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深度解读2016诺贝尔化学奖:分子马达与纳米火箭
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早在生物从海洋进化到陆地上之前,细胞内就已形成了一套可自行“行走”的细胞机器。一个经典的例子就是具有双叉形结构的驱动蛋白——在进行物质转运时,它可以沿着细胞内的微管骨架移动。
受驱动蛋白的启发,研究人员利用DNA分子构建了一个人造行走装置。这个分子行走装置起先通过与互补DNA链的结合锚定在固定的轨道上。当在体系中加入竞争性的DNA链后,分子行走装置得以释放并向前行进一步。这一领域最激动人心的例子来自于纽约大学纳德里安·西曼(Nadrian Seeman)于2010年公布的一项研究。他所设计的DNA行走装置有四只“脚”和三只“手”,当这一装置绕着由折叠DNA链组成的方形结构移动时,它可以利用自己的“手脚”搭载金纳米颗粒。
DNA行走器的研究很快就扩展到了其他实验室。但是,如果不给这些行走器安装内置的棘轮系统,使它们可以在必要的时候停下来向后走,那么这些行走器就只能漫无目的地四处游荡。对于大多数分子行走器来说,棘轮系统可以通过控制固定或松开行走器“腿部”的化学反应的相对速率来实现,而前进的驱动力则可以通过布朗运动的推力来提供。
在过去几年中,详细的化学实验研究和分子动力学模拟数据已经证明,前文提及的“布朗棘轮”的概念正是所有化学驱动的分子机器以及很多生物马达运行的重要基础。例如在2013年,密歇根大学安阿伯分校的化学生物学家尼尔斯·瓦尔特(Nils Walter)领导的研究小组就发现,剪接体(spliceosome)也是按照相同的机理工作的。剪接体是在遗传信息被翻译成蛋白质之前,对RNA进行一系列剪接修饰的一种细胞机器。“驱动蛋白正是使用的这样的工作机制,核糖体也是,剪接体也是。”瓦尔特补充道。
上述研究表明,生物机器与人工合成的分子机器实质上遵守着相同的法则。因此,两个领域的研究人员可以在今后的工作中相互取长补短。“就目前来看,两个领域在总体上还是相互独立的,”瓦尔特说,“但我认为如果两个领域内的研究人员能够一起合作,下一个突破一定会到来。”
微米火箭
与此同时,受1966年风靡全球的科幻电影《神奇旅程》(Fantastic Voyage)中“微型医疗潜艇”的启发,化学家们设计了一个由微米颗粒与导管组成的阵列,这个阵列系统在液体中可以像火箭一样迅猛移动。
这些“微米火箭”的推动力有的来源于自身携带的催化剂,后者可利用周围的液体(通常是过氧化氢水溶液)产生一连串气泡;还有的则是直接利用光能或外加的电磁场来获取能量,而且外加的电磁场还能起到控制方向的作用。“构成‘微米火箭’的这些纳米马达每秒行进的距离是自身长度的1 000多倍,这太让人难以置信了!”加利福尼亚大学圣地亚哥分校的纳米工程师约瑟夫·旺(Joseph Wang)兴奋地说道。他认为该器件最具前景的应用方向是药物的快速释放以及环境污染物的低成本清理。当然,业内的许多专家都谨慎地表示,现在就讨论这些纳米马达的应用是否会比传统的方法更好还为时尚早。
然而,过氧化氢作为一种强氧化剂是不可能在人体内使用的。约瑟夫·旺也坦率地表示:“如果所有的分子推进装置都建立在过氧化氢溶液的环境中,我们确实应该对该领域的前景持怀疑态度。”但就在去年12月,他公布了一种适用于动物活体检测的微米级马达。它由一根长约20微米的塑料导管构成,含有一个锌质的核。马达的动力来自于锌与胃酸反应产生的氢气。
