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化學世界的10大未解之謎

來源:未知 作者:admin 浏覽: 發布日期:2016-08-23 13:41

  

1.生命從何而來?

  距地球上第一種生物從無生命物質中誕生,至今已近40億年,但最初的生命是如何出現的,至今仍是個謎。那些相對簡單的分子,最初如何從“原始湯”裡創生出來,并形成越來越複雜的化合物?這些化合物又如何開始進行能量代謝,并完成自我複制(這兩者是定義生命的兩個特性)?當然,在分子水平上,所有這些步驟都是化學反應,也正因為如此,“生命從何而來”成了一個化學問題。

  關于這個問題,對科學家的挑戰不再是構想出那些看似合理的假說,因為這樣的假說已經太多了。例如,有研究者推斷,在第一種能夠自我複制的聚合物(類似DNA或蛋白質一類的分子,是由許多更小單位構成的長鍊)的形成過程中,泥土等礦物質可能起到了催化劑的作用。還有人認為,正是因為深海熱泉源源不斷地提供能量,才會産生結構複雜的化學物質。此外,還有研究者提出,地球上曾存在一個RNA(核糖核酸)世界,這個世界出現在DNA和蛋白質誕生之前。在這個世界中,DNA(脫氧核糖核酸)的近親RNA(它可以被看作是一種酶,并且可以像蛋白質那樣催化化學反應)無處不在。

  我們現在要做的就是,找到一種方法,在加熱的試管裡面觸發化學反應,驗證上面提到的那些假說。科學家已經取得了一些進展,他們的研究表明,一些化學物質可以自發排列,形成更加複雜的結構——例如氨基酸,還有衆所周知的核苷酸(nucleotides,DNA的組成單元)。2009年,現供職于英國醫學研究委員會劍橋分子生物學實驗室的約翰·薩瑟蘭德(John Sutherland)所帶領的團隊已經證實,在“原始湯”中,确實可能存在自發的核苷酸合成過程。[在2015年最新一期的《自然·化學》(Nature Chemistry)上,薩瑟蘭德的團隊報道,要生成核酸前體,隻需要氰化氫(HCN)、硫化氫(H2S)和紫外線(UV)就夠了。此外,薩瑟蘭還稱,能生成核酸前體的反應條件也可以生成構成天然氨基酸和脂質的基本物質。這意味着一個系列的反應可能就同時生成了生命形成所需的大部分基本構件。]

  其他一些科學家則着重研究了特定RNA類似于酶的催化特性,為“RNA世界假說”提供了一些證據。通過這些步驟,科學家也許可以弄清楚,無生命物質如何轉變成能自我複制、自我維持的系統,從而填補生命進化史上的這個缺失環節。

  由于科學家對太陽系奇特而豐饒的環境有了更深的認識——火星上曾經存在過液态水;土星衛星泰坦(Titan,土衛六)上有着甲烷海洋;木星衛星歐羅巴(Europa,木衛二)和加尼米德(Ganymede,木衛三)的冰層之下,似乎潛藏着冰冷的鹹海,因此地球生命的起源似乎隻是一些宏大問題的一部分:在哪些環境中,生命才會出現?生命的化學基礎可以有多大的不同?過去16年,科學家已經發現了500多顆圍繞着其他恒星運轉的太陽系外行星,這些光怪陸離的外星世界也讓前述問題變得更加迷人。

  這些發現促使化學家展開想象,去創想原始生命可能的化學構成。例如,美國航空航天局(NASA)一直認為,液态水是生命存在的先決條件,但現在科學家卻認為不一定非得這樣。液态氨、甲酰胺(formamide,一種油狀溶劑,類似液态甲烷)或者木星上的超臨界氫(super-critical hydrogen)可不可以充當其他生命的“水”?為什麼生命必須要以DNA、RNA和蛋白質為基礎?畢竟,科學家已經研制出了一些人造化學系統,隻要有合适的組成成分,它們不需要核酸就能完成複制。從本質上說,一個可以充當模闆進行自我複制,并能與“複制品”分開的分子系統似乎就算是生命。

  美國應用分子進化基金會的化學家史蒂文·班納(Steven Benner)說,當我們的研究隻局限于地球生命時,“我們沒法說清楚,它們之間的那些相似性(比如都會使用DNA和蛋白質)到底代表了它們來自同一祖先,還是說生命都需要是這樣”。不過,如果我們堅持認為,我們看到的才是真實的,“那我們的研究就太沒意思了”。

  2.分子如何形成?

