梅根·霍尔： 如果你可以通过一次构建一个粒子来创造任何你想要的材料，甚至发明新材料，会怎么样？查德·米尔金不仅使之成为可能，还探索了这些微小创造物如何改变研究、医疗保健和技术。
今年，他与罗伯特·兰格和保罗·阿利维萨托斯一起因自下而上构建材料而获得卡弗里纳米科学奖。
《大众科学》定制媒体与卡弗里奖合作，采访了查德，以了解他作为科学家的历程以及这项工作的未来。
梅根·霍尔： 查德·米尔金喜欢说他默认成为了一名化学家。
查德·米尔金： 你去上大学，你还年轻，你真的不知道自己想做什么。你妈妈说出去当个有钱的医生、有钱的律师或商人。没有人说出去当科学家，对吧？至少我的家人没有这样说过。所以我去学校时想着，哦，我要当医生。
梅根·霍尔： 他正准备利用他的化学学位为医学院做准备，这时他旁听了一场手术。
查德·米尔金： 我认为那是我见过的最无聊、最令人反感的事情。我陷入了危机。我说，我不能做这个。我这辈子都不可能做这个。
梅根·霍尔： 查德·米尔金迅速转向研究事业，再也没有回头。他在迪金森学院学习化学，并在宾夕法尼亚州立大学获得博士学位。随后，他在麻省理工学院做了博士后，与研究小型化后果的化学家马克·赖顿合作。
查德·米尔金： 他在思考当你利用化学系统制造电子设备时会发生什么。当你将它们缩小，不是缩小到纳米尺度，而是缩小到微米尺度时会发生什么？
梅根·霍尔： 当时纳米科学还处于起步阶段，但一旦查德作为一名年轻教授来到西北大学，它就开始蓬勃发展。查德对此着迷。
查德·米尔金： 这是一个全新的沙箱。太棒了。我告诉人们，我这辈子没工作过一天。我可以来上班，享受乐趣。
梅根·霍尔： 查德说，纳米科学有两个主要原则。第一，当你将其缩小到微型水平时，一切行为都会有所不同。
查德·米尔金： 黄金就是一个很好的例子。你缩小黄金。它不再是你与结婚戒指联系在一起的黄金。它可以是红色的。可以是蓝色的。它可以是绿色的，具体取决于你最终得到的颗粒的大小和形状。
梅根·霍尔： 第二，一旦你了解了这些差异，你就可以弄清楚如何利用它们。
所以，如果我要总结你所做的工作，说你缩小物体是为了看看它们变小时会发生什么，然后你找出用它们做的很酷的事情，这样说准确吗？
查德·米尔金： 完全正确。我想补充一点。我们还试图弄清楚为什么……为什么缩小它们会导致这些类型的特性？
梅根·霍尔： 查德·米尔金在西北大学从事这项工作已经超过 30 年了。他因一项创新而获得卡弗里奖，该创新是通过将小的 DNA 或 RNA 片段附着到称为纳米颗粒的微小球体表面而构建的。
查德·米尔金： 它是一种类似 Koosh 球的结构。把从 Koosh 球伸出的小毛发想象成 DNA 链。
梅根·霍尔： 当查德的团队首次构建这些球形核酸时，他们首先制造了涂有彼此不识别的单链 DNA 的纳米颗粒。然后，他们添加了另一个互补的 DNA 片段，该片段形成了连接这些颗粒的桥梁或胶水。
查德·米尔金： 现在它们就像具有化学特异性的尼龙搭扣。你把它们扔进溶液中。如果它们被设计为彼此反应，它们就会反应，并且它们会组装成这些美丽的晶格。
梅根·霍尔： 新的纳米结构也做了一些意想不到的事情。
查德·米尔金： 我当时在我的办公室。一个年轻的研究生，鲍比·穆西奇，跑了下来，他说，“查德，你一定要看看这个！”
梅根·霍尔： 当穆西奇混合两种类型的纳米颗粒时，溶液发生了转变。
查德·米尔金： 溶液的颜色从非常浓烈的宝石红色变为浓烈的蓝色。
梅根·霍尔： 他的研究生加热溶液，打破了 DNA 链之间的键，溶液又变成了红色。然后他冷却它，让键再次形成，溶液变成了蓝色。
查德·米尔金： 他当时所看到的是双螺旋的形成和双螺旋的分解，肉眼可见。我们几乎异口同声地说，这是一个新的 DNA 检测系统。
