用分子組裝機器

楊先碧

你能想到世界上最小的機器有多小嗎？螺絲那么大，針尖那么大，灰塵那么大？都不對。世界上最小的機器是肉眼看不到的分子機器，它們比細胞和病毒還要小。來自法國的皮埃爾·索維奇、美國的弗雷澤·斯托達特以及荷蘭的伯納德·費林加，因為研究這些分子機器獲得重大突破，而共同獲得了2016年諾貝爾化學獎。三位科學家的成就之所以能夠獲得諾獎青睞，是因為他們的研究促使原本無序的分子能夠接受控制并執行特定任務，為化學的發展開啟了一個新世界。

在微小的空間內移動

我們日常使用的機器，是由兩個或兩個以上的零件組成的。在給予一定的能量之后，機器會運轉，其實質是內部的零件發生相對運動。比如，我們各種電器中常用的電動機，由轉子和定子組成，通電以后轉子就能轉起來。

日常的機器是我們看得見摸得著的，而分子機器是十分微小的，其尺寸往往只有幾納米到幾十納米，大約是頭發絲直徑的千分之一，因此分子機器又常常被稱為“納米機器人”。盡管分子機器如此之小，但它也像日常機器那樣由兩個或兩個以上的分子構件組成，得到合適的能量之后也能夠運轉，然后在微小的空間內移動。

由于分子機器尺寸小得超出人們的想象，其研制過程也殊為不易。斯托達特說：“分子機器不是一夜之間就能發明的，它需要很長時間和很多優秀人才的共同努力。”制造分子機器的最初構想要回溯到1950年。當時，美國著名物理學家理查德·費曼第一次提出，未來可以制造微小機械，讓其能夠實施各種各樣的精密操作。從那以后，制造分子機器就成為人類夢寐以求的向往。

分子機器“三部曲”

在長達30多年的時間里，三位獲獎者完成了分子機器設計與合成的“三部曲”。第一個華麗的樂章是索維奇于1983年實現的，他成功地將兩個環狀分子扣在一起，形成名為“索烴”的分子機器。這種機器有些像我們的自行車鏈條的一部分，不過更像我們玩過的“九連環”玩具。

“索烴”由兩個或多個互相鎖在一起的環狀分子組成，而且這兩個（或多個）環狀分子能夠相對移動。諾貝爾評選委員會在公布這個獎項時，選用面包對“索烴”進行了更形象的說明：他們拿出兩個套在一起的面包圈，解釋一對彼此獨立但又相連的分子。

索維奇是武漢大學和武漢科技大學的客座教授，曾經到上述兩所大學和中南大學講學，做過與分子機器有關的主題講座。2013年10月21日，索維奇教授訪問武漢科技大學，當天正好是他69歲的生日。

索維奇曾在講座中透露，與科學史上不少研究一樣，他的這一成功也來自一個意外。他本來在從事光化學領域研究，重點研究太陽能引發的光化學催化反應，但當他建立了一種光化學活性復合物模型后，卻意外發現一種獨特的分子鏈：兩個分子圍繞銅離子糾纏在一起，這就是“索烴”的由來。

在第二個樂章中，斯托達特出場了。他合成了名為“輪烷”的分子機器。這種機器由一個環狀分子和一個啞鈴狀的線性分子組成，就像車輪套在車軸承上一樣。這個環狀分子不是在線性分子這個“軸”上像車輪那樣轉動，而是沿著線性分子上下移動，最大移動距離為0.7納米。1994年，斯托達特還合成了由5個環狀分子鎖在一起的分子機器，十分像奧運會會旗上的五環，它將這種分子機器稱為“奧林匹克索烴”。

斯托達特與中國頗有緣分，他是“千人計劃”短期項目入選者，還在天津大學、吉林大學擔任教授、名譽教授等職位。2017年3月，斯托達特訪問復旦大學，他在與化學系本科學生的交流時表示：“成功的秘密就在于克服困難的能力。生活總有不如意的事，會有很多出乎意料的情況和難題要面對。這就是對于人生的考驗，考驗你能否妥善地處理這些困難。”

斯托達特鼓勵復旦大學的學生：“要充滿熱情做自己喜愛的事，要學會走出逆境，不要陷入困境難以自拔。行動起來，朝著自己的方向努力，才有機會看到希望的曙光。”斯托達特有句口頭禪：“我的標準就是把任何事情都做到極致。”有一次，斯托達特要求一個學生測試樣品，當時得出的結果和他預期僅有一點差距，但他堅持讓學生重新做實驗。

最后出場的是費林加，他設計出了能向一個特定方向旋轉的分子馬達。1999年，他研制了一個分子轉子葉片，葉片能夠朝著同一方向持續旋轉。這個馬達可以讓一個微型玻璃缸旋轉起來。這個微型玻璃缸雖然直徑和高度都只有28微米，但是它比分子馬達本身大1萬倍。

費林加得知自己獲得了諾貝爾化學獎時說：“我很震驚，我不知道該如何描述，因為這太令人驚訝了。我很榮幸也很激動。”費林加是格羅寧根大學的傳奇人物，他總是充滿活力、富有激情。每天早上，他都騎自行車上班，還騎得飛快。費林加教授也與中國有緣，他是我國和荷蘭合辦的煙臺格羅寧根大學的榮譽教授，還給該校應用化學專業的本科生上過課，給新材料研究中心的研究人員指導過研究課題。

分子機器有啥用

人類最終的夢想是讓分子機器跟我們生活中常見的機器一樣，完成復雜的操作。日常機器的用途顯而易見，然而微小的分子機器究竟有啥用？諾貝爾獎評選委員會在聲明中說，這三位獲獎者發明了“世界上最小的機器”，將化學發展推向了一個新的維度。費林加對其獲獎成就解釋說：“一旦在分子層面控制了運動，就為控制其他各種形式的運動提供了可能。這一研究成果，為未來新材料的研發和精密設備的制造打開了一扇新的窗口。”

