来源:西湖大学微信公众号 发布时间:2023/4/7 15:34:10
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程钢加盟西湖大学:从血管到大海,都是我思考的边界

 

当一艘远洋货轮航行在太平洋上;

当黑色原油以每秒1.5米的速度在管道内流动;

当手术病人的导尿管开始充满了淡黄色的液体;

当一种药物被注射进入人体的红色的血液中。

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程钢在实验室

从宏观到微观,上述情景,都要面临同一个问题。

这个问题,十几年来,一直在程钢大约1500ml容积的颅内里打转。

在国外求学和任教近20年后,程钢从伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)离职,全职加盟西湖大学工学院,组建生物材料以及分子工程实验室。实验室的搭建需要耗时数月,接近尾声的时候,我们在他的办公室聊了聊。

上午10点,阳光正好进入办公室的一个角落。

“我经常对做生物的人说我是做化学的,对做化学的人说我是做生物的。”程钢这样调侃自己的研究范围。他的家乡在中俄边境的一个小城,双鸭山市饶河县,隔着乌苏里江和俄罗斯相望。

世界总是充满了边界。在科学研究中,宏观和微观往往就有一个分界线。

但在程钢这,界线消失了。

对于大海航行的船只,相比乘风破浪,还有一个更棘手的问题。海洋中的生物会附着滋生,影响船体航行速度,甚至导致腐蚀破坏船体结构,影响安全。可不要小看对阻力的影响,最大可以导致阻力增大至60%,而这个问题有一个专门的名词:

生物垢(biofoul)

而在导尿管里将要发生的事情,和波涛汹涌的大海“类似”——尿液中的细菌会在导管壁上形成菌膜,影响使用。目前临床使用的导尿管,需要1到4周更换。

类似的问题还有很多——人造心脏瓣膜的钙化、血管支架引起的凝血、家中浴室或水管里的水垢和霉菌、甚至是牙齿上的牙菌斑……烦人的生物垢问题无处不在,困扰了人类数千年。

而这些生物垢的形成是否有一个共通的机理?反过来思考,人类想要避免这个问题,是否可以找到一些通用的解决办法?

在程钢这样的研究者眼里,生物体相关的生物大分子无非四种——蛋白质、核酸、脂类、多糖类。那么,这个看似跨越宏观和微观的问题,可以“抽象”为这四类物质和材料的“粘合”。

1999年,程钢从北京化工大学生物化学工程本科毕业,随后进入前化工部第一设计院工作。工作了3年,他决定去美国学习微生物工程。继续深造,本是他计划之内。硕士毕业后,他又攻读了化学工程的博士。这样的交叉背景,让他对生物、化学和工程之间有着独到的思考。

“生物的很多的现象是基于特异性的相互作用,并不这意味着你能够发现它不发生非特异性相互作用的原因,这是两回事,是不是?“程钢反问我。

我们来“翻译”下这句话——当你知道这些生物分子如何会“粘合”,但这不意味着你找到了让他们不“粘合”的方法。

两种物质“粘合”是一种特异性,但抵抗生物垢所需要的材料,需要非特异性,它需要尽可能广泛的普适性。

大概在25年前,美国哈佛大学的教授George Whitesides——中国网友也称他为白边教授——提出了自己对这个“普适性”的一种思考。他以单蛋白体系为例,如果一个材料需要和蛋白不发生“粘连”,需要满足“三大规律”:

亲水、氢健的供体、电中性

电中性很好理解,带电容易产生吸附。而前面两个特征,都和水有关,意味着材料表面形成水合层,从而“阻断”生物物质在表面的“生长”。

在这个思想的指引下,科学界开始寻找能够抵抗“生物垢”的材料。早期探索的一个材料是聚乙二醇,它的结合水层是靠氢键完成的,抗粘附相对较弱一点,而且它的结构不稳定,长期会氧化、断裂。另外,这一类材料且有免疫原性,不适合生物体内的应用。

