非常小事物的巨大潜力 - 彭博社

迈克尔·鲁克斯不是生物学家，但他听起来确实像一个。鲁克斯是加州理工学院的物理学家，他最初的成名之作——至少在纳米技术这个深奥的领域——是他构建分子级机器的工作。他开始意识到这些超微小设备作为生物传感器的诱人前景。他相信，总有一天，这些传感器将能够实时追踪人类细胞内部复杂的电化学信号交响曲。如今，科学家们用来理解这些过程的方法——从DNA转录到细胞如何应对入侵者——只能通过破坏细胞并检查残留的化学痕迹来完成。

鲁克斯的愿景是利用这些工具帮助建立一个个性化医疗的新纪元。未来，纳米级的机电设备与强大的计算机相连，将能够通过不断采样流经身体的分子来监测人类健康。病毒即将来临的早期迹象可能会发出休息的警告。癌症标志物会在严重损害开始之前将患者送往医生那里。治疗将根据每位患者独特的病理进行定制。

这位物理学家对这一生物愿景的执着使他放弃了进一步开发机器本身的工作，而转向探索如何利用这些机器改变生物学。2004年4月，鲁克斯成立了纳米动力学公司，这是一家将探索和开发这些技术的初创公司。他最近与商业周刊的行业编辑亚当·阿斯顿谈论了纳米机器和人类健康的未来。以下是他们对话的编辑摘录：

问：生物学中纳米尺度设备的关键创新是什么？

答：

在尺寸和灵敏度方面，纳米尺度设备提供了与单个分子相互作用的潜力。纳米机械设备使我们能够测量结合生物分子的力——例如，抗体与抗原之间的力——在涉及的单个氢键的尺度上。

问：这对生物学和医学意味着什么？

答：

这具有巨大的影响。想想基因组革命。我们认为聚合酶链反应 [PCR] 是基因组学的关键之一：基因如何复制以及开启和关闭。PCR使我们能够用大量复制的DNA填充试管，以进行必要的测试。

与此相比，蛋白质组学是研究蛋白质的结构和功能。纳米机器可以帮助我们解锁蛋白质组学中的大量知识。这是理解分子生物学的下一步，但我们没有能力以相同的方式复制蛋白质，以如此大的体积进行研究，因此它们更难研究。此外，我们正在了解到，蛋白质的数量 [在人类蛋白质组中] 远远超过我们基因组中的基因数量。

问：纳米机器将如何使这一切成为可能？

答：

现在出现的纳米传感器和纳米机器表明，我们最终将能够进行个体“个性化”医学。考虑癌症的例子。通过基因组时代出现的所有创新和工具，我们现在可以对患有癌症的大量患者进行分子分析，逐个患者进行。但是今天，详细的组织样本通常来自尸检。实时基因组分析可以帮助揭示每个患者的相似癌症在分子水平上是独特的。

问：这对医学业务意味着什么？

答：

今天，大型制药公司对这些疾病的目标非常广泛，而不是单独针对。但在分子层面上，每个癌症的发生都是不同的，因此大宗药物的方法根本不适用。[在未来]每种疾病将被独特地治疗，作为一种分子上不同的表现。这种新范式对大型制药公司造成了冲击。如果我们关注的是个体而不是一般疾病类别，就不会有立普妥，也不会有十亿美元的大药物。

问：这将多久发生？

答：

实验室和临床医生将在未来几年内首次使用这些设备，而这些设备的非常简单版本的商业生产可能在未来五年内实现。

问：那么，考虑到这些进展，未来的患者可能会经历什么？

答：

医学将是个性化的、定量的，并将在实时中执行。起初，我们将拥有小型设备，每天几次提取一点唾液或针刺一点血液，并提供我们当前生理状态的完整读数。这些数据将由强大的生物信息学软件进行处理，输出我们此刻应该做什么——无论是帮助更快地从前一晚的放纵中恢复，抵御感冒，还是其他更令人担忧的事情。

更严重的情况可能需要主流医学的干预。但有了这些设备，临床团队从一开始就会掌握定量信息，以此为基础制定初步干预措施。

以后，这些设备可能会在体内使用——作为医疗植入物，提供持续的实时诊断。这些设备可能会通过无线方式连接到外部处理器和庞大的医疗数据库。是的，这引发了关于个人隐私和医学伦理的重大问题。但我绝对相信，这一医学的重大变革是不可避免的。

问：技术是如何使这一切成为可能的？

答：

有许多推动因素。它们现在正在实验室中形成：在分子水平上工作的超灵敏传感器、能够操控和读取单个细胞信号的微流控生化处理器芯片、分子生物学等等。从这些新协议中流出的生物数据确实是巨大的，并且只会增加。因此，处理这一新一代工具产生的大量数据将需要巨大的计算能力。

问：这种传感器如何能够进行实时生物检测？

答：

今天正在进展中的技术将使整个基因和蛋白质“阵列”缩小到单个细胞的大小，从今天的厘米级缩小到微米级，它们的信号将作为电信号读取。这些将嵌入微流控生化处理器中，使芯片级细胞培养中的每个细胞都能被持续监测。

问：实施纳米级生物传感设备的关键障碍是什么？

答：

有三个。目前，大多数纳米科学集中于——也许过于迷恋——单个设备和有趣的基本效应。这些传感器的有效全面部署只有在它们的大规模集成以产生高度复杂的系统时才会成为可能。当然，批量生产这些系统的技术也是必不可少的，以确保它们不仅仅是独一无二的好奇物。

其次，在许多方面，纳米科学的理论仍然处于初期阶段。它基于基础物理科学做出相对简单的假设，但数百或数千个纳米级过程的并行操作将引入我们尚未面临的巨大的未知相互作用和后果。

第三，材料问题。在自然界中，生物学通过化学、生物学、离子学、微流体等的融合来运作。当我们真正进入纳米级实时生物传感的领域时，肯定会通过来自不同学科的系统和方法的类似融合来实现。

编辑：帕特里夏·奥康奈尔