互动科普

30多年前，在瑞典隆德大学，我带领学生与其他研究小组一起，研制出了多种能在纳米范围内起作用的“渔网”。这些“渔网”能够捕获活细胞和更小的生物分子——例如酶或者其他分子。在适宜的条件下，我们所“捕获”的细胞或酶，能在生物体外的几个月时间内，一如既往地“工作”。

现已证明，固定化技术（通过化学或物理方法将游离的细胞、微生物或酶分子加以固定，使之不溶于水，但仍具有高生物活性）在众多领域都备受青睐（参见《科学美国人》1971年3月号，克劳斯·莫斯巴赫所著《酶的人工固定化》一文）：在今天各类药品中很常见的天冬氨酸，就是采用固定有大肠杆菌的塑料网生产出来的。在食品工业中，包裹了特异性酶的塑胶还能将葡萄糖转化为甜度更高的果糖。甚至在生产用于制造塑料网的原材料时，一个网-酶组合也能帮上忙。更让我们高兴的是，固定化技术的应用远未发掘完全，更多领域，比如在医药领域的应用还有待拓展。尤为引人注目的，是固定化细胞在医疗中的巨大作用，它们可以替代那些功能失常或者已经死亡的细胞，例如糖尿病患者所需要的β-胰岛细胞（产胰岛素细胞）。

不过，最初的固定化工具仅仅代表了基于塑料与分子相交联的设计技术的雏形。今天，在全世界范围内，已有500多名研究人员投身于新一代技术的应用研究——分子印迹。在分子印迹技术的发展过程中，我起到了极为关键的作用。以生化原理为基础，我的研究小组发明了一种被广泛认可的技术。还有一些著名的科学家，他们以有机化学原理作后盾，也提出了很多新方法，例如德国杜塞尔多夫海因里希-海涅（Heinrich-Heine）大学的京特·武尔夫（Gunter Wulff）、美国加利福尼亚大学欧文分校的肯尼斯·J·谢伊（Kenneth J. Shea）。

一般而言，在塑料珠或者其他载体表面，会覆盖特定分子的印迹——也就是这些分子的模型，然后这些印迹将“奔赴”自己的工作岗位，对特殊分子进行筛选。一旦这一技术完善，它在许多领域都大有可为。在食品工业中，它可以除去致癌物质（如黄曲霉毒素）；在生物医药行业，这一新技术也开始逐渐成为耀眼的“明星”，它可以缩短药物研发前期阶段所消耗的时间，降低研发成本，也可以用于药物的分离纯化，还有助于医学装置和诊断工具的研发。

功能强大的分子印迹

在隆德大学，我的实验室在研究固定化酶和细胞的方法时，我开始思索一个问题：假如我们对“捕鱼”技术进行改良，让“渔网”在捕获目标分子后，以一种特殊的形式来包裹它们，便于我们把目标分子从“渔网”上洗脱，留下永久的印迹，然后就可以反复利用多次，这是否可行呢？在这之后，这些印迹是否还能捕捉同类型的其他分子呢？如果可能，我认为这项技术将前程无量：能胜任多种工作，可以在多种化合物的混合物中，分离纯化出目的分子（因为只有具有正确分子结构和化学官能基团的分子才能嵌入这些印迹）。

20多年来，为了研发新一代固定化技术，我的团队断断续续地进行着试验，我把这个项目称为“月光研究计划”。因为提出了自己的想法，就得去验证想法背后的原理，但我们的研究计划没有任何正式的基金资助。在那段时间，流言四起，我曾听说，一些财政官员竟然还认为我的想法很牵强，与玩魔术、变戏法没什么两样。

几十年过去了，功夫不负有心人，我们找到了一些制备分子塑料印迹的方法，也开始有资金投入进来支持研究。我们尽量简化制作工艺，就算是制作包含了成千上万个印迹的珠子或者薄膜，也只需几天的时间就可以完成。在印迹的制备过程中，技术人员首先要做的，就是将需要的目的分子——即模板，与特定的塑料单元混在一起。这些单元（也叫单体）会在每个模板周围形成一个塑料网络。然后，技术人员再用溶剂将目的分子溶解，留下“印迹斑斑”的塑料材料。对于模板分子的结构、化学基团，材料上的每一个印迹都“记忆犹新”。

这些塑料印迹叫作分子印迹聚合物，我也简称它们为MIPs，它们具有普通生物分子无法比拟的优势：它们造价低廉，一是因为塑料单体很便宜，二是生产时间短；它们就像普通塑料，即使在极端条件下，仍然能在长时间内保持稳定性。我们实验室制备的MIPs，虽然有些已经“诞生”了一年的时间，但活力依旧。

