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公司動(dòng)態(tài)
2015年度9大改變世界的革命性技術(shù)
閱讀：546 發(fā)布時(shí)間：2014-12-17基因編輯更快更準(zhǔn)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(xì)菌中,。20世紀(jì)70年代末，博耶的基因泰克(Genetech)公司對(duì)大腸桿菌進(jìn)行基因改造,，使其帶有一個(gè)人源基因(這個(gè)基因是人工合成的),，zui后生產(chǎn)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(Salk Institute for Biological Studies)的科學(xué)家培育出了*只轉(zhuǎn)基因小鼠,。
20世紀(jì)70年代，科學(xué)家就找到了改變生物體基因組的方法,，但這些方法不甚,，并且難以用于量產(chǎn)。因此,，很多基因修飾實(shí)驗(yàn)依然既困難又昂貴,。
現(xiàn)在，一種名叫CRISPR的新技術(shù)，也許將*革新基因組編輯,。這一技術(shù)源自細(xì)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(shù)公司己經(jīng)吸引到了大量資金。
研究人員已經(jīng)開始探索,，如何將CRISPR技術(shù)應(yīng)用于艾滋病,、精神分裂癥等多種疾病的治療。然而,，因?yàn)镃RISPR能非常輕易地改變植物,、昆蟲和人類的基因組，倫理學(xué)家擔(dān)心這會(huì)引發(fā)一些負(fù)面后果,。
基因工程領(lǐng)域取得的這些巨大成就改變了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進(jìn)程,。但是，早期的基因改造方法有兩大局限：不甚,，并且難以量產(chǎn),。那時(shí)，DNA插入基因組的行為是隨機(jī)的,，科學(xué)家只能祈求好運(yùn),，但愿自己能得到一個(gè)有用的突變。1990年,，研究人員取得了跨越式的進(jìn)步,。他們設(shè)計(jì)出能在特定位點(diǎn)對(duì)DNA進(jìn)行剪切的蛋白，突破了*個(gè)局限,。但是,，每想要修改一段DNA序列，他們都必須設(shè)計(jì)一個(gè)新的蛋白,，這種工作非常耗時(shí),，并且十分艱苦。
時(shí)間終于到了2012年,。瑞典于默奧大學(xué)(Ume? University)的埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的珍妮弗·杜德娜(Jennifer Doudna)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員報(bào)道，他們在細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了一種遺傳機(jī)制,，能讓科學(xué)家以的速度編輯基因組,，并且過程十分簡單。此后不久,，哈佛大學(xué)和麻省理工大學(xué)的一個(gè)課題組運(yùn)用這種技術(shù),，一次性地對(duì)細(xì)胞基因組的多個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行了修改。
這種先進(jìn)的技術(shù)已經(jīng)加快了基因工程產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)遺傳學(xué)和醫(yī)學(xué)也有深遠(yuǎn)的推動(dòng)作用,?？茖W(xué)家現(xiàn)在只要幾周時(shí)間，就能按需定制出經(jīng)過基因改造的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,，省去了從前一年的工作量與時(shí)間,。目前，研究人員正在運(yùn)用該技術(shù),，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(shù)將生物體的基因修飾過程變得相當(dāng)簡單與廉價(jià),，研究人員和倫理學(xué)家甚至開始擔(dān)心，這會(huì)催生負(fù)面效應(yīng),。
這種技術(shù)名叫CRISPR,，是“clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats”(即成簇、規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列)的縮寫,。利用這種序列,，細(xì)菌可以對(duì)侵襲過它的病毒產(chǎn)生“記憶”。自從日本科學(xué)家20世紀(jì)80年代末發(fā)現(xiàn)CRISPR之后,，科學(xué)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(xué)會(huì)議上相識(shí),。他們有很多共同點(diǎn)：他們的團(tuán)隊(duì)都在研究細(xì)菌防御病毒入侵的機(jī)制,；他們都已經(jīng)確認(rèn)，細(xì)菌可以記住以前入侵過自己的病毒的DNA,，以此來識(shí)別病毒,，當(dāng)該病毒再次入侵時(shí)，它們就會(huì)立刻認(rèn)出“敵人”,。
那次會(huì)議后不久,，卡彭蒂耶和杜德娜決定合作。當(dāng)時(shí),，卡彭蒂耶在于默奧大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室剛剛發(fā)現(xiàn),，鏈球菌似乎會(huì)用Cas9蛋白來“搗碎”突破其細(xì)胞壁的病毒。于是,，杜德娜在伯克利的實(shí)驗(yàn)室,，也開始探究Cas9蛋白的作用機(jī)理,。
很多科學(xué)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?shí)驗(yàn)室的克日什托夫·黑林斯基(Krzysztof Chylinski)和杜德娜實(shí)驗(yàn)室的馬丁·伊內(nèi)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(shù)據(jù),、討論做實(shí)驗(yàn)的想法,。這個(gè)項(xiàng)目就這樣正式開始了。”
兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家都意識(shí)到,，他們或許可以用Cas9蛋白來進(jìn)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(diǎn)切斷雙鏈DNA,。DNA斷裂后，細(xì)胞會(huì)對(duì)斷裂位點(diǎn)進(jìn)行修復(fù),。有時(shí),，細(xì)胞中一些人為導(dǎo)入的基因片段，會(huì)在修復(fù)的過程中插入這些位點(diǎn),。杜德娜和卡彭蒂耶剛開始合作的時(shí)候,，科學(xué)家如果想改變或關(guān)閉一個(gè)基因，的方法,，是定制一種能找到特定DNA位點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行切割的酶,。換句話說，每修飾一次基因,，科學(xué)家都不得不設(shè)計(jì)一種新的蛋白,，專門針對(duì)想要修飾的DNA序列。
但杜德娜和卡彭蒂耶意識(shí)到,，Cas9蛋白——這種鏈球菌用于免疫防衛(wèi)的酶,，會(huì)用RNA來引導(dǎo)自己找到目標(biāo)DNA。為了探測作用位點(diǎn),，Cas9-RNA復(fù)合物會(huì)在DNA上不停“彈跳”,，直到找到正確的位點(diǎn)。這一過程看似隨機(jī),，其實(shí)不然,。Cas9蛋白的每次彈跳，都是在搜索同一段短小的“信號(hào)”序列,。Cas9會(huì)附著到DNA上,，檢測鄰近的序列是否和充當(dāng)向?qū)У腞NA匹配。這種RNA叫做向?qū)NA(guide RNA,，簡稱gRNA),，而只有當(dāng)gRNA和DNA匹配時(shí)，Cas9蛋白才會(huì)對(duì)DNA進(jìn)行切割,。如果能將這套天然的RNA向?qū)到y(tǒng)利用起來,，研究人員在切割DNA位點(diǎn)時(shí)，就不用每次都構(gòu)建一種新的酶了,?；蚪M編輯可能會(huì)因此變得更簡單、更便宜,，也更有效,。
這個(gè)橫跨大西洋的團(tuán)隊(duì)一起對(duì)Cas9蛋白進(jìn)行了幾個(gè)月的研究，并且取得了突破,。杜德娜還能清楚地記起那個(gè)時(shí)刻,。他們的實(shí)驗(yàn)室坐落在伯克利校園邊緣一個(gè)綠樹成蔭的山坡上，對(duì)面就是希臘劇院,，彼時(shí)還在做博士后研究的伊內(nèi)克一直那里在對(duì)Cas9蛋白進(jìn)行實(shí)驗(yàn),。一天，他來杜德娜的辦公室討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。面對(duì)伊內(nèi)克和黑林斯基一直在討論的一個(gè)問題,，他們陷入了沉思：在自然界中——也就是在鏈球菌體內(nèi)，Cas9蛋白倚靠的不是一個(gè),，而是兩個(gè)RNA,，來引導(dǎo)自己尋找DNA上的正確位點(diǎn)。
如果在保留其向?qū)Чδ艿那疤嵯?，將兩條gRNA整合成一條RNA鏈,，結(jié)果會(huì)怎么樣呢？如果只需修飾一個(gè)RNA序列,，研究人員的工作速度將會(huì)得到極大的提升,。gRNA序列與目標(biāo)DNA序列之間存在精妙的互補(bǔ)關(guān)系，利用這種關(guān)系構(gòu)建一條gRNA,，比定制一個(gè)核酸酶更容易,。
“看著這些數(shù)據(jù)，我們突然就開竅了——這種事情經(jīng)常發(fā)生,，”杜德娜說道,，“我們意識(shí)到,，其實(shí)可以將這些RNA分子設(shè)計(jì)成一條gRNA。一套由一個(gè)蛋白質(zhì)和一條gRNA組成的系統(tǒng),，就足以成為一個(gè)強(qiáng)大的基因修飾工具,。我打了個(gè)寒顫，心想,，‘天哪,，我要趕快跑到實(shí)驗(yàn)室去，如果這能成功的話……’”
他們真的成功了,。結(jié)果超出了杜德娜的設(shè)想(盡管她本來就抱有很高的期待),。2012年8月17日，當(dāng)杜德娜和卡彭蒂耶將他們對(duì)CRISPR-Cas9的研究成果公諸于眾時(shí),，該領(lǐng)域的科學(xué)家立刻認(rèn)識(shí)到這一技術(shù)的變革性力量,，他們都想知道CRISPR-Cas9究竟能做什么，一場性競賽由此拉開序幕,。
CRISPR是怎樣工作的,？CRISPR 是細(xì)菌的“武器”，它能“搗碎”入侵細(xì)菌的病毒的DNA,?？茖W(xué)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(gè)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(gè)gRNA來引導(dǎo)Cas9,，而合成一條RNA，遠(yuǎn)比合成一個(gè)酶更加容易,。
2013年之前,，研究人員一直在嘗試將CRISPR-Cas9應(yīng)用于植物和動(dòng)物細(xì)胞——它們比細(xì)菌要復(fù)雜得多。在他們看來,，這和復(fù)活尼安德特人與猛犸象一樣激動(dòng)人心,。在哈佛大學(xué)，遺傳學(xué)家喬治·丘奇(George Church)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)用CRISPR技術(shù)來改變?nèi)祟惢?，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(diǎn)。一年多以前,，杜德娜聯(lián)手丘奇,、麻省理工學(xué)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(Editas Medicine),，他們獲得了4300萬美元的風(fēng)險(xiǎn)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(zhǔn)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(biāo)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(shí)間,，才能開發(fā)出相應(yīng)的療法，然而,，實(shí)驗(yàn)室的供貨商們已經(jīng)在向世界各地的客戶銷售可以立即用于動(dòng)物注射的CRISPR材料,，并開始為客戶定制經(jīng)CRISPR改造的小鼠、大鼠和兔子,。