  在高中化學課本裡面,分子結構可算是最主要的内容之一。但是,這些看上去由“球”(代表原子)和“棍”(代表化學鍵)構成的模型已經有些年頭了。并不是沒有更新的模型,問題在于,科學家在更為準确的分子外觀模型方面,并未取得一緻意見。

  20世紀20年代,沃爾特·海特勒(Walter Heitler)和弗裡茨·倫敦(Fritz London)應用剛剛興起的量子力學理論,向人們展示了如何描述化學鍵的形成。此後不久,美國著名化學家鮑林(Linus Pauling)又提出了雜化軌道理論,認為當不同原子的電子軌道在空間上重合時,就會形成化學鍵。而羅伯特·馬利肯(Robert Mulliken)和弗雷德裡希·洪德(Friedrich Hund)卻提出了截然不同的理論:化學鍵的形成,是原子軌道并入一個包括多個原子的“分子軌道”的結果。那時的理論化學看起來就像物理學的一個分支。

  近100年後,分子軌道模型成為認可度最高的一種。但對于這種模型是否研究分子的最佳工具,化學家仍然沒有達成一緻。原因在于,這類分子模型,以及其他所有簡化了的假想模型都不夠精确,隻能部分描述分子結構。事實上,分子就是電子雲中的一團原子核,并通過相反的靜電力,與另外一團原子核進行着一場永不停止的“拔河遊戲”,而且所有的組成部分都在不停地運動和重組。現有的分子模型通常試圖将這樣一種處于動态的實體變為靜态,并且明确各個組分之間的關系,這種做法會顯示出分子的一些突出性質,但同時也會将其他信息忽略掉。

  而對于每天的工作就是破壞和構建化學鍵的化學家來說,量子理論又無法為化學鍵提供一個符合他們直覺的獨特定義。現在,很多人定義分子的方法,都是把分子看作是一堆通過化學鍵結合在一起的原子。在德國波鴻-魯爾大學的量子化學家多米尼克·馬克斯(Dominik Marx)看來,這些描述都有一個共同的毛病,那就是“在某些情況下是正确的,但換到其他條件下,就是錯誤的”。

  現在,科學家可以根據量子第一性原理(quantum first principles),通過計算機模拟來計算分子的結構和性質——隻要電子數量相對較少,就能獲得精确度很高的結果。“計算化學可以極度現實化和複雜化,”馬克斯說。因此,計算機模拟越來越被看作是一種虛拟實驗,用來預測一個化學反應的過程。但是,一旦某個反應的模拟計算不再局限于幾十個電子,計算量就将變得巨大無比,即使最先進的計算機恐怕也無法勝任。因此,我們面臨的挑戰将會是能否放大模拟範圍,比如細胞中的複雜分子過程或某些複雜材料的分子結構。

  3.環境如何影響人類基因?

  以前的生物學觀點認為,你體内的基因決定了你是誰。現在,另一個事實已經清晰地擺在我們面前:在“你是誰”這個問題上,你使用了哪些基因,與你攜帶了哪些基因同樣重要。跟所有的生物學問題一樣,這個問題的核心依舊是化學問題。

  早期胚胎中,細胞可以發育成各種類型的組織。但随着胚胎發育,所謂的“多能幹細胞”(pluripotent stem cell)則會發生分化,朝着不同的方向發展(例如血細胞、肌肉細胞或皮膚細胞)。這樣,它們後代的“角色”就被固定下來。人體的形成,是幹細胞中的染色體受到化學修飾,基因表達按特定規則“開啟”和“關閉”的結果。

  但是,上述化學修飾是可逆的,而且會受到人體環境的影響,這是克隆和幹細胞研究領域的一項颠覆性發現。在幹細胞的分化期,細胞不能永久地關閉某一基因,而隻能是将它們需要的基因維持在一種“準備”狀态。也就是說,被關閉的基因也有參與工作的潛力(即合成它們所編碼的蛋白質),當它們遇到周圍環境中特定化學物質時,這種潛力就可以激活。

