纳米技术在生物领域中的应用.docx

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纳米技术在生物及相关领域的深入发展得到了介绍，涵盖纳米机械模板自组装系统、纳米生物标记、生物芯片以及纳米与药物等关键概念。近期，美国《商业周刊》公布了21世纪有望实现重大突破的三大领域，其中生命科学和生物技术位列第一，其次是外星能源获取，第三则是纳米技术。纳米技术，顾名思义，是指在尺寸小于100纳米的范围内对物质和结构进行加工制造的技术。本质上，它是一种利用单个原子和分子来构建物质的科学方法。纳米技术在21世纪将助力信息技术、生物医学、环境科学、自动化技术以及能源科学的进步，对人类生活的改变将十分显著。该技术涉及的领域极为广泛，涵盖了物理学、化学、生物医学以及材料科学等相关领域。纳米技术及其应用持续进步，对众多科技领域带来了深远的影响。随着人们对生命科学认识的不断深化，我们能够认定生物世界由纳米级别的单元构成。生命生物学开辟了一个新的研究领域，即在纳米尺度上对细胞和生命进行更深入的探索。相应地，对生命本身细微结构的深入了解，将不断激发人们的灵感，有助于更有效地调控细胞行为，推动新兴研究领域的蓬勃发展。因此，纳米技术与生物学的结合，不仅对揭示生命本质具有重大的科学价值，而且具有显著的应用潜力。纳米生物学主要探讨的是在纳米尺度（即非常微小的水平）内对生命现象进行研究的领域。这里的纳米结构通常指的是那些介于1纳米至100纳米之间的微小结构。具体来说，1纳米相当于10的负9次方米，也就是1米的十亿分之一。通过我们的了解，细胞的空间尺度大约在微米级别，即10的负6次方米，而生物大分子的空间尺度则处于纳米级别。它们之间的层次由亚细胞结构构成，这些结构的空间尺度介于几十至几百纳米之间。显而易见，在纳米尺度上对生命现象进行研究的纳米生物学，其研究焦点正是这些亚细胞结构以及生物大分子体系。纳米微粒的尺寸通常远小于生物体内的细胞和红细胞，这一特性为生物学研究开辟了新的研究方向，包括运用纳米微粒进行细胞分离、疾病检测，以及通过纳米微粒制备特定药物或新型抗体，以实现局部定向治疗等多种应用。纳米机械生命系统受控于纳米尺度分子行为的F1-ATPase，它是细胞内精细的分子马达之一，位于线粒体内部，是一种合成ATP的大型嵌膜复合体。ATP是推动众多生物合成反应、在能量循环中扮演关键角色，并作为特殊生理活动的初级能源。Boyer提出了F1-ATPase的分子模型，Walker等人通过X射线晶体结构研究认为该酶具有马达特性。Noji采用创新方法，在F0部分的g子单元上系缚荧光标记的肌动蛋白细丝，作为巨型探针，以提供旋转马达负载并便于观察。他将整个分子固定在Ni-NTA涂敷的玻璃基底上kaiyun全站网页版登录，利用荧光显微镜观察肌动蛋白细丝的运动，直观观察到F1-ATPase分子的单个旋转。Noji发现，只有当有Mg-ATP存在时，F1-ATPase系缚的肌动蛋白细丝才能旋转，从而展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。这一实验为Boyer的旋转模型提供了直接有力的证据，表明尺寸仅为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完备的旋转马达。自然界中，一些细菌可以通过摆动鞭毛运动，鞭毛根部像一个微小的马达，其中心是一个由蛋白质构成的转子，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酶活性，通过将ATP分解成ADP获得的能量使转子旋转，带动鞭毛摆动。Montemagno等人受到活细胞内能源机制的启发，制造出了一种以三磷酸腺苷酶为基础的微型马达，将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5个则转动起来，转速达到8 r/s。