2015年9大改變世界的革命性技術

　　基因編輯更快更準更簡單

　　1973年，斯坦利·N·科恩(Stanley N. Cohen)和赫伯特·W·博耶(Herbert W. Boyer)找到了改變生物體基因組的方法，成功將蛙的DNA插入到細菌中。20世紀70年代末，博耶的基因泰克(Genetech)公司對大腸桿菌進行基因改造，使其帶有一個人源基因(這個基因是人工合成的)，最后生產出治療糖尿病的胰島素。很快，加利福尼亞州拉霍亞的索爾克生物研究所)的科學家培育出了第一只轉基因小鼠。

　　20世紀70年代，科學家就找到了改變生物體基因組的方法，但這些方法不甚精確，并且難以用于量產。因此，很多基因修飾實驗依然既困難又昂貴。

　　現(xiàn)在，一種名叫CRISPR的新技術，也許將徹底革新基因組編輯。這一技術源自細菌的免疫防御系統(tǒng)，比傳統(tǒng)方法更快速、更便宜、更簡單。商業(yè)化的CRISPR技術公司己經吸引到了大量資金。

　　研究人員已經開始探索，如何將CRISPR技術應用于艾滋病、精神分裂癥等多種疾病的治療。然而，因為CRISPR能非常輕易地改變植物、昆蟲和人類的基因組，倫理學家擔心這會引發(fā)一些負面后果。

　　基因工程領域取得的這些巨大成就改變了現(xiàn)代醫(yī)學的進程。但是，早期的基因改造方法有兩大局限：不甚精確，并且難以量產。那時，DNA插入基因組的行為是隨機的，科學家只能祈求好運，但愿自己能得到一個有用的突變。1990年，研究人員取得了跨越式的進步。他們設計出能在特定位點對DNA進行剪切的蛋白，突破了第一個局限。但是，每想要修改一段DNA序列，他們都必須設計一個新的蛋白，這種工作非常耗時，并且十分艱苦。

　　時間終于到了2012年。瑞典于默奧大學的埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶和加利福尼亞大學伯克利分校的珍妮弗·杜德娜(Jennifer Doudna)領導的研究人員報道，他們在細胞中發(fā)現(xiàn)了一種遺傳機制，能讓科學家以前所未有的速度編輯基因組，并且過程十分簡單。此后不久，哈佛大學和麻省理工大學的一個課題組運用這種技術，一次性地對細胞基因組的多個位點進行了修改。

　　這種先進的技術已經加快了基因工程產業(yè)的發(fā)展，對遺傳學和醫(yī)學也有深遠的推動作用。科學家現(xiàn)在只要幾周時間，就能按需定制出經過基因改造的實驗動物，省去了從前一年的工作量與時間。目前，研究人員正在運用該技術，探索艾滋病、阿爾茨海默病、精神分裂癥等疾病的治療方法。該技術將生物體的基因修飾過程變得相當簡單與廉價，研究人員和倫理學家甚至開始擔心，這會催生負面效應。

　　這種技術名叫CRISPR，是“clustered，regularly interspaced，short palind romicrepeats”(即成簇、規(guī)律間隔的短回文重復序列)的縮寫。利用這種序列，細菌可以對侵襲過它的病毒產生“記憶”。自從日本科學家20世紀 80年代末發(fā)現(xiàn)CRISPR之后，科學家就一直在研究這種奇怪的基因序列。然而，直到杜德娜和卡彭蒂耶偶然注意到一種名叫Cas9的蛋白，CRISPR才顯示出它作為基因組編輯工具的巨大潛力。

　　2011年，杜德娜和卡彭蒂耶在波多黎各圣胡安的一次科學會議上相識。他們有很多共同點：他們的團隊都在研究細菌防御病毒入侵的機制;他們都已經確認，細菌可以記住以前入侵過自己的病毒的DNA，以此來識別病毒，當該病毒再次入侵時，它們就會立刻認出“敵人”。

　　那次會議后不久，卡彭蒂耶和杜德娜決定合作。當時，卡彭蒂耶在于默奧大學的實驗室剛剛發(fā)現(xiàn)，鏈球菌似乎會用Cas9蛋白來“搗碎”突破其細胞壁的病毒。于是，杜德娜在伯克利的實驗室，也開始探究Cas9蛋白的作用機理。

　　很多科學發(fā)現(xiàn)的背后都有一連串巧事，CRISPR的故事也不例外�？ㄅ淼僖畬嶒炇业目巳帐餐蟹颉ず诹炙够�(Krzysztof Chylinski)和杜德娜實驗室的馬丁·伊內克(Martin Jinek)在毗鄰的城鎮(zhèn)長大，說著同樣的波蘭方言。杜德娜說：“他們開始通過Skype聊天。兩人一拍即合，然后就開始分享數據、討論做實驗的想法。這個項目就這樣正式開始了�！�

　　兩個實驗室的科學家都意識到，他們或許可以用Cas9蛋白來進行基因組編輯。基因組編輯是基因工程中的一種方法，酶是這一過程中的“分子剪刀”，可以剪切DNA。這種酶名叫核酸酶(nuclease)，能在特定的位點切斷雙鏈DNA。DNA斷裂后，細胞會對斷裂位點進行修復。有時，細胞中一些人為導入的基因片段，會在修復的過程中插入這些位點。杜德娜和卡彭蒂耶剛開始合作的時候，科學家如果想改變或關閉一個基因，最先進的方法，是定制一種能找到特定DNA位點并對其進行切割的酶。換句話說，每修飾一次基因，科學家都不得不設計一種新的蛋白，專門針對想要修飾的DNA序列。

