納米級(jí)分子機(jī)器是人類征服自然的整個(gè)宏偉藍(lán)圖中最富有想像力和創(chuàng)造力的部分。

為了實(shí)現(xiàn)建造“多結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)分子機(jī)器”的夢(mèng)想，四川大學(xué)華西臨床醫(yī)學(xué)院生物膜與膜蛋白實(shí)驗(yàn)室主任丘小慶和他領(lǐng)導(dǎo)的研究集體進(jìn)行了為期10年的研究，他們以數(shù)種細(xì)菌信息素、抗體模擬無(wú)核大腸菌素等為模本，構(gòu)建了數(shù)種融合蛋白(抗菌多肽和免疫毒素)。它們均特異性地攻擊了選定的靶細(xì)菌或靶細(xì)胞，其殺傷效力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有抗菌素和免疫毒素，而毒副作用卻遠(yuǎn)低于現(xiàn)有抗菌素和免疫毒素。

目前，科學(xué)家試圖在分子尺寸上組裝一種極其微小的裝置，其在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用前景廣闊。

將新聞進(jìn)行到底

8月中旬正是巴蜀大地還未脫離溽暑和大雨反復(fù)煎熬的時(shí)節(jié)，丘小慶博士仍在他的實(shí)驗(yàn)室中為圓滿完成“蛋白質(zhì)分子機(jī)器”的構(gòu)思埋頭苦干。

作為四川大學(xué)華西臨床醫(yī)學(xué)院生物膜與膜蛋白實(shí)驗(yàn)室主任，他充滿信心地告訴記者，需要對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行加工和改造使之成為滿足人類需要的納米級(jí)分子機(jī)器，這是人類征服自然的整個(gè)宏偉藍(lán)圖中最富有想像力和創(chuàng)造力的部分。

那么“分子機(jī)器”，也有人稱之為“分子機(jī)器人”，它們究竟是怎樣一種機(jī)械，它們的構(gòu)造如何，它們又是由哪些部件組成的呢？

解讀分子機(jī)器自然界到處都有分子機(jī)器人

正確地說(shuō)“分子機(jī)器人在自然界并不罕見(jiàn)”。比如就拿我們?nèi)祟惖纳眢w來(lái)說(shuō)，由于分子生物學(xué)的進(jìn)展，我們發(fā)現(xiàn)人體是微小的精密機(jī)械的組合體。DNA(脫氧核糖核酸)上記錄了遺傳信息的復(fù)制和蛋白質(zhì)的合成。肌肉的張弛、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸?shù)?，在人類所有生命活?dòng)中，如果從分子水平上觀察，就可以看到正在運(yùn)行的微小精密機(jī)械。

自然界中的分子機(jī)器人令人吃驚之處在于，它們是完全自動(dòng)組裝而成的，只要材料和環(huán)境條件具備，就能輕而易舉地自動(dòng)組裝成分子機(jī)器人。目前人類掌握的技術(shù)已經(jīng)能夠在物質(zhì)的表面一個(gè)一個(gè)地移動(dòng)原子，但是要利用這種技術(shù)制造分子機(jī)器人能力還有所不及。

“分子機(jī)器人”制造絕非輕而易舉

制造分子機(jī)器人的最初構(gòu)想要回溯到1950年。美國(guó)著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼(1918—1988)第一次提出，未來(lái)可以制造微小機(jī)械讓其能夠?qū)嵤└鞣N各樣的作業(yè)。盡管費(fèi)曼并沒(méi)有提出分子機(jī)器人的具體概念，但是從那以后，制造分子機(jī)器人就成為人類夢(mèng)寐以求的向往。不過(guò)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程并非輕而易舉，不管怎么說(shuō)，科學(xué)家研究的對(duì)象——分子，尺寸只有1納米，把這個(gè)尺度上的東西組裝起來(lái)其難度可想而之，而且科學(xué)家組裝起來(lái)的還必須是“把操作和作業(yè)作為目的，能自動(dòng)運(yùn)行”的機(jī)械。

要人工制造分子機(jī)器人其捷徑仍然是模仿生物體中的分子機(jī)器人，但是正如前面談到的，生物的“分子機(jī)器人是自動(dòng)組裝而成的”，個(gè)中機(jī)理科學(xué)家還沒(méi)有完全弄清楚，研制過(guò)程中可能就會(huì)誤入歧途。

最新研究進(jìn)展利用DNA技術(shù)對(duì)基因進(jìn)行組合

對(duì)于分子組成的機(jī)器，丘小慶教授說(shuō)，只要具備足夠的想像力，那么“人工多結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)機(jī)器”的制造對(duì)任何人幾乎都是唾手可得的。目前的生物技術(shù)方法不僅僅能對(duì)結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行修飾，它還能夠?qū)ψ匀唤绱嬖诘拇罅康鞍踪|(zhì)進(jìn)行改造。通過(guò)引入一些特定的變化來(lái)修飾一些特定的蛋白質(zhì)，就可形成一個(gè)綜合多種功能的蛋白質(zhì)分子。目前最常用的方法是用DNA重組技術(shù)將表達(dá)不同多肽或蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域的基因組合起來(lái)，形成一個(gè)攜帶所有基因功能的融合蛋白。只要在折疊形成活性結(jié)構(gòu)的過(guò)程中這個(gè)融合蛋白內(nèi)的各個(gè)功能結(jié)構(gòu)域不相互阻礙，該蛋白就有可能表現(xiàn)出我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)希望它具有的生物功能。