这种马达仅在显微镜下才能观察到，其镍螺旋桨相对较长，达到750nm。研究人员观察到尘埃粒子被旋转的螺旋桨吸入和甩出的情景。Montemagno希望最终能够利用这种装置将某些药品运送到体内的任何地方，例如将化疗药物直接运送到肿瘤，以减少对正常细胞的损伤。该研究小组的另一项成果是将光合作用系统与生物马达结合，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的纳米机械器件。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，同时绘制出其分布和浓度图，或是根据探测的体内变化调控药物的施用等。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为燃料的镊子。研究人员设计出三条DNA链A、B和C，利用碱基配对机制使A的一半与B的一半结合，A的另一半与C的一半结合。在A连接B与C的地方有一个活动枢钮，这样就构成了一个可以开合的镊子，而其每条臂只有nm长。一般情况下，镊子保持开的状态。利用另一条设计好的DNA链D，使其分别与B和C上碱基未配对的部分结合，就把B和C两臂拉到一起使镊子合上，同时D仍留出一部分未配对的碱基。再添加一条DNA链E，使其与链D上碱基未配对的部分结合，把D拉离镊子，即能使镊子重新张开。重复添加链D和链E的过程可使镊子反复开合。由于这个镊子的开合需要在DNA链D和链E的作用下才能进行，故将DNA称为这种镊子的燃料。纳米生物标记细胞染色是研究细胞组织的重要技术。未加染色的细胞组织由于衬度低，很难用光学显微镜和电子显微镜进行观察。为了解决这个问题，已经发展了多种染色技术。纳米粒子的出现为建立新的、更加有效的染色技术提供了途径。文献介绍了比利时的Demey博士在乙醚的黄磷饱和溶液中，用抗坏血酸或柠檬酸把金从HAuCl4水溶液中还原成金纳米粒子，其粒径为30-40nm，并由此制备了金纳米粒子-抗体的复合体（即将金的在这类蕊片内部，信息以波的形式进行传递，其处理速度远超当前最先进的计算机，可达到十倍甚至数万倍，而能耗却低至普通计算机的十亿分之一，且存储信息所需的体积仅为百亿分之一。蛋白质分子具备自我组装的能力，能够生成新的微型电路，这一特性赋予了生物计算机与生物体相似的特征。因此，科学家们预测，实用的生物分子计算机有望在不久的将来问世。21世纪将迎来生物分子计算机和量子计算机的时代，它们将对未来世界产生深远的影响。而要制造这类计算机，分子纳米技术是不可或缺的。纳米技术在超导材料的制造、药物合成与制剂等多个领域展现出巨大潜力。在过去十年间，众多研究及开发团队以氨基酸基团为起点，成功制备出新型蛋白质，并引导其折叠成全新的形态。这种所谓的从头蛋白质设计，对氨基酸线性链如何构成三维分子有了更深入的洞察。同时，它还能确保所设计的蛋白质满足药物或工业的特殊需求。纳米结构的催化剂展现出卓越的性能，采用声化学合成方法制备的铁钴基催化剂在脱氢催化方面表现出显著活性。将纳米技术融入微波和超声波催化技术kaiyun官方网站登录入口，有望开发出性能各异的新型物质。此外，纳米生物技术能够借助菌类生产出所需生物制品。纳米技术同样适用于超导材料及其他特殊材料的制备。在微细管模板中固定酶的技术：近期研究发现，采用覆盖细管倒转技术，可以有效地装载具备酶生物感应功能的酶。此技术结合电化学与化学模板合成方法，首先在多脂膜板表面喷涂一层致密的金层，随后多吡咯栓在孔中沉积。随后，多吡咯细管在栓膜孔内进行聚合开元棋官方正版下载，电化学聚合的栓子形成化学聚合的盖，进而通过控制膜真空过滤来溶解酶，以满足酶装载的需求。溶解分子能够通过多吡咯栓，而较大的酶分子则依然留在被膜内部。