　　但杜德娜和卡彭蒂耶意識到，Cas9蛋白——這種鏈球菌用于免疫防衛(wèi)的酶，會用RNA來引導自己找到目標DNA。為了探測作用位點，Cas9-RNA復合物會在DNA上不�！皬椞�”，直到找到正確的位點。這一過程看似隨機，其實不然。Cas9蛋白的每次彈跳，都是在搜索同一段短小的“信號”序列。Cas9會附著到DNA上，檢測鄰近的序列是否和充當向導的RNA匹配。這種RNA叫做向導 RNA(guide RNA，簡稱gRNA)，而只有當gRNA和DNA匹配時，Cas9蛋白才會對DNA進行切割。如果能將這套天然的RNA向導系統(tǒng)利用起來，研究人員在切割DNA位點時，就不用每次都構建一種新的酶了�；�因組編輯可能會因此變得更簡單、更便宜，也更有效。

　　這個橫跨大西洋的團隊一起對Cas9蛋白進行了幾個月的研究，并且取得了突破。杜德娜還能清楚地記起那個時刻。他們的實驗室坐落在伯克利校園邊緣一個綠樹成蔭的山坡上，對面就是希臘劇院，彼時還在做博士后研究的伊內克一直那里在對Cas9蛋白進行實驗。一天，他來杜德娜的辦公室討論實驗結果。面對伊內克和黑林斯基一直在討論的一個問題，他們陷入了沉思：在自然界中——也就是在鏈球菌體內，Cas9蛋白倚靠的不是一個，而是兩個RNA，來引導自己尋找DNA上的正確位點。

　　如果在保留其向導功能的前提下，將兩條gRNA整合成一條RNA鏈，結果會怎么樣呢?如果只需修飾一個RNA序列，研究人員的工作速度將會得到極大的提升。 gRNA序列與目標DNA序列之間存在精妙的互補關系，利用這種關系構建一條gRNA，比定制一個核酸酶更容易。

　　“看著這些數據，我們突然就開竅了——這種事情經常發(fā)生，”杜德娜說道，“我們意識到，其實可以將這些RNA分子設計成一條gRNA。一套由一個蛋白質和一條 gRNA組成的系統(tǒng)，就足以成為一個強大的基因修飾工具。我打了個寒顫，心想，‘天哪，我要趕快跑到實驗室去，如果這能成功的話……’”

　　他們真的成功了。結果超出了杜德娜的設想(盡管她本來就抱有很高的期待)。2012年8月17日，當杜德娜和卡彭蒂耶將他們對CRISPR-Cas9的研究成果公諸于眾時，該領域的科學家立刻認識到這一技術的變革性力量，他們都想知道CRISPR-Cas9究竟能做什么，一場全球性競賽由此拉開序幕。

　　CRISPR 是怎樣工作的?CRISPR是細菌的“武器”，它能“搗碎”入侵細菌的病毒的DNA�？茖W家可以利用這套工具，改變他們想要修飾的DNA序列。和從前的基因組編輯方法不同，CRISPR系統(tǒng)采用一個通用酶——Cas9來執(zhí)行剪切。研究人員需要做的一切，就是制造一個gRNA來引導Cas9，而合成一條 RNA，遠比合成一個酶更加容易。

　　2013年之前，研究人員一直在嘗試將CRISPR-Cas9應用于植物和動物細胞——它們比細菌要復雜得多。在他們看來，這和復活尼安德特人與猛犸象一樣激動人心。在哈佛大學，遺傳學家喬治·丘奇(George Church)領導的團隊用CRISPR技術來改變人類基因，為疾病的治療提供了多種可能性。

　　CRISPR-Cas9很快成為了投資的熱點。一年多以前，杜德娜聯(lián)手丘奇、麻省理工學院的張峰和其他研究人員，共同成立了愛迪塔斯醫(yī)藥公司(EditasMedicine)，他們獲得了4300萬美元的風險投資，用以開發(fā)一類新的、基于CRISPR的藥物(該公司還沒有透露他們首先瞄準的是哪類疾病)。2014年4月，獲得2500 萬美元投資的CRISPR醫(yī)療公司(CRISPR Therapeutics)在瑞士巴塞爾和英國倫敦成立，他們的目標也是開發(fā)基于CRISPR的疾病療法。愛迪塔斯醫(yī)藥公司和CRISPR醫(yī)療公司都需要多年時間，才能開發(fā)出相應的療法，然而，實驗室的供貨商們已經在向世界各地的客戶銷售可以立即用于動物注射的CRISPR材料，并開始為客戶定制經 CRISPR改造的小鼠、大鼠和兔子。

