2016年10月5日(農(nóng)歷2016年9月5日)，2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予分子發(fā)動(dòng)機(jī)。2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予分子發(fā)動(dòng)機(jī)2016年10月5日電據(jù)諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)最新消息，讓-皮埃爾?索維奇(Jean-PierreSauvage)，J?弗雷澤?斯托達(dá)特(J.FraserStoddart)和伯納德?L?費(fèi)林加三位科學(xué)家因“設(shè)計(jì)和合成分子機(jī)器”獲得2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。世界上最小的機(jī)器一個(gè)機(jī)器人沿著預(yù)定軌道緩慢行進(jìn)，時(shí)不時(shí)停下來伸出手臂收集一下零件，并把收集起來的零件放置在背后一個(gè)特別設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)里。一處收集完成后，機(jī)器人繼續(xù)向前行進(jìn)，重復(fù)這一過程——直到按照既定設(shè)計(jì)把一連串的部件全部收集完畢。如果不告訴你這條流水線其實(shí)只有幾納米長，你可能會(huì)以為上面描述的是一個(gè)高科技工廠中的場景。而在這條納米流水線中，零件是氨基酸，多個(gè)零件則串成了一小段多肽。完成這一系列任務(wù)的機(jī)器人由英國曼徹斯特大學(xué)的化學(xué)家戴維·利(DavidLeigh)所設(shè)計(jì)，這也是迄今為止在分子尺度上設(shè)計(jì)出的最復(fù)雜的機(jī)器人之一。這個(gè)機(jī)器人并不孤單，因?yàn)樗摹案赣H”戴維·利只是逐漸壯大的“分子建筑師”大軍中的一份子。他們希望通過化學(xué)手段去模擬活細(xì)胞中可像機(jī)器一般發(fā)揮作用的生物分子，比如沿著細(xì)胞內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)蛋白，或是通過讀取遺傳密碼合成蛋白質(zhì)的核糖體。在過去的25年里，研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)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(jī)器部件，包括分子開關(guān)、分子棘輪、分子馬達(dá)、分子連桿、分子環(huán)和分子推進(jìn)器等。由于分析化學(xué)工具的不斷改善以及構(gòu)建有機(jī)大分子的相關(guān)反應(yīng)的日漸成熟，這一研究領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。然而，這一領(lǐng)域目前的發(fā)展到達(dá)了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)?！拔覀円呀?jīng)制造出了五六十種不同的(分子)馬達(dá)，”荷蘭格羅寧根大學(xué)的化學(xué)家本·費(fèi)林加(BenFeringa，2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主)說道，“我現(xiàn)在更關(guān)心的是怎么使用它們，而不是再造出一種新的馬達(dá)來。”這一跡象在今年6月份的美國戈登會(huì)議(USGordonconferences)上就已清楚地出現(xiàn)。這一在學(xué)術(shù)界有著舉足輕重地位的會(huì)議今年首次將“分子機(jī)器及其潛在應(yīng)用”作為重點(diǎn)議題，標(biāo)志著該領(lǐng)域的研究進(jìn)入新的紀(jì)元——本次會(huì)議的組織者、以色列魏茨曼科學(xué)研究所的化學(xué)家拉法爾·克萊因(RafalKlajn)如是說。