今年,，我在一個(gè)潮濕的夏日拜訪了位于圣路易斯的SAGE實(shí)驗(yàn)室(SAGE Labs)，它是*批獲準(zhǔn)使用杜德娜的CRISPR技術(shù)來改造嚙齒類動(dòng)物的公司之一,。在那里,，我能親眼見識(shí)CRISPR是如何起作用的。SAGE實(shí)驗(yàn)室向大約20家*制藥公司,，以及眾多高校,、研究所和基金會(huì)供應(yīng)實(shí)驗(yàn)材料。英國劍橋的生物技術(shù)公司地平線發(fā)現(xiàn)集團(tuán)(Horizon Discovery Group)早前也已獨(dú)立涉足CRISPR產(chǎn)品的研發(fā),；2014年9月,，他們又以4800萬美元收購了SAGE實(shí)驗(yàn)室。SAGE實(shí)驗(yàn)室位于一個(gè)工業(yè)園區(qū)內(nèi),，建在一條馬路盡頭的一組低矮的辦公建筑里,。這里的科學(xué)家收到一個(gè)來自實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)上訂單：加利福尼亞州薩克拉門托(Sacramento)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(cè)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(jīng)CRISPR改造的嚙齒類動(dòng)物,。這些動(dòng)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(yīng)的20只大鼠,，將它們輕輕地放在盒子里打包,，然后空運(yùn)到加利福尼亞——整個(gè)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(shí)驗(yàn)動(dòng)物,。
不過,，如果倉庫里沒有客戶想要定制的那種動(dòng)物，流程就不一樣了,。例如,，有一個(gè)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(gè)基因的特定突變)之間的關(guān)系，當(dāng)他到SAGE實(shí)驗(yàn)室訂購嚙齒類動(dòng)物的時(shí)候,，有幾個(gè)選擇,。SAGE實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家能用CRISPR技術(shù)“關(guān)掉”目標(biāo)基因，制造一個(gè)突變,；他們也可以關(guān)掉目標(biāo)基因,，然后再往里插入一個(gè)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(guān)。過去,，科學(xué)家需要一年時(shí)間,，才能培育出這些帶有復(fù)雜基因突變的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。但CRISPR不同于以往的基因組編輯技術(shù),。利用這種技術(shù),，研究人員能同時(shí)在細(xì)胞內(nèi)快速地改變多個(gè)基因。培育基因工程動(dòng)物的時(shí)間已因此縮短到幾周,。
SAGE的員工首先使用化學(xué)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(huì)花上大約一周的時(shí)間,，用一種外形類似于掃描儀的儀器,，測試該工具在動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)的功能。這種儀器能夠發(fā)射電流,，將CRISPR工具注入細(xì)胞,。進(jìn)入細(xì)胞的CRISPR工具會(huì)立刻開始工作，對(duì)DNA進(jìn)行剪切,，進(jìn)行小量的基因插入與刪除,。CRISPR并非100%有效：在某些細(xì)胞里，它們會(huì)剪切DNA,、制造突變,，在另一些細(xì)胞里則*不起作用。為了觀察CRISPR的表現(xiàn)究竟如何，科學(xué)家會(huì)從細(xì)胞中收集DNA,，將它們集中起來,，并將目標(biāo)位點(diǎn)附近的片段DNA復(fù)制多個(gè)拷貝。他們會(huì)對(duì)這些DNA進(jìn)行處理與分析,，然后查看顯示在電腦屏幕上的分析結(jié)果,。如果CRISPR成功切開目標(biāo)位點(diǎn)，制造出突變,，屏幕上就會(huì)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(zhuǎn)移到了側(cè)樓的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室里,。科學(xué)家就是在這里制造出經(jīng)基因改造的胚胎,，以及突變過的嚙齒動(dòng)物,。生物學(xué)家安德魯·布朗(Andrew Brown)戴著外科手套、身穿藍(lán)色的長袍,、戴著套鞋和蓬松的帽子,，彎腰伏在解剖顯微鏡前。他用玻璃移液管的吸起一個(gè)大鼠胚胎,，然后走到房間的另一頭,，將胚胎轉(zhuǎn)移至另一臺(tái)裝有機(jī)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(tái)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(jī)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(gè)原核(pronucleus)就像是月球表面的環(huán)形山,。布朗輕輕推動(dòng)細(xì)胞,，直到其中一個(gè)原核移到針尖的旁邊。他點(diǎn)擊電腦鼠標(biāo),，一滴含有CRISPR的液體從針頭噴出,，穿過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞。原核立即像一朵快速盛開的花一樣膨脹開來,。布朗運(yùn)氣不錯(cuò),，一個(gè)突變細(xì)胞就此誕生了。SAGE實(shí)驗(yàn)室中有3個(gè)技術(shù)員，他們一周4天,、一天300次地重復(fù)著這項(xiàng)工作,。
布朗將完成注射的大鼠胚胎吸入移液管，移進(jìn)培養(yǎng)皿,，存儲(chǔ)在加熱至動(dòng)物體溫的培養(yǎng)箱中,。zui后，他需要將30~40枚經(jīng)過修飾的胚胎注射到代孕母鼠體內(nèi),。20天后,，代孕大鼠將懷上5~20個(gè)“孩子”，當(dāng)這些“孩子”長到10天大的時(shí)候,，SAGE實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家將抽取組織樣本,，檢測哪個(gè)“孩子”帶有改造過的基因。
