探索纳米材料基因组的可能性和局限性

原文发表在Qian, C., Siler, T. and Ozin, G. A. (2015), Exploring the Possibilities and Limitations of a Nanomaterials Genome. Small, 11: 64–69. doi: 10.1002/smll.201402197,以下为译文

摘要:面对每天出现在公开的和专利性文献中的大量的纳米材料,我们该怎么做?试想一下,通过建立一个以通用的纳米材料元素周期表为基础的纳米材料基因组,人们可享受到在科学和技术创新方面带来的好处—以一种智能和便捷的手段对信息进行分类,整理,筛选,排序,连接和使用。在这篇概念性文章中,受到于1989年开始的人类基因组计划、2011年发起的材料基因组计划以及2010年兴起的纳米信息路线图2020计划的启发,我们预想到拥有最先进数据挖掘工具的纳米材料基因组数据库未来的发展,这种数据挖掘工具可以利用推理引擎来帮助连接和解释纳米材料信息模型。它将配备最先进的可视化技术,该技术可以快速地对复杂纳米物质进行组织、画图、分类以及对其遗传性行为进行相互关联,这种复杂的纳米物质是从有其构成的纳米材料积木的编程信息中得到的。在此我们想象这种类型的纳米材料基因组计划(NMGI)具有服务全球纳米科学界的潜力——为大家提供了这样一个机会——通过发现创新工艺步骤,结构测定和性质优化,功能解析,系统设计和整合,认证和生产来实现对纳米材料发展在技术上的部署,并且这种技术是以一种环境负责的方式来应用这些多功能的纳米材料。在这篇文章中我们严格地评估了这一概念的可能性和局限性。

引言

基因组这个术语是一个在分子生物学和遗传学中用来描述在有机体DNA中的遗传信息是如何编码的信息描述符。虽然门捷列夫元素周期表中的元素和DNA的核苷酸碱基代码的载体是不一样的,但它们确实都携带了能通过化学方法控制组成、结构和性质之间关系来使具有特定功能和有目的的用途的分子和材料得到设计和发现所需要的全部信息。当超过一百个元素构建块进行排列和组合的数量提供了无限种分子和材料合成的可能性,只有通过对元素构建块的化学和物理性质进行合理、系统的理解和控制,分子和材料的发现过程才能变得容易处理。

Mirkin和Tomalia[1,2]以前曾介绍纳米材料周期表的概念,也指出了一个困难,只要纳米材料构建块在它们的尺寸、形状和表面结构方面的变化存在固有缺陷,就不能称之为“纳米材料周期表”。然而,随着纳米化学合成方法和纳米材料分离技术的不断改进,纳米材料分散度这个普遍问题能够得到解决,术语周期的使用将变得更容易。随着对构建块完善的发展,这样一个纳米材料周期表可以最终成为一个便利的工具去帮助人们组织他们的想法并且能指导什么是可行的。苏,郭和江最近回顾自然启发的二进制合作互补的纳米材料[3]的发展,这是纳米材料构建块的另一个重要示范。这个可编程二进制纳米粒子组装相当于在DNA中特定的“沃森-克里克”碱基配对。

通过类比,可以考虑将纳米材料基因组通过编程到纳米材料周期表中的信息内容而自然地出现在基因组范例中[4],加上已编码的可以将纳米材料自动组装进功能性和有用的结构中的相互作用。在这种背景下,美国国家纳米制造网络在美国在2010年宣布了“2020年纳米信息路线图”[5]。通过扩展基因组这个术语的信息描述符,我们可以涵盖更广阔的范围内有生命的和无生命的物质的例子,从原子尺度到更大的几乎所有的尺度,广泛而深入地从理念到创新、从研究到开发、从工业到商业使之得到应用。这就提出了一个根本性的问题:两个看似不同的物理和生物系统是怎样和彼此相类似的?这个问题站在科学难题的症结处来连接各种形式的物质,并了解这些连接的创造潜力。通过利用我们提到的纳米材料基因组及其构建的可视化纳米材料周期表,我们致力于以这种已经被发现的自然模式为基础来进行系统的模拟计算,旨在以一种可预见的和可靠的方式来经验性地确定并重现它们 [6,7]

