納米生物工程包括哪些

【專家解說】：納米生物工程 靳剛 應(yīng)佩青 中國科學(xué)院力學(xué)研究所 （2000年11月-2001年2月） 自中國科學(xué)院納米科技網(wǎng) 　　 　　納米生物工程是什么意思？它究竟包括哪些內(nèi)容？籠統(tǒng)地講它包括納米醫(yī)學(xué)、納米生物技術(shù)和納米生物材料等。實際上，醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)和生物材料都是人們熟悉的名詞和內(nèi)容，當(dāng)戴上一頂納米的帽子就似乎有了懸念。這里我們先來回顧一下和我們所熟悉的名詞相關(guān)的物質(zhì)和事物，然后再把這些與納米概念聯(lián)系起來，看看有了哪些新的變化，通過觀察一些相關(guān)的科學(xué)研究結(jié)果和應(yīng)用實例，來理解納米生物工程。 一、納米醫(yī)學(xué) 　　大多數(shù)人都有生病、吃藥、打針的經(jīng)歷，醫(yī)學(xué)就是研究疾病，治病救人的科學(xué)。那么納米醫(yī)學(xué)又是什么呢？我們知道人體是由多種器官組成的，如：大腦、心臟，肝，脾，胃，腸，肺，骨骼，肌肉和皮膚；器官又是由各種細(xì)胞組成的，細(xì)胞是器官的組織單元，細(xì)胞的組合作用才顯示出器官的功能。那么細(xì)胞又是由什么組成的呢？按現(xiàn)在的認(rèn)識，細(xì)胞的主要成份是各種各樣的蛋白質(zhì)、核酸、脂類和其它生物分子，可以統(tǒng)稱生物分子，它的種類在數(shù)十萬種。生物分子是構(gòu)成人體的基本成分，它們各自具有獨特的生物活性的，正是它們不同的生物活性決定了它們在人體內(nèi)的分工和作用。由于人體是由分子構(gòu)成的，所有的疾病包括衰老本身也可歸因于人體內(nèi)分子的變化。當(dāng)人體的分子機器，如合成蛋白質(zhì)的核糖體，DNA復(fù)制所需的酶等，出現(xiàn)故障或工作失常時，就會導(dǎo)致細(xì)胞死亡或異常。從分子的微觀角度來看，目前的醫(yī)療技術(shù)尚無法達(dá)到分子修復(fù)的水平。而納米醫(yī)學(xué)則是在分子水平上，利用分子工具和人體的分子知識，所從事的診斷、醫(yī)療、預(yù)防疾病、防止外傷、止痛、保健和改善健康狀況等科學(xué)技術(shù)，廣義地講都屬于納米醫(yī)學(xué)的范疇。換句話講，人們將從分子水平上認(rèn)識自己，創(chuàng)造并利用納米裝置和納米結(jié)構(gòu)來防病治病，改善人類的整個生命系統(tǒng)。首先需要認(rèn)識生命的分子基礎(chǔ)，然后從科學(xué)認(rèn)識發(fā)展到工程技術(shù)，設(shè)計制造大量的具有令人難以置信的奇特功效的納米裝置，這些微小的納米裝置的幾何尺度僅有頭發(fā)絲的千分之一左右，是由一個個分子裝配起來的，能夠發(fā)揮類似于組織和器官的功能，并且更準(zhǔn)確和更有效地發(fā)揮作用。他們可以在人體的各處暢游，甚至出入細(xì)胞，在人體的微觀世界里完成特殊使命。例如：修復(fù)畸變的基因、扼殺剛剛萌芽的癌細(xì)胞、捕捉侵入人體的細(xì)菌和病毒，并在它們致病前就消滅它們；探測機體內(nèi)化學(xué)或生物化學(xué)成分的變化，適時地釋放藥物和人體所需的微量物質(zhì)，及時改善人的健康狀況。最終實現(xiàn)納米醫(yī)學(xué)，使人類擁有持續(xù)的健康。未來的納米醫(yī)學(xué)將是強大的，它又會是令人驚訝得小，因為在其中所發(fā)揮作用的藥物和醫(yī)療裝置都是肉眼所無法看到的。但是它的功能會令世人驚嘆。 　　需要說明，不要馬上跑到大夫那兒去要納米處方。上面所談的納米醫(yī)學(xué)景觀尚處于設(shè)計和萌芽階段，還有很多的未知需要去探索，例如：這些納米裝置該由什么制成？他們是否可以被人體接受？并發(fā)揮所預(yù)期的作用？科學(xué)家們正在全力以赴地把納米醫(yī)學(xué)的科學(xué)想法變成醫(yī)學(xué)現(xiàn)實。