“這是zui令人激動(dòng)的時(shí)候,，”布朗說道,。20個(gè)胚胎中，可能只有1個(gè)能被成功改造,，而改造成功的動(dòng)物,，就是我們所說的種源動(dòng)物(founder animal)。到了這一步,，每個(gè)人都會(huì)慶祝一下,。在我們看來，SAGE實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家制造RNA,、注射胚胎的方法似乎很簡單,，很多實(shí)驗(yàn)室也在用同樣的步驟培養(yǎng)基因工程動(dòng)物。正如SAGE的執(zhí)行官戴維·斯莫勒(David Smoller)說的那樣,，這是可以“量產(chǎn)”的基因組編輯技術(shù),。
CRISPR已經(jīng)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(shù)設(shè)想新的商業(yè)用途,，其中的某些想法甚至有些狂妄,。運(yùn)用這種技術(shù)，醫(yī)生或許可以在懷孕早期的婦女體內(nèi),，改造與唐氏綜合征有關(guān)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(duì)除草劑敏感的基因；我們還可以復(fù)活已經(jīng)滅絕的物種,。這當(dāng)然會(huì)讓有些人感到害怕,。比如，zui近就有一些警告性的頭條報(bào)道,，將這種技術(shù)形容為“扮演上帝的好方法”,，或者“瓶中妖”,。這些文章?lián)模?dāng)我們急于擺脫瘧蚊,，太想治好亨廷頓病,，或者期望“設(shè)計(jì)”出更好的嬰兒時(shí)，我們也可能是在創(chuàng)造一個(gè)充滿有害新基因的“侏羅紀(jì)公園”,。
以哈佛大學(xué)研究人員提出的“滅蚊項(xiàng)目”為例,。美國伍德羅·威爾遜學(xué)者中心(Woodrow Wilson International Center for Scholars)的生物安全分析師托德·庫伊肯(Todd Kuiken)認(rèn)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*不同的另一項(xiàng)任務(wù)。如果我們的目標(biāo)是*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(huì)制造出10個(gè)新麻煩,。“我們必須想清楚,，‘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(xué)家正在快速行動(dòng),，他們希望預(yù)見CRISPR技術(shù)zui可能的危害,，并制定應(yīng)對(duì)措施,。2014年7月17日,，當(dāng)哈佛大學(xué)的團(tuán)隊(duì)發(fā)表一篇討論如何用CRISPR消滅瘧蚊的論文時(shí)，他們也在呼吁公眾對(duì)這一問題進(jìn)行討論,，他們也指出了基因改造在技術(shù)與監(jiān)管上的窘境,。該團(tuán)隊(duì)的生物倫理學(xué)家讓蒂寧·倫斯霍夫(JeantineLunshof)說：“CRISPR的發(fā)展如此迅猛，很多人還沒聽說過這種技術(shù),，但是我們確實(shí)正在使用它,。這是一種新現(xiàn)象。”現(xiàn)在,，在伯克利的創(chuàng)新基因組計(jì)劃(Innovative Genomics Initiative)的框架下,，杜德娜正在組建一個(gè)團(tuán)隊(duì)，專門討論應(yīng)用CRISPR的倫理問題,。如果對(duì)倫理問題的擔(dān)憂,，撲滅了人們對(duì)CRISPR的熱情，后果將是不可想象的,。例如,，2014年6月，麻省理工學(xué)院的研究人員報(bào)道，他們直接從尾部向動(dòng)物體內(nèi)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(nèi)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(gè)肝臟細(xì)胞中,，就有1個(gè)插入了正確的基因,。接下來一個(gè)月，被“修正”的肝臟細(xì)胞蓬勃生長,，zui終取代了1/3的病變細(xì)胞——這足以使小鼠擺脫上述疾病,。2014年8月，坦普爾大學(xué)(Temple University)的病毒學(xué)家卡邁勒·哈利利(Kamel Khalili)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員報(bào)道,，他們已經(jīng)用CRISPR在數(shù)個(gè)人類細(xì)胞系中對(duì)HIV病毒進(jìn)行了剪切,。
自上世紀(jì)80年代起，哈利利一直奮戰(zhàn)在對(duì)抗HIV/AIDS的前線,。對(duì)他來說,，CRISPR是場不折不扣的革命。盡管艾滋病治療已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步,，但今天的藥物僅僅能控制病毒,，仍然不能*疾病。不過,，運(yùn)用CRISPR,，哈利利團(tuán)隊(duì)已經(jīng)*從細(xì)胞中清除了HIV的完整DNA拷貝，將受感染的細(xì)胞轉(zhuǎn)化了成無病毒細(xì)胞,。并且,，除了“清洗”已經(jīng)感染病毒的細(xì)胞，CRISPR還可以將一段病毒序列整合進(jìn)未受感染的細(xì)胞中,，對(duì)其進(jìn)行免疫——正如杜德娜和她的團(tuán)隊(duì)在原始的細(xì)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*的治療方法,，如果你在兩年前問我,，‘你能地切割人類細(xì)胞中的HIV嗎？’我可能會(huì)說這非常困難,。但現(xiàn)在,，我們做到了。”
通過輕輕地?cái)D壓細(xì)胞,，就可以讓一些大分子或納米材料進(jìn)入細(xì)胞,，進(jìn)而改變細(xì)胞的運(yùn)作,。
可編程的細(xì)胞
假如人類能讓體內(nèi)的細(xì)胞按照我們的要求去運(yùn)作，比如讓它們適時(shí)地合成胰島素,，或去攻擊腫瘤,，那么許多健康問題將會(huì)迎刃而解。不過,，實(shí)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(xì)胞膜,，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行干預(yù),，但這樣會(huì)對(duì)細(xì)胞造成*性的損壞。
