分子世界中的工程学奇迹

张唯诚

1966年，艾萨克·阿西莫夫在他的科幻小说《梦幻航行》中描绘了一种只有细胞大小的潜水艇，小说中的人物乘坐这种潜水艇航行在人体中，并遭遇了白血球、抗体和血小板。这个出自于半个世纪前的科学幻想现在正逐步变成现实。科学家正在研发类似的纳米装置，这是一个可在体外遥控的微小机器人，将其放入人体中，可以完成许多医学任务，如为帕金森症患者释放多巴胺，为血友病患者释放凝血因子，为癌症患者释放抗癌药物……

让分子成为“机器”

要理解这样的机器，我们需要走进纳米的世界中。使用一些科学的方法，科学家可以在非常小的尺度上对物质进行修改和创造，这就是纳米科技。纳米世界小得难以想象，1纳米仅为1米的10亿分之一。正因为如此之小，纳米科技让科学家得以在分子的世界中大显身手，也使传统的化学发生了革命性的改变。

1987年，三位科学家获得了当年的诺贝尔化学奖，其中之一是法国人让-马利·莱恩，他第一个提出“超分子化学”概念。尽管那时的化学研究仍强调分子本身的结构与性质，但改变已然发生。

1983年，法国化学家让-皮埃尔·索瓦日（曾师从让-马利·莱恩）成功合成一种名为“索烃”的两个互扣的环状分子，它们能够相对移动，这是改变的第一步;1991年，英国化学家弗雷泽·斯托达特将一个环状分子套在一个哑铃状的线形分子轴上，且环状分子能围绕这个轴上下移动，这是改变的第二步;1999年，荷兰化学家伯纳德·费林加完成了第三步，他设计出在构造上能向一个特定方向旋转的分子马达，这个马达可以驱动一个比自身大一万倍的物体旋转起来。此时，分子有了“机器”的属性，而且这样的机器真的可以动起来了。

当新千年的钟声敲响的时候，这三位科学家的开创性努力开始结出丰硕的成果，一个充满无限可能的化学新时代拉开序幕。化学家开始在实验室里用合成出来的小分子制造生物大分子组件，它们依靠化学能、热能或者光能运动，能够执行特定任务，成为所谓的生物纳米机器。就这样，科学家们在小小的分子世界里创造了一个神奇的工程学新天地。

打造“显微工厂”

2004年，美国纽约大学化学家纳德里安·西曼和他的同事在实验室里创造了一个能用双足行走的DNA分子机器人，它的脚是两个DNA片断，长度仅为10纳米。第二年，这些科学家的工作又有进展。他们通过编程，让DNA分子机器人不仅能够行走，还能在行走中自动组装成更大的分子。过程是这样的，DNA分子机器人沿着一条由单链DNA分子铺就的“轨道”向前移动，并沿途“拾起”DNA分子以及一种与生物分子具有良好亲和性的金纳米微粒。就这样，纳米机器人被不断地组装，如同一条自动化的生产线，最后成为一件“产品”，而这件“产品”只有在显微镜下才能看清。

美国哥伦比亚大学的化学工程师米兰·斯托扬诺维奇和他的研究小组也研制出一个能自动行走和工作的DNA分子机器人，它的行走路径也是一条DNA“轨道”，但它的脚有三条，所以被科学家称为“分子蜘蛛”。斯托扬诺维奇相信，将来的“分子蜘蛛”可以游走于自然物体的表面，例如身体的肌肉，从而完成修复肌肉组织的任务。

要打造一个“显微工厂”，需要各种部件：传送带、电梯、汽车、齿轮、管子和轴等。在德国慕尼黑科技大学分子纳米科技实验室里，亨德里克·迪茨和他的同事就在制造这样的部件，而所有部件的结构都来自于一束束双螺旋DNA链。

