2018/10/20

纳米材料基因组的可能性和局限性 

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。

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”。

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。

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。

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。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。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。

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。

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。

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。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。

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。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。

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。

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。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。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。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。

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。

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