在加入酶之后，需在膜表面涂覆Torr Swal环氧聚合树脂，待其固化后，再将整个装置浸泡于二氯甲烷中以溶解膜。电子传导显微镜的研究结果显示，这些被膜的壁非常薄，厚度仅为25纳米。这一点至关重要，因为小分子要进入被膜内部的酶，必须穿过壁的扩散，而薄壁确保了这些物质的输送过程得以顺利进行。多吡咯作为一种多孔纤维聚合物，有助于物质的扩散，然而其尺寸过小，导致蛋白质分子难以从中过滤出来。在一百年前，Fisher借助锁与钥匙的匹配原理来阐述专一性结合的概念，并将其命名为“识别”。分子识别不仅是超分子信息处理的基础，也是构建复杂高级结构不可或缺的途径。值得关注的是，肽片段间存在特定的序列识别机制，这构成了蛋白质分子组装的关键途径之一，也许正是生物超分子体系自发组装的根本动力。在这些多肽链中，由5至6个氨基酸残基组成的链段，通过握手模型展现出最为显著的识别能力。1988年，美国密苏里大学的Smith教授构建了一个基于FUSES单链噬菌体的基因工程肽库，该库成为研究多肽识别的最优手段。通过这种方法，研究人员可以像钓鱼一样，从肽库中筛选出特定的多肽，并识别其对应的识别序列。这一技术对于探究多肽识别序列、进行药物筛选以及选择多肽识别位点都具有极其重要的价值。将生物素（biotin）与长脂肪链结合，形成单分子膜铺设于气液界面，随后在亚相中引入亲核素（streptavidin），两者之间发生识别作用，于界面处形成蛋白质二维晶体以及双层二维晶体结构，这些结构可作为生物芯片的基质材料。在载体的表面进行均匀的离子基团修饰，于水相环境中，通过双头正负离子化合物借助离子间的静电吸引力，交替沉积于载片之上，从而形成结构整齐的超薄膜。这项分子沉积技术不仅继承了传统自组装和LB膜技术的特性，更具备工艺简便、组装效能卓越、长期稳定性优异等多重新颖优势。抗体与抗原的识别功能，是维护人类健康、抵御细菌和病毒侵害的重要防线。人们巧妙地利用生物体对外来抗原产生识别的特性，从而催生了一个以Schultz和Ler ner的研究成果为标志的新兴研究领域——抗体催化，亦称抗体酶。在抗衰老的酶系中，存在一种名为谷胱甘肽过氧化酶的酶类，它能在谷胱甘肽的参与下，分解脂质体的过氧化物。以谷胱甘肽作为半抗原的核心，通过克隆技术对鼠体进行抗体增减，并采用识别技术获取单克隆抗体。依据抗氧化催化原理，在抗体的识别部位嵌入硒化氢催化基团，从而成功制备出人工催化抗体。其催化效能与天然酶相当，从而开启了一片全新的研究热点领域。在此领域，席默尔曼、策恩·赖信尔特以及克罗图信揭示了合成分子亚单元能够自动组装成具有特定结构的纳米颗粒，这些颗粒具备作为药物和免疫原载体的巨大潜力。利用碱土金属氧化物及多种化合物制备的纳米粒子，在常温下能够有效杀灭模拟炭疽病的空气传播，进而用于消除模拟生物武器污染。这些纳米粒子得益于其小尺寸效应、较大的比表面积和表面性质，Koper 小组成功合成了表面化学吸附特性显著增强的无机氧化物系列及部分包覆物超细粉末（直径小于20nm）。通过对比，这些粉末对化学毒物、神经性毒气及酸性气体的吸附能力显著优于常规方法制备的样品。如图4所示，采用气凝胶法制备的纳米粒子（AP-CaO、P-CaO）吸附性能明显优于常规方法（CP-CaO、CP-CaO）。在AP-CaO和CP-CaO中添加少量（5%、10%）的Fe2O3包覆，显著增强了CaO对SO2的吸附作用，从而获得了活性更高、后续处理更简便的高效吸附膏剂。尽管其作用机理尚不完全明确，但一般认为，这些纳米级粉末及其固化形成的多孔小球的表面化学特性，与特征纳米晶不同的多面体外形有关。在军用环境修复等领域，这些材料展现出广阔的应用前景。综合来看，纳米生物学的研究正逐步向深入发展，其相关商业应用尚待挖掘。因此，纳米生物学已经迈入了一个全新的阶段，这个阶段建立在多学科交叉融合的基础之上，必将引领科技和社会相关领域的新进展。虽然纳米技术与生物学的结合任务艰巨、道路漫长，但其中蕴藏着无限希望。