分子機器人

分子機器人，也稱納米機器人是人類征服自然的整個宏偉藍圖中最富有想像力和創造力的部分，而且運用於醫學可以用來清除肌體深處的病毒、癌細胞等，它們具有不可限量的應用前景；而分子機器人的研發已成為當今科技的前沿熱點。

“機器人”這個詞的含義在辭書中可以看到，有的辭書將機器人稱為“把操作和作業作為目的，能自動剪貼的機械或裝置”，諸如此類，不限於所謂“人形機器人”。在廣義上，能夠自動進行各種各樣操作的機械都可稱為機器人。而所謂“分子機器人”，就是把數十個或者數百個原子組合起來製成的機器人。

製造分子機器人的最初構想要回溯到1950年。美國著名物理學家理查德·費曼第一次提出，未來可以製造微小機械讓其能夠實施各種各樣的作業。儘管費曼並沒有提出分子機器人的具體概念，但是從那以後，製造分子機器人就成為人類夢寐以求的嚮往。

不過科學技術的發展進程並非輕而易舉，不管怎麼說，科學家研究的對象——分子，尺寸只有1納米，把這個尺度上的東西組裝起來其難度可想而之，而且科學家組裝起來的還必須是“把操作和作業作為目的，能自動運行”的機械。比如科學家就可能製造與病毒做鬥爭的分子機器人，這些病毒嚴重威脅著人類健康。科學家可以把這種分子機器人送入人體內，剔除構成病毒的分子，或摘除病毒或對其進行摧毀。也許和“人形”絲毫不沾邊，但是分子機器人給人們實至名歸的印象。

自然界中的分子機器人令人吃驚之處在於，它們是完全自動組裝而成的，只要材料和環境條件具備，就能輕而易舉地自動組裝成分子機器人。現今（2009年8月）人類掌握的技術已經能夠在物質的表面一個一個地移動原子，但是要利用這種技術製造分子機器人能力還有所不及。

現今（2009年8月）的分子機器人生物技術方法不僅僅能對結構和功能進行修飾，它還能夠對自然界存在的大量蛋白質進行改造。通過引入一些特定的變化來修飾一些特定的蛋白質，就可形成一個綜合多種功能的蛋白質分子。最常用的方法是用DNA重組技術將表達不同多肽或蛋白質結構域的基因組合起來，形成一個攜帶所有基因功能的融合蛋白。只要在摺疊形成活性結構的過程中這個融合蛋白內的各個功能結構域不相互阻礙，該蛋白就有可能表現出人們在設計時希望它具有的生物功能。

四川大學華西臨床醫學院生物膜與膜蛋白實驗室主任丘小慶和他領導的研究集體進行了研究，他們以數種細菌信息素、抗體模擬無核大腸菌素等為模本，構建了數種融合蛋白，這些蛋白質將搭載藥劑，直接送往癌變細胞將其殺死。

為了實現建造“多結構域蛋白質分子機器”的夢想，丘小慶等所做的第一個嘗試是構建由兩種蛋白質片段組合而成的一個融合蛋白。通過對該融合蛋白的分子結構進行控制，讓這個融合蛋白產生出所期待的、能夠選擇性攻擊某一種細胞的靶向攻擊能力。在實現了對原核細胞的攻擊之後，丘小慶又開始夢想能否構建出“靶向”攻擊真核細胞的有效活性物質，它們有可能發展成為一系列新型抗菌和抗腫瘤藥物。