含有马达的导管可以在小鼠的胃中安全推进约10分钟的时间。接下来的实验中,约瑟夫·旺用这些含有马达的导管向小鼠胃部周围的组织运输金纳米颗粒。结果,喂食这些金纳米颗粒-导管复合物的小鼠,其胃粘膜上的金含量要比直接喂食金纳米颗粒的对照组高三倍。由此,约瑟夫·旺认为,如果把药物或成像剂装到微米“火箭”上服用,可以让它们更加快速而有效地到达胃组织内部。“在接下来的五年内,我们会将研究转向实际的体内应用阶段,”约瑟夫·旺说,“这真的会是一趟神奇旅程。”
目前,这些微米级火箭与分子机器的研究还鲜有交叉,但克莱因相信它们之间的联系会越来越多。“比方说,在微型马达的表面结合一个光敏型的分子开关就能为它的移动提供更好的控制。”克莱因建议道。
分子泵
在不断追寻具有实际用途的分子机器的过程中,研究人员开始尝试将不同的元件整合到一台装置上。今年五月,斯托达特公开了一种可以把两个环状分子从溶液中拉到存储端的人造分子泵。环状分子首先需要克服哑铃型链状分子一端的空间壁垒,与一个可切换的连接位点相结合。之后连接位点改变自己的结合状态,迫使环状分子被推开并跨过第二道壁垒,到达链状分子的存储端。
这个分子泵系统并不适用于其他类型的分子,而且它经过反复试验才制造成功。“还有很长的路要走啊。”斯托达特不无叹息地说道。但他的发现至少证明分子机器可以用来浓缩分子,打破化学系统的平衡。在生物领域里,利用离子或是分子形成的浓度梯度来建立并存储一定的势能,这样的事情屡见不鲜。“我们正在向生物系统学习如何制造一个分子棘轮。”斯托达特说。
斯托达特认为,这一领域未来的发展应该从两方面入手:在微观层面上,让这些分子机器在分子尺度上完成那些不能用其他手段完成的任务;在宏观层面上,利用数以万亿计的分子机器的集群效应重塑材料形状,或让它们可以像蚁群一样去举起比自身重得多的东西。
也许符合斯托达特微观层面构想的典型例子就是戴维·利所设计的分子流水线。受核糖体的启发,这个基于轮烷系统的流水线可以沿轴捡拾氨基酸分子,将它们添加到一个不断增长的肽链上。但这个装置的妙处还在于它能够产生宏观上的效果——1018个这样的分子流水线在超过36个小时的时间里合成出了几毫克的多肽。“你在实验室里花半小时内没办法完成的事情,分子流水线也没办法完成。然而,这一流水线的出现表明,让分子机器沿既定路线,将沿途分子收集到一起是可以实现的。”戴维·利解释道。他现在正在研究其他类型的分子流水线,比如用于合成具有特定材料特性的高分子聚合物。
分子泵和分子流水线
在宏观层面上,如果数以亿计的分子机器共同协作,确实能够改变材料的某些宏观性质。比如能够根据光或化学信号进行伸缩的智能凝胶就可以用来制造可调节型镜片或传感器。“我敢打赌,在未来五年之内,嵌入了分子开关的新型智能材料就会问世。”费林加说。
类似的分子系统已经开始进入商业应用。2012年问世的日产防划iPhone手机壳就是以东京大学伊藤耕三教授的工作成果为蓝本制造的:它所使用的材料由高分子链穿过数个环糊精分子之后再拗成“8”字型形成。普通聚合物涂层受到压力时,高分子链间的连接会被破坏,由此产生划痕。但在这种材料中,环糊精分子可以让高分子链在受力时能平稳地滑过而不被破坏。用这种材料制成的薄膜甚至可以让手机屏幕在锤子的猛击下而不碎。
以上这些成果都意味着“分子建筑师”发明的分子部件已经成熟到了可以应用的阶段。“这一领域的研究已经走过了漫长的道路,现在是时候向外界证明它们是有用的了。”斯托达特充满信心地说道。
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- 责任编辑:陈轩甫
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