迷你型機器人 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器人后背上的精細構(gòu)造，然后機器人向前移動并且重復這一過程——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化學家DavidLeigh創(chuàng)建的機器人則是曾經(jīng)設(shè)計出的98%復雜的分子級機器。

　　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)，模擬在活體細胞中發(fā)現(xiàn)的像機器一樣的生物分子。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、推進器，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械。與此同時，多虧了分析化學工具和使建造大型有機分子更加簡單的反應(yīng)的改進，進展正在加速?！　?img src="file:///http://oss.cnelc.com/kindeditor/img/20150914/20150914101059_7416.jpg" />
　　一臺分子“納米汽車”沿著金屬表面穿行　　創(chuàng)建分子梭　　很多今天的分子機器都可追溯至一個由目前在美國西北大學就職的化學家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基團。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?shù)臅r間運送到人體內(nèi)位置正確的傳感器上?！　⊥瑏碜约又堇砉W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的RobertSchurko和StephenLoeb證實，他們能將約1021個分子梭打包裝進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
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)動機的創(chuàng)建而向前邁進了一大步。分子發(fā)動機由荷蘭格羅寧根大學化學家BenFering領(lǐng)導的團隊建造，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)動機將會保持旋轉(zhuǎn)。
Feringa繼續(xù)利用類似的分子發(fā)動機創(chuàng)建了四輪驅(qū)動的“納米汽車”。他還證實，發(fā)動機能為液態(tài)晶體提供足夠的旋轉(zhuǎn)力，從而使發(fā)動機上面的玻璃棒緩慢轉(zhuǎn)動。玻璃棒有28微米長，是發(fā)動機大小的幾千倍。
一些化學家認為，盡管這些發(fā)動機很可愛，但98%終將一無是處。“對于人造發(fā)動機，我一直有所懷疑——它們太難制造，也很難按比例擴大。”德國慕尼黑大學化學家DirkTrauner表示。
不過，它們背后的化學原理可能確實很有用。利用相同的光激活機制，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研究院化學家RafalKlajn認為，主要的挑戰(zhàn)將是說服行事謹慎的制藥行業(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處的第二道屏障，而環(huán)狀分子在此到達等候區(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，它證實分子機器能被用于集聚分子，并且以和生物學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，推動化學系統(tǒng)進入非平衡態(tài)。“我們正在學習如何設(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器。目前，Leigh正在致力于開發(fā)其他版本的機器，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。