小尺寸限制了電子所能發射的光的波長。光的顏色由波長決定。較小尺寸的量子點產生能量較高的藍光，較大尺寸的量子點則產生能量較低的紅光。如果量子點的尺寸超過10納米（大約是紅細胞尺寸的千分之一），能產生光的量子效應就會消失。

自20世紀30年代以來，關于量子點物理學原理的理論就已十分成熟。但應用這些知識看起來不大可能。1979年，情況發生了變化，當時任職于蘇聯圣彼得堡瓦維洛夫國立光學研究所的?；蜷_始了對量子點的首次實驗生產。他生產玻璃，同時得到了形成于玻璃內部的微小氯化銅晶體——改變晶體尺寸，就可改變它們發出的光的顏色。此項工作證明了先前的理論預測。瑞典皇家理工學院的奧洛夫 ? 拉姆斯特羅姆（Olof Ramstr?m）表示，?；虻膶嶒炓馕吨?，一些中世紀的彩色玻璃制造商很可能不知不覺地開拓了量子點應用前沿。

彩色玻璃或許很有吸引力，但對科學家來說，它是一種很難使用的介質。1983年，科學家發現了一種更易于處理的玻璃制造方法。當時在美國新澤西州貝爾實驗室工作的布魯斯博士發現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。

如果要在商業上應用量子點的神奇特性，就必須開展細致的工程設計。工程問題的解決者正是第三位獲獎者，來自麻省理工學院的巴文迪博士。1993年，他和研究小組經過無數次實驗后發現，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，然后再調整溶液溫度，就能得到指定大小的量子點，而且品質幾乎完美。這種簡單易行的生產方法開啟了大規模應用量子點的大門。

之后幾十年間，量子點對人類生產生活產生了深遠影響。它們被用于照明、太陽能利用以及生物醫學成像（標記身體部位）。所謂的QLED電視（Q即代表量子點）和電腦顯示器被大批生產、廣泛使用，且迅速進入大眾市場，具有高色域、高亮度、不易“燒屏”、使用壽命長等諸多優點。目前，量子點在高端電視方面的應用最為大眾所知，但未來甚至有望應用于量子計算機的架構中。

量子點最重大的影響可能還是在納米科學領域。這個領域旨在利用各種量子奇異性以實現多樣應用。盡管長期以來，科學家一直夢想圍繞量子點開疆拓土，但鮮有人認為如此微小規模的精密工程具有可行性。2023年諾貝爾化學獎得主的工作帶來了同行急需的希望。

資料來源TheEconomist