迷你型機(jī)器人 分子界的“建筑師”

 這或許是來自一家高科技工廠的一幕，只是這條流水線只有幾納米長。

　　機(jī)器人沿著軌道緩慢移動著，并且有規(guī)律地停頓，以便伸出小心翼翼地將組件撿起來的手臂。手臂將組件連接到機(jī)器人后背上的精細(xì)構(gòu)造，然后機(jī)器人向前移動并且重復(fù)這一過程——根據(jù)的設(shè)計，有條不紊地將零部件串在一起。

　　這或許是來自一家高科技工廠的一幕，只是這條流水線只有幾納米長。組件是氨基酸，產(chǎn)品是小肽，由英國曼徹斯特大學(xué)化學(xué)家DavidLeigh創(chuàng)建的機(jī)器人則是曾經(jīng)設(shè)計出的98%復(fù)雜的分子級機(jī)器。

　　這并非個例。Leigh是日益增多的分子“建筑師”隊伍中的一員。他們受到啟發(fā)，模擬在活體細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的像機(jī)器一樣的生物分子。過去25年里，這些研究人員設(shè)計出一系列令人印象深刻的開關(guān)、棘輪、發(fā)動機(jī)、推進(jìn)器，甚至更多——就像它們是納米尺度的樂高部件一樣，能被集成在一起成為分子機(jī)械。與此同時，多虧了分析化學(xué)工具和使建造大型有機(jī)分子更加簡單的反應(yīng)的改進(jìn)，進(jìn)展正在加速。　　
　　一臺分子“納米汽車”沿著金屬表面穿行　　創(chuàng)建分子梭　　很多今天的分子機(jī)器都可追溯至一個由目前在美國西北大學(xué)就職的化學(xué)家FraserStoddart于1991年建造的相對簡單的設(shè)備。那是一個被稱為輪烷的組合體，其中環(huán)狀分子被一個“軸”穿過，而“軸”是兩端均由體積較大的“塞子”堵住的線性分子。這個特殊的“軸”所包含的是在鏈的每一端能綁定到環(huán)狀分子上的兩個化學(xué)基團(tuán)。Stoddart發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀分子能在這兩個點之間來回移動，從而創(chuàng)建了*分子梭。

　　1994年，Stoddart改進(jìn)了設(shè)計，使得“軸”擁有兩個不同的結(jié)合位點。分子梭存在于溶液中，改變液體的酸度則能迫使環(huán)狀分子從一個地點移動到另一個地點，從而使分子梭成為一個換向開關(guān)。類似的分子開關(guān)也許有朝一日能被用于對熱、光或特定化學(xué)物質(zhì)作出響應(yīng)，或者打開納米尺度集裝箱“艙口”以便將載有藥物分子的“貨船”在適當(dāng)?shù)臅r間運送到人體內(nèi)位置正確的傳感器上。　　同來自加州理工學(xué)院的JamesHeath一起，Stoddart利用上百萬個輪烷制造出存儲設(shè)備。夾在硅和鈦的電極之間，輪烷能通過電流切換從一個狀態(tài)變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)，并且被用于記錄數(shù)據(jù)。這種分子“算盤”約有13微米寬，并且包含16萬比特，而每一比特都由幾百個輪烷構(gòu)成——密度約為每平方厘米100吉比特，可同今天的商業(yè)化硬盤驅(qū)動器相媲美。

　　不過，“開關(guān)”并不是很給力，通常在不到100次循環(huán)后便會散架。一種可能的解決方法是將它們裝載入被稱為金屬有機(jī)骨架（MOF）的堅硬、多孔晶體中。今年早些時候，來自加拿大溫莎大學(xué)的RobertSchurko和StephenLoeb證實，他們能將約1021個分子梭打包裝進(jìn)1立方厘米的MOF中。上個月，Stoddart公開了一種不同的MOF，其中包含有開關(guān)控制的輪烷。這種MOF被安裝在電極上，而輪烷能通過改變電壓一起被開啟或關(guān)閉。 