截止2009年8月，分子機器人的種類是有限的。從分子機器人能夠在生物體內自動生成來設想，其最初的應用似乎應是以醫療等領域為中心。比如針對病毒的分子機器人，也許可以通過研發分子鉗予以實現。加工分子鉗前端的部件，使它只能與特定的病毒相結合。而且，可以利用分子鉗那樣的分子機器人，向癌腫部位集中送達藥劑等。隨著生物技術水準的迅速進步，這樣的生物技術藥物可能會很快地代替現有藥物，為人類創造更好的福祉，可是這些構建出來的融合蛋白還遠遠未能表達出人們所企求的結構和功能水準——人工多結構域“蛋白質機器”所應該具有的理想境界，充其量它們只能算作是蛋白質分子機器的一個雛形。現今正有科學家試圖把如此重要的機械在分子尺寸上組裝起來，製造一種極其微小的裝置，科學家意圖使用這種裝置來操控別的分子，運用於醫學可以用來清除肌體深處的病毒、癌細胞等，它們具有不可限量的應用前景。

現今不少國家紛紛制定相關戰略或者計劃，投入巨資搶佔分子機器人這種新科技的戰略高地。《機器人時代》月刊日前指出：分子機器人潛在用途十分廣泛，其中特別重要的就是應用於醫療和軍事領域。

每一種新科技的出現，似乎都包涵著無限可能。用不了多久，個頭只有分子大小的神奇分子機器人將源源不斷地進入人類的日常生活。中國著名學者周海中教授在1990年發表的《論機器人》一文中就預言：到21世紀中葉，分子機器人將徹底改變人類的勞動和生活方式。

據英國《新科學家》雜誌報道，英國和日本化學家聯手開發了一批分子機器人，可以探測活細胞未知的化學環境，並將探測結果發送回來。

科學家表示，此分子機器人能將細胞膜的2種不同化學特性的測量結果加密成光信號傳送回來，科學家對此進行解密后就能得到實際結果。其中一種測量結果通過光強度加密，另一種通過光的波長或顏色來加密。這些測量結果可以幫助生物化學家探知細胞如何產生能量以及信號是如何在神經細胞中傳遞的機理。

負責此項開發的英國貝爾法斯特女王大學普納桑拉·德·西爾瓦說：“納米裝置及其繪製納米空間的應用已經首次從科幻變成了科學實驗。”

此分子機器人具有分子敏感性，對2種化學環境的特性非常敏感。細胞中首個變數是質子-氫離子的濃縮程度，繪製這一變化狀況很重要，因為細胞利用不同梯度濃度的質子濃縮來貯存和產生能量。第二個變數是極性大小，由一些分子來調控這些電極的負電荷的分配。而細胞通過這些電極來給細胞膜定型，並將分子聚集一起或彼此分開。

此新型分子探測器是由質子敏感片段連在一個極性敏感的熒光片段構成的。當質子接收器發現氫離子時，它會釋放能量，使熒光片段發光。周圍的質子越多，發出的光就越多。然而，由於發光的熒光片段對極性的變化很敏感，發出光的波長加密這些分子周圍的極性，因此細胞環境的極性越大，光波長就越長。

研究人員開發了18種不同版本的這種分子探測器，並在人造細胞是進行了測試。不同版本的分子探測器有不同的親水性和疏水性，這意味著它們會自然地移動到細胞膜周圍的不同位置。通過監測發出光的強度和波長，研究人員能夠繪製細胞膜周圍電化學環境的詳細圖示。德·西爾瓦說：“這是首次看到細胞膜附近的質子分配被如此詳細地繪製出來。”此工作在分子感測器的設計上是一項重大突破，義大利科學家表示。

納米級分子機器是人類征服自然的整個宏偉藍圖中最富有想像力和創造力的部分。

為了實現建造“多結構域蛋白質分子機器”的夢想，四川大學華西臨床醫學院生物膜與膜蛋白實驗室主任丘小慶和他領導的研究集體進行了為期10年的研究，他們以數種細菌信息素、抗體模擬無核大腸菌素等為模本，構建了數種融合蛋白（抗菌多肽和免疫毒素）。它們均特異性地攻擊了選定的靶細菌或靶細胞，其殺傷效力遠遠高於現有抗菌素和免疫毒素，而毒副作用卻遠低於現有抗菌素和免疫毒素。

