諾貝爾化學(xué)獎今年曝出“冷門”——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(dá)(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(shè)計和合成上的貢獻(xiàn)而獲獎。
而在這一領(lǐng)域，我國也具有領(lǐng)先世界的水準(zhǔn)。華東理工大學(xué)的田禾院士科研團(tuán)隊所從事的研究領(lǐng)域，正是“分子機器的設(shè)計和合成”。該領(lǐng)域獲得諾獎將有助于盡早實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
“吞下”一個外科醫(yī)生
“分子機器”又稱生物納米機器，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、分子調(diào)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(xiàn)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(dāng)時著名的物理學(xué)家理查德-費曼(Richard Feynman)就大膽預(yù)測，分子機器未來將會在納米機器人手術(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：“雖然這個想法聽起來很瘋狂，但是如果人們能夠吞下一個外科醫(yī)生，這樣的手術(shù)會很有意思。”他描繪道，只要把這個外科醫(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題，然后他會拿出小刀，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(xiàn)。1966年美國影片《奇幻旅行》(Fantastic Voyage)講述了一個潛水艇艦隊如何微縮并注入到一個科學(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，但是費曼的預(yù)言還在被很多人努力證實。科學(xué)家們希望有一天能將化療藥物直接運輸?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。然而這個證明的過程是漫長的。就像這次獲得諾貝爾化學(xué)獎之一的Fraser Stoddart說的：“這不是一夜之間就能發(fā)生的，需要很長時間和優(yōu)秀人才的共同努力。”
事實上，在50年代和60年代時，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，來產(chǎn)生向新的分子。不過一直到1983年，重大的成果發(fā)現(xiàn)了。法國人Sauvage教授成功地將兩個環(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共享電子對構(gòu)成的共價鍵形成的，但是在這個鏈條中，分子是由更加自由的機械性相互作用形成的。要想讓一個機器完成任務(wù)，必須由相互之間能夠相對移動的部件組成，Sauvage教授所發(fā)現(xiàn)的這兩個互鎖的環(huán)狀分子就是能夠相對移動的。
1991年，Stoddart爵士成功地合成了輪烷，實現(xiàn)了分子機器的第二步。輪烷是一類由一個環(huán)狀分子套在另一個線性分子上二形成的內(nèi)鎖型的超分子體系。
而另外一個獲獎?wù)邅碜院商m的Feringa教授則發(fā)明了首個分子馬達(dá)，被視作分子機器領(lǐng)域的標(biāo)志性事件。1999年，他制作了一個分子轉(zhuǎn)子葉片，能夠持續(xù)朝一個方向旋轉(zhuǎn)。此后，他又設(shè)計了一輛“分子汽車”。
2011年，首輛四輪的“納米汽車”，底盤和四個輪子都是由分子構(gòu)成。四個輪子能夠向一個方向旋轉(zhuǎn)，并且能在一個表面上開動。
2013年，英國曼徹斯特大學(xué)教授David Leigh領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)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，就如同人體細(xì)胞的核糖那樣。
盡管這些發(fā)現(xiàn)都還僅限于實驗室展示，但是科研人員正在挖掘這一技術(shù)的潛力，并預(yù)測其有能力成為真正改變?nèi)藗儸F(xiàn)實生活的應(yīng)用。其中很重要的一個應(yīng)用前景就在于分子機器人在生物體內(nèi)的自動生成。比如針對病毒的機器人，可能會通過它的分子鉗子與特定的病毒相結(jié)合，向腫瘤部位集中運輸藥物。