　　今年，我在一個潮濕的夏日拜訪了位于圣路易斯的SAGE實驗室(SAGELabs)，它是第一批獲準使用杜德娜的CRISPR技術來改造嚙齒類動物的公司之一。在那里，我能親眼見識CRISPR是如何起作用的。SAGE實驗室向大約20家頂級制藥公司，以及眾多高校、研究所和基金會供應實驗材料。英國劍橋的生物技術公司地平線發(fā)現(xiàn)集團(Horizon Discovery Group)早前也已獨立涉足CRISPR產品的研發(fā);2014年9月，他們又以4800萬美元收購了SAGE實驗室。SAGE實驗室位于一個工業(yè)園區(qū)內，建在一條馬路盡頭的一組低矮的辦公建筑里。這里的科學家收到一個來自實驗室的網上訂單：加利福尼亞州薩克拉門托(Sacramento)的一個實驗室為研究帕金森病，訂購20只敲除了Pink1基因的小鼠。建筑新修的側樓耗資200萬美金，里面是為客戶定制的基因改造大鼠，以及其他經CRISPR改造的嚙齒類動物。這些動物生活在超凈、恒溫的籠子里，籠子整整齊齊地放在一起，從地板一直排到天花板。工作人員填寫訂單、選出相應的20只大鼠，將它們輕輕地放在盒子里打包，然后空運到加利福尼亞——整個流程就是這么簡單。如果有人想要研究精神分裂癥或疼痛控制，也可以這樣訂購實驗動物。

　　不過，如果倉庫里沒有客戶想要定制的那種動物，流程就不一樣了。例如，有一個客戶想要研究帕金森病和一種新發(fā)現(xiàn)的可疑基因(或者一個基因的特定突變)之間的關系，當他到SAGE實驗室訂購嚙齒類動物的時候，有幾個選擇。SAGE實驗室的科學家能用CRISPR技術“關掉”目標基因，制造一個突變;他們也可以關掉目標基因，然后再往里插入一個人源基因。從帕金森病到囊性纖維化，再到艾滋病，許多疾病都和基因突變有關。過去，科學家需要一年時間，才能培育出這些帶有復雜基因突變的實驗動物。但CRISPR不同于以往的基因組編輯技術。利用這種技術，研究人員能同時在細胞內快速地改變多個基因。培育基因工程動物的時間已因此縮短到幾周。

　　SAGE的員工首先使用化學試劑盒，合成客戶定制的DNA，以及與這條DNA相匹配的RNA。他們將 RNA和Cas9蛋白在培養(yǎng)皿里混合，一套具有基因組編輯功能的CRISPR工具就誕生了。然后他們會花上大約一周的時間，用一種外形類似于掃描儀的儀器，測試該工具在動物細胞內的功能。這種儀器能夠發(fā)射電流，將CRISPR工具注入細胞。進入細胞的CRISPR工具會立刻開始工作，對DNA進行剪切，進行小量的基因插入與刪除。CRISPR并非100%有效：在某些細胞里，它們會剪切DNA、制造突變，在另一些細胞里則完全不起作用。為了觀察 CRISPR的表現(xiàn)究竟如何，科學家會從細胞中收集DNA，將它們集中起來，并將目標位點附近的DNA片段復制多個拷貝。他們會對這些DNA進行處理與分析，然后查看顯示在電腦屏幕上的分析結果。如果CRISPR成功切開目標位點，制造出突變，屏幕上就會顯示出一條模糊的條帶，并且，CRISPR剪切過的 DNA越多，條帶就越明亮。接下來，“戰(zhàn)場”轉移到了側樓的動物實驗室里。科學家就是在這里制造出經基因改造的胚胎，以及突變過的嚙齒動物。生物學家安德魯·布朗(AndrewBrown)戴著外科手套、身穿藍色的長袍、戴著套鞋和蓬松的帽子，彎腰伏在解剖顯微鏡前。他用玻璃移液管的尖端吸起一個大鼠胚胎，然后走到房間的另一頭，將胚胎轉移至另一臺裝有機械手臂的顯微鏡上。他將胚胎放到載玻片上的一滴液體里，固定到臺面上�，F(xiàn)在，CRISPR就要發(fā)揮它的魔力了：他用右手控制操縱桿，一只機械手臂將一根空的玻璃針頭扎入胚胎。

　　從顯微鏡的目鏡看去，胚胎中來自雙親的兩個原核(pronucleus)就像是月球表面的環(huán)形山。布朗輕輕推動細胞，直到其中一個原核移到針尖的旁邊。他點擊電腦鼠標，一滴含有CRISPR的液體從針頭噴出，穿過細胞膜進入細胞。原核立即像一朵快速盛開的花一樣膨脹開來。布朗運氣不錯，一個突變細胞就此誕生了。SAGE實驗室中有3個技術員，他們一周 4天、一天300次地重復著這項工作。

　　布朗將完成注射的大鼠胚胎吸入移液管，移進培養(yǎng)皿，存儲在加熱至動物體溫的培養(yǎng)箱中。最后，他需要將30~40枚經過修飾的胚胎注射到代孕母鼠體內。20天后，代孕大鼠將懷上5~20個“孩子”，當這些“孩子”長到10天大的時候，SAGE實驗室的科學家將抽取組織樣本，檢測哪個“孩子”帶有改造過的基因。

　　“這是最令人激動的時候，”布朗說道。20 個胚胎中，可能只有1個能被成功改造，而改造成功的動物，就是我們所說的種源動物(founderanimal)。到了這一步，每個人都會慶祝一下。在我們看來，SAGE實驗室的科學家制造RNA、注射胚胎的方法似乎很簡單，很多實驗室也在用同樣的步驟培養(yǎng)基因工程動物。正如SAGE的首席執(zhí)行官戴維·斯莫勒(DavidSmoller)說的那樣，這是可以“量產”的基因組編輯技術。