MIPs有许多潜在用途，从血液中除去代谢废物或者毒素就是其中之一。我们的设想是，将有害物质的印迹展示在塑料珠子上，然后填充到管子中。比方说，可以为一位身患肾病的人提供一台MIP装置，就可以依靠装置上的一根或者多根聚集在一起的MIP管子，清除血液系统中的危险毒性物质。当病人的血液流经静脉，在血管和MIP管之间流动，印迹珠子将会选择性吸附代谢废物或者毒素。随后，清洁的血液会重新进入血液循环。理论上，坚持使用MIP管能降低血液透析的频率。一旦MIP管被有害物质充满，便可以移去MIP单元，或更换一根新的MIP管。

随着印迹装置不断发展，它还可用于去除身体其他部分（如胃肠道）的有害物质。例如，胆固醇分子印迹能把胆固醇从溶液中提取出来。

在制药工业中，如果药物分子存在两种呈镜面对称的异构体，而其中一种可以治病，另一种却有毒时，MIPs就显得特别有用，因为它可以准确地分辨“孰是孰非”。药物沙利度胺（Thalidomide）就是典型的例子。20世纪50年代末到60年代初，人们还不知道沙利度胺有一个有毒的“孪生兄弟”，十几个国家以处方药的形式，将混杂了有毒成分的沙利度胺开给妇女们服用。悲剧由此诞生：服用了这些药物的怀孕妇女生下的小孩，有1万多个严重畸形！而罪魁祸首就是沙利度胺的有毒异构体。

在生产药物时，技术人员通常只会合成单一镜面构型的药物分子，但生产方法的缺陷，仍会导致少量有毒分子构型的产生。与典型的商业技术相比，以MIPs为核心的技术在检测和清除有害药物成分时，将更加有效，因为每一种分子印迹只会对应一种分子构型。

MIPs拥有出众的检测能力，一些预防恐怖主义袭击和突发性疾病的公司、政府部门，将MIPs作为一种传感器，用以监测环境中的毒素和致病体（病原）。目前，有很多传感器的“触角”都是一些生物分子，尽管它们也能胜任检测工作，但是它们却不够“强壮”，在环境恶劣的条件下，它们根本无法完成检测工作。

在试验中，MIPs已能检测出多种有毒物质，除草剂阿特拉津（Atrazine）便是其中之一。神经毒气沙林也在MIPs的检测范围之内。沙林常被用于生物恐怖袭击，在上个世纪90年代中期，一伙邪教徒曾在日本两次释放沙林毒气进行恐怖袭击。在这两次事故中，有19人中毒身亡，数千人身心受损。 MIPs还可检测令人谈虎色变的炭疽芽孢杆菌。2001年秋，恐怖分子曾将炭疽杆菌装入信封中，邮寄给美国的政府官员以及一些媒体工作人员。

给一个传感器配备多种MIPs，这样就能在一个样品中一次检测出多种化学成分。毫无疑问，这是一个伟大的设想。如果再把这种多功能传感器安装在电子芯片上，当它探测到有毒物质，芯片就会将信息“告诉”信号接收器。于是，配备了多个MIPs的传感器就能清除有害物质。不论是企业还是政府部门，都对多功能传感器表现出浓厚的兴趣，期望将它用于湖泊、河流和土壤的污染治理。

模拟天然分子

只要分子或微生物与模板相匹配，MIPs就能捕获它们。依赖这种能力，MIPs可以胜任很多工作。不过， MIPs的能力还不只这些，它还能模拟整体或者部分天然分子（如一个抗体）。当我们的免疫系统察觉到有外来物质，例如一些病毒或细菌，通过某种方式进入人体，免疫系统就会分泌抗体抵抗感染。抗体分子具有高度特异性，就像一把钥匙只能开启一把锁，每种抗体也只能紧密结合（识别）一种分子，其他分子则无法识别。鉴于此，开发诊断试剂的科学家一直打着抗体分子的主意。检测血液样品时，如果血液中存在病原菌，相应抗体就会与之结合，表明人体被病原菌感染。其他一些抗体则能测出血液中多种蛋白的浓度。