  對化學家而言,最讓人興奮、也最具挑戰性的是,基因表達的調控似乎涉及一些化學事件。這些事件發生在“中尺度”(mesoscale)水平上,主角是比原子和分子更大的分子複合體,涉及複合體之間的相互作用。染色質(chromatin)是由DNA和蛋白質組成的複合物,具有一種層級結構。DNA雙螺旋纏繞在一個個圓柱形的、由組蛋白(histones)構成的蛋白顆粒上,然後這些蛋白顆粒會聚集起來,形成更高級的結構。目前我們對這種結構還知之不多(請參見對頁插圖)。細胞活動極好地控制了這種組裝過程——一個基因以何種方式,被定位到染色質的哪個位置,也許就決定了它能否正常表達。

  細胞裡,有些酶專門用于重塑染色質結構,它們在細胞分化過程中起着核心作用。胚胎幹細胞中,染色質的結構看上去更松散、開放性更高,但随着一些基因進入“沉默”狀态,染色質會變得更加緊湊、有序。“染色質似乎可以決定并維持(或者說穩定)細胞的狀态,”美國麻省總醫院的病理學家布拉德利·伯恩斯坦(Bradley Bernstein)說。

  此外,染色質在形成高級結構的過程中,DNA和組蛋白還會發生化學修飾。一些小分子會結合到DNA和組蛋白上,就像标簽一樣,告訴細胞裡的分子機器該對基因采取何種措施:應該阻止還是放任基因的表達。這種“标記過程”叫做“表觀遺傳”(epigenetic)現象,因為該過程不會改變基因攜帶的遺傳信息。

  至于成熟細胞能在多大程度上重獲分化能力(不管它們能否變得像真正的幹細胞那樣,在再生醫學中,誘導性幹細胞的使用都是一個非常重要的問題),這在很大程度上取決于在表觀遺傳标記的重置上,科學家能走多遠。

  現在比較清楚的是,在遺傳上,除了遺傳密碼裡的關鍵信息,細胞還有一套完全不同的“化學語言”——這就是表觀遺傳。英國伯明翰大學的遺傳學家布萊恩·特納(Bryan Turner)說:“人類的很多疾病都與遺傳相關,包括癌症在内,但是一種潛在的疾病最終是否發作,通常還要看環境因素能否通過表觀遺傳的方式起作用。”

  4.大腦如何思考,并形成記憶?

  大腦就像是一台化學計算機。神經元之間相互作用所構成的“環路”是通過分子介導的。具體來說,就是神經遞質(neurotransmitter)在突觸(synapse)間的傳遞,突觸指的就是兩個神經細胞相連接的地方。而在這種大腦的化學反應中,最令人印象深刻的,當數記憶的運作。對記憶而言,抽象的原理與概念——比如一串電話号碼,或者是一段情感體驗——都會“印刻”在大腦裡,持續不斷的化學信号形成了神經網絡的各種特定狀态,從而實現了這種“印刻”。那麼,化學物質是如何創造出一段既持續又動态,還能夠被回憶、修改以及遺忘的記憶的呢?

  我們現在已經知道了部分答案。一連串生物化學過程,改變了突觸神經遞質分子的數量,從而觸發對習慣性反射的學習。但是,即便是這麼簡單的學習,也有短期和長期之分。與此同時,一種複雜的“陳述性記憶”(declarative memory,即對人、地點等内容的記憶)擁有另外一種工作機制,在大腦中的定位也不一樣。陳述性記憶與一種叫做NMDA受體的蛋白質的活化有關,它分布在特定的大腦神經元裡。如果用藥物阻斷這種受體,好幾種不同類型的陳述性記憶都會受到影響。