2009年,，麻省理工學(xué)院的研究人員在不經(jīng)意間解決了這一技術(shù)難題,。他們當(dāng)時(shí)正嘗試用顯微水槍向細(xì)胞注入一些大分子和納米材料。這些物質(zhì)可以改變細(xì)胞的運(yùn)作機(jī)制,，同時(shí)又能保證細(xì)胞存活,。化學(xué)工程師阿蒙·沙雷(Armon Sharei)發(fā)現(xiàn),，水槍的沖擊使部分細(xì)胞的外形產(chǎn)生了短暫的畸變,。
令人吃驚的是，當(dāng)細(xì)胞的外形處于畸變狀態(tài)時(shí),，注射的物質(zhì)成功地進(jìn)入到了細(xì)胞內(nèi),。沙雷說道：“這讓我們意識(shí)到，如果讓細(xì)胞在足夠短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生形變,，便可暫時(shí)克服細(xì)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(xì)胞,。
為此,，在顯微流控領(lǐng)域的奠基人之一克拉夫·F·延森(Klavs F. Jensen),，以及另一位生物領(lǐng)域的先鋒人物羅伯特·S·蘭格(Robert S. Langer)的帶領(lǐng)下，沙雷開發(fā)出了一種以硅和玻璃為材質(zhì)的微芯片,。這種芯片的表面,，預(yù)先蝕刻了供細(xì)胞流動(dòng)的通道，隨著細(xì)胞流動(dòng)的方向,，通道逐漸收窄,，直到細(xì)胞無法繼續(xù)向前行進(jìn)。此時(shí),，被卡住的細(xì)胞因受擠壓而產(chǎn)生形變,，細(xì)胞膜上便會(huì)出現(xiàn)小孔,。這些小孔的直徑，足夠許多可改變細(xì)胞運(yùn)作的介質(zhì)通過,，如蛋白質(zhì),、核酸、碳納米管等,。
這項(xiàng)技術(shù)甚至能將介質(zhì)成功引入脆弱的干細(xì)胞和免疫細(xì)胞中,，這些細(xì)胞無法經(jīng)受以前那種擠壓方式的摧殘。“這項(xiàng)技術(shù)適用的細(xì)胞種類之多,，讓我們都始料不及,，”沙雷介紹道。
自這項(xiàng)技術(shù)問世以來,，沙雷所在的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出了16種適用于不同細(xì)胞的芯片,。當(dāng)然，還會(huì)有更多的芯片陸續(xù)問世,。而且,，在現(xiàn)有每秒擠壓50萬個(gè)細(xì)胞的基礎(chǔ)上，相關(guān)設(shè)備的處理效率還將更上一層樓,。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成立了一家名為“SQZ生物科技”的公司,，將這項(xiàng)技術(shù)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(shù)。
通過注入特殊化合物,，可以使動(dòng)物變得通體透明,，這項(xiàng)技術(shù)將成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的助推器。
透明動(dòng)物
5年前,，維維安娜·格勒迪納魯(VivianaGradinaru)還在神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)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(biāo)本展。整個(gè)展覽zui讓她著迷的,，是經(jīng)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(yùn)用到她的研究領(lǐng)域中,，大大地提高實(shí)驗(yàn)效率。
“組織剝離”概念的提出已有100多年,，但當(dāng)時(shí)的方法,，如使用溶劑浸泡等,，效率十分低下，通常也會(huì)破壞標(biāo)記細(xì)胞所需的熒光蛋白,。為了找到更好的解決方法,，當(dāng)時(shí)還是研究生的格勒迪納魯，與已故神經(jīng)免疫學(xué)家保羅·帕特森(PaulPatterson)實(shí)驗(yàn)室的同事一起,，開展了相關(guān)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(zhì),，用以支撐組織的結(jié)構(gòu)。
zui終,，他們找到了合適的方法：首先對(duì)嚙齒類動(dòng)物實(shí)施人道毀滅,，并將甲醛注入其體內(nèi)，利用心臟將甲醛泵至動(dòng)物全身,；之后,，剝?nèi)?dòng)物的皮膚，從血管注入一種名為丙烯酰胺單體(acrylamide monomers)的白色無味化合物,。丙烯酰胺單體可在動(dòng)物體內(nèi)建立一個(gè)具有支撐作用的水凝膠網(wǎng),，取代動(dòng)物組織內(nèi)的脂肪，并使其呈現(xiàn)無色狀態(tài),；兩周之內(nèi),，這種物質(zhì)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(jīng)網(wǎng)絡(luò),。透明器官讓他們夢想的不少研究都成為現(xiàn)實(shí)，比如分辨周圍神經(jīng)——這類人們從前知之甚少的細(xì)微神經(jīng)束,。再比如向透明小鼠尾部注入帶有熒光標(biāo)記的病毒,，觀察病毒如何透過血腦屏障進(jìn)入小鼠的大腦。“掌握這項(xiàng)技術(shù),，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(shí)驗(yàn)中人為誤差的概率,，另一方面可提高實(shí)驗(yàn)效率,，豐富實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),，同時(shí)減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用數(shù)量,。格勒迪納魯愿意向任何有需要的實(shí)驗(yàn)室提供她的水凝膠制作方法。下一步她將把這一技術(shù)推廣到癌癥以及干細(xì)胞領(lǐng)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(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但其價(jià)格動(dòng)輒高達(dá)數(shù)百萬美元,，準(zhǔn)備樣品也非常麻煩,。對(duì)于專業(yè)的研究型實(shí)驗(yàn)室來說，這樣的狀況還能夠接受,，但如果要快速掃描產(chǎn)品樣品,，來查看內(nèi)置的微尺度水印呢？