我们这篇概念性文章强调这个和许多其他重要的问题,同时为了给它真正的价值和最终的显著影响,用实例提出一个策略的本质可用来表现纳米智能如何能内置到纳米数据挖掘工具里。需要明确的是,支持纳米材料基因组计划(NMGI)所需要的先进的搜索引擎的计算细节在这里不被誉为革命性的科学或者大的数据创新。尽管如此,我们将这些技术的发展视为渐进式创新,这对科学和人类知识的进步至关重要。我们希望NMGI能够解放我们的思想和创造力,和我们出生的时候一样具有想象力,而不是将我们困在一个由自动机管理和积累我们对大自然的大量细节知识的社会,而忽视我们还在深入摸索理解的物质的整体系统。它的目的是通过纳米材料基因组的创建和分类,为纳米材料地图集提供一个概观和一般描述。通过将它命名为纳米材料基因组,我们认为它不是在“纳米信息学”模式中仅仅起到一个工具的作用的而已。它促使一个人去了解纳米材料内在的性质,对它们的化学和物理参数之间的联系进行梳理,并考虑这种关联如何作用,如何识别这种作用能使其价值在先进的材料和生物医学应用上得到发展[8]。白,等中国人在最近关于纳米科学进展的综述里设想,它也能引起发人深省的想法和推动性的建议,可作为朝向纳米标准化发展的一步[9]。在他们的观点里强调,纳米科学和纳米技术界的努力将会继续专注于纳米系统的可控设计和制造。

2 纳米材料基因组:概念,实现和可视化

2.1 概念

美国联邦政府提出过一个名叫“有全球竞争力的材料基因组计划”的设想[10]。为了实现并充分发挥这个设想的潜力,我们提出了一个全面的、相辅相成的“纳米材料基因组计划(NMGI)”,其主要目的是梳理及建立材料和纳米材料之间的相互联系。这些互连强调了在纳米材料本身制备上的创新性以及监督它们能进一步自我组装成结构更先进的材料。

在生物学领域中,基因组的定义是:“携带有遗传信息的基因序列,是控制形状的基本遗传单位,这与调节区,转录区,以及其它功能序列区相关联” [11,12]。这里‘纳米材料基因组’并非生物学上的术语。就该单元本身而言,一个基因组定义为由四个基本碱基对(腺嘌呤,鸟嘌呤,胞嘧啶,胸腺嘧啶)排列组成的具有编码信息的DNA,而纳米材料基因组用描述符被定义为:元素组成,结构,尺寸,形状,表面,缺陷度,自组装,以及将这些连接起来而发挥出的功能和实用性。要注意的是我们将自组装列为其中一个描述符是因为它描述了到目前为止‘纳米材料基因组’所拥有的自我组装方式的特别性。而且,纳米材料并不总是以一个或相同的方式自组装。在自组装过程中,它们都是有不同的速率和特性的[13]。从更广泛的意义上说,这样的自组装可以被概括为对多尺度结构一个整合,例如江和他的同事们在仿生基础上对多功能结构做出的开创性工作[14-16]。此外,与活的有机体相比,我们想说明的是预先设定好的由纳米构建模块组装发展而来的复合纳米物的形成。它们的功能结构及操作行为,或多或少,是以一个与活的有机体的发展和演变过程类似的的自然或有机的方式进行的。一个生物体可观察到的表型性状的变化是由于它的起源¬—核酸序列的改变引起的。类似地,复合纳米物的遗传特征和行为会随着基因组格式所反映出的编码信息的变化而变化。这个信息流是从所有的关键结构单元的组合和序列开始的,即元素组成,大小,形状,表面,缺陷度,自组装,功能和实用性。换句话说,类似于分子生物学的中心原则,那些关键结构单元的一个给定的组合和序列调控着对应的复合纳米物的形成,而这些纳米复合物的结构和性质、所期望的功能,和最终的用途之间的关系是预先设定好的。

我们计划用纳米材料基因组作为衍生工具并以一种可靠的和可预测的方式来控制纳米材料组合上的创造性。这个工具可以让我们看到包含在复合纳米物范围内的顺序和层次。也就是说,它可以帮助我们看穿纳米物的表观复杂性,察觉到纳米材料基因组的“复杂性内的简单性”。这种方法类似于分子生物学家和遗传学家使用他们的工具来察看复杂生物物质中所具有的能体现在人类基因组上的简单基本构建模块。

