方宇寧/編譯

陳倩：她讓材料物質(zhì)“活起來”

方宇寧/編譯

現(xiàn)年30歲的伊利諾伊大學材料科學家陳倩（Qian Chen）通過對置于液體環(huán)境中的材料進行觀察實驗，探索了生命物質(zhì)與非生命物物質(zhì)之間的邊界

● 2016年美國《科學新聞》評選出了10位科技新星，他們都是將在各自領(lǐng)域做出突出貢獻的青年科學家，陳倩名列其中（詳見2017年第3期封底）。

在一個黑暗的房間里，材料科學家陳倩沐浴在一片綠光中，她正在觀看納米金棒“翩翩起舞”的實時視頻，電腦屏幕顯示，它們在一個鏡筒如電線桿一般粗的巨大顯微鏡下來回扭動和擺動著。

陳倩注意到，這些納米粒子和其他極小的物質(zhì)微粒在液體中不斷游動并相互碰撞，它們像細胞中的分子一樣，不時組成有序的結(jié)構(gòu)。通過開創(chuàng)生物學靈感激發(fā)設(shè)計新材料之先河，她正在探索如何讓非生物物質(zhì)的材料物質(zhì)“活起來”，并探尋其背后的意義。接下來，她準備近距離觀察并形成自己對細胞分子本身的看法：維持生物體晝夜不停運轉(zhuǎn)的、靈活多變的多任務(wù)蛋白質(zhì)。

30歲的陳倩已在一些權(quán)威刊物上發(fā)表了許多論文，并將一些極有遠見的想法變成現(xiàn)實。她的終極目標是：模擬已非常完善的活細胞機制，用無生命材料來創(chuàng)造生命或類似于生命的東西。

“如果你能看到它，你就可以開始理解它；如果你能理解它，你就可以控制它?！苯衲暝缧r候，她在伊利諾伊大學香檳分校的實驗室受訪時，陳倩如是說道。

陳倩最初的理想并不是成為一名科學家，在中國長大的她幻想自己有一天會成為一名作家。讀中學時，她在一篇屢獲殊榮的作文中講述了一個女孩如何修復臭氧層的故事?！拔业南敕ㄊ莿?chuàng)造出可以拉伸的材料，就像氣球的外皮一樣。”她說。

設(shè)計模擬生物分子行為的新材料

到達美國幾年后，她萌生了發(fā)明新材料和非常規(guī)材料的興趣。作為家中的第一個大學生，2007年她從中國北京大學畢業(yè)后前往美國伊利諾伊大學，并在材料科學家史蒂夫·格蘭尼克（Steve Granick）手下工作。

陳倩最初的表現(xiàn)就很出色?！袄щy的事情到了她手里就變得輕松容易了。”如今在韓國蔚山國立科技研究所的格蘭尼克說道，特別是他回憶起在一次實驗中陳倩完成了一些科學家認為不可能實現(xiàn)的壯舉：她讓成千上萬的微小粒子組成一個開放有序的二維結(jié)構(gòu)——而且任由它們自行組裝。

陳倩一直研究的膠粒在顯微鏡下大約只有1微米，陳倩的想法是用一種黏性涂層覆蓋在這些微粒上，黏性涂層就像魔術(shù)貼一樣，當粒子彼此碰撞時就會粘在一起。起初，“它們看起來一團糟，似乎是一次失敗的實驗。”格蘭尼克說道，“如果是別的大多數(shù)研究生，遇到這種情況會直接放棄繼續(xù)探索?！?/p>

但陳倩沒有放棄，經(jīng)過一整天的嘗試，經(jīng)過在液體中反復的黏合和分離，這些粒子的狀態(tài)終于穩(wěn)定了下來。通過功用特殊的涂層和陳倩采用的特殊方式（如覆蓋在每個粒子的頂部和底部），最終形成了一個類似于蜂巢的六邊形晶格結(jié)構(gòu)——“戈薇晶格”（kagome lattice）。之前的科學家們從未能夠誘導膠體粒子形成這樣的開放式多孔結(jié)構(gòu)。陳倩說，通常情況下，這些顆粒會更緊密地聚集在一起，就像水果店貨架上堆放的蘋果一樣。

左：涂上粘性涂層后，膠體粒子以戈薇晶格的形式聚集起來；右：條紋狀涂層可形成粒子的特定取向

陳倩的研究成果以“定向自組裝膠體戈薇晶格”（Directed self-assembly of a colloidal kagome lattice）為題發(fā)表在2011年的《自然》雜志上。在此篇論文發(fā)表的前一周，陳倩和格蘭尼克在《科學》雜志上聯(lián)名發(fā)表了另一篇論文 “雅努斯球的超膠體反應(yīng)動力學”（Supracolloidal reaction kinetics of Janus spheres），論述了粒子自組裝成一個扭曲鏈或螺旋狀結(jié)構(gòu)的過程。當時陳倩只有24歲。