紐約大學(xué)物理學(xué)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(chǔ)，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(jī)錄下,。
數(shù)十年以來，科學(xué)家已經(jīng)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(xiàng)發(fā)明的價(jià)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(shù),。這些參數(shù)中包含了關(guān)于散射物體的所有信息。由于這種顯微鏡具有納米級(jí)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(shí)，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(jīng)濟(jì)的方式,，用來觀察產(chǎn)品內(nèi)部的單個(gè)粒子。設(shè)想一下,，涂料桶或洗發(fā)水瓶中每滴液體都含有標(biāo)注了產(chǎn)品生產(chǎn)信息的微粒——就像指紋一樣,。格里爾還補(bǔ)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(huì)成為醫(yī)用設(shè)備的新能源。
默罕默德·穆斯塔法·侯賽因(Muhammad Mustafa Hussain),，這位沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)(King Abdullah University of Science and Technology)的教授,，畢生致力于極微型裝置的研發(fā),。他用一句話總結(jié)自己的研究：“小東西拉近了我們與未來的距離,。”于是，當(dāng)他在2010年著手研究、可再生的發(fā)電設(shè)備,，為偏遠(yuǎn)地區(qū)的凈水或醫(yī)療診斷提供充足的能源時(shí),，他首先考慮的因素就是小巧,。不過,，利用唾液驅(qū)動(dòng)燃料電池，卻是他在研究開始時(shí)*沒有想到的,。
這個(gè)“吐口唾沫”的點(diǎn)子來自于當(dāng)時(shí)侯賽因?qū)嶒?yàn)室的同事,、當(dāng)時(shí)正在攻讀博士學(xué)位的賈絲廷·E·明克(Justine E.Mink，現(xiàn)為陶氏化學(xué)公司的研究員),。那時(shí),，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(xì)菌提供有機(jī)物(唾液中也富含有機(jī)物),，利用細(xì)菌代謝產(chǎn)生電流的方法映入了她的眼簾。碰巧她和侯賽因的項(xiàng)目都可以利用這種方法,，因此兩人找來高導(dǎo)電性的石墨烯電極,，在上面附著了唾液細(xì)菌，在一周之內(nèi),，這些細(xì)菌產(chǎn)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(qū)動(dòng)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(shè)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(biāo)的*步,，今后,，他打算幫助貧困國家，利用工業(yè)廢棄物中的有機(jī)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(huì)促進(jìn)人類文明的進(jìn)步。這是推動(dòng)人類社會(huì)從石器時(shí)代到青銅時(shí)代,，再到鐵器時(shí)代,，zui后來到硅時(shí)代的動(dòng)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(gè)又一個(gè)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(shè)計(jì)巧妙的城堡和許多其他結(jié)構(gòu),。而今天,，新一代材料科學(xué)家正受樂高積木的啟發(fā),，將這種組合方式應(yīng)用到納米世界。
這里的積木組件是一些層狀材料,。這些材料zui薄可以達(dá)到僅有一層原子,，可以按照設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)，以的順序一層一層地疊加到一起,。這種的精密組合方式,，能夠制造出全新的物質(zhì)，這些物質(zhì)具備的電學(xué)和光學(xué)性能,?？茖W(xué)家們進(jìn)一步設(shè)想，可以利用這些物質(zhì),，制造出幾乎沒有電阻的導(dǎo)電材料,，運(yùn)算能力更強(qiáng)大、運(yùn)行更快的計(jì)算機(jī),，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(chǎn)生的,。石墨烯是一種片狀結(jié)構(gòu)的石墨新材料，厚度只有一個(gè)原子,，其原子結(jié)構(gòu)是一個(gè)個(gè)重復(fù)的六邊形,，看起來就像鐵絲網(wǎng)圍欄一樣。2004年,，我和英國曼徹斯特大學(xué)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(gè)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(gè)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*名字的材料,，如六方氮化硼(hexagonal boron nitride)和二硫化鉬(molybdenumdisulfide)。