  我們日常的陳述性記憶往往是通過一種叫做“長時程增強”(long-term potentiation,縮寫為LTP)的過程來編碼的,LTP與NMDA受體有關,并伴随着神經元突觸形成部位的增大。随着突觸的生長,它與相鄰神經元的連接也逐漸增強,具體表現就是到達突觸間隙的神經脈沖所引起的電壓升高。這一過程的生物化學機制在過去數年内業已闡明。其中涉及了神經細胞内的肌動蛋白纖維的形成,肌動蛋白作為細胞的一種基礎骨架成分,是決定細胞大小形狀的材料。如果用生化藥物阻礙新形成的纖維進一步穩固,在突觸發生的改變還沒有得到鞏固之前,這些纖維會在很短的時間内再次解散。

  無論是上述簡單的還是複雜的學習過程,長時記憶一旦形成,特定基因就會開始表達,合成特定蛋白,極力維持長時記憶。關于這個機制,現在發現與一類叫做prion的分子有關。

  Prion蛋白有兩種不同構象,一種可溶,另一種不可溶,可以互相轉換。當它是以不可溶的構象存在時,可以作為催化劑促使其他一些和它一樣的分子轉變為不可溶的狀态,從而聚集起來。人們最初發現prion蛋白是在神經退行性疾病中,比如瘋牛病。但現在人們找到了prion蛋白的作用機制,發現它也有有益的功能:突觸被prion蛋白聚集物打上特定的标記用來儲存一段記憶。

  關于記憶是如何工作的,目前還存在着大片空白,需要很多化學方面的細節來填補。比方說,如何提取以前儲存的記憶?美國哥倫比亞大學的神經科學家、諾貝爾生理學或醫學獎得主埃裡克·坎德爾(Eric Kandel)表示:“這是個深奧的問題,目前的分析剛剛起步。”

  回答記憶領域的化學問題為記憶增強藥提供了既迷人又充滿争議的前景。目前已知的一些可以增強記憶的物質有:性激素和分别作用于尼古丁、谷氨酸、5-羟色胺等神經遞質的受體的合成化合物。實際上,按加利福尼亞大學歐文分校的神經生物學家加裡·林奇(Gary Lynch)的說法,由于長時程學習和記憶有一連串複雜的步驟,也就意味着為這類記憶增強藥的産生提供了很多潛在的靶點。

  5.到底存在多少種元素?

  學校教室牆上貼着的元素周期表(the periodic table)一直都在不停地修訂,這是因為人類發現的元素數量在不停增長。使用粒子加速器讓原子核對撞,科學家可以制造出新的“超重元素”(superheavy elements)。相比從自然界發現的92種元素,超重元素的原子核擁有更高的質子(proton)數與中子(neutron)數。它們巨大的原子核非常不穩定——在極短的時間内(通常隻有幾千分之一秒到幾分之一秒),它們就會衰變(這種衰變具有放射性)。但是,在它們存在的時間内,這些新的人工合成元素,例如钅喜(seaborgium,第106号元素)以及钅黑(hassium,第108号元素),和其他元素一樣,都具有能夠被準确定義的化學性質。通過精妙設計的實驗,科學家們抓住少量的钅喜和钅黑在衰變之前短暫存在的一瞬間,測量了它們的部分化學性質。

  這些研究不僅僅是對性質的測量,它們還探索了元素周期表概念上的限制:超重元素能否延續元素周期表展現出來的規律與趨勢(這些化學規律在元素周期表誕生之初便已經被歸納出來)?答案是,有些延續了規律,有些則沒有。特别是,如此之大的原子核緊緊抓住了原子最裡層的電子,因而這些電子能以接近光速運動。進而根據狹義相對論(special relativity)效應,這些電子的質量會增大,有可能破壞量子化的能量狀态(即不連續的能級),而它們的化學性質——進而以此形成的元素周期表——都是依賴于能級理論建立的。

  由于物理學家認為,隻要原子核擁有“魔數”數目的質子和中子,就會特别穩定,因此他們想在元素周期表中找出一個名為“穩定島”(island of stability)的區域——在這個區域中,超重元素更穩定,壽命更長,目前的合成技術還無法合成出這樣的元素。但是,超重元素的大小是否有極限?依據相對論的一項簡單計算告訴我們,電子無法被擁有超過137個質子的原子核束縛。更加複雜的計算也證實了這個極限。然而,來自德國法蘭克福-歌德大學的核物理學家沃爾特·格雷納(Walter Greiner)卻堅持認為:“元素周期表絕對不會在第137号元素前止步不前;事實上,它永無止境。”但是,要想通過實驗來驗證格雷納的斷言,從目前的研究水平來看,這還是一個很遙遠的目标。

  6.我們能用碳元素制造出電腦嗎?

