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从今年的诺贝尔奖来看 机器人医生和模拟生命很有戏

2016-10-11 09:39
潇纵
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  诺贝尔化学奖今年曝出“冷门”——颁给了属于“纯化学”范畴的“分子机器”。此前历年的诺贝尔化学奖都授予了交叉学科,比如生物、物理、生物化学和生物物理等等。

  法国斯特拉斯堡大学的让-彼埃尔·索瓦(Jean-Pierre Sauvage)教授、美国西北大学的詹姆斯·弗雷泽·斯图达(James Fraser Stoddart)爵士以及荷兰格罗宁根大学的伯纳德·费林加(Bernard Feringa)教授共同摘得了这一诺贝尔最重要的奖项。他们因在分子机器的设计和合成上的贡献而获奖。

  而在这一领域,我国也具有领先世界的水准。华东理工大学的田禾院士科研团队所从事的研究领域,正是“分子机器的设计和合成”。该领域获得诺奖将有助于尽早实现商业化应用。

  “吞下”一个外科医生

  “分子机器”又称生物纳米机器,构件主要是蛋白质等生物分子,具有小尺寸、多样性、自适应、仅依靠化学能或者热能驱动、分子调剂等其它人造机器难以比拟的性能,对促进生物学的发现以及仿生学具有重要意义。

  “分子机器”是在1959年作为纳米技术的概念被提出的。当时著名的物理学家理查德-费曼(Richard Feynman)就大胆预测,分子机器未来将会在纳米机器人手术和定位药物在人体内的输送方面起到关键作用。他说:“虽然这个想法听起来很疯狂,但是如果人们能够吞下一个外科医生,这样的手术会很有意思。”他描绘道,只要把这个外科医生放进人体的血液中,他就能够抵达心脏,并且查看哪里出了问题,然后他会拿出小刀,把不好的地方,比如肿瘤部位切除。

  费曼的想法很快在一部科幻片中得到了体现。1966年美国影片《奇幻旅行》(FantasticVoyage)讲述了一个潜水艇舰队如何微缩并注入到一个科学家的体内,为他进行血管手术从而拯救了他的生命。

  50年后的今天,人们虽然仍然未将科幻片变成现实,但是费曼的预言还在被很多人努力证实。科学家们希望有一天能将化疗药物直接运输到人体需要的部位,杀死肿瘤细胞,并且不伤害好的细胞。然而这个证明的过程是漫长的。就像这次获得诺贝尔化学奖之一的FraserStoddart说的:“这不是一夜之间就能发生的,需要很长时间和优秀人才的共同努力。”

  事实上,在50年代和60年代时,科学家就已经尝试着把化学的环形元素连接这链条,来产生向新的分子。不过一直到1983年,重大的成果发现了。法国人Sauvage教授成功地将两个环状分子连接在一起,形成了一条特殊的链条,即双环化合物。通常分子是由原子间通过共享电子对构成的共价键形成的,但是在这个链条中,分子是由更加自由的机械性相互作用形成的。要想让一个机器完成任务,必须由相互之间能够相对移动的部件组成,Sauvage教授所发现的这两个互锁的环状分子就是能够相对移动的。

  1991年,Stoddart爵士成功地合成了轮烷,实现了分子机器的第二步。轮烷是一类由一个环状分子套在另一个线性分子上二形成的内锁型的超分子体系。

  而另外一个获奖者来自荷兰的Feringa教授则发明了首个分子马达,被视作分子机器领域的标志性事件。1999年,他制作了一个分子转子叶片,能够持续朝一个方向旋转。此后,他又设计了一辆“分子汽车”。

  2011年,首辆四轮的“纳米汽车”,底盘和四个轮子都是由分子构成。四个轮子能够向一个方向旋转,并且能在一个表面上开动。

  2013年,英国曼彻斯特大学教授DavidLeigh领导的团队制造出一台纳米机器人,能够抓取氨基酸并把它们连接起来,就如同人体细胞的核糖那样。

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