終有一天，醫(yī)藥柜越小，效力越大。 　　一定有人會問：納米醫(yī)學(xué)是不是科學(xué)幻想？它離我們到底有多遠(yuǎn)？還要等多久才能看到醫(yī)學(xué)實現(xiàn)？事實上，它已經(jīng)開始步入現(xiàn)實，并獲得蓬勃發(fā)展。下面讓我們看一看這一領(lǐng)域所取得的科學(xué)進(jìn)展。 　　(1) 智能藥物 　　這是納米醫(yī)學(xué)中的一個非?；钴S的領(lǐng)域，適時準(zhǔn)確地釋放藥物是它的基本功能之一?？茖W(xué)家正在為糖尿病人研制超小型的，模仿健康人體內(nèi)的葡萄糖檢測系統(tǒng)。它能夠被植入皮下，監(jiān)測血糖水平，在必要的時候釋放出胰島素，使病人體內(nèi)的血糖和胰島素含量總是處于正常狀態(tài)。最近，美國麻省理工學(xué)院的研究者做出了微型藥房的雛形：一種具有上千個小藥庫的微型芯片，每一個小藥庫里可以容納25納升的任何藥物，例如止痛劑或抗生素等。它的研究者之一Robert Langer說，目前這個芯片的尺寸還相當(dāng)于一個小硬幣，可以把它做得更小，并計劃裝上一個"智能化"的傳感器，使它可以適時和適量地釋放藥物。能否在形成致命的腫瘤之前，早期殺滅癌細(xì)胞？美國密西根大學(xué)的James R. Baker Jr.博士正在設(shè)計一種納米"智能炸彈"，它可以識別出癌細(xì)胞的化學(xué)特征(chemical "signatures")。這種"智能炸彈"很小，僅有20納米左右，能夠進(jìn)入并摧毀單個的癌細(xì)胞。此裝置的研制剛剛開始，而初步的人體實驗至少要五年以后才能進(jìn)行。 　　(2) 人工紅血球 人工紅細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和工作示意圖 隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，氣體分子與轉(zhuǎn)子上的結(jié)合位點結(jié)合再釋放，從金剛石腔體進(jìn)入到血漿中 　　納米醫(yī)學(xué)不僅具有消除體內(nèi)壞因素的功能，而且還有增強人體功能的能力。我們知道，腦細(xì)胞缺氧6至10分鐘即出現(xiàn)壞死，內(nèi)臟器官缺氧后也會呈現(xiàn)衰竭。設(shè)想一種裝備超小型納米泵的人造紅血球，攜氧量是天然紅血球的200倍以上。當(dāng)人的心臟因意外，突然停止跳動的時候，醫(yī)生可以馬上將大量的人造紅血球注入人體，隨即提供生命賴以生存的氧，以維持整個機體的正常生理活動。美國的納米技術(shù)專家Robert Freitas初步提出的人造紅血球(respirocyte)的設(shè)計,已成為納米技術(shù)的標(biāo)志性結(jié)果。這個血球是個一微米大小的金剛石的氧氣容器，內(nèi)部有1000個大氣壓，泵浦動力來自血清葡萄糖。它輸送氧的能力是同等體積天然紅細(xì)胞的236倍，并維持生物炭活性。 它可以應(yīng)用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運動需要的額外耗氧等。它的基本設(shè)計和結(jié)構(gòu)功能，以及與生物體的相容性等已有專著詳細(xì)論述。在此僅對其結(jié)構(gòu)功能做簡單介紹。圖是此人工紅細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和工作示意圖。 　　它的腔體外殼是與生物體相容的金剛石，腔內(nèi)儲氧，開口處是一個可以從腔內(nèi)向外傳遞氧的轉(zhuǎn)子，隨其旋轉(zhuǎn)，將氧分子輸入血液。 　　(3)納米藥物輸運 　　納米微粒藥物輸送技術(shù)也是重要發(fā)展方向之一。按目前的認(rèn)識，有半數(shù)以上的新藥存在溶解和吸收的問題。由于藥物顆?？s小時，藥物與胃腸道液體的有效接觸面積將增加，所以藥物的溶解速率隨藥物顆粒尺度的縮小而提高。