目前，科學家試圖在分子尺寸上組裝一種極其微小的裝置，其在醫學上應用前景廣闊

■將新聞進行到底

8月中旬正是巴蜀大地還未脫離溽暑和大雨反覆煎熬的時節，丘小慶博士仍在他的實驗室中為圓滿完成“蛋白質分子機器”的構思埋頭苦幹。

作為四川大學華西臨床醫學院生物膜與膜蛋白實驗室主任，他充滿信心地告訴記者，需要對蛋白質進行加工和改造使之成為滿足人類需要的納米級分子機器，這是人類征服自然的整個宏偉藍圖中最富有想像力和創造力的部分。

那麼“分子機器”，也有人稱之為“分子機器人”，它們究竟是怎樣一種機械，它們的構造如何，它們又是由哪些部件組成的呢？

——解讀分子機器——

自然界到處都有分子機器人

正確地說“分子機器人在自然界並不罕見”。比如就拿我們人類的身體來說，由於分子生物學的進展，我們發現人體是微小的精密機械的組合體。DNA（脫氧核糖核酸）上記錄了遺傳信息的複製和蛋白質的合成。肌肉的張弛、神經網路的信息傳輸等，在人類所有生命活動中，如果從分子水平上觀察，就可以看到正在運行的微小精密機械。

自然界中的分子機器人令人吃驚之處在於，它們是完全自動組裝而成的，只要材料和環境條件具備，就能輕而易舉地自動組裝成分子機器人。目前人類掌握的技術已經能夠在物質的表面一個一個地移動原子，但是要利用這種技術製造分子機器人能力還有所不及。

“分子機器人”製造絕非輕而易舉

製造分子機器人的最初構想要回溯到1950年。美國著名物理學家理查德·費曼（1918—1988）第一次提出，未來可以製造微小機械讓其能夠實施各種各樣的作業。儘管費曼並沒有提出分子機器人的具體概念，但是從那以後，製造分子機器人就成為人類夢寐以求的嚮往。不過科學技術的發展進程並非輕而易舉，不管怎麼說，科學家研究的對象——分子，尺寸只有1納米，把這個尺度上的東西組裝起來其難度可想而之，而且科學家組裝起來的還必須是“把操作和作業作為目的，能自動運行”的機械。

要人工製造分子機器人其捷徑仍然是模仿生物體中的分子機器人，但是正如前面談到的，生物的“分子機器人是自動組裝而成的”，個中機理科學家還沒有完全弄清楚，研製過程中可能就會誤入歧途。

——最新研究進展——

利用DNA技術對基因進行組合

對於分子組成的機器，丘小慶教授說，只要具備足夠的想像力，那麼“人工多結構域蛋白質機器”的製造對任何人幾乎都是唾手可得的。目前的生物技術方法不僅僅能對結構和功能進行修飾，它還能夠對自然界存在的大量蛋白質進行改造。通過引入一些特定的變化來修飾一些特定的蛋白質，就可形成一個綜合多種功能的蛋白質分子。目前最常用的方法是用DNA重組技術將表達不同多肽或蛋白質結構域的基因組合起來，形成一個攜帶所有基因功能的融合蛋白。只要在摺疊形成活性結構的過程中這個融合蛋白內的各個功能結構域不相互阻礙，該蛋白就有可能表現出我們在設計時希望它具有的生物功能。

已經構建出數種融合蛋白

為了實現建造“多結構域蛋白質分子機器”的夢想，丘小慶等所做的第一個嘗試是構建由兩種蛋白質片段組合而成的一個融合蛋白。通過對該融合蛋白的分子結構進行控制，讓這個融合蛋白產生出所期待的、能夠選擇性攻擊某一種細胞的靶向攻