戴維·利也說：“在15年內(nèi)，分子機(jī)器領(lǐng)域的研究將成為化學(xué)和材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域的核心部分?！币_(dá)到戴維·利所期望的目標(biāo)并非易事。首先，研究人員得知道如何讓數(shù)以億計(jì)的分子機(jī)器協(xié)同工作，產(chǎn)生可觀測到的宏觀效果，除此之外，研究人員還需要讓這些分子機(jī)器易于操控，保證它們可以在不間斷的情況下完成無數(shù)次操作。這也就是為什么該領(lǐng)域的眾多專家并不期望分子機(jī)器的首批應(yīng)用會(huì)涉及到多么復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。但他們認(rèn)為，組成這些分子機(jī)器的基本部件將會(huì)在眾多的科學(xué)領(lǐng)域中得到應(yīng)用：比如用于靶向釋藥的光敏開關(guān)，或是可以根據(jù)光信號(hào)進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)或儲(chǔ)能的智能材料，這意味著分子建筑師們需要與其他可能從“分子零件”中受益的領(lǐng)域展開合作?？巳R因說：“我們必須讓這些合作伙伴們相信，‘分子零件’絕對(duì)可以給他們帶來驚喜。”分子穿梭機(jī)我們現(xiàn)在看到的很多分子機(jī)器，其原型都可以追溯到1991年由化學(xué)家弗雷澤·斯托達(dá)特(FraserStoddart，2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主)所設(shè)計(jì)的一個(gè)略顯粗糙的分子器件。這個(gè)分子體系也就是今天我們常常會(huì)聽到的“輪烷”(rotaxane)，由一個(gè)環(huán)狀分子和一個(gè)穿過此環(huán)狀分子空腔的鏈狀分子共同組成。鏈狀分子的兩端在結(jié)構(gòu)上具有較大的空間位阻，可以防止套在其中的環(huán)狀分子滑脫，在靠近兩端的地方還含有可與環(huán)狀分子發(fā)生鍵連作用的化學(xué)基團(tuán)。斯托達(dá)特在研究中發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀分子可以在鏈狀分子兩端的化學(xué)位點(diǎn)之間來回移動(dòng)，由此他設(shè)計(jì)出了第一個(gè)分子級(jí)的短程穿梭裝置。1994年，斯托達(dá)特改進(jìn)了他的設(shè)計(jì)，讓鏈狀分子的兩端分別帶有不同的結(jié)合位點(diǎn)，這一新的分子穿梭機(jī)在水溶液中試驗(yàn)成功。改變?nèi)芤旱乃釅A度，可以讓環(huán)狀分子在位點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)可逆的來回移動(dòng)，使得該“穿梭機(jī)”在某種程度上變成了一種可逆型開關(guān)。這種可逆型開關(guān)在未來不僅可用于制造熱敏、光敏或是感受特定化學(xué)物質(zhì)的傳感器，還可用做體內(nèi)納米級(jí)藥物載體的開關(guān)，在正確的時(shí)間和地點(diǎn)釋放藥物。斯托達(dá)特的分子開關(guān)具有兩個(gè)非常重要的特質(zhì)，這也正是分子機(jī)器的兩大特點(diǎn)：第一，環(huán)狀分子與鏈狀分子在位點(diǎn)結(jié)合的相互作用并不是高強(qiáng)度的共價(jià)鍵，而是帶正電區(qū)域與帶負(fù)電區(qū)域之間的靜電吸引作用。這種作用相對(duì)較弱，換句話說，環(huán)狀分子與鏈狀分子之間的結(jié)合可以隨時(shí)被打破與重建，就像雙鏈DNA間的氫鍵一樣。