藥物的吸收又受其溶解率的限制，因此，縮小藥物的顆粒尺度成為提高藥物利用率的可行方法。 納米晶體技術(shù)可將藥物顆粒轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米粒子，同時提高溶解性，以提高難溶性藥物的藥效率。粉碎過程會使粒子間的相互作用力增加，為了避免納米顆粒在粉碎過程中聚合，加工中，不溶的藥物是被懸浮在含一般認(rèn)為安全的穩(wěn)定劑和賦形劑的懸浮液中。深入研究的制粉技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)⑺幬锟s小到400納米以下。 同時，這些賦形劑在胃腸道中起表面活性劑的作用，也提高了納米藥物顆粒的溶解率。一旦，不溶性藥物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米顆粒，就適合于口服或者注射了。 　　納米醫(yī)學(xué)將給醫(yī)學(xué)界，諸如癌癥、糖尿病和老年性癡呆等疾病的治療帶來變革，已經(jīng)獲得越來越多的認(rèn)同。利用納米技術(shù)能夠把新型基因材料輸送到已經(jīng)存在的DNA里，而不會引起任何免疫反應(yīng)。樹形聚合物(dendrimers) 就是提供此類輸送的良好候選材料。因為，它是非生物材料，不會誘發(fā)病人的免疫反應(yīng)，沒有形成排異反應(yīng)的危險；所以，可以作為藥物的納米載體，攜帶藥物分子進(jìn)入人體的血液循環(huán)，使藥物在無免疫排斥的條件下，發(fā)揮治病的效果。這種技術(shù)用于糖尿病和癌癥治療是很有希望的。 　　(4) 捕獲病毒的納米陷阱 　　密西根大學(xué)的Donald Tomalia等已經(jīng)用樹形聚合物發(fā)展了能夠捕獲病毒的納米陷阱。體外實驗表明納米陷阱能夠在流感病毒感染細(xì)胞之前就捕獲它們，同樣的方法期望用于捕獲類似愛滋病病毒等更復(fù)雜的病毒。此納米陷阱使用的是超小分子，此分子能夠在病毒進(jìn)入細(xì)胞致病前即與病毒結(jié)合，使病毒喪失致病的能力。 　　通俗地講，人體細(xì)胞表面裝備著含硅鋁酸成分的"鎖"，只準(zhǔn)許持"鑰匙"者進(jìn)入。不幸的是，病毒竟然有硅鋁酸受體"鑰匙"。Tomalia的方法是把能夠與病毒結(jié)合的硅鋁酸位點覆蓋在陷阱細(xì)胞(glycodendrimers)表面。當(dāng)病毒結(jié)合到陷阱細(xì)胞表面，就無法再感染人體細(xì)胞了。陷阱細(xì)胞由外殼、內(nèi)腔和核三部分組成。內(nèi)腔可充填藥物分子；將來有可能裝上化療藥物，直接送到腫瘤上。陷阱細(xì)胞能夠繁殖，生成不同的后代，個子較大的后代可能攜帶更多的藥物。盡管原因尚不明確，所觀察的特點是越大效果越好。研究者希望發(fā)展針對各種致病病毒的特殊陷阱細(xì)胞和用于醫(yī)療的陷阱細(xì)胞庫。 　　(5)識別血液異常的生物芯片 　　美國圣地亞國家實驗室的發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了納米愛好者的預(yù)言。正像所預(yù)想的那樣，納米技術(shù)可以在血流中進(jìn)行巡航探測，即時地發(fā)現(xiàn)諸如病毒和細(xì)菌類型的外來入侵者，并予以殲滅，從而消除傳染性疾病。 Micheal Wisz做了一個雛形裝置，發(fā)揮芯片實驗室的功能，它可以沿血流流動并跟蹤像鐮狀細(xì)胞血癥和感染了愛滋病的細(xì)胞。血液細(xì)胞被導(dǎo)入一個發(fā)射激光的腔體表面， 從而改變激光的形成。癌細(xì)胞會產(chǎn)生一種明亮的閃光；而健康細(xì)胞只發(fā)射一種標(biāo)準(zhǔn)波長的光，以此鑒別癌變。 二、納米生物技術(shù) 　　納米生物技術(shù)是納米技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它即可以用于生物醫(yī)學(xué)，也可以服務(wù)于其它社會需求。