科学家通过改变链的长度、弯曲度和排列方式等得到不同的DNA三维纳米结构。例如，在DNA束的一边增加若干对核苷就可以延长该边，而在另一边删除核苷则可以使DNA束更弯曲。科学家使用这种方法达到随意控制DNA链弯曲度的目的，用这些不同弯曲度的构件能组合成更加复杂的DNA三维结构。

在纳米的尺度上，制造零件的操作过程是如何进行的呢？原来，科学家是把一些微小的部件漂浮在溶液中让它们相互碰撞。有时，部件碰撞在一起后的结果正是人们所需要的，于是，通过多回合的碰撞和相互粘连后，便得到科学家想要的形状。当然，前提是要对这些分子结构进行正确的程序设计。通过这样的方法，科学家能组装出更加复杂的结构，这就好像让DNA分子在纳米的尺度上表演瑜珈，它们显示了各种各样的姿态。

组装“纳米汽车”

20世纪90年代，伯纳德·费林加曾组装了一辆“纳米汽车”，同样是用生物分子为材料。

开始的时候，汽车只有底盘和轮子，没有发动机，所以只能靠外力行驶。科学家们必须把它放在一层热黄金颗粒表面，依靠磁场作用推动它向前行驶。后来，科学家将一个分子马达装在汽车上，当受到某种特定波长的光的照射时，它会朝一个方向旋转。

这部汽车的长是4纳米，宽为3纳米，在一根头发丝的横截面上，可以停放20万辆这样的汽车。使用核磁共振技术，科学家可以监测分子马达是否在运转，从而推断纳米汽车的行驶速度，其结果是，这辆车每分钟可以行驶2纳米。慢是慢了些，但它毕竟是纳米世界中第一辆能够自主运行的车。

未来的应用领域

这些DNA纳米结构有什么用呢？从目前来看，它们只能应用于科学研究，让科学家可以在纳米的尺度内探索一些生物物理学和纳米化学方面的问题。但从长远上看，它们将在计算机、医药和生物科学领域里发挥重要作用。

悉尼生物科技公司的科学家正在开发一种纳米生物传感器，这种传感器可以在人类的体液中检测从激素到细菌的所有物质，而且速度非常快。虽然这种传感器目前尚在实验阶段，但走向实际应用应该为时不远了。

美国乔治敦大学的科学家研制出一种专门针对肿瘤的脂质体输送装置，通过这种装置可以向肿瘤细胞中输送一种名为p53的基因。p53是一种肿瘤抑制基因，它的正常功能是调控细胞增殖。一般情况下，当一个细胞增长得太快时，p53会指令这个细胞自毁，而假若p53停止工作，细胞便会无节制地生长并发生恶变。p53的缺失还会导致肿瘤细胞抵制放疗和化疗，给治疗带来严重的困难。

怎样把p53准确地送到癌细胞中去呢？研究人员选择了一种类似于铁传递蛋白的抗体断片。铁传递蛋白是一种向细胞中传输铁元素的分子。由于肿瘤细胞的迅速生长需要大量的铁，所以许多种类的癌细胞都为铁传递蛋白预备了大量的受体，这些受体的作用就是引导铁进入细胞中。在实验中，科学家将装载有p53的脂质体附着在具有铁传递蛋白特性的抗体断片上，然后将它们注入到患有癌症的老鼠体内，让老鼠身体中癌细胞的受体“吸引”这些纳米脂质体，从而准确地“引导”它们进入到癌细胞中。

现在，类似的装置在全世界的实验室里都在源源不断地产生，它们走进人们的日常生活也许为时不远了。可以预测的是，未来人类将在物质世界一大一小的两个端头创造最激动人心的奇迹。在大的一端，人类将创造伸向宇宙的“超级工程”：大型太空站、太空组装工厂、太空电梯和太空电站……而在小的一端，人类无限的创造力将展现在微观的分子世界中，在那里，人们将创造物质世界中最令人惊叹的工程学奇迹。

【责任编辑】庞 云