納米發(fā)動機(jī)
1999年，在早期的分子梭和開關(guān)試驗之后，該領(lǐng)域隨著*合成分子發(fā)動機(jī)的創(chuàng)建而向前邁進(jìn)了一大步。分子發(fā)動機(jī)由荷蘭格羅寧根大學(xué)化學(xué)家BenFering領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊建造，是一個包含由碳—碳雙鍵連接在一起的兩個相同“船槳”元件的單個分子。研究人員將“船槳”固定在某個位置，直到一束光將部分化學(xué)鍵打破，使“船槳”得以旋轉(zhuǎn)。至關(guān)重要的是，“船漿”的形狀意味著它們只會朝一個方向轉(zhuǎn)，而且只要有光和一些熱量的供應(yīng)，發(fā)動機(jī)將會保持旋轉(zhuǎn)。
Feringa繼續(xù)利用類似的分子發(fā)動機(jī)創(chuàng)建了四輪驅(qū)動的“納米汽車”。他還證實，發(fā)動機(jī)能為液態(tài)晶體提供足夠的旋轉(zhuǎn)力，從而使發(fā)動機(jī)上面的玻璃棒緩慢轉(zhuǎn)動。玻璃棒有28微米長，是發(fā)動機(jī)大小的幾千倍。
一些化學(xué)家認(rèn)為，盡管這些發(fā)動機(jī)很可愛，但98%終將一無是處。“對于人造發(fā)動機(jī)，我一直有所懷疑——它們太難制造，也很難按比例擴(kuò)大。”德國慕尼黑大學(xué)化學(xué)家DirkTrauner表示。
不過，它們背后的化學(xué)原理可能確實很有用。利用相同的光激活機(jī)制，研究人員開發(fā)出約100種能根據(jù)對光的響應(yīng)開啟或關(guān)閉的類藥性化合物。
Trauner和以色列魏茲曼科學(xué)研究院化學(xué)家RafalKlajn認(rèn)為，主要的挑戰(zhàn)將是說服行事謹(jǐn)慎的制藥行業(yè)，使其相信這些光控藥物有著很大潛力，即使它們并未在人類中有過追蹤記錄。“一旦他們看到了價值，我們將會處于很好的狀態(tài)。”
兩個不同發(fā)展方向
在對打造能真正做一些有用事情的分子機(jī)器的求索中，研究人員正開始將一些不同的組件集成到單一設(shè)備中。今年5月，Stoddart公布了一種可將兩個環(huán)狀分子從溶液中“拉”出來放到存儲鏈上的人造分子泵。每個環(huán)狀分子套在位于鏈一端的“塞子”上，并且被有開關(guān)控制的結(jié)合點吸引。轉(zhuǎn)動開關(guān)能推動環(huán)狀分子跨越存儲鏈更遠(yuǎn)處的第二道屏障，而環(huán)狀分子在此到達(dá)等候區(qū)。
這一系統(tǒng)無法傳送任何其他類型的分子，并且經(jīng)過反復(fù)嘗試修正才得以建造成功。“這是一條漫長的道路。”Stoddart感嘆說。不過，它證實分子機(jī)器能被用于集聚分子，并且以和生物學(xué)迫使離子或分子形成濃度梯度創(chuàng)造豐富的潛在能量相同的方式，推動化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入非平衡態(tài)。“我們正在學(xué)習(xí)如何設(shè)計能量棘輪。”
Stoddart同時表示，此類成果能使該領(lǐng)域朝兩個主要方向發(fā)展：保持在納米尺度下賦予這些機(jī)器一些無法通過任何其他方法實現(xiàn)的分子級任務(wù)；或者往宏觀方向發(fā)展，同時利用上萬億臺機(jī)器改造材料或移動大量貨物，就像一大群螞蟻那樣。
或許，納米方法的例子是Leigh的分子流水線。受到核糖體啟發(fā)，它基于將來自“軸”的氨基酸撿起并添加到不斷增長的肽鏈中的輪烷系統(tǒng)。不過，這一設(shè)備或許有著宏觀上的應(yīng)用。在36個小時內(nèi)，1018臺共同工作的設(shè)備能產(chǎn)生幾毫克的肽。“它無法做那些你在實驗室里半個小時內(nèi)做不出來的事情。”Leigh說，但它證實，你可以擁有一臺沿著軌道向下移動、將分子“積木”撿起并且組合在一起的機(jī)器。目前，Leigh正在致力于開發(fā)其他版本的機(jī)器，以制造用于量身定制的具有材料屬性的鏈段化聚合物。
相反，上萬億臺共同工作的分子機(jī)器也能改變宏觀世界中的材料屬性。例如，根據(jù)對光或化學(xué)物質(zhì)所作出響應(yīng)而膨脹或收縮的凝膠，能扮演可調(diào)節(jié)鏡頭或傳感器的角色。“在接下來的5年里，我敢打賭你將會得到*批包含了開關(guān)的智能材料。”Feringa說。