《自然》子刊：中科院诞生世界首个“纳米水泵”

　　

生物通综合：纳米技术是近年来的一个研究热电，而纳米技术在生物医药领域等也表现出了广阔的应用前进。来自文汇报的消息，在最新一期的《自然·纳米技术》杂志上发表的一篇文章报道称，我中科院上海应用屋里研究所创造出了世界首个纳米尺度“小水泵”的设计。

 

这个“纳米水泵”能驱赶水分子排成一串“单人”长队，源源不断地飞快通过纳米碳管“隧道”，这可能为人类污水处理、海水净化找到更简捷易行的途径。

 

进入纳米世界，想让水往一定方向流，就不像在河边安个水泵抽水那么简单了。研究人员一直想找到一种方法，让纳米水泵也能像河边的水泵那样，一通电就能把水往一定地方送。        

水为何能有序地进出细胞膜？生命体里的蛋白质水通道，给了上海应用物理所方海平等研究人员别样的灵感——一种蛋白质用自己氨基酸残基形成的微弱电极，“牵引”水分子挨个进入或退出细胞，井井有条，绝不会发生出入混乱的隧道“践踏”事件。        

借助于生物学的背景，论文第一作者、上海应用物理所在读博士研究生弓晓晶在导师的指导下，将蛋白质上的微弱电极“仿真”到纳米碳管的模型上，让水分子在电场的牵引下，列队通过细小到仅容单个水分子通过的纳米碳管。        

令研究人员感到意外的是，在纳米尺度下，水分子排队过“隧道”的速度异常迅速——几乎是从经典流体力学估算出的流速的一万到十万倍。美国肯塔基大学化学材料工程系布鲁斯·J·辛茨教授在杂志的特约评论中对“纳米水泵”的应用前景给予了高度评价：“分子动力学模拟揭示，这个纳米泵的新概念可以在嵌在高分子基质中的大面积碳管膜中得到验证。有了这一平台，与细胞内控制化学输运的相似机制将会应用到更大的人造薄膜上。这对宏观尺度下的化学分离、水的净化、传感检测以及药物输运有着重要的应用。”

此前，方海平与浙江大学物理系交叉学科实验室博士研究生李敬源和美国IBM Watson研究中心研究员、浙江大学生物信息中心客座教授周如洪合作，通过对水通道蛋白的简化模型(即合适半径的纳米碳管)的分子动力学模拟研究，揭示了在纳米尺度下水通道所具有的独特开关特性的分子机制：“排成一列”的水分子之间稳定的氢键相互作用，使纳米水通道一方面可以不受外界环境中无处不在的“噪声”影响，另外又可以有效地对真正的信号作出反应。这一研究成果3月6日发表在美国《国家科学院院刊》（PNAS）上，文章的研究结果和科学意义得到了审稿人的认可。

细胞是组成生物体的基本单位，每个细胞像一座城池，细胞膜上的磷脂双分子是负责隔绝的“城墙”，而镶嵌其中的各种膜蛋白分子则是流通物质和能量的“门窗”。美国科学家彼得·阿格雷博士发现，细胞膜中存在一种专门允许水分子出入的水通道蛋白，他因此获得了2003年的诺贝尔化学奖。在人体中，目前已经确定的水通道蛋白有11种，其中大部分存在于肾脏、大脑和眼睛中。这种蛋白功能的损伤与多种疾病有关。但是，细胞膜蛋白水通道让水分子进出的具体工作机制，尚有待科学家进一步探索。

方海平, 男，1985年毕业于山东大学， 1994年在理论物理研究所获博士学位。1997—1998年香港科技大学物理系访问学者，2000—2001年美国John Hopkins大学机械工程系访问副教授。2002年获中国科学院“引进海外杰出人才”资助至上海应用物理研究所工作。现为核物理研究室副主任。1985-1990从事粒子物理学的理论研究。自1991年起从事非线性科学和流体动力学的理论研究，1995年初起，研究晶格玻尔兹曼方法及其在石油开采等方面应用。

 

1998年初，方海平开始理论物理、计算流体力学和工程、生物学、医学的交叉边缘学科的研究，包括应用PC机群进行血液流和血液中的红、白血球的行为、DNA分子和蛋白质在液体中的行为等等方面的理论研究。曾作为中方负责人主持国际合作项目“中法先进研究计划M97-05”（法国外交部和中国科技部联合资助）。1995年与曹良月等发表的一篇论文被认可为在国际上应用小波网络于混沌时间序列预测的典型工作，作为第八章编进2002年在美国出版的大学教科书“Foundations of Wavelet Networks and Applications”的第二版“。

 

方海平博士的研究方向包括：DNA分子和蛋白质的力学性质与其结构的关系，DNA分子和蛋白质与表面水分子的相互作用等的理论研究；用晶格玻尔兹曼方法研究血液流和血液中的红、白血球的行为。（生物通雪花）