梅根·霍尔： 查德和他的研究生意识到他们可以设计出球形核酸，这些核酸只在特定形式的 DNA 存在时才相互粘在一起。
查德·米尔金： 所以这意味着我可以创造出可以识别任何生物、任何生物体、任何人、任何遗传疾病、任何细菌疾病、任何病毒疾病的颗粒。我可以创建与它互补的粒子。
梅根·霍尔： 例如，如果颗粒与来自特定疾病的 DNA 形式互补，它们就会粘合在一起并改变溶液的颜色。查德迅速成立了一家公司，以利用这一发现并开发用于新型诊断工具的技术。
查德·米尔金： 这项技术仍然存在，并且在世界上许多医院中使用。
梅根·霍尔： 但球形核酸不仅仅是有用的诊断工具。查德说，在纳米颗粒上排列 DNA 和 RNA 为它们提供了令人兴奋的新功能。例如，DNA 本身无法进入细胞，但作为球形核酸的 DNA 可以。
查德·米尔金： 现在，我们可以将大量的 DNA 和 RNA 送入细胞，我们可以开始利用它来操纵细胞中发生的事情。
梅根·霍尔： 以这种方式移动 DNA 和 RNA 可以帮助解决各种医疗问题，从癌症开始……
查德·米尔金： 例如，你有一些癌细胞产生了过多的蛋白质，导致了问题。我们可以创造出球形核酸，这些核酸会进入并抑制这些蛋白质的产生，从而将其恢复到正常状态。
梅根·霍尔： …到牛皮癣。
查德·米尔金： 如果它们产生过多的炎症蛋白，我们可以创造结构，这些结构会进入并减少炎症蛋白的产生，从而使它们从不健康的牛皮癣状态恢复到更健康的皮肤状态。
梅根·霍尔： 除此之外，查德说球形核酸正在帮助改变医疗保健的另一个关键领域。
查德·米尔金： 我们相信这将彻底改变疫苗的开发方式。
梅根·霍尔： 查德说，所有疫苗都包含两个关键成分——一种刺激免疫系统的佐剂和一种训练免疫系统攻击感染或疾病的抗原。
查德·米尔金： 通常，疫苗的开发方式是将这些成分混合在一起，注射，然后听天由命。
梅根·霍尔： 但是，如果你可以将佐剂和抗原仔细地排列在像球形核酸这样的结构上，而不是将它们混合在一起，会怎么样？这会影响疫苗的有效性吗？为了找出答案，查德采用了相同的元素，制作了四种不同的疫苗。
查德·米尔金： 一种……基于我称之为搅拌机的方法，只是将佐剂抗原混合在一起，然后另外三种以球形核酸的形式存在。
梅根·霍尔： 然后，他的团队将这些疫苗注射到感染了人乳头瘤病毒（HPV）的小鼠身上。
查德·米尔金： 你发现，搅拌机方法几乎没有任何效果，但表面上不同的结构排列——你将训练元素（抗原）放在哪里——会导致显着的改善，并且在一种情况或一类结构中，完全治愈。
梅根·霍尔： 他说这证明了一个重要的观点：疫苗的结构与其成分一样重要。通过使用人工智能将数千种可能的纳米结构缩小到最有可能有效的纳米结构，科学家可以理性而快速地设计疫苗。
查德·米尔金： 所以，如果我可以使用机器学习来提取其中一部分，以找出最有效的方法，我就可以以最优化和最有效的方式更快地获得我的药物。
梅根·霍尔： 这只是球形核酸正在改变医学世界的另一种方式。
所以，在某种程度上，你似乎确实成为了一名医生？
查德·米尔金： 我会说，是的。这有点好笑。我的兴趣、我的好奇心、追随我的直觉，让我以一种很大的方式回到了医学领域。这有点讽刺。人们因为我早年逃避的所有这些事情而给我颁奖，而我又回到了原点。
梅根·霍尔： 查德很高兴将余生都投入到这项工作中，在研究微小结构的同时改变医学。
查德·米尔金是西北大学国际纳米技术研究所所长。今年，他与罗伯特·兰格和保罗·阿利维萨托斯分享了卡弗里纳米科学奖。卡弗里奖旨在表彰科学家在天体物理学、纳米科学和神经科学方面的突破，从而改变我们对宏大、微小和复杂事物的理解。
卡弗里奖是挪威科学与文学院、挪威教育与研究部以及总部位于美国的卡弗里基金会之间的合作。
这项工作由《大众科学》定制媒体制作，并通过卡弗里奖的支持得以实现。