已經(jīng)構(gòu)建出數(shù)種融合蛋白

為了實(shí)現(xiàn)建造“多結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)分子機(jī)器”的夢(mèng)想，丘小慶等所做的第一個(gè)嘗試是構(gòu)建由兩種蛋白質(zhì)片段組合而成的一個(gè)融合蛋白。通過(guò)對(duì)該融合蛋白的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，讓這個(gè)融合蛋白產(chǎn)生出所期待的、能夠選擇性攻擊某一種細(xì)胞的靶向攻

擊能力。在實(shí)現(xiàn)了對(duì)原核細(xì)胞的攻擊之后，丘小慶又開(kāi)始?jí)粝肽芊駱?gòu)建出“靶向”攻擊真核細(xì)胞的有效活性物質(zhì)。

經(jīng)過(guò)為期10年的研究，丘小慶教授和他領(lǐng)導(dǎo)的研究集體以數(shù)種細(xì)菌信息素、抗體模擬無(wú)核大腸菌素等為模本，構(gòu)建了數(shù)種融合蛋白(抗菌多肽和免疫毒素)。它們均特異性地攻擊了選定的靶細(xì)菌或靶細(xì)胞，其殺傷效力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有抗菌素和免疫毒素，而毒副作用卻遠(yuǎn)低于現(xiàn)有抗菌素和免疫毒素。它們有可能發(fā)展成為一系列新型抗菌和抗腫瘤藥物。 

重要應(yīng)用前景可向病變部位集中運(yùn)送藥劑

目前，分子機(jī)器人的種類是有限的，不過(guò)我們可以考慮將來(lái)如何利用它們。

從分子機(jī)器人能夠在生物體內(nèi)自動(dòng)生成來(lái)設(shè)想，其最初的應(yīng)用似乎應(yīng)是以醫(yī)療等領(lǐng)域?yàn)橹行?。比如針?duì)病毒的分子機(jī)器人，也許可以通過(guò)研發(fā)分子鉗予以實(shí)現(xiàn)。加工分子鉗前端的部件，使它只能與特定的病毒相結(jié)合。而且，可以利用分子鉗那樣的分子機(jī)器人，向癌腫部位集中送達(dá)藥劑等。

丘小慶認(rèn)為，隨著生物技術(shù)水準(zhǔn)的迅速進(jìn)步，這樣的生物技術(shù)藥物可能會(huì)很快地代替現(xiàn)有藥物，為人類創(chuàng)造更好的福祉，可是這些構(gòu)建出來(lái)的融合蛋白還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能表達(dá)出我們所企求的結(jié)構(gòu)和功能水準(zhǔn)——人工多結(jié)構(gòu)域“蛋白質(zhì)機(jī)器”所應(yīng)該具有的理想境界，充其量它們只能算作是蛋白質(zhì)分子機(jī)器的一個(gè)雛形。目前，正有科學(xué)家試圖把如此重要的機(jī)械在分子尺寸上組裝起來(lái)，制造一種極其微小的裝置，科學(xué)家意圖使用這種裝置來(lái)操控別的分子，運(yùn)用于醫(yī)學(xué)可以用來(lái)清除肌體深處的病毒、癌細(xì)胞等，它們具有不可限量的應(yīng)用前景。

解疑釋惑分子機(jī)器人究竟是什么？

“機(jī)器人”這個(gè)詞的含義在辭書(shū)中可以看到，有的辭書(shū)將機(jī)器人稱為“把操作和作業(yè)作為目的，能自動(dòng)運(yùn)行的機(jī)械或裝置”，諸如此類，不限于所謂“人形機(jī)器人”。在廣義上，能夠自動(dòng)進(jìn)行各種各樣操作的機(jī)械都可稱為機(jī)器人。而所謂“分子機(jī)器人”，望文生義當(dāng)然是在分子尺寸上制造的機(jī)器人。大致說(shuō)來(lái)，分子尺寸的機(jī)器人，其長(zhǎng)短大小僅相當(dāng)于1納米左右，而1納米是1米的十億分之一，也就是其尺寸是1毫米的千分之一的千分之一。原子的大小大約在0.1納米左右，分子機(jī)器人當(dāng)然就是把數(shù)十個(gè)或者數(shù)百個(gè)原子組合起來(lái)制成的機(jī)器人。

如果能使用如此微小的分子尺寸的機(jī)械，隨意支配或者加工其他分子的話，那就是一件令科學(xué)家十分稱心的事了，比如科學(xué)家就可能制造與病毒做斗爭(zhēng)的分子機(jī)器人，這些病毒嚴(yán)重威脅著人類健康?？茖W(xué)家可以把這種分子機(jī)器人送入人體內(nèi)，剔除構(gòu)成病毒的分子，或摘除病毒或?qū)ζ溥M(jìn)行摧毀。也許和“人形”絲毫不沾邊，但是分子機(jī)器人給我們實(shí)至名歸的印象。