　　CRISPR已經勇猛地踏上了商業(yè)化的征途，研究人員和商人都在為這種技術設想新的商業(yè)用途，其中的某些想法甚至有些狂妄。運用這種技術，醫(yī)生或許可以在懷孕早期的婦女體內，改造與唐氏綜合征有關的異常染色體;育種人員可以重新向抗性雜草的基因組中引入對除草劑敏感的基因;我們還可以復活已經滅絕的物種。這當然會讓有些人感到害怕。比如，最近就有一些警告性的頭條報道，將這種技術形容為“扮演上帝的好方法”，或者“瓶中妖”。這些文章?lián)�心，當我們急于擺脫瘧蚊，太想治好亨廷頓病，或者期望“設計”出更好的嬰兒時，我們也可能是在創(chuàng)造一個充滿有害新基因的“侏羅紀公園”。

　　以哈佛大學研究人員提出的“滅蚊項目”為例。美國伍德羅·威爾遜國際學者中心的生物安全分析師托德·庫伊肯(ToddKuiken)認為，戰(zhàn)勝瘧原蟲是一回事，但要消滅這種寄生蟲的載體，卻是完全不同的另一項任務。如果我們的目標是根除瘧疾這種每年感染兩億人、殺死60萬人的疾病，我們就不得不小心，自己是否會制造出10個新麻煩�！拔覀儽仨毾肭宄�，‘我們真要這樣做嗎?’如果答案是‘是’，我們有哪些可用的系統(tǒng)?有什么樣的保障措施?”

　　科學家正在快速行動，他們希望預見CRISPR技術最可能的危害，并制定應對措施。2014年7月17日，當哈佛大學的團隊發(fā)表一篇討論如何用CRISPR消滅瘧蚊的論文時，他們也在呼吁公眾對這一問題進行討論，他們也指出了基因改造在技術與監(jiān)管上的窘境。該團隊的生物倫理學家讓蒂寧·倫斯霍夫(Jeantine Lunshof)說：“CRISPR的發(fā)展如此迅猛，很多人還沒聽說過這種技術，但是我們確實正在使用它。這是一種新現(xiàn)象�！爆F(xiàn)在，在伯克利的創(chuàng)新基因組計劃)的框架下，杜德娜正在組建一個團隊，專門討論應用CRISPR的倫理問題。如果對倫理問題的擔憂，撲滅了人們對CRISPR的熱情，后果將是不可想象的。例如，2014年6月，麻省理工學院的研究人員報道，他們直接從尾部向動物體內注射CRISPR，治愈了患酪氨酸血癥(tyrosinemia，一種的罕見肝臟疾病)的成年小鼠。這種疾病由一種突變的酶引起。研究人員向小鼠體內注射了3種gRNA序列和Cas9蛋白，以及突變基因的正確DNA序列。小鼠的每250個肝臟細胞中，就有1個插入了正確的基因。接下來一個月，被“修正”的肝臟細胞蓬勃生長，最終取代了1/3的病變細胞——這足以使小鼠擺脫上述疾病。2014年8月，坦普爾大學(Temple University)的病毒學家卡邁勒·哈利利(Kamel Khalili)領導的研究人員報道，他們已經用CRISPR在數個人類細胞系中對HIV病毒進行了剪切。

　　自上世紀80年代起，哈利利一直奮戰(zhàn)在對抗HIV/AIDS的前線。對他來說，CRISPR是場不折不扣的革命。盡管艾滋病治療已經取得了巨大的進步，但今天的藥物僅僅能控制病毒，仍然不能根除疾病。不過，運用CRISPR，哈利利團隊已經徹底從細胞中清除了HIV的完整DNA拷貝，將受感染的細胞轉化了成無病毒細胞。并且，除了“清洗”已經感染病毒的細胞，CRISPR還可以將一段病毒序列整合進未受感染的細胞中，對其進行免疫——正如杜德娜和她的團隊在原始的細菌中觀察到的那樣。你可以將這種手段稱作“基因疫苗”。哈利利說：“這是終極的治療方法，如果你在兩年前問我，‘你能精準地切割人類細胞中的HIV嗎?’我可能會說這非常困難。但現(xiàn)在，我們做到了�！蓖ㄟ^輕輕地擠壓細胞，就可以讓一些大分子或納米材料進入細胞，進而改變細胞的運作。

　　可編程的細胞

　　假如人類能讓體內的細胞按照我們的要求去運作，比如讓它們適時地合成胰島素，或去攻擊腫瘤，那么許多健康問題將會迎刃而解。不過，實現(xiàn)這一愿望并非易事�，F(xiàn)在普遍使用的方法是，利用病毒穿透細胞膜，對細胞進行干預，但這樣會對細胞造成永久性的損壞。

　　2009 年，麻省理工學院的研究人員在不經意間解決了這一技術難題。他們當時正嘗試用顯微水槍向細胞注入一些大分子和納米材料。這些物質可以改變細胞的運作機制，同時又能保證細胞存活。化學工程師阿蒙·沙雷(Armon Sharei)發(fā)現(xiàn)，水槍的沖擊使部分細胞的外形產生了短暫的畸變。