第二，斯托達(dá)特設(shè)計(jì)的分子“穿梭機(jī)”并不需要外在能量就能完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)：裝置運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)力來源于溶液中分子間的相互碰撞，也就是常說的布朗運(yùn)動(dòng)。在這之后，五花八門的分子開關(guān)層出不窮。有的是基于光或溫度的變化，有的則是通過結(jié)合溶液中特定的離子或分子來實(shí)現(xiàn)開/關(guān)，而后者的原理與細(xì)胞膜上的離子通道響應(yīng)外界化學(xué)信號(hào)來進(jìn)行開/閉的工作模式如出一轍。然而，斯托達(dá)特卻在這股潮流中將他的研究引向了另一個(gè)方向。他與加州理工學(xué)院的詹姆斯·希思(JamesHeath)合作，用數(shù)百萬個(gè)輪烷制造出了一個(gè)三明治型的數(shù)據(jù)記錄裝置。這些輪烷被夾在硅電極與鈦電極之間，可在電信號(hào)的作用下從一種狀態(tài)切換到另一種，由此完成數(shù)據(jù)的記錄。這一“分子存儲(chǔ)器”長約13微米，可記錄16萬比特的信息，每比特對(duì)應(yīng)幾百個(gè)輪烷分子。這樣的存儲(chǔ)密度相當(dāng)于每平方厘米可存儲(chǔ)約100GB的數(shù)據(jù)，與目前最好的商用硬盤相比也毫不遜色。斯托達(dá)特的團(tuán)隊(duì)用該數(shù)據(jù)記錄裝置中最穩(wěn)定的24個(gè)比特單位，存儲(chǔ)并檢索出了“CIT”三個(gè)字母(加州理工學(xué)院的首字母簡稱)。但他的這一裝置并不結(jié)實(shí)，使用了還不到100次，就土崩瓦解了。一個(gè)可行的解決辦法是將它們加載到更堅(jiān)韌的多孔材料——金屬有機(jī)骨架材料(metal-organicframework，MOF)上。這種材料不但可以保護(hù)裝置，還可以通過有效的組織形成精確的3D陣列。今年早些時(shí)候，加拿大溫莎大學(xué)的羅伯特·舒爾科(RobertSchurko)和斯蒂芬·勒布(StephenLoeb)宣布，他們已經(jīng)可以在每立方厘米的金屬有機(jī)骨架材料中嵌入大約10^21個(gè)分子穿梭機(jī)。而就在上個(gè)月，斯托達(dá)特公開了另一種加載有“開關(guān)型輪烷”的金屬有機(jī)骨架材料。該材料與一個(gè)電極相連，通過改變電壓，可以讓全體輪烷分子同時(shí)完成開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。研究金屬有機(jī)骨架的專家希望這些結(jié)實(shí)的3D骨架能夠提供比傳統(tǒng)硅晶體管更高密度的分子開關(guān)，并且讓這些分子開關(guān)在轉(zhuǎn)換時(shí)更易控制，以便提供超強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力?！坝每苹玫难酃庹雇?，我們希望讓每一個(gè)分子都可以存儲(chǔ)一比特的信息?！崩詹颊f道，“但更現(xiàn)實(shí)的想法是讓一塊包含有上百個(gè)分子開關(guān)的金屬有機(jī)骨架材料存儲(chǔ)一比特的信息。只要骨架材料上大部分的分子開關(guān)都運(yùn)行良好，它們就可以用來有效地編碼數(shù)據(jù)。”還有一些科學(xué)家利用輪烷來制造可切換型催化劑。2012年，戴維·利在其發(fā)表的文章中介紹了一種帶有氮原子的輪烷系統(tǒng)。氮原子位于鏈狀分子的中段，即環(huán)狀分子包圍著的位置。當(dāng)向該系統(tǒng)加入酸性溶液時(shí)，環(huán)狀分子會(huì)移向輪烷的一端，將中間的氮原子暴露出來。這時(shí)，氮原子就可以作為催化劑去催化某些化學(xué)反應(yīng)。而就在去年11月，戴維·利又將他的研究推進(jìn)了一步：他設(shè)計(jì)了一種含有兩個(gè)不同催化位點(diǎn)的輪烷系統(tǒng)。當(dāng)環(huán)狀分子從一端移向另一端時(shí)，輪烷的反應(yīng)活性也會(huì)隨之改變，因此該系統(tǒng)可以用兩種不同的方式來處理體系中的分子混合物。