另一种表达方式,我们可以搜集嵌套在复杂纳米级物质内的一些简单的组织原则。它有助于形成一个明确而直观的方式去设计,引导和制备纳米材料,同时又不失科学上整体观察一个纳米材料组的特征及其内在本质的精密性和简洁性。

2.2 实现第一步:数据库

为了把这个想法变为现实,学术界和工业界需要协同工作来建立一个纳米材料的中央数据库。这个数据库可能要类似于百科全书或图谱,其中每个特定类型的纳米材料都被分配一个条目下,这个条目再根据一个共同的标准录入。每个条目都应该有实用导向,因为任何材料的最终功能是服务于人类。对于每一个特定类型具有单个或多个功能的纳米材料,当我们在这种全球性的数据库上注册了纳米材料后,可以用独特的参考编号作为纳米材料的标识建立个链接。例如一个二氧化钛纳米颗粒条目看起来要像下面,但可能比下面描述的更加详细:

参考编号,元素组成,结构信息,大小,形状,表面,类型和缺陷度,实用性及功能。为了清晰度和创新性,其他的描述符也可以被添加。注意,此信息可以作为矩阵来呈现,为了便于识别,其中所有关键的描述符都要被命名和描述,,就像一个药房编纂的处方药。引入系统命名可能对规范每一个描述符或条目,避免科学失误和不必要的矛盾有所帮助[17]。对于如何实现我们正在讨论和发展的这个问题,国际标准组织也已经在一直努力建立一个有用的命名体系[18,19]。然后命名系统就可以与文本搜索系统互补的合作达到更好地工作。专门从事信息管理和计算机科学的研究人员已经提出了一个基于文本搜索技术的框架用于从电子纳米文学这庞大的身躯中发现有用的信息[20]

此数据库如果应用到实践,将不仅仅是所有研究数据库和专利库的中央连接器,也是纳米材料基因组计划的中心。这个系统的外围设备也将充分利用这个中央数据库来服务于所有的研究人员,企业,事业单位,促进他们的研究和生产。然而,这样的数据库的建立将不会是容易的和短期的工作——它将可能花费数百个研究员的一生却才能分析人类基因组的几个百分点。我们相信,纳米材料基因组的开始需要更长的时间,但鉴于在该领域的迅速发展的活跃性,它应该被快速启动。虽然这个文章中讨论的概念都是建立在拟建中央数据库的基础上,但是只要每个节点按照相同的数据交换标准支持开放获取并共享数据,网络数据库的分散性对材料科学家共享他们的数据也能提供很大的帮助[21]

值得注意的是:像所有的类比一样,不管它们看似拥有一种怎样的“真理环”[22],当我们通过通向这一概念的门时我们必须有我们自己的怀疑和批判性思维。在热力学平衡上大多数分子是稳定的,这不言而喻而纳米材料的状态依赖于所处的环境。纳米材料不具有分子的完美性,这一现实提出了一些开创性的问题,而这些问题需要纳米科学界给出有见地的回应。

2.3 可视化:举例说明

Circos是一个数据可视化的工具,广泛应用于各种领域,尤其是由细胞生物学家组成的生物信息学领域,在科学期刊上,它是基因组作图的标准[23]。也就是说,还有很多其他用于绘制多元数据的可用和成熟的工具。需要明确的是,纳米材料基因组从定义和性质上说与人类基因组是完全不同的。目前我们如何利用Circos图将纳米材料基因组以一个普通的,易理解的和友好的方式展现给研究者,政府和公众?近年来人们已经提出了一些相似的几何结构相关模型,也正在探索用新的工具来绘制纳米材料的“几何结构”。纳米材料和纳米材料基因组的多维周期表就是为了描述和证明这些因素间的相互联系以及将这些联系可视化[ 7,24 ]。这些替代性的模式和方法为了解纳米材料的性质,以及在形态控制和合成控制上的创新性提供了有价值的信息[24]

用于呈现纳米材料基因组被设计的Circos图的一种可能布局如图所示。用链(如在人类基因组图中看见的)来连接组成——结构对和尺寸——形状对。例如,一组纳米颗粒的组成——结构对呈现在图1中,其中圆上的点代表不同的元素组成或不同结构(无定形的或各种晶体结构)。连接着组成——结构对的有色线条(链)代表所有具有相应的组成——结构组合的纳米材料。同样,我们也可以绘制大小——形状组合的Circos图,如图2所示。