　　令人吃驚的是，當細胞的外形處于畸變狀態(tài)時，注射的物質成功地進入到了細胞內。沙雷說道：“這讓我們意識到，如果讓細胞在足夠短的時間內產生形變，便可暫時克服細胞膜的阻礙。”不管怎樣，顯微水槍還只是一種較為粗放的方法，下一步工作是找到一種更加溫和的方式來擠壓細胞。

　　為此，在顯微流控領域的奠基人之一克拉夫·F·延森(KlavsF.Jensen)，以及另一位生物領域的先鋒人物羅伯特·S·蘭格(RobertS.Langer)的帶領下，沙雷開發(fā)出了一種以硅和玻璃為材質的微芯片。這種芯片的表面，預先蝕刻了供細胞流動的通道，隨著細胞流動的方向，通道逐漸收窄，直到細胞無法繼續(xù)向前行進。此時，被卡住的細胞因受擠壓而產生形變，細胞膜上便會出現(xiàn)小孔。這些小孔的直徑，足夠許多可改變細胞運作的介質通過，如蛋白質、核酸、碳納米管等。

　　這項技術甚至能將介質成功引入脆弱的干細胞和免疫細胞中，這些細胞無法經受以前那種擠壓方式的摧殘�！斑@項技術適用的細胞種類之多，讓我們都始料不及，”沙雷介紹道。

　　自這項技術問世以來，沙雷所在的研究團隊已經開發(fā)出了16種適用于不同細胞的芯片。當然，還會有更多的芯片陸續(xù)問世。而且，在現(xiàn)有每秒擠壓50萬個細胞的基礎上，相關設備的處理效率還將更上一層樓。該團隊已經成立了一家名為“SQZ生物科技”的公司，將這項技術推向市場。法國、德國、荷蘭及英國的科研人員有望很快用上該技術。通過注入特殊化合物，可以使動物變得通體透明，這項技術將成為生物醫(yī)學領域發(fā)展的助推器。

　　透明動物

　　5 年前，維維安娜·格勒迪納魯(Viviana Gradinaru)還在神經生物學實驗室里，緩慢地處理著小鼠大腦切片的二維圖像，并將其合成為三維模型。一天，她慕名參觀了“人體世界”標本展。整個展覽最讓她著迷的，是經過塑化處理、完整的人體循環(huán)系統(tǒng)。這件展品讓她深深感到，類似的處理方法可以運用到她的研究領域中，大大地提高實驗效率。

　　“組織剝離”概念的提出已有100多年，但當時的方法，如使用溶劑浸泡等，效率十分低下，通常也會破壞標記細胞所需的熒光蛋白。為了找到更好的解決方法，當時還是研究生的格勒迪納魯，與已故神經免疫學家保羅·帕特森(Paul Patterson)實驗室的同事一起，開展了相關研究。這些研究的目的是替換組織中的脂肪分子——正是脂肪使得組織不透明。不過，他們必須找到一種可替代脂肪的物質，用以支撐組織的結構。

　　最終，他們找到了合適的方法：首先對嚙齒類動物實施安樂死，并將甲醛注入其體內，利用心臟將甲醛泵至動物全身;之后，剝去動物的皮膚，從血管注入一種名為丙烯酰胺單體的白色無味化合物。丙烯酰胺單體可在動物體內建立一個具有支撐作用的水凝膠網，取代動物組織內的脂肪，并使其呈現(xiàn)無色狀態(tài);兩周之內，這種物質可以使一只小鼠變得通體透明。

　　這種方法誕生后不久，他們便開始嘗試著繪制透明小鼠的完整神經網絡。透明器官讓他們夢想的不少研究都成為現(xiàn)實，比如分辨周圍神經——這類人們從前知之甚少的細微神經束。再比如向透明小鼠尾部注入帶有熒光標記的病毒，觀察病毒如何透過血腦屏障進入小鼠的大腦�！罢莆者@項技術，就好比擁有了洞察世間萬物的‘透視眼’，”格勒迪納魯介紹道。透明器官一方面可降低實驗中人為誤差的概率，另一方面可提高實驗效率，豐富實驗數據，同時減少實驗動物的使用數量。格勒迪納魯愿意向任何有需要的實驗室提供她的水凝膠制作方法。下一步她將把這一技術推廣到癌癥以及干細胞領域的研究上。

　　簡易快速的納米顯微鏡

　　一種可以拍攝納米粒子的電子顯微鏡能快速檢測藥物、爆炸物中的分子信息。

　　具備納米尺度分辨率的電子顯微鏡已經得到了廣泛應用，但其價格動輒高達數百萬美元，準備樣品也非常麻煩。對于專業(yè)的研究型實驗室來說，這樣的狀況還能夠接受，但如果要快速掃描產品樣品，來查看內置的微尺度水印呢?