所包含的內(nèi)容非常豐富，并以極快的速度增加和發(fā)展，難以概述。在此僅舉一些研究結(jié)果為例。 　　(1) 生物芯片技術(shù) 　　生物芯片是不同于半導(dǎo)體電子芯片的另一類芯片。半導(dǎo)體電子芯片是集成具有特定電子學(xué)功能的微單元，所形成的電子集成電路；而生物芯片則是在很小幾何尺度的表面積上，裝配一種或集成多種生物活性，僅用微量生理或生物采樣，即可以同時檢測和研究不同的生物細(xì)胞、生物分子和DNA的特性，以及它們之間的相互作用，獲得生命微觀活動的規(guī)律。生物芯片可以粗略地分為細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等幾類，都有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點，已成為二十一世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程的前沿科技。 　　近兩年，已經(jīng)通過微制作(MEMS)技術(shù)，制成了微米量級的機械手，能夠在細(xì)胞溶液中捕捉到單個細(xì)胞，進(jìn)行細(xì)胞結(jié)構(gòu)，功能和通訊等特性研究。美國哈佛大學(xué)的Whitesides教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員，發(fā)展了微電子工業(yè)普遍使用的光刻技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，并研制出效果更好的軟光刻方法(soft lithography)。以此，制出了可以捕捉和固定單個細(xì)胞的生物芯片，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞間距等，研究細(xì)胞分泌和胞間通訊。此類細(xì)胞芯片還可以作細(xì)胞分類和純化等。它的功能原理非常簡單，僅利用芯片表面微單元的幾何尺寸和表面改性，即可達(dá)到選擇和固定細(xì)胞，及細(xì)胞面密度控制。 圖2：多元蛋白質(zhì)芯片模型 圖中按順時針方向分別表示： 1）在格式化的改性表面上，固定配基； 2）含配基的芯片與蛋白溶液相互作用，蛋白特異性結(jié)合形成蛋白復(fù)合物； 3）對芯片進(jìn)行檢測以確定蛋白間的相互作用。 　　蛋白質(zhì)芯片的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了約十年的時間，現(xiàn)已出現(xiàn)了相對成熟的技術(shù)，如瑞典的BIACORE的單元芯片，中科院力學(xué)所的多元蛋白質(zhì)光學(xué)芯片和美國的SELDI質(zhì)譜芯片等。它們的共同特點都是將生物分子作為配基，固定在固體芯片表面或表面微單元上，以單一、或面陣、或序列式。利用生物分子間的特異結(jié)合的自然屬性，待測分子與配基分子在芯片表面會形成生物分子復(fù)合物。然后，檢測此復(fù)合物的存在與否，達(dá)到對蛋白質(zhì)的探測、識別和純化的目的。以上不同技術(shù)的差異僅在探測方法的不同。BIACORE技術(shù)利用表面等離子體共振技術(shù)檢測芯片，進(jìn)行單一蛋白質(zhì)檢測；多元蛋白質(zhì)光學(xué)芯片是光學(xué)成象法，可以同時檢測多種混合的蛋白質(zhì)；SELDI技術(shù)則采用質(zhì)譜法，以時間順序檢測序列蛋白質(zhì)。 圖3：研究蛋白相互作用的芯片 Protein G、p50和FRB等三種蛋白分別以點狀陣列固定到玻片上。三種熒光標(biāo)記的探針I(yè)gG（藍(lán)）、 I B （綠） 、FKBP12（紅）分別以其中的一種（A、B、C）或三種（E）同時出現(xiàn)進(jìn)行探測。三種探針分別與三種蛋白發(fā)生特異性相互作用。D表示無任何探針的狀態(tài)。 　　隨著人類基因工程的發(fā)展，基因芯片(即DNA芯片)得到迅速的發(fā)展。