化学的世界由于存在许多非常相似的用片假名表示的分子，因此似乎很难记。但是，如果把它们当作独特的角色，并在脑海中想象它们的功能，可能会一下子产生亲近感。最近就有一项令人惊讶 “简直像生物一样！”的研究成果，在此为大家介绍一下。
东京大学的一个研究团队发布论文称，通过将合成高分子穿过一种被称为“金属有机骨架化合物（MOF）”材料上的小孔，成功识别了单体（高分子的单元部分）的序列（类型和排列顺序）。根据单体类型的不同，一些单体会像海洋生物海鳗一样“自发”进入小孔，而有些则不会，由此便可以识别序列。如果这项研究能够取得进展，并确立成为合成高分子单体序列的读取（测序）技术，将有助于材料的开发，并有望在未来促进新的信息存储介质的开发。
研究概要。根据高分子的单体序列，有些会自行进入MOF的孔中。就像有生命的生物一样（供图：东京大学）
受到生物启发，开始实验
高分子是由许多单体连接在一起组成的长绳状巨大分子。包括尼龙、聚酯和聚乙烯等比较耳熟的材料，广泛应用于服装、容器、合成橡胶、粘合剂和化妆品等，支持着我们的日常生活。这些是人类创造的合成高分子。天然高分子有淀粉、蛋白质、DNA、RNA、天然橡胶和金刚石等。
Poly是一个前缀，意为“很多的”。例如，许多单体“苯乙烯”连接在一起的分子即高分子“聚苯乙烯（polystyrene）”。高分子聚合而成的物质即“聚合物”。很多时候人们将高分子和聚合物作为同样的意思使用。
高分子通常呈绳状，但由于它们像线团一样缠绕在一起，因此很难读取内部的单体序列。另一方面，在生物体的细胞内，核糖体蛋白质在小孔中捕获细长的RNA，并精确读出单体序列的碱基序列，即遗传信息。东京大学研究生院工学系研究科副教授细野畅彦（高分子化学）等的研究团队从这些生物活动中获得灵感，以合成高分子的单体序列测序为目标进行了实验。
作为可以通过合成高分子的有孔材料，研究团队着眼于MOF。MOF是一种金属离子与有机分子结合的材料，其晶格状的骨架通常被比作攀爬架。由于可以将二氧化碳和甲烷等气体截留在骨架之间的小孔中，因此作为一种优秀的吸附剂而备受关注。MOF是由京都大学特别教授北川进于1997年开发的。
蚯蚓？海鳗？“难以想象的事情发生了”
细野副教授等考虑了高分子能够轻松通过的孔的形状，并选择了骨架为“蜂巢隧道”型的MOF，而不是攀爬架形状。原料是铁离子和用于塑料瓶等的对苯二甲酸。这些铁离子以小点状周期性地排列在隧道状孔的内壁上。已知当这种MOF吸收分子时，晶格会发生变化，导致孔洞增大。如果这种MOF能将特定单体吸入孔中，而不吸收其他单体，则有望为测序开辟道路。
实验使用的“蜂巢隧道”型MOF。孔的内壁上排列着铁离子，可吸收特定分子且孔洞变大（供图：东京大学）
实验首先尝试用这种MOF吸收用于合成树脂的聚苯乙烯，但孔洞没有变大而无法进入。随后，当研究人员尝试用结构和组成与聚苯乙烯非常相似，但特定位置的一个碳原子被氮原子取代的单体“4-乙烯基吡啶”高分子时，发现孔洞变大并成功被吸入。这表明孔内的铁离子与4-乙烯基吡啶的氮原子成功吸引并结合，导致孔变大。换言之，这种MOF排斥苯乙烯，接受4-乙烯基吡啶，可将二者区分开来。
那么高分子究竟是如何进入MOF的孔洞的呢？“它们不会是像蚯蚓那样爬进去的吧？”，细野副教授回答道：“不，它们就是像蚯蚓那样爬进去的”，不禁让我大吃一惊。“这难以置信吧。但它确实发生了，这也是这项研究的最大看点。我们经常将其形容为会钻入洞中的海鳗。虽然没有实际看到，但可以想象成‘像生物一样’。”
实验过程并不复杂，将高分子溶解在溶液中，加入粉末状的MOF，然后加热至150度。稍后，4-乙烯基吡啶便会进入孔中。就好像铁离子在召唤4-乙烯基吡啶说“快过来快过来”一样。