　　紐約大學物理學家戴維·格里爾(David Grier)和同事研制出的一種新型全息顯微鏡，就能解決這一問題。他們以商用蔡司(Zeiss)顯微鏡為基礎，將它的白熾燈光源換成激光光源。激光照射到待觀察的樣品上，然后發(fā)生散射，形成由激光束和散射光互相干涉而成的三維圖像(即全息圖)，并由攝像機錄下。

　　數十年以來，科學家已經可以生成微尺度物體的全息圖像，但從中提取出有用的信息總是很困難。這就是格里爾這項發(fā)明的價值所在。他的研究小組編寫了一種軟件，能夠快速求解描述光在球體上散射的方程中的未知參數。這些參數中包含了關于散射物體的所有信息。由于這種顯微鏡具有納米級的分辨率，研究人員得以追蹤膠體中懸浮的粒子(例如涂料樣品中漂浮的納米珠)。同時，它的成本只有電子顯微鏡的十分之一。

　　格里爾希望這種儀器能夠提供一種快速而經濟的方式，用來觀察產品內部的單個粒子。設想一下，涂料桶或洗發(fā)水瓶中每滴液體都含有標注了產品生產信息的微�！�—就像指紋一樣。格里爾還補充道，這種顯微鏡同樣容易“讀”出“加蓋”在藥物、爆炸物及其他物品中的分子信息。

　　液體發(fā)電

　　唾液也許會成為醫(yī)用設備的新能源。

　　默罕默德·穆斯塔法·侯賽因，這位沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的教授，畢生致力于極微型裝置的研發(fā)。他用一句話總結自己的研究：“小東西拉近了我們與未來的距離。”于是，當他在2010年著手研究高效、可再生的發(fā)電設備，為偏遠地區(qū)的凈水或醫(yī)療診斷提供充足的能源時，他首先考慮的因素就是小巧。不過，利用唾液驅動燃料電池，卻是他在研究開始時完全沒有想到的。

　　這個“吐口唾沫”的點子來自于當時侯賽因實驗室的同事、當時正在攻讀博士學位的賈絲廷·E·明克(Justine E.Mink，現(xiàn)為陶氏化學公司的研究員)。那時，明克正嘗試開發(fā)一種可以植入人體，安放在胰腺附近監(jiān)測糖尿病人血糖水平的微型裝置。微生物燃料電池—— 這種通過向細菌提供有機物(唾液中也富含有機物)，利用細菌代謝產生電流的方法映入了她的眼簾。碰巧她和侯賽因的項目都可以利用這種方法，因此兩人找來高導電性的石墨烯電極，在上面附著了唾液細菌，在一周之內，這些細菌產生了1微瓦(百萬分之一瓦)的電量。

　　雖然1微瓦看起來微不足道，卻足以驅動諸如芯片、診斷工具、或是明克的糖尿病監(jiān)測儀這樣的微型設備了。侯賽因現(xiàn)在正與3D打印人造器官的公司合作，將他的燃料電池嵌入人造腎臟中，并通過各種體液為電池充電。他說這只是他宏偉目標的第一步，今后，他打算幫助貧困國家，利用工業(yè)廢棄物中的有機物來發(fā)電，并將電力用于海水淡化。

　　“原子積木”搭建新奇材料

　　新材料的發(fā)現(xiàn)總是會促進人類文明的進步。這是推動人類社會從石器時代到青銅時代，再到鐵器時代，最后來到硅時代的動力。

　　樂高積木是一種很有魔力的塑料玩具，它不斷地激發(fā)出一個又一個新創(chuàng)意。樂高積木的塑料組件體積很小，能按照不同方式組合到一起，從而變成神奇的汽車、設計巧妙的城堡和許多其他結構。而今天，新一代材料科學家正受樂高積木的啟發(fā)，將這種組合方式應用到納米世界。

　　這里的積木組件是一些層狀材料。這些材料最薄可以達到僅有一層原子，可以按照設計好的結構，以精確的順序一層一層地疊加到一起。這種前所未有的精密組合方式，能夠制造出全新的物質，這些物質具備前所未有的電學和光學性能。科學家們進一步設想，可以利用這些物質，制造出幾乎沒有電阻的導電材料，運算能力更強大、運行更快的計算機，以及可彎曲、可折疊而且非常輕的可穿戴電子器件。

　　這些突破性的研究，是因石墨烯(graphene)的出現(xiàn)才產生的。石墨烯是一種片狀結構的石墨新材料，厚度只有一個原子，其原子結構是一個個重復的六邊形，看起來就像鐵絲網圍欄一樣。2004年，我和英國曼徹斯特大學的同事從塊狀石墨上分離出了單層石墨片——石墨烯，使用的方法是利用膠帶從塊狀石墨頂層剝離出一片片1個原子厚的晶體。過去10年間，研究人員發(fā)現(xiàn)了幾十種可以用這個方法剝離的塊狀晶體，而且這樣的晶體越來越多。云母(Mica)就是其中的一種晶體，還有一些具有獨特名字的材料，如六方氮化硼和二硫化鉬。

　　這些晶體層被認為是二維材料，因為對任何材料來說，其最小厚度就是單個原子厚度(稍厚點的晶體，如3個左右的原子厚度，也可以看做是二維的)。而根據制造者的需求，晶體層的其他尺寸——寬度和長度，可以非常大。由于二維晶體具有許多非常獨特的性能，在過去幾年里，它們已經成為材料科學和固體物理領域非常熱門的話題。

　　我們可以將這些晶體層非常穩(wěn)定地疊放在一起。它們并不是按常規(guī)方式通過化學鍵相連的，比如共享電子的共價鍵。當它們相互靠得非常近時，原子間會通過大家熟知的微弱的范德華力相互吸引。這個力通常不夠大，無法將多個原子或分子聚合在一起，但因為這些二維晶體層的原子非常密集，彼此之間的距離也非常近，因此這些力累加到一起，會變得很強大。