在程钢还在美国读博士的时候,他就开始了抗“生物垢”材料的探索。那时,如果你对一位美国医生说,你开发出了抗菌的导尿管材料,对方会觉得你在天方夜谈。

但当时科学界已经在尝试各种材料中寻找可能。比如从甜菜中提炼的羧基甜菜碱,这种化合物整体上呈现电荷平衡,而正负电荷在分子水平均匀分布。另外,相比通过氢键作用产生的水合效应,羧基甜菜碱的水合效应更强。

通俗地讲,羧基甜菜碱会在材料表面“拉拢”一层水分子,并把蛋白质排开。这正是抗生物粘附性的根源。羧基甜菜碱的发现,慢慢打开了一个新的研究大门:

两性离子聚合物

2008年,程钢首次验证一种两性离子聚合物材料,它能够让绿脓杆菌菌膜在十天内无法形成。十天,在当时已经是一个巨大的突破,这是为什么?

实验室里的两性离子材料样品 / 受访者供图

“亲水性好的材料,往往也不太“稳定”,容易就跟水跑了。”程钢继续说。上午的阳光悄悄在办公室里移动,已经形成了一条光带。

这就需要继续对聚合物材料进行“设计”,比如,加入聚氨酯,增加化合物的“机械强度”。而一种高分子化合物,可以在设计层面千变万化,程钢关注的,是寻找这些设计的“通用法则”。

这个过程中,程钢不断延长抗菌的“时间记录”。最新的记录是六个月——有效抑制绿脓杆菌和表皮葡萄球菌形成菌膜。从10天,到6个月,这个过程让程钢用了——

12年

正如打通宏观和微观的边界,程钢倡导“全光谱研究”——从化合物的设计,到解决应用的问题,这是一条漫长的链条。但作为研究者,应该了解其中每一个环节。

每一种化合物的探索设计,它更应该是一个“材料平台”,在这个平台上可以开发出不同的应用材料。这就是为什么,在大海里保护船只的涂料,和在血管里保护药物的聚合物,有着共通之处。

毕竟,大海和血管,同样充满了各种不确定性和风险。

当药物进入血液,距离它的目的地,还有一段漫长而凶险的旅程。它可能被免疫系统识别捕获,也可能和血管内的各种蛋白质“粘连”。在还没有发挥药效的时候,药就先“阵亡”了。

特别是RNA核酸药物,需要送入细胞内部,其难度堪比登月。这个时候,程钢和他的团队,就还需要设计药物穿过细胞膜的机制,让聚合物“加挂”一些“配件”,让它能和细胞膜产生反应。聚合物就像是护送药物的“飞船”,安全稳定之外,还要确保药物能——

降落到“星球”上

科学的想象力,超越了我们日常经验的边界。比如,目前锂电池的能量密度已经呈现一定的瓶颈,而其老化问题依然不可避免。目前学术界正在尝试两性离子材料和锂电池相结合的研究,利用阴离子和锂离子相互作用提升电导率,而两性离子的阳离子部分,又能和阴离子作用,提高离子迁移数。而目前这样的研究正处在早起探索阶段。

程钢:哪怕1%的细菌在材料表面生长,也往往意味着接下来会变成99%

实验室搭建完毕,程钢和他的团队正紧密地着手新的探索。未来,他们开发的材料,可能应用出现在导尿管中,可能帮助药物抵达细胞的深处,可能护送船只长风破浪,可能在疾驰的新能源汽车上默默发挥着作用。

两个小时的聊天接近尾声的时候,太阳已经几乎调转方向,直射向办公桌。程钢特别说到,George Whitesides的那篇论文,发表在一个很普通的期刊,但这完全不影响它的重要性。

对于一个工科研究者来说,这个世界就是最顶级的“期刊”,最好的论文是那些能解决问题的方案。正如程钢自己所说:

我们最大的乐趣是创造世界上本不存在的东西。

(原题:《UIC程钢全职加入西湖大学:从血管到大海,都是我思考的边界》)

 
 
 
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