要生产诊断试剂，就需要大量的抗体，如何制取呢？诊断试剂生产商的一个方法，就是把外源蛋白或其他化合物注射到山羊等动物体内，再由技术人员抽取动物的血液，从中提取出抗体；还有一个方法是制备长效抗体模拟：以塑料为原材料，特定抗原为模板，制作出抗原的分子印迹。从本质上来说，这样的MIPs具有与相应抗体一样的抗原结合位点。我们实验室将这样的抗体称为“塑料抗体”（Plastibodies），在很多测试中，它都能代替天然抗体，因而减少了对试验动物的需求（因为研制塑料抗体，我获得了瑞典的动物保护奖）。塑料抗体是我研究工作的一部分，也是我那十几岁的女儿唯一能够完全理解、并为之喝彩的一部分。

MIPs也可以作为工业酶的长期替代品。在自然界，每一种生物能产生成千上万种酶，而每种酶都能在一个生化反应中起催化作用，既可以在分子的特定部位将它“拦腰切断”，也可以将两种“互不相识”的分子融合在一起。正常情况下，当酶的底物嵌入酶的活性中心时，就会发生酶催化反应。

为了制造人工酶，也就是“塑料酶”（plasticzymes），我的实验室以及其他研究小组都在试着以酶的底物的特定构型为模板，制造出塑料印迹，从而模拟酶分子活性位点的三维构型。我们制作的印迹单体和塑料酶，就具有与天然酶相似的化学官能基团。沿着这样的思路，我们首次试验便获得了具有一定酶活性的塑料酶，但我们需要对MIPs加以改进，让它拥有更高的活性。塑料酶还能完成天然酶所不能完成的工作，例如，它能分解某些毒素，达到解毒的效果。

未来的分子印迹技术

现在，我的研究小组已经在开发MIP的两个分支技术。其中之一，是制造模板分子的模拟物。更确切地说，它生产与模板具有相同三维结构和功能的物质。与模板相匹配的分子构型、在特定位置上与模板相同的电荷排布，共同赋予了模拟物与模板相同的功能。我们称这种技术为双印迹，因为它是用一个印迹制造出新分子，因而在本质上，新分子是一个印迹的印迹。在制作出原始印迹之后，我们用这个印迹作为一个微型模具（相当于纳米容器），再将分子片段或者塑料聚合物的前体置于纳米容器中。随后，我们让这些成分聚合，形成与印迹形状相匹配的单一分子。

双印迹技术是制药公司的好帮手。利用双印迹技术，既可以对公司原有药物进行改良，也可以改进竞争对手的专利产品。目前，制药公司采用的主流技术是组合文库技术，但这种技术却需要进一步发展。组合文库包含了成千上万种相关药物，需要测试每一种药物对特定生物分子的结合能力（随便提及的是，生物分子可能会被更稳定的MIP对应物替代）。然后，那些能够结合生物分子的药物再进行下一步试验。相比之下，双印迹技术更加引人注目。我们将不同的材料放入通过印迹产生的纳米容器，让材料进行混合、配对，然后挑选出具有成功希望的组合。与组合文库的筛选相比，我们的技术能显著地简化步骤，更容易发现好的候选药物进入下一轮试验。

MIP的另一项分支技术，我们称之为直接成型，目前只有少数研究小组在使用。它可以用一个生物分子（通常是酶分子或者其活性部位）作为纳米容器的一部分来研制新药。在研制某些药物（如特定酶类的抑制剂）时，这种技术尤为高效快速。大体上，市场上1/3的药物都是酶抑制剂，因而高效快速的酶抑制剂研究方法具有重大的应用价值。

有些酶的催化反应与肿瘤的恶性生长有关，如何阻断这些酶的催化反应呢？对于制药公司而言，最好的解决方法就是制造一种分子，能插入酶活性位点，阻止该位点与底物发生相互作用。面对不计其数的药物，研究人员也许会盲目地进行全面筛选，希望鸿运高照，筛选到所需要的药物。或许，他们可以在酶的活性位点插入一些单体或者其他小分子药物——就像双印迹技术那样。然后，挑选出能够紧密结合的药物，看它们能否抑制活细胞内的酶的活性。

与所有新技术一样，要真正走上应用这条道路，就得解决制备MIPs所面临的一些难题。如何放大印迹的制备规模？在印迹的制备过程中，我们如何确保每一个印迹都一模一样？是不是还有更有效的方法洗脱模板？这些都是需要我们去解决的问题。

分子印迹领域正在蓬勃发展，而我们也在努力冲破障碍，不断开发和改进现有的MIPs及其系列产品。制药和生物技术行业对分子印迹技术的浓厚兴趣，使我们倍受鼓舞。令我感慨的是，在自然界中需要几百万年才能演化产生的分子，在今天只需要几天就能够研制出来。当分子印迹技术得到广泛应用时，必将加快药物研发，为后续应用奠定基础，我希望这一天早日到来。