戴維·利現(xiàn)在的研究目標(biāo)是模擬細(xì)胞中的酶——把多種不同的可切換型催化劑投放到同一個(gè)溶液體系中，利用它們各自的催化特點(diǎn)，使目標(biāo)分子能夠按照一定的反應(yīng)順序生成更加復(fù)雜的最終產(chǎn)物。納米馬達(dá)1999年，第一臺(tái)分子馬達(dá)的成功合成又將這一領(lǐng)域的研究向前推進(jìn)了一大步。分子馬達(dá)由費(fèi)林加的團(tuán)隊(duì)完成，含有兩個(gè)相同的“葉片”單元，葉片之間通過碳碳雙鍵加以固定。當(dāng)用大量的光能打破葉片間的化學(xué)鍵時(shí)，葉片便可以旋轉(zhuǎn)起來。尤為關(guān)鍵的是，葉片形狀經(jīng)過特別的設(shè)計(jì)，可以保證它們只繞同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。因此，只要能提供合適的光能和熱能，這臺(tái)馬達(dá)便可以持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。費(fèi)林加用類似的分子馬達(dá)制造出了四輪驅(qū)動(dòng)的納米車。在另一項(xiàng)研究中，他在液晶薄膜中摻雜了分子馬達(dá)，后者可以讓液晶薄膜產(chǎn)生足夠大的扭曲度，從而使放置在膜上的玻璃棒緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)。這根玻璃棒長達(dá)28微米，是馬達(dá)尺寸的上千倍。有些化學(xué)家認(rèn)為，盡管分子馬達(dá)很酷，但最終并不會(huì)有什么實(shí)際用處?！拔覍?duì)這些人造馬達(dá)的應(yīng)用一直持懷疑態(tài)度。它們制造起來非常復(fù)雜，而且非常難以量產(chǎn)?！钡聡侥岷诖髮W(xué)的化學(xué)家迪爾克·特勞納(DirkTrauner)說道。然而，這些分子機(jī)器背后隱藏的化學(xué)原理可能會(huì)非常有用?；谙嗤墓馇袚Q機(jī)理，研究人員已經(jīng)開發(fā)出了大約100種類似藥物的化合物，光信號(hào)可以使這些化合物開始或停止發(fā)揮藥理活性。今年7月，由特勞納領(lǐng)導(dǎo)的研究小組就發(fā)布了一種光敏型康普立停A-4。這是一種有著嚴(yán)重副作用的強(qiáng)效抗癌藥，會(huì)無差別地攻擊腫瘤細(xì)胞以及相似的健康細(xì)胞，而特勞納團(tuán)隊(duì)制備的可切換型新藥能夠有效地減少這種副作用：當(dāng)藥物分子處于“關(guān)閉”狀態(tài)時(shí)，分子內(nèi)含有一個(gè)氮氮雙鍵，藥物在整體上并不具備活性。當(dāng)用藍(lán)光照射分子，打破氮氮雙鍵之后，雙鍵連接的兩部分會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使藥物分子重新產(chǎn)生活性。特勞納提到，如果利用柔性導(dǎo)管或是植入性裝置來傳遞光信號(hào)，這種靶向控制可以在僅僅10微米大小的人體組織內(nèi)實(shí)現(xiàn)。他的下一步工作，就是利用小鼠對(duì)這些新型化合物的抗癌效果進(jìn)行測試。特勞納也希望這些光敏型化合物可以讓患有黃斑變性和色素性視網(wǎng)膜炎(這些疾病會(huì)破壞眼內(nèi)的視桿及視錐細(xì)胞)的人重見光明。“這是極易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)椴≡钗挥谘鄄?，你不需要?dān)心如何引入光信號(hào)?！碧貏诩{說道。在去年的實(shí)驗(yàn)中，他向盲鼠的眼睛里注射了一種叫DENAQ的光敏型藥物分子，使盲鼠在幾天的時(shí)間里恢復(fù)了部分視覺(可以分辨白天與黑夜)。他的團(tuán)隊(duì)目前正嘗試把這項(xiàng)技術(shù)推廣到靈長類動(dòng)物身上，希望在兩年之內(nèi)開展人體試驗(yàn)。