在这里，笔者提出了一个单纯的疑问。如果MOF的孔太小，高分子就无法进入，氮原子与铁离子将无法结合，孔也不会变大。如果是这样，高分子最初是如何进入的呢？对此，细野副教授回答道：“这是一个先有鸡还是先有蛋的问题，其实我们也不是很清楚。但据猜测可能是末端的少数分子首先结合，然后孔才会打开。”
精确识别单体，以及……
接下来，研究人员测试了与4-乙烯基吡啶高度相似，但氮原子位置不同（结构异构体），在分子结构中位于更靠后位置的“2-乙烯基吡啶”高分子。结果发现，氮原子与孔壁上的铁离子距离太远，没有发生结合，2-乙烯基吡啶也没有进入孔中。该结果表明，氮原子在单体中的位置是决定是否结合以及孔是否变大的关键，且MOF可以非常精确地识别单体。
到目前为止的实验结果。只有在4-乙烯基吡啶高分子的情况下，MOF的孔才会变大（large-pore）并吸入。氮原子（N）的位置是关键（供图：东京大学）
研究人员继续进行了实验。使用了在之前实验中没有进入孔洞的苯乙烯和进入孔洞的4-乙烯基吡啶混合的“共聚物”（由多种单体组成的高分子）。结果发现，在这些不规则连接的“无规共聚物”中，当苯乙烯的比例较高时，无法进入孔中，但当4-乙烯基吡啶的比例超过50%时，孔会突然变大并进入。经过进一步调查后发现，这是因为铁离子可以识别4-乙烯基吡啶。细野副教授表示：“这是首次证实可以通过MOF的孔来识别合成高分子的单体序列，是一项重大发现。”
苯乙烯和4-乙烯基吡啶混合的无规共聚物在4-乙烯基吡啶的比例超过50%时，会进入MOF的孔洞（供图：东京大学）
共聚物除了无规共聚物之外，还包括2种由1种类型的单体聚合而成的“均聚物”连接在一起形成的“嵌段共聚物”。迄今为止，当两者混杂在一起时，很难能识别和分离。
均聚物和两种共聚物（供图：东京大学）
准备苯乙烯和4-乙烯基吡啶比例一致的无规共聚物和嵌段共聚物。当将MOF加入这些混合溶液中时，只有嵌段共聚物进入孔中。即使4-乙烯基吡啶的比例仅为20%左右，嵌段共聚物也能进入孔中，但无规共聚物却不进入的差异，因此可以简单地将两者分离。
上述成果于6月21日发表在国际化学期刊《Chem》电子版上，东京大学于同月22日公布。
为高分子和MOF应用开拓新道路
尽管天然高分子DNA的测序技术已得到广泛应用，但对于合成高分子却很难实现。细野副教授表示：“利用合成高分子可以进入MOF孔的事实，今后有望在高分子领域做出新的尝试。本次的成果为合成高分子单体测序的实现创造了突破口。”
然而，此次的研究成果还处于可识别事先已知单体序列的高分子的阶段。只有从未知序列中提取出序列信息，才能称之为单体测序。因此，有必要继续推进研究并适用各种单体。如果该技术一旦确立，将有可能应用于高分子材料的开发以及高纯度化和高功能化。还有望应用于塑料分类。这也将为一直以来主要作为吸附剂进行研究的MOF开辟新的用途。
细野副教授进一步指出：“如果能准确读取序列，还有望用于信息存储介质”。作为下一代信息存储技术，使用DNA碱基序列的“DNA存储”研究正在全球范围内开展，而这可以说是该技术的合成高分子版本。并强调道：“DNA只能使用4种单体，而合成高分子可以使用超过100种单体，理论上具有压倒性的信息容量。尽管或许是在遥远的未来，但我相信，其可能带来一场使我们的生活发生巨大变化的信息革命。”
廉价的服装原料尼龙和聚酯是在1940年左右开发出来的。其后，塑料取代木材、金属和玻璃被广泛使用，合成高分子已成为生活中不可或缺的一部分。而未来的人类可能会以我们意想不到的方式依赖高分子生活。
原文：草下健夫/JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
【相关链接】
东京大学新闻稿“开发出解读隐藏在高分子中信息的新技术”