這些晶體層被認(rèn)為是二維材料,，因?yàn)閷?duì)任何材料來說,，其zui小厚度就是單個(gè)原子厚度(稍厚點(diǎn)的晶體，如3個(gè)左右的原子厚度，也可以看做是二維的),。而根據(jù)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*的性能,，在過去幾年里，它們已經(jīng)成為材料科學(xué)和固體物理領(lǐng)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(xué)鍵相連的，比如共享電子的共價(jià)鍵,。當(dāng)它們相互靠得非常近時(shí),，原子間會(huì)通過大家熟知的微弱的范德華力相互吸引。這個(gè)力通常不夠大,，無法將多個(gè)原子或分子聚合在一起,，但因?yàn)檫@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(huì)變得很強(qiáng)大。
為了理解這種材料究竟會(huì)帶來什么誘人的可能性,，我們可以想一下室溫超導(dǎo),。要實(shí)現(xiàn)無能量損失的電流傳輸，而且又不需要將設(shè)備置于超低溫環(huán)境中,，這一直是幾代科學(xué)家的夢想,。如果發(fā)現(xiàn)了可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的材料，對(duì)人類文明一定會(huì)產(chǎn)生非常深遠(yuǎn)的影響,。研究人員的共識(shí)是,，原則上這個(gè)目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的，但沒有人知道如何實(shí)現(xiàn),。到今天,，超導(dǎo)材料的zui高臨界溫度(超導(dǎo)材料從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)的溫度)也要在-100℃以下。過去20年來,，這方面的進(jìn)展非常有限,。
我們zui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(gè)氧原子和許多其他元素組成的化合物)超導(dǎo)體分解成厚度為1個(gè)原子的片層結(jié)構(gòu),。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(huì)發(fā)生什么呢,？我們已經(jīng)知道，氧化物的超導(dǎo)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(dǎo)電甚至絕緣材料變?yōu)槌瑢?dǎo)體。測試這一想法的真實(shí)實(shí)驗(yàn)還沒有完成,，主要是因?yàn)?，制備原子尺度?ldquo;樂高材料”的相關(guān)技術(shù)仍然處于初期階段，而且將復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)組合到一起也很困難,。
目前,，這些結(jié)構(gòu)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(dǎo)體二硫化鉬,、二硒化鎢等)組成,。因?yàn)檫@種堆疊結(jié)構(gòu)含有多種材料，經(jīng)常被看作異質(zhì)結(jié)構(gòu),。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(jié)構(gòu),，我們可以通過實(shí)驗(yàn)來探索其新奇的電學(xué)和光學(xué)性能以及新用途。這些結(jié)構(gòu)還有一個(gè)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(shè)備提供了可能：研究人員有機(jī)會(huì)制備出可折疊的顯示屏,，當(dāng)使用者需要大一點(diǎn)的顯示屏?xí)r,，就可以將顯示屏展開；也可能制備出新的計(jì)算機(jī)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(shí)，如果能有一些重大突破,，我們相信,，一定會(huì)發(fā)展出相應(yīng)的大規(guī)模制備技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)其工業(yè)應(yīng)用,。就像石墨烯和其他一些二維晶體材料那樣,。zui初制備那些材料時(shí)，僅能得到幾微米大的微晶,，現(xiàn)在我們已經(jīng)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(jí)應(yīng)用”，然而,，這一領(lǐng)域取得的進(jìn)步,，已經(jīng)讓很多科學(xué)家感到興奮。新材料的發(fā)現(xiàn)總是會(huì)促進(jìn)人類文明的進(jìn)步,。這是推動(dòng)人類社會(huì)從石器時(shí)代到青銅時(shí)代,，再到鐵器時(shí)代，zui后來到硅時(shí)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(xué),，當(dāng)時(shí)還是古生物學(xué)專業(yè)高年級(jí)學(xué)生的梅瑞狄斯·佩里(Meredith Perry)伸手去拿她的筆記本電腦充電器。
突然間,，一個(gè)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(gè)想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的途徑。
佩里了解到,，已經(jīng)有基于磁共振和電磁感應(yīng)的無線電力傳輸技術(shù)了,，但它們的傳輸距離有限。限制它們的是平方反比定律(inverse square law),，即電磁輻射的強(qiáng)度與輻射源的距離的平方成反比,。
然而，機(jī)械振動(dòng)卻不存在這個(gè)問題,。使用壓電轉(zhuǎn)換器從空氣中獲取振動(dòng)能量,，就可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這看起來是一個(gè)更好的主意,。因?yàn)槁曇羝鋵?shí)就是振動(dòng)的空氣粒子,，所以從理論上來說，它應(yīng)該能夠傳輸能量,。而安全,、安靜且高能的超聲波是個(gè)的選擇。
當(dāng)佩里同本校教授以及其他專家討論時(shí),，很多人都認(rèn)為這個(gè)想法不可行,，因?yàn)闊o法利用超聲波提取出足夠的能量來為電子設(shè)備充電；而且,，如果她真要嘗試的話,，還會(huì)遇到大量的電子工程和聲學(xué)方面的問題,。“但是，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(jù)，證明這無法實(shí)現(xiàn),。”所以,，她找到了uBeam公司，來研發(fā)這項(xiàng)技術(shù),。