  如果電腦芯片能用石墨烯(graphene,一種單層網狀碳單質材料,參見《環球科學》2008年第5期《延續摩爾定律的新材料》一文)來制造,那麼,未來的電腦将比現在的矽芯片電腦運行速度更快,性能更加強勁。石墨烯發現于2004年,2010年的諾貝爾物理學獎就頒給了石墨烯的發現者,但要将石墨烯為代表的各種碳納米材料技術推向實際應用,最終還依賴于化學家能否創造出精密度達原子級别的結構。

  早在1985年,科學家就發現了巴基球(buckyball,一種由碳原子組成的中空籠形碳單質結構),這可算是碳納米材料研究的開端。6年之後,碳納米管(carbon nanotube)開始了它的首演,碳納米管的管壁由呈六邊形整齊連接的碳原子構成,就像是把單層石墨(graphite)材料卷了起來。這種中空的材料異常堅韌,具有非常優秀的導電性。碳納米管材料有望被用于從高強度的碳複合材料到微小的導線和電子裝置,從微型分子膠囊到濾水薄膜等各個領域。

  盡管期望中的用途很多,但如今碳納米管還很少有成功的商業應用。例如,研究者目前還無法解決如何将碳納米管和複雜的電子芯片連接起來的問題。時間再近一些,石墨登上了舞台中央,因為科學家發現,石墨可以被分離成單層的網狀結構,就像薄闆一樣,這種單層網狀結構材料,也就是我們所說的石墨烯,它可以用來制備超微小、廉價且堅固穩定的電子芯片。現在IT領域都對石墨烯抱以厚望,希望能夠将窄帶狀或網狀的石墨烯材料應用到計算機工業中,做出達到原子尺度的器件,集成到芯片中,這樣新一代計算機就能比目前基于矽技術的産品擁有更強的性能(請參見《環球科學》2010年第2期《未來20年的芯片》一文)。

  美國佐治亞理工學院的碳材料專家瓦爾特·德希爾(Walt de Heer)說:“石墨烯可以做成各種形狀,所以碳納米管時代的連接、放置問題就不複存在了。”

  但是,德希爾繼續指出,要把石墨烯制作成我們需要的形狀,達到單個原子尺度,目前的工藝(例如刻蝕技術)都無法企及,因此,他也聽到一些言論,說石墨烯技術目前被炒得過熱,而真正的技術還差之甚遠。通過有機化學的技巧,由下及上地制備石墨烯電路——也就是将含有數個正六邊形碳原子環的“多芳烴分子”(polyaromatic molecule,看上去就像石墨烯片層的一個部分)連接起來——或許是一個關鍵步驟,以此可以達到上述工程學精度,最終開啟未來通向石墨烯電子學的大門。

  7.如何捕獲更多太陽能?

  每當太陽從東方升起,似乎都在提醒人類,對于太陽這個巨大無比的清潔能源來源,我們目前開發利用得實在太少太少。經濟問題是最大的障礙:用來獲取太陽能的傳統光伏電池闆(photovoltaic panel)的高額成本限制了它的使用。但是,在地球上,幾乎所有的生命最終都由太陽的能量驅動,而能量來自光合作用(photosynthesis)。這恰恰說明了,太陽能電池并非需要極高的轉換效率,它們隻須像樹葉那樣,通過廉價的方法提供充足的能量。

  美國亞利桑那州立大學的德文斯·加斯特(Devens Gust)說:“太陽能研究的一個最值得期待的方向就是,通過陽光來制造燃料。”利用太陽能來制造燃料的最簡單方法就是分解水,産生氫氣和氧氣。美國加州理工學院的内森·S·劉易斯(Nathan S. Lewis)和同事發明的一種人造樹葉(參見對頁框圖)就能實現上述想法,他們的工具是矽納米線陣列(參見《環球科學》2010年第11期《人造樹葉:陽光變燃料》一文)。