DNA 芯片又稱為寡核苷酸陣列或雜交陣列分析，它是根據(jù)DNA雙螺旋原理而發(fā)展的核酸鏈間分子雜交的技術(shù)。它的基本結(jié)構(gòu)類似于面陣型蛋白質(zhì)芯片，在芯片表面能夠制備成千上萬的基因單元作為配基，對待測基因進(jìn)行篩選。待測基因通過PCR擴增技術(shù)得到數(shù)量放大，再進(jìn)行熒光標(biāo)記，使其在篩選過程中產(chǎn)生可識別的熒光發(fā)射或光譜轉(zhuǎn)移。此熒光信號被熒光顯微鏡檢出，達(dá)到基因識別的目的。將已知的DNA（探針）和未知的核酸序列之間的一方以有序的陣列固定到載玻片或硅片上，再與熒光標(biāo)記的另一方進(jìn)行雜交。當(dāng)熒光標(biāo)記的一方在DNA芯片上發(fā)現(xiàn)互補序列時即發(fā)生雜交，雜交的結(jié)果以熒光和模式識別分析來檢測。DNA芯片技術(shù)可以快速分析大量的基因信息，從而使生物醫(yī)學(xué)工作者可以研究并收集基因表達(dá)和變異信息。目前國內(nèi)外已有公司生產(chǎn)并銷售的DNA芯片有兩類，一類是在芯片上原位合成待測的寡核苷酸，再與熒光標(biāo)記的DNA探針放在一起，當(dāng)DNA探針雜交到寡核苷酸陣列上后，互補序列通過熒光掃描確定。該寡核苷酸陣列格式可用于檢測變異，在基因中定位目標(biāo)區(qū)域，和基因表達(dá)的研究，以及確定基因功能。另一類DNA芯片利用微量點樣技術(shù)在芯片上制作互補DNA（cDNA）陣列，再與熒光標(biāo)記的DNA探針雜交。cDNA陣列格式用于快速篩選。如位于Santa Clara, CA 的Affymetrix公司生產(chǎn)的GeneChip? 含高密度的DNA探針陣列，可以用于人類基因組中遺傳信息的分析。具特殊用途的DNA探針陣列可以在人類基因組中快速篩選已知的DNA序列。 DNA芯片還可用于監(jiān)測不同的人體細(xì)胞和組織基因表達(dá)，以檢測癌癥或其它疾病所對應(yīng)的基因的變化。隨著DNA芯片及雜交技術(shù)的發(fā)展，DNA芯片將有可能直接應(yīng)用于臨床診斷，藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。 圖4：基因表達(dá)的微陣列圖 以兩種顏色的熒光標(biāo)記來自于兩種細(xì)胞的樣品，雜交后，對微陣列的每一位點進(jìn)行熒光掃描。每一位點的光強度正比于它所結(jié)合的熒光cDNA的量。光強越強，樣品中該基因的表達(dá)水平越高。如微陣列的位點無熒光，說明兩種細(xì)胞均不表達(dá)該基因。如某一位點顯示一種熒光，說明該標(biāo)記的基因只在此細(xì)胞樣品中表達(dá)。同一位點顯示兩種熒光，說明該基因在兩種細(xì)胞樣品中均表達(dá)。 　?。?）分子馬達(dá) 　　分子馬達(dá)是由生物大分子構(gòu)成，利用化學(xué)能進(jìn)行機械做功的納米系統(tǒng)。天然的分子馬達(dá)，如：驅(qū)動蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物體內(nèi)參與了胞質(zhì)運輸、DNA復(fù)制、細(xì)胞分裂、肌肉收縮等一系列重要生命活動。分子馬達(dá)包括線性推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)式兩大類。其中線性分子馬達(dá)是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，并沿著一條線性軌道運動的生物分子，主要包括肌球蛋白（myosin）、驅(qū)動蛋白（kinesin）、DNA解旋酶（DNA helicase）和RNA聚合酶(RNA polymerase)等。其中肌肉肌球蛋白是研究得較為深入的一種，它們以肌動蛋白（actin）為線性軌道，其運動過程與ATP水解相偶聯(lián)。而驅(qū)動蛋白則以微管蛋白為軌道，沿微管的負(fù)極向正極運動，并由此完成各種細(xì)胞內(nèi)外傳質(zhì)功能。