特勞納和克萊因都認(rèn)為，這項(xiàng)研究最主要的挑戰(zhàn)在于說服謹(jǐn)小慎微的醫(yī)藥行業(yè)，讓他們相信光敏型藥物有著巨大潛力，即便它們還沒有人體上的使用記錄。特勞納說：“一旦他們看清了這一領(lǐng)域的價(jià)值，我們的研究就能更好地開展下去?！狈肿有凶哐b置早在生物從海洋進(jìn)化到陸地上之前，細(xì)胞內(nèi)就已形成了一套可自行“行走”的細(xì)胞機(jī)器。一個(gè)經(jīng)典的例子就是具有雙叉形結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)蛋白——在進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，它可以沿著細(xì)胞內(nèi)的微管骨架移動(dòng)。受驅(qū)動(dòng)蛋白的啟發(fā)，研究人員利用DNA分子構(gòu)建了一個(gè)人造行走裝置。這個(gè)分子行走裝置起先通過與互補(bǔ)DNA鏈的結(jié)合錨定在固定的軌道上。當(dāng)在體系中加入競爭性的DNA鏈后，分子行走裝置得以釋放并向前行進(jìn)一步。這一領(lǐng)域最激動(dòng)人心的例子來自于紐約大學(xué)納德里安·西曼(NadrianSeeman)于2010年公布的一項(xiàng)研究。他所設(shè)計(jì)的DNA行走裝置有四只“腳”和三只“手”，當(dāng)這一裝置繞著由折疊DNA鏈組成的方形結(jié)構(gòu)移動(dòng)時(shí)，它可以利用自己的“手腳”搭載金納米顆粒。DNA行走器的研究很快就擴(kuò)展到了其他實(shí)驗(yàn)室。但是，如果不給這些行走器安裝內(nèi)置的棘輪系統(tǒng)，使它們可以在必要的時(shí)候停下來向后走，那么這些行走器就只能漫無目的地四處游蕩。對(duì)于大多數(shù)分子行走器來說，棘輪系統(tǒng)可以通過控制固定或松開行走器“腿部”的化學(xué)反應(yīng)的相對(duì)速率來實(shí)現(xiàn)，而前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力則可以通過布朗運(yùn)動(dòng)的推力來提供。在過去幾年中，詳細(xì)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究和分子動(dòng)力學(xué)模擬數(shù)據(jù)已經(jīng)證明，前文提及的“布朗棘輪”的概念正是所有化學(xué)驅(qū)動(dòng)的分子機(jī)器以及很多生物馬達(dá)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。例如在2013年，密歇根大學(xué)安阿伯分校的化學(xué)生物學(xué)家尼爾斯·瓦爾特(NilsWalter)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組就發(fā)現(xiàn)，剪接體(spliceosome)也是按照相同的機(jī)理工作的。剪接體是在遺傳信息被翻譯成蛋白質(zhì)之前，對(duì)RNA進(jìn)行一系列剪接修飾的一種細(xì)胞機(jī)器?！膀?qū)動(dòng)蛋白正是使用的這樣的工作機(jī)制，核糖體也是，剪接體也是。”瓦爾特補(bǔ)充道。上述研究表明，生物機(jī)器與人工合成的分子機(jī)器實(shí)質(zhì)上遵守著相同的法則。因此，兩個(gè)領(lǐng)域的研究人員可以在今后的工作中相互取長補(bǔ)短?！熬湍壳皝砜?，兩個(gè)領(lǐng)域在總體上還是相互獨(dú)立的，”瓦爾特說，“但我認(rèn)為如果兩個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的研究人員能夠一起合作，下一個(gè)突破一定會(huì)到來?！