目前,，他們已經(jīng)開發(fā)出了uBeam發(fā)射機(jī)的原型樣機(jī)。它相當(dāng)于一臺(tái)定向揚(yáng)聲器,，可以將超聲波聚焦,，產(chǎn)生一個(gè)能量“焦點(diǎn)”；與電子設(shè)備相連的接收器負(fù)責(zé)接收這股能量,，并將其轉(zhuǎn)化為電能,。她計(jì)劃在兩年內(nèi)推出*批產(chǎn)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(dòng)設(shè)備在進(jìn)行高耗電操作時(shí)不會(huì)用盡電量,。擺脫電線的束縛,，還能帶來嶄新的室內(nèi)裝修設(shè)計(jì)思路。此外,，目前載有沉重輸電線纜的飛機(jī),、汽車、太空船等運(yùn)載工具,，重量也可以大幅降低,。
“總的來說，無線充電技術(shù)將*改變我們與物質(zhì)世界的作用方式,，”佩里說,，“我們將不再受制于電源插座。”
儲(chǔ)存熱能的電池
基于熱耦合效應(yīng)的新型電池,，可以將白白流失的熱能轉(zhuǎn)化為電能,，這一技術(shù)擁有巨大的應(yīng)用前景。
在工業(yè)生產(chǎn)中,，每年都有100億瓦特的電量以熱能的形式被浪費(fèi)掉了,，而這些能量足夠?yàn)?000萬戶家庭提供照明用電。通過熱電效應(yīng)(thermoelectric effect),，就可以利用溫差發(fā)電,，把這類熱能轉(zhuǎn)化為電能,。但是，這樣也只能利用其中的一部分,。麻省理工學(xué)院的博士后研究員楊遠(yuǎn)(Yuan Yang)解釋道：這是因?yàn)閹资陙淼难芯慷急砻?，需要達(dá)到500℃以上的溫差，才能產(chǎn)生出具有實(shí)際使用價(jià)值的能量,。不幸的是,，據(jù)美國環(huán)境保護(hù)局(Environmental Protection Agency)的估計(jì)，在美國每年浪費(fèi)的能量中,，有三分之一都是以低于100℃的溫度逃逸掉的,。
楊遠(yuǎn)和他的導(dǎo)師、斯坦福大學(xué)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(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵是利用了熱耦效應(yīng)(thermogalvanic effect,，與熱電效應(yīng)有類似之處),。在這個(gè)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(chǎn)生溫度差,。研究團(tuán)隊(duì)使用不帶電的電池芯，配以銅電極,，在高溫時(shí)進(jìn)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(shí)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(dá)到能將如此小的溫差轉(zhuǎn)化為電能的程度,，楊遠(yuǎn)介紹說。而且在實(shí)現(xiàn)商業(yè)化前,，這項(xiàng)技術(shù)還需要很多的研究工作來進(jìn)一步完善,。但是，人們遲早會(huì)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(fèi)掉的熱能轉(zhuǎn)化為電力。“這一場景非常誘人,，”楊遠(yuǎn)說,，“因?yàn)楸焕速M(fèi)掉的熱能隨處可見。”
新型聚合物“泰坦”
環(huán)保,、高強(qiáng)度,、可自我愈合,、可回收的聚合物，將改變汽車,、飛機(jī)等諸多行業(yè),。
當(dāng)化學(xué)家珍妮特·加西亞(Jeannette García)在zui近用過的一個(gè)燒瓶里，發(fā)現(xiàn)了一塊糖果大小的白色材料時(shí),，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(dāng)她再次用舉起錘子，去敲打這塊材料本身時(shí),，后者卻毫發(fā)無損,。“當(dāng)意識(shí)到它的有多堅(jiān)固時(shí)，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(xué)家。zui終,，她在幾位同事的幫助之下解開了這個(gè)謎團(tuán),。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(jiān)固的塑料,，能用于從智能手機(jī)到飛機(jī)機(jī)翼等眾多產(chǎn)品中。雖然在每年生產(chǎn)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*種可回收的、具有工業(yè)級(jí)強(qiáng)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(xué)反應(yīng)進(jìn)行重新加工。在2014年5月的《科學(xué)》(Science)雜志上,，加西亞和同事介紹了他們的發(fā)現(xiàn),。
預(yù)計(jì)，對(duì)耐用且可回收的塑料產(chǎn)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(chǎn)汽車部件時(shí)，可回收材料的比例要達(dá)到95%,。“‘泰坦’恰恰可以地滿足這種需求,，”加西亞說,。此外，她相信這種新材料zui終還能推廣到更廣泛的應(yīng)用中,，包括抗蝕抗菌涂層,、給藥設(shè)備、粘結(jié)劑,、3D打印,、水凈化領(lǐng)域等。
“泰坦”還有其他優(yōu)點(diǎn),。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(shí)，它會(huì)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),。“如果將海德魯切成兩半,，再放回一起，它們會(huì)立刻互相粘結(jié),，”加西亞介紹說,。這樣，“泰坦”就可以用作粘合劑,，或者自修復(fù)涂料,，其他相關(guān)的化學(xué)產(chǎn)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(yīng),。”加西亞說。