擊能力。在實現了對原核細胞的攻擊之後，丘小慶又開始夢想能否構建出“靶向”攻擊真核細胞的有效活性物質。

經過為期10年的研究，丘小慶教授和他領導的研究集體以數種細菌信息素、抗體模擬無核大腸菌素等為模本，構建了數種融合蛋白（抗菌多肽和免疫毒素）。它們均特異性地攻擊了選定的靶細菌或靶細胞，其殺傷效力遠遠高於現有抗菌素和免疫毒素，而毒副作用卻遠低於現有抗菌素和免疫毒素。它們有可能發展成為一系列新型抗菌和抗腫瘤藥物。

——重要應用前景——

可向病變部位集中運送藥劑

目前，分子機器人的種類是有限的，不過我們可以考慮將來如何利用它們。

從分子機器人能夠在生物體內自動生成來設想，其最初的應用似乎應是以醫療等領域為中心。比如針對病毒的分子機器人，也許可以通過研發分子鉗予以實現。加工分子鉗前端的部件，使它只能與特定的病毒相結合。而且，可以利用分子鉗那樣的分子機器人，向癌腫部位集中送達藥劑等。

丘小慶認為，隨著生物技術水準的迅速進步，這樣的生物技術藥物可能會很快地代替現有藥物，為人類創造更好的福祉，可是這些構建出來的融合蛋白還遠遠未能表達出我們所企求的結構和功能水準——人工多結構域“蛋白質機器”所應該具有的理想境界，充其量它們只能算作是蛋白質分子機器的一個雛形。目前，正有科學家試圖把如此重要的機械在分子尺寸上組裝起來，製造一種極其微小的裝置，科學家意圖使用這種裝置來操控別的分子，運用於醫學可以用來清除肌體深處的病毒、癌細胞等，它們具有不可限量的應用前景。

分子機器人究竟是什麼？

“機器人”這個詞的含義在辭書中可以看到，有的辭書將機器人稱為“把操作和作業作為目的，能自動運行的機械或裝置”，諸如此類，不限於所謂“人形機器人”。在廣義上，能夠自動進行各種各樣操作的機械都可稱為機器人。而所謂“分子機器人”，望文生義當然是在分子尺寸上製造的機器人。大致說來，分子尺寸的機器人，其長短大小僅相當於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，分子機器人當然就是把數十個或者數百個原子組合起來製成的機器人。

如果能使用如此微小的分子尺寸的機械，隨意支配或者加工其他分子的話，那就是一件令科學家十分稱心的事了，比如科學家就可能製造與病毒做鬥爭的分子機器人，這些病毒嚴重威脅著人類健康。科學家可以把這種分子機器人送入人體內，剔除構成病毒的分子，或摘除病毒或對其進行摧毀。也許和“人形”絲毫不沾邊，但是分子機器人給我們實至名歸的印象。

科學家製造出超微機器人“腿腳”由DNA構成

據俄羅斯《紐帶》網報道，英國牛津大學的一個研究小組製造出了一款分子級的超微型機器人——它的“手腳”皆由DNA細絲構成，具有獨立行動的能力。

生物學家們很久以前便已發現，分子能夠沿著某些特定的細胞內部結構運動。科學家們曾嘗試著採用人工方法製造出類似的分子運輸結構，但此前還從未有人製造出過能夠與自然狀態下分子功能類似的人造產品。牛津大學的研究人員指出，他們最新製造出的這款“分子機器”的性能在很多方面都超越了先前的產品。據介紹，這部分子級機器人由兩條相互連接的“腿”構成，而這兩條“腿”則由DNA片段製成。分子機器人的兩條“腿”能夠附著在特定的DNA序列上並沿著它緩慢地移動。

這種超微型機器人的運動能量來自一些遊離於周圍體液中的專門分子。據悉，當機器人的“腿”接觸DNA表面后，便能夠幫助機器人從那些特殊的分子處獲得能量補充。

不過，這種分子機器人還存在著一些缺陷：它的“腿”在行進時有可能會失控，從而阻礙其行進的更遠。目前，研究人員正在試圖克服這一缺陷。科學家們希望，今後類似的更為完善的機器人將能夠在微型工廠和車間中擔負其物資運輸的任務。