　　為了理解這種材料究竟會帶來什么誘人的可能性，我們可以想一下室溫超導。要實現(xiàn)無能量損失的電流傳輸，而且又不需要將設備置于超低溫環(huán)境中，這一直是幾代科學家的夢想。如果發(fā)現(xiàn)了可以實現(xiàn)這個目標的材料，對人類文明一定會產生非常深遠的影響。研究人員的共識是，原則上這個目標是可以實現(xiàn)的，但沒有人知道如何實現(xiàn)。到今天，超導材料的最高臨界溫度(超導材料從正常態(tài)轉變?yōu)槌瑢�態(tài)時的溫度)也要在-100℃以下。過去20年來，這方面的進展非常有限。

　　我們最近發(fā)現(xiàn)，用我前面描述的方法，可以將許多氧化物(由至少一個氧原子和許多其他元素組成的化合物)超導體分解成厚度為1個原子的片層結構。如果我們換一種順序，將各層重新組合，并且在中間添加一層其他晶體層，會發(fā)生什么呢?我們已經知道，氧化物的超導性依賴于層間距離;我們還知道在晶面之間增加一層額外的晶體層，可以將弱導電甚至絕緣材料變?yōu)槌瑢�體。測試這一想法的真實實驗還沒有完成，主要是因為，制備原子尺度的“樂高材料”的相關技術仍然處于初期階段，而且將復雜的多層結構組合到一起也很困難。

　　目前，這些結構所含的不同晶體層很少能多于5種，一般只含兩種或3種不同的晶體層，一般是由石墨烯片與二維材料(絕緣體氮化硼、半導體二硫化鉬、二硒化鎢等)組成。因為這種堆疊結構含有多種材料，經常被看作異質結構。它們現(xiàn)在的尺寸都非常小，通常長寬都只有10微米，比頭發(fā)的橫截面還小。利用這些堆疊結構，我們可以通過實驗來探索其新奇的電學和光學性能以及新用途。這些結構還有一個有趣的特性：它們不僅非常薄，還非常柔軟，而且透明。這就為制備多種形狀的發(fā)光設備提供了可能：研究人員有機會制備出可折疊的顯示屏，當使用者需要大一點的顯示屏時，就可以將顯示屏展開;也可能制備出新的計算機芯片，耗能要比現(xiàn)在的芯片低很多。

　　研究人員在研究這類新材料時，如果能有一些重大突破，我們相信，一定會發(fā)展出相應的大規(guī)模制備技術，以實現(xiàn)其工業(yè)應用。就像石墨烯和其他一些二維晶體材料那樣。最初制備那些材料時，僅能得到幾微米大的微晶，現(xiàn)在我們已經可以得到幾百平方米大的片狀材料。

　　目前，還沒有人發(fā)現(xiàn)這類新材料有什么改變世界的“殺手級應用”，然而，這一領域取得的進步，已經讓很多科學家感到興奮。新材料的發(fā)現(xiàn)總是會促進人類文明的進步。這是推動人類社會從石器時代到青銅時代，再到鐵器時代，最后來到硅時代的背后力量。納米尺度的“樂高積木”代表了人類從未制造過的新材料�，F(xiàn)在，我們只能猜想未來的一切，但我們相信，這種新材料帶來的可能性將是無限的。

　　聲波充電

　　2011年，美國賓夕法尼亞大學，當時還是古生物學專業(yè)高年級學生的梅瑞狄斯·佩里(MeredithPerry)伸手去拿她的筆記本電腦充電器。

　　突然間，一個想法躍入了她的腦海：是否有一天能拋開這些麻煩的充電線呢?她隨即開始尋找將這個想法變?yōu)楝F(xiàn)實的途徑。

　　佩里了解到，已經有基于磁共振和電磁感應的無線電力傳輸技術了，但它們的傳輸距離有限。限制它們的是平方反比定律(inversesquarelaw)，即電磁輻射的強度與輻射源的距離的平方成反比。

　　然而，機械振動卻不存在這個問題。使用壓電轉換器從空氣中獲取振動能量，就可以將機械能轉化為電能，這看起來是一個更好的主意。因為聲音其實就是振動的空氣粒子，所以從理論上來說，它應該能夠傳輸能量。而安全、安靜且高能的超聲波是個完美的選擇。

　　當佩里同本校教授以及其他專家討論時，很多人都認為這個想法不可行，因為無法利用超聲波提取出足夠的能量來為電子設備充電;而且，如果她真要嘗試的話，還會遇到大量的電子工程和聲學方面的問題�！暗�是，我知道這在理論上是可行的，”佩里說，“而且沒有人能提出足夠的證據，證明這絕對無法實現(xiàn)�！彼�以，她找到了uBeam公司，來研發(fā)這項技術。

　　目前，他們已經開發(fā)出了uBeam發(fā)射機的原型樣機。它相當于一臺定向揚聲器，可以將超聲波聚焦，產生一個能量“焦點”;與電子設備相連的接收器負責接收這股能量，并將其轉化為電能。她計劃在兩年內推出第一批產品。