“她的研究成果已躋身于當今科研的最前沿，她在科學研究上充滿進取精神且富有創(chuàng)意?！辟e夕法尼亞州立大學化學家克里斯汀·基廷（Christine Keating）說道。

雖然人們現(xiàn)在還無法確定這類粒子的應(yīng)用前景究竟如何，但一些研究人員設(shè)想，自組裝材料可應(yīng)用于建造智能水過濾器或者可根據(jù)陽光強弱變化調(diào)整的太陽能電池板等，但是所有的可能性在目前都還難以捉摸。陳倩“正在試圖發(fā)明這種粒子的游戲規(guī)則，她為未來技術(shù)奠定了基礎(chǔ)?！备裉m尼克說道。

她的下一個研究重點將通過模擬生物分子的行為，將她的材料分子從自組裝 “101”入門級水平提升到“大師級”水平，但她目前的首要任務(wù)是先觀察它們的行為。

開發(fā)新顯微技術(shù)觀察細胞內(nèi)部動態(tài)

2012年，陳倩前往加州大學伯克利分校與美國國家科學獎?wù)碌弥鞅Ａ_·阿利維薩托斯（Paul Alivisatos）合作，試圖開創(chuàng)出一項新的顯微鏡技術(shù)。

現(xiàn)在的科學家可以在顯微鏡下觀察蛋白質(zhì)和DNA的細節(jié)，但觀察到的結(jié)果通常是靜止的畫面，很難得到蛋白質(zhì)在天然與流動世界里活動的動態(tài)鏡頭，如果能夠看到它們的實際運動和行為，就可以揭示出不同蛋白質(zhì)成分在其中所扮演的角色。

“即使是一項令其發(fā)明者獲得2014年諾貝爾獎的顯微技術(shù)，也只是利用熒光分子來“照亮”細胞的移動部分，卻不能揭示蛋白質(zhì)活動的復雜性。”陳倩說道。它們只是一些在顯微鏡下發(fā)光的點。想象一下，這就像你從飛機舷窗看向地面的一輛自卸卡車，你肯定看不到卡車裝卸時活塞和鉸鏈如何工作的具體細節(jié)。

“我以這個為靈感。”陳倩邊說邊拿過筆記本電腦，打開了一個探索生物學神奇世界的視頻，電腦動畫顯示分子在快速旋轉(zhuǎn)著進入細胞深處，灰綠色的氣泡吸附在長鏈上，蛋白質(zhì)沿著特定軌跡運送著巨大凝膠狀的氣泡。這只是一個動畫模擬的假設(shè)，目前還沒有人能清晰看到動畫假想中的現(xiàn)實圖景，但陳倩目前在伊利諾伊幫助開發(fā)的技術(shù)將有可能改變這一點。

這項正在開發(fā)中的顯微技術(shù)被稱為液相透射電子顯微鏡，它是對現(xiàn)有顯微技術(shù)的巧妙改進。在傳統(tǒng)的標準透射電子顯微鏡（TEM）下，研究人員通過對置于真空中的觀察樣品射入一道電子束可獲得亞納米級的圖像，不過這個樣本必須是固態(tài)的——就像石頭一樣——因為液體會蒸發(fā)。

陳倩通過在石墨烯的薄層之間夾上一層液體，很好地解決了這個問題。這就像把水滴放在塑料袋里一樣，液體不會蒸發(fā)消失，研究人員可以通過它觀察周圍粒子的隨機狀態(tài)。陳倩已經(jīng)使用該技術(shù)觀察到了納米金棒兩端相接組裝的行為和連接DNA的納米晶體在三維空間中的移動和旋轉(zhuǎn)，取得重大突破性進展的前景可以說已經(jīng)勝利在望。

陳倩利用液相顯微鏡觀察細胞機制達到的清晰程度是以前任何一位科學家都望塵莫及的，但對于透露更多的細節(jié)她持謹慎態(tài)度。如果陳倩能夠成功，她將有可能破解生物學結(jié)構(gòu)與功能聯(lián)系的代碼——弄清楚蛋白質(zhì)的組成部分，即承擔具體工作的“活塞”和“鉸鏈”。通過了解構(gòu)成生命的組成部分，將有助于科學家從無生命的人造材料中創(chuàng)造出 “活性”的新材料，并讓它們做自己力所能及的一切事情。

“我們還未能走到那一步，”陳倩說，“但這是我們的遠大夢想。”

[資料來源：Science][責任編輯：松 石]