蔽⒚谆鸺c此同時(shí)，受1966年風(fēng)靡全球的科幻電影《神奇旅程》(FantasticVoyage)中“微型醫(yī)療潛艇”的啟發(fā)，化學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)由微米顆粒與導(dǎo)管組成的陣列，這個(gè)陣列系統(tǒng)在液體中可以像火箭一樣迅猛移動(dòng)。這些“微米火箭”的推動(dòng)力有的來源于自身攜帶的催化劑，后者可利用周圍的液體(通常是過氧化氫水溶液)產(chǎn)生一連串氣泡；還有的則是直接利用光能或外加的電磁場來獲取能量，而且外加的電磁場還能起到控制方向的作用。“構(gòu)成‘微米火箭’的這些納米馬達(dá)每秒行進(jìn)的距離是自身長度的1000多倍，這太讓人難以置信了!”加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師約瑟夫·旺(JosephWang)興奮地說道。他認(rèn)為該器件最具前景的應(yīng)用方向是藥物的快速釋放以及環(huán)境污染物的低成本清理。當(dāng)然，業(yè)內(nèi)的許多專家都謹(jǐn)慎地表示，現(xiàn)在就討論這些納米馬達(dá)的應(yīng)用是否會(huì)比傳統(tǒng)的方法更好還為時(shí)尚早。然而，過氧化氫作為一種強(qiáng)氧化劑是不可能在人體內(nèi)使用的。約瑟夫·旺也坦率地表示：“如果所有的分子推進(jìn)裝置都建立在過氧化氫溶液的環(huán)境中，我們確實(shí)應(yīng)該對(duì)該領(lǐng)域的前景持懷疑態(tài)度。”但就在去年12月，他公布了一種適用于動(dòng)物活體檢測的微米級(jí)馬達(dá)。它由一根長約20微米的塑料導(dǎo)管構(gòu)成，含有一個(gè)鋅質(zhì)的核。馬達(dá)的動(dòng)力來自于鋅與胃酸反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣。含有馬達(dá)的導(dǎo)管可以在小鼠的胃中安全推進(jìn)約10分鐘的時(shí)間。接下來的實(shí)驗(yàn)中，約瑟夫·旺用這些含有馬達(dá)的導(dǎo)管向小鼠胃部周圍的組織運(yùn)輸金納米顆粒。結(jié)果，喂食這些金納米顆粒-導(dǎo)管復(fù)合物的小鼠，其胃粘膜上的金含量要比直接喂食金納米顆粒的對(duì)照組高三倍。由此，約瑟夫·旺認(rèn)為，如果把藥物或成像劑裝到微米“火箭”上服用，可以讓它們更加快速而有效地到達(dá)胃組織內(nèi)部?！霸诮酉聛淼奈迥陜?nèi)，我們會(huì)將研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H的體內(nèi)應(yīng)用階段，”約瑟夫·旺說，“這真的會(huì)是一趟神奇旅程?！蹦壳?，這些微米級(jí)火箭與分子機(jī)器的研究還鮮有交叉，但克萊因相信它們之間的聯(lián)系會(huì)越來越多。“比方說，在微型馬達(dá)的表面結(jié)合一個(gè)光敏型的分子開關(guān)就能為它的移動(dòng)提供更好的控制?！笨巳R因建議道。分子泵在不斷追尋具有實(shí)際用途的分子機(jī)器的過程中，研究人員開始嘗試將不同的元件整合到一臺(tái)裝置上。今年五月，斯托達(dá)特公開了一種可以把兩個(gè)環(huán)狀分子從溶液中拉到存儲(chǔ)端的人造分子泵。環(huán)狀分子首先需要克服啞鈴型鏈狀分子一端的空間壁壘，與一個(gè)可切換的連接位點(diǎn)相結(jié)合。之后連接位點(diǎn)改變自己的結(jié)合狀態(tài)，迫使環(huán)狀分子被推開并跨過第二道壁壘，到達(dá)鏈狀分子的存儲(chǔ)端。這個(gè)分子泵系統(tǒng)并不適用于其他類型的分子，而且它經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才制造成功?！斑€有很長的路要走啊?！彼雇羞_(dá)特不無嘆息地說道。但他的發(fā)現(xiàn)至少證明分子機(jī)器可以用來濃縮分子，打破化學(xué)系統(tǒng)的平衡。在生物領(lǐng)域里，利用離子或是分子形成的濃度梯度來建立并存儲(chǔ)一定的勢能，這樣的事情屢見不鮮?！