  今年年初,美國麻省理工學院的丹尼爾·諾切拉(Daniel Nocera)和合作者展示了一種矽基薄膜,在這種薄膜中,一種以钴(cobalt)為主要成分的光催化劑(photocatalys)能促進水分子分解。據諾切拉估算,1加侖(約3.8升)水分解,提供的能量就能夠滿足一個發展中國家家庭一天的用量。諾切拉說:“我們的目标是讓每個家庭都擁有自己的電站。”

  通過催化劑來分解水仍然非常困難。“像諾切拉使用的钴催化劑,還有一些新近發現的基于其他常見金屬的催化劑,都是值得期待的,”加斯特說,但目前還沒有人能夠将它們的制作成本降低到理想範圍。

  “我們尚不知道自然界中的光合作用催化劑如何工作,這種催化劑基于4個錳(manganese)原子和一個鈣(calcium)原子,”加斯特補充說道。

  加斯特和同事已經開始着手通過分子器件來實現人造光合作用,這種方式更加接近于自然界中生物的光合作用。經過艱苦努力,他的研究小組已經合成出一些可用于最終分子器件的基本結構單元。但是,在他們面前還有大量的挑戰。有機分子,例如自然界用到的那些,很快就會分解或破壞。然而,植物會不斷的生産出新的蛋白質來替代那些被破壞的,但至少目前,人造樹葉還無法完全模拟一個活細胞進行光合作用的方式及其中的化學機制。

  8.制造生物燃料的最佳途徑是什麼?

  除了通過直接采集太陽光的方法來制造燃料,我們還有别的途徑利用太陽能嗎?先讓植物把太陽能儲存起來,然後我們再将植物變為燃料,這個主意怎麼樣?生物燃料(biofuel),例如用谷物制得的乙醇,或者由各種種子制成的生物柴油(biodiesel),都已經在能源市場上占得一席之地。但是它們也威脅着糧食供應,尤其是在發展中國家,由于出口生物燃料比出售糧食給本國居民更加賺錢,這有可能加劇糧食危機。現實也讓人氣餒:要想通過生物燃料來滿足現在的原油需求,我們必須征用巨量的耕地。

  因而,将糧食轉變為能源,也許并不是最好的辦法。一個解決方案就是,利用其他并非那麼重要的生物質(biomass)來獲取能源。如果用美國每年産生的農業及木料類殘渣來制取生物燃料,足夠滿足一個第三世界國家在交通方面對汽油和柴油的需求。

  将這些低等級的生物質轉化為燃料,需要打破堅硬的植物分子,例如木質素(lignin)、纖維素(cellulose),兩者都是植物細胞壁的主要成分。化學家已經知道如何做到這些,但現在的方法成本過高,效率低下,因而從經濟上講,還不适合通過這種方法來大量生産生物燃料。

  打破木質素需要面對的調整之一,就是打斷它分子結構中氧原子與苯環上碳原子的連接。美國伊利諾伊大學的約翰·哈特維格(John Hartwig)與阿列克塞·塞爾吉福(Alexey Sergeev)最近就完成了這項挑戰。他們發現,一種基于鎳元素的催化劑能夠做到這一步。哈特維格指出,即使生物質和别的燃料一樣,可以提供非化石燃料的化學原料,但化學家們依然需要從中提取出芳香族化合物(aromatic compounds,即分子結構以苯環為主題的結構)。而木質素就是生物質中潛在的最主要芳香族化合物來源。

  更實際地,這些生物質的轉換将越來越多地以最結實的生物質為原料,并将它們轉化為液态燃料,這樣才能方便快捷地通過管道運輸。而液化過程将在作物收割的現場完成。

  催化轉化需要原材料極度純淨,這是橫亘在化學家面前的一大難題。他們在進行經典的化學合成的時候,很少用到像木材這類非常“肮髒”的材料。“科學界還沒有就所有這些方法的使用達成一緻,”哈特維格說。但有一點可以确定,現在有非常多依賴于化學方法的解決方案,尤其是那些找到了合适的催化劑的方法。哈特維格指出:“在幾乎所有大規模工業化的化學反應中,都能找到催化劑的蹤影。”

  9.我們能研制出全新類型的藥物嗎?

