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來(lái)源：第一財經(jīng)網(wǎng) 諾貝爾化學(xué)獎今年曝出“冷門(mén)”——頒給了屬于“純化學(xué)”范疇的“分子機器”。此前歷年的諾貝爾化學(xué)獎都授予了交叉學(xué)科，比如生物、物理、生物化學(xué)和生物物理等等。 法國斯特拉斯堡大學(xué)的讓-彼埃爾·索瓦(Jean-Pierre Sauvage)教授、美國西北大學(xué)的詹姆斯·弗雷澤·斯圖達(James Fraser Stoddart)爵士以及荷蘭格羅寧根大學(xué)的伯納德·費林加(Bernard Feringa)教授共同摘得了這一諾貝爾最重要的獎項。他們因在分子機器的設計和合成上的貢獻而獲獎。 而在這一領(lǐng)域，我國也具有領(lǐng)先世界的水準。華東理工大學(xué)的田禾院士科研團隊所從事的研究領(lǐng)域，正是“分子機器的設計和合成”。該領(lǐng)域獲得諾獎將有助于盡早實(shí)現商業(yè)化應用。 “吞下”一個(gè)外科醫生 “分子機器”又稱(chēng)生物納米機器，構件主要是蛋白質(zhì)等生物分子，具有小尺寸、多樣性、自適應、僅依靠化學(xué)能或者熱能驅動(dòng)、分子調劑等其它人造機器難以比擬的性能，對促進(jìn)生物學(xué)的發(fā)現以及仿生學(xué)具有重要意義。 “分子機器”是在1959年作為納米技術(shù)的概念被提出的。當時(shí)著(zhù)名的物理學(xué)家理查德-費曼(Richard Feynman)就大膽預測，分子機器未來(lái)將會(huì )在納米機器人手術(shù)和定位藥物在人體內的輸送方面起到關(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)外科醫生，這樣的手術(shù)會(huì )很有意思�！彼枥L道，只要把這個(gè)外科醫生放進(jìn)人體的血液中，他就能夠抵達心臟，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。 費曼的想法很快在一部科幻片中得到了體現。1966年美國影片《奇幻旅行》(Fantastic Voyage)講述了一個(gè)潛水艇艦隊如何微縮并注入到一個(gè)科學(xué)家的體內，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實(shí)，但是費曼的預言還在被很多人努力證實(shí)�？茖W(xué)家們希望有一天能將化療藥物直接運輸到人體需要的部位，殺死腫瘤細胞，并且不傷害好的細胞。然而這個(gè)證明的過(guò)程是漫長(cháng)的。就像這次獲得諾貝爾化學(xué)獎之一的Fraser Stoddart說(shuō)的：“這不是一夜之間就能發(fā)生的，需要很長(cháng)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(zhù)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)現了。法國人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)共享電子對構成的共價(jià)鍵形成的，但是在這個(gè)鏈條中，分子是由更加自由的機械性相互作用形成的。要想讓一個(gè)機器完成任務(wù)，必須由相互之間能夠相對移動(dòng)的部件組成，Sauvage教授所發(fā)現的這兩個(gè)互鎖的環(huán)狀分子就是能夠相對移動(dòng)的。 1991年，Stoddart爵士成功地合成了輪烷，實(shí)現了分子機器的第二步。輪烷是一類(lèi)由一個(gè)環(huán)狀分子套在另一個(gè)線(xiàn)性分子上二形成的內鎖型的超分子體系。 而另外一個(gè)獲獎?wù)邅?lái)自荷蘭的Feringa教授則發(fā)明了首個(gè)分子馬達，被視作分子機器領(lǐng)域的標志性事件。1999年，他制作了一個(gè)分子轉子葉片，能夠持續朝一個(gè)方向旋轉。此后，他又設計了一輛“分子汽車(chē)”。 2011年，首輛四輪的“納米汽車(chē)”，底盤(pán)和四個(gè)輪子都是由分子構成。四個(gè)輪子能夠向一個(gè)方向旋轉，并且能在一個(gè)表面上開(kāi)動(dòng)。 2013年，英國曼徹斯特大學(xué)教授David Leigh領(lǐng)導的團隊制造出一臺納米機器人，能夠抓取氨基酸并把它們連接起來(lái)，就如同人體細胞的核糖那樣。 