　　佩里說，通用無線充電系統(tǒng)不僅能讓我們不用再攜帶目前各式各樣且互不兼容的電線和充電器，還可以保證移動設備在進行高耗電操作時不會用盡電量。擺脫電線的束縛，還能帶來嶄新的室內裝修設計思路。此外，目前載有沉重輸電線纜的飛機、汽車、太空船等運載工具，重量也可以大幅降低。

　　“總的來說，無線充電技術將徹底改變我們與物質世界的作用方式，”佩里說，“我們將不再受制于電源插座。”

　　儲存熱能的電池

　　基于熱耦合效應的新型電池，可以將白白流失的熱能轉化為電能，這一技術擁有巨大的應用前景。

　　在工業(yè)生產中，每年都有100億瓦特的電量以熱能的形式被浪費掉了，而這些能量足夠為1000萬戶家庭提供照明用電。通過熱電效應(thermoelectriceffect)，就可以利用溫差發(fā)電，把這類熱能轉化為電能。但是，這樣也只能利用其中的一部分。麻省理工學院的博士后研究員楊遠(YuanYang)解釋道：這是因為幾十年來的研究都表明，需要達到500℃以上的溫差，才能產生出具有實際使用價值的能量。不幸的是，據美國環(huán)境保護局(Environmental Protection Agency)的估計，在美國每年浪費的能量中，有三分之一都是以低于100℃的溫度逃逸掉的。

　　楊遠和他的導師、斯坦福大學的陳剛(Gang Chen)，以及博士后研究員崔屹(Yi Cui)和李碩祐(Seok Woo Lee)一道，研發(fā)出了一種溫差僅為理論值1/10(低至50℃)的發(fā)電技術。這種技術的關鍵是利用了熱耦效應(與熱電效應有類似之處)。在這個過程中，材料整體的溫度都隨電壓而變化，而非僅在電池中產生溫度差。研究團隊使用不帶電的電池芯，配以銅電極，在高溫時進行充電，然后再讓它們冷卻——神奇的事情發(fā)生了，電池的放電電壓比為它們充電時所用的電壓更高。換句話說，用于加熱電池的能量被電池以電能的形式收集了起來。

　　直到近兩年，電池電極的效率才達到能將如此小的溫差轉化為電能的程度，楊遠介紹說。而且在實現(xiàn)商業(yè)化前，這項技術還需要很多的研究工作來進一步完善。但是，人們遲早會建起由大量電池組筑起的“圍墻”，環(huán)繞在工廠煙囪或發(fā)電廠的周圍，將以往白白浪費掉的熱能轉化為電力�！斑@一場景非常誘人，”楊遠說，“因為被浪費掉的熱能隨處可見�！�

　　新型聚合物“泰坦”

　　環(huán)保、高強度、可自我愈合、可回收的聚合物，將改變汽車、飛機等諸多行業(yè)。

　　當化學家珍妮特·加西亞(Jeannette García)在最近用過的一個燒瓶里，發(fā)現(xiàn)了一塊糖果大小的白色材料時，她壓根不知道到自己做出了什么東西。這種材料緊緊附著在玻璃上，所以只能用錘子打碎燒瓶才將其取出。但是，當她再次用舉起錘子，去敲打這塊材料本身時，后者卻毫發(fā)無損�！爱斠庾R到它的有多堅固時，我就知道必須要弄清楚我究竟做出了什么東西，”加西亞說。

　　加西亞是IBM公司阿爾馬登研究中心的科學家。最終，她在幾位同事的幫助之下解開了這個謎團。他們發(fā)現(xiàn)，這種令人吃驚的材料是一類新型熱固性聚合物。這是一類極為堅固的塑料，能用于從智能手機到飛機機翼等眾多產品中。雖然在全球每年生產的聚合物中，熱固性材料就占到了三分之一，但是它們很難被回收利用。而加西亞發(fā)現(xiàn)的新材料(被稱為“泰坦”)，是目前為止發(fā)現(xiàn)的第一種可回收的、具有工業(yè)級強度的熱固性材料。

　　傳統(tǒng)熱固塑料無法回收重塑，而上述新型聚合物可以通過化學反應進行重新加工。在2014年5月的《科學》(Science)雜志上，加西亞和同事介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

　　預計，全球對耐用且可回收的塑料產品的需求將很快大幅攀升。到2015年，歐洲和日本都將要求廠家在生產汽車部件時，可回收材料的比例要達到95%。“‘泰坦’恰恰可以完美地滿足這種需求，”加西亞說。此外，她相信這種新材料最終還能推廣到更廣泛的應用中，包括抗蝕抗菌涂層、給藥設備、粘結劑、3D打印、水凈化領域等。

　　“泰坦”還有其他優(yōu)點。加西亞和同事發(fā)現(xiàn)，這種材料還有第二種形態(tài)——在低溫時，它會呈現(xiàn)出可自愈合、類似凝膠的形態(tài)。這種形態(tài)被研究人員稱為“海德魯”(Hydro，意為水)�！叭绻麑⒑５卖斍谐蓛砂�，再放回一起，它們會立刻互相粘結，”加西亞介紹說。這樣， “泰坦”就可以用作粘合劑，或者自修復涂料，其他相關的化學產品也將陸續(xù)被開發(fā)出來�！�(我們發(fā)現(xiàn)的)不僅僅是一種新型聚合物，而且還是一種新的聚合物生成反應�！奔游鱽喺f。