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图1:纳米材料基因组组成——结构关系的Circos图。

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图2:纳米材料基因组大小——形状关系的Circos图。

我们在这里提出的是一个想法,一个有代表性的纳米材料基因组数据库可视化的例子。其他人可能会想到更好的可视化方法[24]。信息技术和生物技术的发展,开放性访问交流的推进都预示着纳米材料基因组系统的一个美好未来的到来。

3 提出的应用,好处,与影响

纳米材料基因组有潜力服务于纳米科学和材料科学领域,提供一个加快纳米材料发现、结构测定和特征优化、功能解析、系统设计和集成、鉴定等步骤的连续实现的机会。当我们考虑到它的应用时,首先考虑的应该是提供一个数据管理、分析和综合的平台:全球领先的智能信息源可以为客户提供访问数据库,数据管理软件,数据分析软件的门户网站,当然,这些客户大多数来自学术界和企业。

它是如何服务于科研和技术开发人员的?用于可持续能源的材料研究领域可提供一个好的例子。假设我们有纳米材料基因组数据库和手头智能资源提供的全能平台(用“万能”我们指的是这个平台拥有数据访问、数据管理和数据分析整体的功能)。用户在这个领域能够访问数据库,通过选定的关键词过滤,或通过绘制直观的图表进行一个快速而全面的搜索,来进行分析和决策。例如,这些关键词可能是一个给定的组成,给定的尺寸范围,给定的电子带隙范围(如果他们是用于光催化的半导体),(也可能是)所需的最小量子效率,所需的最大材料成本,甚至是功率转换效率的装置参数,设备成本等。这些重要的细节对于确定为这个能源相关的应用而生产的纳米材料的可行性是非常有益和必要的。它们对于从政府和需要这些信息给他们利益相关者的非政府投资集团那里争取风险投资基金和金融支持也很重要。

另一个好处是,通过过滤关键词,我们甚至可以看到这些能源材料在每个方面的研究趋势,包括随着这些新型材料的出现而增长起来的知识产权的发展。事实上,这些细节信息大部分都是嵌入在科学论文和专利中的,找出这些是需要一些努力的。然而,如果提供给研究者这样的一个纳米材料数据库和一个多功能的平台,这将促进他们在这一领域中的研究,并深刻地加深理解。这将激发研究者们选择最佳的纳米材料来进行评估和优化。同样重要的是,研究人员和开发人员将能够利用这种协作企业的集体智慧,以一种可以导致“制造罕见的连接”的方式来解读丰富的数据,这种连接是通过领导(一些)组织比如麻省理工学院计划来进行实践的发明和创新的过程。在这个意义上来说,一个特别有用的工业应用是就业市场情报的NMG数据库。在纳米材料和纳米技术领域,数据和从该数据库的引用能丰富市场情报报告的背景,使其在引导正确和自信的决策时更具说服力,从而确定市场机会、市场渗透战略、和市场开发指标。它既节省了咨询机构产生的巨额资金,也节省了生产者大量的时间和机会成本。我们相信,聪明的商人会想出简单和负责的方式来利用纳米材料基因组数据库。一旦人类生态系统建成,

和数据挖掘工具同时工作,研究人员、工业界和服务提供者都将被绑定到一个有效的循环中。

4 接下来是什么——从微观到宏观

我们已经进入了固态化学和物理学的时代,在这个时代里,对在尺寸、形状和维度以及掺杂剂、质量缺陷和杂质的类型和浓度上具有严格要求的结构化纳米材料的需求不断增加[25]。就像R.Hoffmann 在他最近的文章里反映的,这样一个具有令人印象深刻成就的新兴领域已经激起了许多学科的思考[26]。现在,宏观物质从微观入手是一种新的思路。这也是为什么美国政府最近几年又重新讨论了在克林顿执政期间就启动的国家纳米技术计划(NNI)的重要意义[2728]。最近,关于MGI和NNI如何改变了材料科学家的工作出现了一些反馈,由此推断,研究人员开始采用数据分享,同时他们之间的合作也日趋紧密[21]。现在,美国的研究人员正在经历由美国政府支持的NNI和GMI计划的早期阶段,根据我们在这篇概念性文章中所描述的绘制纳米材料基因组路线图的思想,我们觉得建立一个跨学科的国际合作计划是很重要的。