拔覀冋谙蛏锵到y(tǒng)學(xué)習(xí)如何制造一個(gè)分子棘輪?！彼雇羞_(dá)特說。斯托達(dá)特認(rèn)為，這一領(lǐng)域未來的發(fā)展應(yīng)該從兩方面入手：在微觀層面上，讓這些分子機(jī)器在分子尺度上完成那些不能用其他手段完成的任務(wù)；在宏觀層面上，利用數(shù)以萬億計(jì)的分子機(jī)器的集群效應(yīng)重塑材料形狀，或讓它們可以像蟻群一樣去舉起比自身重得多的東西。也許符合斯托達(dá)特微觀層面構(gòu)想的典型例子就是戴維·利所設(shè)計(jì)的分子流水線。受核糖體的啟發(fā)，這個(gè)基于輪烷系統(tǒng)的流水線可以沿軸撿拾氨基酸分子，將它們添加到一個(gè)不斷增長的肽鏈上。但這個(gè)裝置的妙處還在于它能夠產(chǎn)生宏觀上的效果——1018個(gè)這樣的分子流水線在超過36個(gè)小時(shí)的時(shí)間里合成出了幾毫克的多肽?！澳阍趯?shí)驗(yàn)室里花半小時(shí)內(nèi)沒辦法完成的事情，分子流水線也沒辦法完成。然而，這一流水線的出現(xiàn)表明，讓分子機(jī)器沿既定路線，將沿途分子收集到一起是可以實(shí)現(xiàn)的?！贝骶S·利解釋道。他現(xiàn)在正在研究其他類型的分子流水線，比如用于合成具有特定材料特性的高分子聚合物。在宏觀層面上，如果數(shù)以億計(jì)的分子機(jī)器共同協(xié)作，確實(shí)能夠改變材料的某些宏觀性質(zhì)。比如能夠根據(jù)光或化學(xué)信號(hào)進(jìn)行伸縮的智能凝膠就可以用來制造可調(diào)節(jié)型鏡片或傳感器?！拔腋掖蛸€，在未來五年之內(nèi)，嵌入了分子開關(guān)的新型智能材料就會(huì)問世?！辟M(fèi)林加說。類似的分子系統(tǒng)已經(jīng)開始進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。2012年問世的日產(chǎn)防劃iPhone手機(jī)殼就是以東京大學(xué)伊藤耕三教授的工作成果為藍(lán)本制造的：它所使用的材料由高分子鏈穿過數(shù)個(gè)環(huán)糊精分子之后再拗成“8”字型形成。普通聚合物涂層受到壓力時(shí)，高分子鏈間的連接會(huì)被破壞，由此產(chǎn)生劃痕。但在這種材料中，環(huán)糊精分子可以讓高分子鏈在受力時(shí)能平穩(wěn)地滑過而不被破壞。用這種材料制成的薄膜甚至可以讓手機(jī)屏幕在錘子的猛擊下而不碎。以上這些成果都意味著“分子建筑師”發(fā)明的分子部件已經(jīng)成熟到了可以應(yīng)用的階段?！斑@一領(lǐng)域的研究已經(jīng)走過了漫長的道路，現(xiàn)在是時(shí)候向外界證明它們是有用的了?！彼雇羞_(dá)特充滿信心地說道。人物小傳讓-皮埃爾·紹瓦熱(Jean-PierreSauvage)是法國配位化學(xué)家，1944年出生于巴黎，他在路易斯·巴斯德大學(xué)取得博士學(xué)位，現(xiàn)任法國斯特拉斯堡大學(xué)教授，研究領(lǐng)域主要為超分子化學(xué)。J·弗雷澤·斯托達(dá)特(SirJ.FraserStoddart)是英國合成分子化學(xué)家，1942年出生于愛丁堡，現(xiàn)任美國西北大學(xué)教授，他的研究專長為分子納米技術(shù)及均相催化。伯納德·L·費(fèi)林加(BernardL.Feringa)是荷蘭合成有機(jī)化學(xué)家，出生于1951年，他于1978年在荷蘭格林羅根大學(xué)取得博士學(xué)位，現(xiàn)任格林羅根大學(xué)化學(xué)系教授、荷蘭科學(xué)院副院長。他的研究興趣包括立體化學(xué)、有機(jī)合成、非對(duì)稱催化、分子開關(guān)及機(jī)器、自組裝及分子納米系統(tǒng)。分子馬達(dá)與納米火箭二十多年來諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)是諾貝爾獎(jiǎng)的一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，由瑞典皇家科學(xué)院從1901年開始負(fù)責(zé)頒發(fā)。