  化學的核心就是實用與創新:制造出各種分子,這樣我們就能夠開發出新材料來構建萬事萬物,或者研制出新型抗生素,戰勝不斷出現、不斷變強的耐藥菌。

  20世紀90年代,化學家曾對“組合化學”寄予厚望:利用一些基本構建單元,随機組裝出成千上萬的新分子,然後再篩選出需要的分子。這種方法一度被認為是藥物化學的未來,如今它的光環卻已漸漸消退。

  但是,如果化學家能合成足夠多的分子類型,然後找到理想的方法,從中篩選出需要的那幾種,組合化學就有可能迎來第二春。生物技術或許能提供幫助——例如,每一種分子都能夠連接到一段DNA“條形碼”上,這樣既能識别有用的分子,又能把它們從大量分子中提取出來。或者,科學家還可以按照達爾文進化論的思想,在實驗室中逐步改造候選分子庫。他們就可以用DNA編碼潛在的蛋白質藥物分子,然後通過“易錯”複制,制造出成功藥物的變異體,從而在每一輪的複制和選擇中,尋找效果得到改善的藥物分子。

  還有就是借用自然規則,按指定方式來連接分子片段。以蛋白質為例,它具有嚴格的氨基酸序列,因為這是由編碼這種蛋白質的基因所決定的。利用這種模式,化學家也許可以通過編程的方式,讓化學分子自組裝。這種方法的優點在于它是“綠色”的,因為它減少了我們不需要的副産物,相關的能量和材料浪費也更少。

  哈佛大學的戴維·劉(David R. Liu)教授和合作者正在沿着這條道路前進。他們在分子模塊上連接短鍊DNA,而這些DNA可以編碼連接分子模塊的結構。他們還制備了一種能沿着短鍊DNA運動的分子,這些分子可讀取DNA上的編碼信息,把一些小分子連接到分子模塊上,從而制造出連接結構——類似于細胞中蛋白質的合成過程。戴維·劉的新方法為新藥開發提供了一條捷徑。“許多生物學家都相信,在未來的醫療領域,大分子(macromolecule)即使不能占據主導地位,它也将扮演越來越重要的角色,”戴維·劉說。

  10.我們能實時監測自身的化學變化嗎?

  随着科學的進步,化學家們不再滿足于僅僅構建分子,他們還希望與分子進行交流:即在活細胞與傳統計算機之間搭起一座橋梁,并通過光纖來傳遞這些信息。

  從一定程度上說,這并非什麼全新的概念:早在上世紀60年代,研究者就開始使用生物傳感器(化學反應會在傳感器中進行)來監測人體血液中的葡萄糖濃度。可以用到化學傳感器的場合可謂多之又多——例如,檢測食物和水中含量非常低的有害物質,或者監測空氣污染物,以及各種氣體在大氣中的含量。反應更快速、成本更低廉、敏感度更高以及分布更廣泛的化學傳感技術将在上面所有這些應用領域發揮越來越大的作用。

  在生物醫藥領域,各式各樣的新型化學傳感器也擁有最引人注目的潛力。例如,早在癌症病變發展到能被普通的臨床手段檢出之前很久,一些癌細胞基因的産物就已經進入血液循環了。如果能檢測到這些早期的化學變化,将有助于醫生及時且準确地做出診斷。快速基因組檢測技術将使得醫生可以根據每個人的自身狀況開出調理藥方(即個性化醫療),如此一來就可以降低濫用藥物帶來的副作用,并讓如今使用受限的一些藥物派上大用場(這些藥物因會對少數人帶來危害而被禁用或限制使用)。

  一些化學家預見,在未來,傳感器能夠連續不斷、靜悄悄地監視着與人的健康、疾病有關的各種生物化學反應。這或許能夠為手術中的外科醫生或者輸送治療藥物的自動化系統提供實時數據和信息。這些未來的應用都依賴于化學技術的進步,而這些化學技術能夠選擇性地感知特定物質和化學信号,甚至在監測對象的濃度處于非常微小的數量級時也能辦到。

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