由于簡單的分子機器有開和關兩種狀態，很像現在計算機的0和1兩種狀態。因此，科學家認為分子機器也可以用來制造分子計算機。斯托達特的研究團隊先后成功“建成”環狀分子在線性分子表面上升0.7納米的“分子電梯”，用輪烷構成的“分子肌肉”成功彎折了一塊很薄的金箔，還開發出一種基于輪烷的計算機芯片，被認為在將來有望顛覆傳統的計算機芯片技術。現在的計算機晶體管結構已經很小了，但相比分子晶體管還是大得太多，分子芯片將像硅基晶體管一樣給計算機技術帶來革命性變化。

2011年，費林加的研究小組在分子馬達的基礎上制造了一款四驅納米汽車，一個分子底盤與作為輪子的4個分子馬達連接在一起，當分子馬達旋轉時，納米汽車就能向前行駛。這種納米汽車有望在微小空間內運輸特殊化學物質。目前，科學家還在研究怎樣把多個分子馬達組合，或把它們和其他分子聯系，組成一個稍微“復雜”的機器。在實驗室里，科學家已經做成了由350個原子組成的螺旋槳。

除了三位獲獎者以外，數以萬計的科學家正在從事這一領域的研究，他們已經設計并制造出了大量可以像樂高積木一樣在納米尺度上完成組裝的分子機器部件，包括分子開關、分子棘輪、分子馬達、分子連桿、分子環和分子推進器等。由于分析化學工具的不斷改善以及構建有機大分子的相關反應的日漸成熟，這一研究領域得到了迅猛發展。

1831年，英國科學家法拉第發明出電動機時，很少有人明白它能做什么，連法拉第自己和當時其他科學家都未曾想過它后來會廣泛應用。現在，從尖端的航天飛船到日常的交通工具，從工業用的各種機械到家用電器，都能看到電動機的身影。而分子機器正如當年的電動機一樣，現在尚未進入實際用途，科學家認為它們未來很有可能用于開發新材料、新型傳感器和能量存儲系統等。

分子機器即將進入人體

除了在科研和工業上的用途外，分子機器將改變未來的醫療，極大地為我們的健康服務。未來，我們可能注射各種各樣的分子機器進入我們的身體，讓它們成為我們的健康衛士。

現在我們吃藥往往是通過血液循環經過全身，雖然能夠在病變部位停留，但是也會在沒有病的地方停留。這對沒有病的部位帶來或多或少的影響，所以有“是藥三分毒”的說法。在未來，攜帶藥物的分子機器將定向抵達我們的病變部位，然后停下來，再慢慢釋放藥物。這些分子機器“定點治療”病變部位，不但療效快，而且不會對身體其他部位帶來傷害，因此不會產生毒副作用。

我們身體內會產生不少廢棄物，這些廢棄物并不能完全隨著汗液或糞便排出體外，一些殘留廢棄物就堆積在我們體內的血管或其他組織、器官內，對我們的健康帶來傷害。有了分子機器，一些肩負“清淤”功能的分子機器就可以奔向這些“垃圾堆積處”，挖走廢棄物，然后隨著糞便排出體外。

這些分子機器甚至可以直接攻擊病變部位，比如癌細胞，把癌細胞一個一個地徹底消滅，讓癌癥患者恢復健康。總之，未來升級版的分子機器將成為我們身體內優秀的“殺毒軟件”，讓我們的身體一直處于最佳的運行狀態。分子剪刀或許將成為未來納米機器人的機械手臂，在我們體內進行微小手術。總之，分子機器將成為未來精準醫療的重要組成部分。

目前，不少國家紛紛制定相關戰略或者計劃，投入巨資搶占分子機器這種新科技的戰略高地。每一種新科技的出現，似乎都包含著無限可能。在不久的將來，神奇的分子機器將源源不斷地進入人類的日常生活。

（責任編輯張虹）

DNA分子機器

美國加州理工學院的華裔科學家錢璐璐研制出一種具有分揀功能的DNA分子機器，其身高僅20納米，它每邁一步的距離是6納米。而這看起來不起眼的一小步，卻需要花費5分鐘。錢璐璐表示，“就好像機器人被送到火星等人類不能到達的地方，我們希望有一天可以將DNA分子機器送到血管等人類無法到達的微小之處。”

我們都知道，DNA是雙螺旋結構，一個DNA分子有兩個鏈條。在錢璐璐設計的DNA分子機器中，有若干根鏈條，其中一根被稱為“入侵鏈”，其他的被稱為“釋放鏈”。在給予一定能量后，入侵鏈可以和第一根釋放鏈結合，然后又分離;接下來，入侵鏈與相鄰的下一根釋放鏈結合再分離。通過這種不斷的結合與分離，入侵鏈就可不斷向前移動。

DNA分子機器的移動是短距離的，往往只有幾納米。這樣的移動是為了對生物體內進行精細地操作。因為在移動過程中，DNA分子機器的入侵鏈還可以根據需要輸送物質，比如把藥物輸送到特定位置，把垃圾清理到某個組織之外。如果患者患有惡性腫瘤，那么這種微小的機器人甚至可以完成定位，并操作一臺小型的腫瘤割除手術。

既然DNA分子機器移動距離只有微不足道的幾納米，那么，它如何才能抵達人體的相關部位呢？這其實不用我們操心，DNA分子機器可以被注射到血液中，借助血液循環系統的動力抵達人體各處，并在特殊的手段控制下停留在身體某處，完成科學家交給它的特定任務。這就如同飛船把機器人送到空間站，機器人只需在空間內短距離行走，完成人們交給它的任務。