纳米材料基因组计划(NMGI)也对材料研究有很大的影响,针对我们面临的两个世界上最大的紧迫的挑战:寻找可再生的中性碳能源的可持续能源,和公共健康的改善和保护。该平台将使研究人员和开发人员参与到更有效和创新性的合作中,对信息进行搜索,连接,分析,综合,解析和共享。这将有助于促进形成概念和创新的整个过程,从而推动了从研究到开发到应用的创造性和批判性思维。纳米材料基因组在全球纳米科学界范围内提供了一个集协作、沟通和合作高度整合的形式。纳米材料基因组提供了一个新窗口,通过它研究人员、政府和公众可以更好的观察、理解和利用纳米世界。我们希望在这篇概念性文章中设想的纳米材料基因组,即使在其具有缺点和局限性的初期阶段,(仍)将在未来被子孙后代的创新者们增强和丰富起来,他们的任务将是使纳米材料基因组成为和人类基因组一样有用和通用的工具,这将成为提高人类健康和福祉不可缺少的的帮助。

的确,这个有大量数据的工作并不是革命性的科学。但它确实有助于加速和促进丰富的科学发现(的出现),导致大量科技创新(涌起)。值得注意的是,早期的空想家对计算机科学的假设认为,构建计算机将会从盲目重复的工作负担中解放我们的思想,并且它们将使每个人都集中精神做大脑最擅长和最喜欢的事:激发我们想象的富有想象力的工作。具有讽刺意味的是,相反的情形似乎正在发生,像一些开创性的科学家们指出这些情形不像是警告而像是预防措施。所以我们需要认识到这个事实,并且将这些因素引入一个新的创新系统的创建中,这个创新系统能够培养人类的创造力和创造神奇(的能力)——通过避免意外地将纳米材料基因组数据库转化为另一个与之无差别的服务于机器人消费者世界的耗费资源的信息收集平台,来保护我们人类的意识。

作者介绍:

Chenxi Qian:2012年,获得了中国南京大学医亚明学院化学系理学学士,并获得学校和系里荣誉学位。同年,他被评为诺学者并且加入了多伦多大学GeoffreyA.Ozin教授的实验室攻读博士学位,课题是无机纳米材料。他目前致力于研究具有新结构的硅纳米晶体的性质和应用。

Todd Siler是一位在国际上获得认可的视觉艺术家,作家,发明家及顾问。1986年,他从麻省理工学院获得了在心理学和艺术专业跨学科研究的博士学位,成为首位获得麻省理工学院博士学位的视觉艺术家。1970年Siler开始提倡艺术和科学的完全结合,并且是艺术科学计划和运动的创办人。世界文化理事会给他颁发了2011年度莱昂纳多达芬奇世界艺术奖,认可了Siler在“艺术科学”应用过程中的终身实践,为现实世界的全球性挑战设想了可行的解决方案。

Geoffrey Ozin在完成了南安普顿大学的ICI 博士后奖学金之前,就读于伦敦大学国王学院和牛津大学奥丽尔学院。现为加拿大政府材料化学及纳米化学领域首席科学家,多伦多大学杰出教授。在国际上他是卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的特聘研究教授和巴斯大学的全球主席。他闻名于开拓性的研究和在纳米化学方面的教学成果,帮助确定,建立,和推广这个迅速扩大的跨学科领域,是现代化学和创新纳米技术基础在材料科学,工程学,和医学的基石。

致谢
GAO是加拿大政府材料化学领域首席科学家。来自加拿大自然科学与工程研究理事会(NSERC)和多伦多大学的强大而持续的金融支撑着他的研究,对此他深表感谢。Todd Siler非常感谢世界文化理事会在塔尔图爱沙尼亚大学的颁奖典礼上为他和GAO牵线,该学校曾主办2011年度莱昂纳多达芬奇世界艺术奖和艾伯特爱因斯坦世界科学奖。钱晨曦非常感谢诺基金为他颁发研究生奖学金。这个概念文章已经由Chad Mirkin, Younan Xia, Greg Scholes, Dwight Seferos, Warren Chan, Markus Antonietti, Rafael Levy和 Ludovico Cademartiri严格评估。他们发人深省的意见和有见地的建议已被证明是无价的,并且使得我们写出更多更加完善的文章。

翻译:郑永龙

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