盡管這些發(fā)現都還僅限于實(shí)驗室展示，但是科研人員正在挖掘這一技術(shù)的潛力，并預測其有能力成為真正改變人們現實(shí)生活的應用。其中很重要的一個(gè)應用前景就在于分子機器人在生物體內的自動(dòng)生成。比如針對病毒的機器人，可能會(huì )通過(guò)它的分子鉗子與特定的病毒相結合，向腫瘤部位集中運輸藥物。 “上海制造”的分子機器 值得一提的是，此次獲得諾貝爾化學(xué)獎的三位教授中的兩位與中國都有很深的淵源。例如上海華東理工大學(xué)在“分子機器”領(lǐng)域就擁有一支國際領(lǐng)先的科研團隊。華理田禾院士團隊與三個(gè)新晉諾獎得主在學(xué)術(shù)科研上有著(zhù)密切的合作和交流。Stoddart教授先后于2005年和2007年兩次訪(fǎng)問(wèn)華理，并受聘為華理名譽(yù)教授。Feringa教授也于2007年到訪(fǎng)過(guò)華理，并將于下個(gè)月應邀來(lái)上海參加“2016光致變色國際研討會(huì )”，他同時(shí)還是華理化學(xué)學(xué)院副院長(cháng)曲大輝教授在荷蘭博士后工作期間的合作導師。 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，它是天然的傳導和利用物質(zhì)和能量的裝置。而此次獲獎的人造分子機器，它是運用合成與化學(xué)修飾手段構建的功能性分子或者化學(xué)體系。通常分子機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(guān)的機器工作模式，從微觀(guān)再現并產(chǎn)生作用�！� 作為一個(gè)微型器件的化學(xué)基礎，分子或超分子必須能夠響應某種外部的刺激信號(物理的或者化學(xué)刺激)，針對性地產(chǎn)生輸出信號或者做有用功，才是實(shí)現機器功能的基本要求。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，分子機器在響應的基礎上往往還要求能夠引起組分或者分子單元間的相對機械運動(dòng)，并伴隨物質(zhì)與能量的流動(dòng)產(chǎn)生特定的機器功能�！� 張雋佶目前在華理田禾課題組工作，據他介紹，田禾院士在“分子機器的設計和合成”領(lǐng)域的研究成果也是諾獎級的。早在2004年，田禾院士領(lǐng)銜的團隊就設計出直徑比頭發(fā)絲還細的“分子梭”和“分子算盤(pán)”，進(jìn)而運用熒光來(lái)感知其運動(dòng)軌跡，讓葡萄糖分子產(chǎn)生計算甚至是思維能力，從而在“模擬生命體，以幫助人類(lèi)恢復體力或者修復受損記憶”的高峰研究領(lǐng)域跨進(jìn)了扎實(shí)的一步。 這臺“上海制造”的分子機器，用通俗的語(yǔ)言來(lái)解釋?zhuān)拖袷窃谝桓竟魃洗┮粋�(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：“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。田禾院士等運用光驅動(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)回穿梭運動(dòng)，一個(gè)微型“分子梭”由此誕生�！澳竟�+水桶”的組合與算盤(pán)頗為相似，在田禾院士等的“調教”下，“分子梭”學(xué)會(huì )了“加2”或“減2”的簡(jiǎn)單算術(shù)，成為具有原始計算功能的“分子算盤(pán)”。 據田禾院士介紹，一旦“分子算盤(pán)”發(fā)展成熟，電腦就可升級為容量更大、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“上海制造”的分子機器已躋身國際先進(jìn)行列，而其獨創(chuàng )的熒光檢測法更是成為各國科學(xué)家普遍采用的表征方式。 正如美國化學(xué)學(xué)會(huì )Donna Nelson教授所說(shuō)的：“全世界對于諾貝爾獎的關(guān)注度是極高的，諾貝爾獎也會(huì )影響科學(xué)界未來(lái)的研究方向，會(huì )讓分子機器領(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)。所以應用應該會(huì )快于預期�！� |
