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(xué)幻想現(xiàn)在正逐步變成現(xiàn)實?？茖W(xué)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(xué)任務(wù)，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(xué)的方法，科學(xué)家可以在非常小的尺度上對物質(zhì)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(xué)家得以在分子的世界中大顯身手，也使傳統(tǒng)的化學(xué)發(fā)生了革命性的改變。

1987年，三位科學(xué)家獲得了當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)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(xué)”概念。盡管那時的化學(xué)研究仍強調(diào)分子本身的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，但改變已然發(fā)生。

1983年，法國化學(xué)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(xué)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(xué)家伯納德·費林加完成了第三步，他設(shè)計出在構(gòu)造上能向一個特定方向旋轉(zhuǎn)的分子馬達，這個馬達可以驅(qū)動一個比自身大一萬倍的物體旋轉(zhuǎn)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(dāng)新千年的鐘聲敲響的時候，這三位科學(xué)家的開創(chuàng)性努力開始結(jié)出豐碩的成果，一個充滿無限可能的化學(xué)新時代拉開序幕。化學(xué)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(xué)能、熱能或者光能運動，能夠執(zhí)行特定任務(wù)，成為所謂的生物納米機器。就這樣，科學(xué)家們在小小的分子世界里創(chuàng)造了一個神奇的工程學(xué)新天地。

打造“顯微工廠”

2004年，美國紐約大學(xué)化學(xué)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(xué)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(xué)的化學(xué)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(xué)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(fù)肌肉組織的任務(wù)。

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(xué)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(jié)構(gòu)都來自于一束束雙螺旋DNA鏈。

科學(xué)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(jié)構(gòu)。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?？茖W(xué)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(gòu)件能組合成更加復(fù)雜的DNA三維結(jié)構(gòu)。

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(xué)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(jié)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(xué)家想要的形狀。當(dāng)然，前提是要對這些分子結(jié)構(gòu)進行正確的程序設(shè)計。通過這樣的方法，科學(xué)家能組裝出更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，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?？茖W(xué)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(xué)家將一個分子馬達裝在汽車上，當(dāng)受到某種特定波長的光的照射時，它會朝一個方向旋轉(zhuǎn)。

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(shù)，科學(xué)家可以監(jiān)測分子馬達是否在運轉(zhuǎn)，從而推斷納米汽車的行駛速度，其結(jié)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(yīng)用領(lǐng)域

這些DNA納米結(jié)構(gòu)有什么用呢？從目前來看，它們只能應(yīng)用于科學(xué)研究，讓科學(xué)家可以在納米的尺度內(nèi)探索一些生物物理學(xué)和納米化學(xué)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(xué)領(lǐng)域里發(fā)揮重要作用。

悉尼生物科技公司的科學(xué)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(zhì)，而且速度非?？?。雖然這種傳感器目前尚在實驗階段，但走向?qū)嶋H應(yīng)用應(yīng)該為時不遠了。

美國喬治敦大學(xué)的科學(xué)家研制出一種專門針對腫瘤的脂質(zhì)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(diào)控細胞增殖。一般情況下，當(dāng)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(dǎo)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(yù)備了大量的受體，這些受體的作用就是引導(dǎo)鐵進入細胞中。在實驗中，科學(xué)家將裝載有p53的脂質(zhì)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(nèi)，讓老鼠身體中癌細胞的受體“吸引”這些納米脂質(zhì)體，從而準確地“引導(dǎo)”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(yù)測的是，未來人類將在物質(zhì)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(zhì)世界中最令人驚嘆的工程學(xué)奇跡。

【責(zé)任編輯】龐 云