資料圖：諾貝爾獎(jiǎng)獎(jiǎng)?wù)?990年—1999年1990年：伊萊亞斯?科里(美)開發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助有機(jī)合成的理論和方法。1991年：理查德?恩斯特(瑞士)對(duì)開發(fā)高分辨率核磁共振(NMR)的貢獻(xiàn)。1992年：羅道夫?阿瑟?馬庫斯(美)對(duì)創(chuàng)立和發(fā)展電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的貢獻(xiàn)。1993年：凱利?穆利斯(美)邁克爾?史密斯(加)對(duì)DNA化學(xué)的研究，開發(fā)了聚合酶鏈鎖反應(yīng)(PCR)。1994年：喬治?歐拉(美)對(duì)碳正離子化學(xué)反應(yīng)的研究。1995年：保羅?克魯岑(荷)馬里奧?莫利納(墨)弗蘭克?羅蘭(美)對(duì)大氣化學(xué)的研究。1996年：羅伯特?苛爾(美)哈羅德?沃特爾?克羅托(英)理查德?斯莫利(美)發(fā)現(xiàn)富勒烯。1997年保羅?博耶(美)約翰?沃克爾(英)闡明了三磷酸腺苷合成酶的機(jī)理延斯?克里斯汀?斯科(丹)離子傳輸酶的發(fā)現(xiàn)，鈉鉀離子泵。1998年：沃特?科恩(美)密度泛函理論的研究，約翰?波普(英)量子化學(xué)計(jì)算方法的研究。1999年：艾哈邁德?茲韋勒(美)用飛秒激光光譜對(duì)化學(xué)反應(yīng)中間過程的研究。2000年—2015年2000年：艾倫?黑格(美)艾倫?麥克迪爾米德(美/新西蘭)白川英樹(日)對(duì)導(dǎo)電聚合物的研究。2001年：威廉?諾爾斯(美)野依良治(日)手性催化還原反應(yīng)，巴里?夏普萊斯(美)手性催化氧化反應(yīng)。2002年庫爾特?維特里希(瑞士)約翰?貝內(nèi)特?芬恩(美)田中耕一(日)對(duì)生物大分子的鑒定和結(jié)構(gòu)分析方法的研究。2003年：彼得?阿格雷(美)羅德里克?麥金農(nóng)(美)對(duì)細(xì)胞膜中的水通道的發(fā)現(xiàn)以及對(duì)離子通道的研究。2004年：阿龍?切哈諾沃(以)阿夫拉姆?赫什科(以)歐文?羅斯(美)發(fā)現(xiàn)了泛素調(diào)解的蛋白質(zhì)降解。2005年：羅伯特?格拉布(美)理查德?施羅克(美)伊夫?肖萬(法)對(duì)烯烴復(fù)分解反應(yīng)的研究。2006年：羅杰?科恩伯格(美)對(duì)真核轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)所作的研究。2007年：格哈德?埃特爾(德)，在“固體表面化學(xué)過程”研究中作出的貢獻(xiàn)。2008年：下村修(日)、馬丁?查爾菲(美)、錢永健(美)，發(fā)現(xiàn)并發(fā)展了綠色熒光蛋白(GFP)。2009年：萬卡特拉曼?拉瑪克里斯南(英)、托馬斯?斯泰茨(美)、阿達(dá)?約納什(以色列)，在核糖體結(jié)構(gòu)和功能研究中做出貢獻(xiàn)。2010年：理查德?赫克(美)、根岸英一(日)、鈴木章(日)，發(fā)明新的連接碳原子的方法。2012年：羅伯特?萊夫科維茨(美)、布萊恩?克比爾卡(美)，因“G蛋白偶聯(lián)受體研究”獲獎(jiǎng)。2013年：馬丁?卡普拉斯(美)、邁克爾?萊維特(英、美)、阿里耶?瓦謝勒(美、以色列)，在開發(fā)多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型方面做出貢獻(xiàn)。2014年：埃里克?貝齊格(美)、威廉?莫納(美)、斯特凡?黑爾(德)，為發(fā)展超分辨率熒光顯微鏡做出貢獻(xiàn)。2015年：托馬斯?林達(dá)爾(瑞典)、保羅?莫德里奇(美)、阿齊茲?桑賈爾(土耳其、美)，因“DNA修復(fù)的細(xì)胞機(jī)制研究”獲獎(jiǎng)。