纳米技术在生物领域中的应用.docx

纳米技术在生物领域中的应用
摘要对纳米技术在生物及相关领域应用的纵深发展作以介绍其中包括纳米机械模板自组
装系统纳米生物标记生物芯片纳米与药物等
关键词纳米生物应用

最近美国《商业周刊》列出了21世纪可能取得重大突破的三个领域：一是生命科学和生物技术；二是从外星球获取能源；三是纳米技术。所谓纳米技术(Nanotechnology)是指在小于100nm的量度范围内对物质和结构进行制造的技术，其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米技术在新世纪将推动信息技术、生物医学、环境科学、自动化技术及能源科学的发展，将极大的影响人类的生活，纳米技术涉及面十分广泛包括物理学化学生物医学和材料等有关的领域。纳米技术及其应用正在不断发展对许多科技领域产生了巨大的影响
随着人们对生命领域的认识的不断深入可以认为生物世界是由纳米级单元构成并且生命生物学提供了一个新的研究领域即在纳米水平上对细胞和生命进一步认识相应地对生命本身细微结构认识的深入将使人们不断得到启迪有助于对细胞行为更好调控促进新兴研究领域的发展因此纳米与生物的结合不仅对探索生命本质具有重大科学意义而且具有重要的应用价值。a
纳米生物学的研究对象
有人把在纳米尺度(水平)上研究生命现象的生物学叫做纳米生物学。纳米结构通常指尺寸在1nm～100nm范围的微小结构。1纳米等于10-9m，即1m的十亿分之一。我们知道，细胞具有微米(10-6m)量级的空间尺度，生物大分子具有纳米量级的空间尺度。在它们之间的层次是亚细胞结构，具有几十到几百纳米量级的空间尺度。显然在纳米水平上研究生命现象的纳米生物学，它的研究对象就是亚细胞结构和生物大分子体系。由于纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红细胞小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径即利用纳米微粒进行细胞分离、疾病诊断，利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。
1纳米机械
生命系统是由纳米尺度上分子的行为所控制的F1-ATPase(F1-三磷酸腺苷酶)是细胞中精巧的分子马达之一它位于线粒体内是一种用于合成ATP(三磷酸腺苷可以用于推动许多
生物合成反应在能量循环中起关键作用还充作特殊生理活动作功分泌吸收和传导等的
初级能源)的大型嵌膜复合体Boyer[1]曾提出F1-ATPase分子模型Walker等[2]通过F1-ATPase分子的X射线晶体结构认为该酶是一个马达Noji[3]突破常规采用精密的方法并通过在膜的F0部分即g子单元的马达的旋转部分系缚一根荧光标记的肌动朊细丝作为巨型探针以提供旋转马达负载并方便观察然后将整个分子固定于Ni-NTA(Ni氨三乙酸配合物)涂敷的玻璃基底上利用一台荧光显微镜观察肌动朊细丝的运动他们直观观察到F1-ATPase分子的单个旋转见图1而且Noji观察到仅当有Mg-ATP存在时F1-ATPase系缚的肌动朊细丝才能旋转从而演示了该分子马达的功能并符合X射线晶体结构预测的方向该实验为Boyer旋转模型提供了直接有力的证据说明尺寸只有10nm的F1-ATPase酶是一种新的马达蛋白在结构上与肌球蛋白等类似,是由自然生物化学过程驱动的功能齐全的旋转马达自然界中有一些细菌可以靠摆动其鞭毛而运动鞭毛的根部就像一个微小的马达它的中心是一个由蛋白质构成的转子转子周围是一个由六个蛋白质结构组成的环每个蛋白质分子都具有ATP酶的活性通过将ATP分解成ADP而获得的能量就可以使转子旋转带动鞭毛摆动Montemagno等[4]在活细胞内能源机制启发下制造出了一种分子马达这种微型马达以三磷酸腺苷酶为基础把金属镍制成的螺旋桨嫁接到三磷酸腺苷酶分子中轴上制造了400个分子马达浸于ATP溶液后其中395个保持不动但另5个则转动起来转速达到8r/s这种马达只在显微镜下才能被观察到其镍螺旋桨相对来说较长达到750nm根据拍摄到的画面研究人员观察到一个尘埃粒子先被旋转的螺旋桨吸入和甩出的情景[6]Montemagno希望最终有一天能够利用这种装置将某些药品运送到体内的任何地方比如将化疗药物直接运送到肿瘤以减少对正常细胞的损伤该研究小组获得的另一项成果是把光合作用系统同生物马达组合到一起这样只要光存在就能完成相应的功能更深入的研究将允许科学家们利用分子水平上的研究结果将无机装置与自分子马达相结合创造杂交系统和全新纳米机械器件人们设想利用化学能的分子马达驱动的纳米机械与阀泵和传感器组成集成器件这类器件能对肌体内外的变化作出反应例如可探测有害化学物质的纳米传感器当被有害物质激活后这种传感器内的马达就打开阀门释放出可见的物质示警利用小型自给自足能量的器械可以探测并鉴别土壤中的油类或化学污染同时绘制出它的分布和浓度图或是根据探测的体内变化调控药物的施用[7]等
纳米机械还可以利用DNA基本元件碱基的配对机制做成采用DNA为燃料的镊