目前對于驅(qū)動蛋白運動機制提出了步行（"hand-over-hand"）模型，驅(qū)動蛋白的兩個頭部交替與微管結(jié)合，以步行方式沿微管運動，運動的步幅是8 nm（圖5）。目前， ATP水解與肌球蛋白和驅(qū)動蛋白的機械運動之間的化學(xué)機械偶聯(lián)的關(guān)系還不清楚。近來的研究發(fā)現(xiàn)它們有相同的中心核結(jié)構(gòu)，并以相似的構(gòu)象變化將ATP能量轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍走\動。DNA解旋酶作為線性分子馬達(dá)，以DNA分子為軌道，與ATP水解釋放的能量相偶聯(lián)，在釋放ADP和Pi的同時將DNA雙鏈分開成兩條互補單鏈。RNA聚合酶則在DNA轉(zhuǎn)錄過程中，沿DNA模板迅速移動，消耗的能量來自核苷酸的聚合及RNA的折疊反應(yīng)。 圖5：肌肉肌球蛋白（左）和驅(qū)動 蛋白（右）的運動周期模型 　　旋轉(zhuǎn)式分子馬達(dá)工作時，類似于定子和轉(zhuǎn)子之間的旋轉(zhuǎn)運動，比較典型的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機有F1-ATP酶。ATP酶是一種生物體中普遍存在的酶。如圖所示：它由兩部分組成，一部分結(jié)合在線粒體膜上，稱為F0；另一部分在膜外，稱為F1。F0-ATP酶的a、b和c亞基構(gòu)成質(zhì)子流經(jīng)膜的通道。當(dāng)質(zhì)子流經(jīng)F0時產(chǎn)生力矩，從而推動了F1-ATP酶的g亞基的旋轉(zhuǎn)。g亞基的順時針與逆時針旋轉(zhuǎn)分別與ATP的合成和水解相關(guān)聯(lián)。F1-ATP酶直徑小于12 nm，能產(chǎn)生大于100 pN 的力，無載荷時轉(zhuǎn)速可達(dá)17轉(zhuǎn)/秒。F1-ATP酶與納米機電系統(tǒng)（nanoNEMS）的組合已成為新型納米機械裝置。 圖6：ATP酶的結(jié)構(gòu)示意圖 　　美國康納爾大學(xué)的科學(xué)家利用ATP酶作為分子馬達(dá)，研制出了一種可以進(jìn)入人體細(xì)胞的納米機電設(shè)備--"納米直升機"。該設(shè)備共包括三個組件，兩個金屬推進(jìn)器和一個附屬于與金屬推進(jìn)器相連的金屬桿的生物分子組件。其中的生物分子組件將人體的生物"燃料"ATP轉(zhuǎn)化為機械能量，使得金屬推進(jìn)器的運轉(zhuǎn)速率達(dá)到每秒8圈。這種技術(shù)仍處于研制初期，它的控制和如何應(yīng)用仍是未知數(shù)。將來有可能完成在人體細(xì)胞內(nèi)發(fā)放藥物等醫(yī)療任務(wù)。 圖7：美國康納爾大學(xué)研制成的"納米直升機"示意圖 　　（3） 硅蟲晶體管 　　美國和北愛爾蘭的研究者偶然發(fā)現(xiàn)了一種活的半導(dǎo)體(half bacterium, half microchip)，它能夠嗅出生物戰(zhàn)所用的毒氣。這一發(fā)現(xiàn)竟來自科學(xué)家為消除計算機芯片生產(chǎn)線上的某些特殊細(xì)菌的屢屢失敗。為消除這些微生物，研究者試用了從紫外線到強氧化劑，但是，細(xì)菌仍可幸存。紐約州立大學(xué)的生物學(xué)家Robert Baier解釋了此現(xiàn)象。在清洗半導(dǎo)體芯片時，超純水能夠溶解一些半導(dǎo)體材料，如氧化鍺，而這些半導(dǎo)體材料會圍繞細(xì)菌結(jié)晶，使細(xì)菌在晶體的"家"中存活得極好，而不會受到損傷。微生物用半導(dǎo)體材料建立了一個"活"的單元。此現(xiàn)象提出了廣闊的想象空間。亞利桑納大學(xué)的物理學(xué)家O'Hanlon 和 Baier認(rèn)為外面包上硬殼的細(xì)菌可以用于制造生物晶體管。在普通三極管中，由源極到漏極的電流受門極電壓的控制。而這種細(xì)菌半導(dǎo)體晶體恰好可以用作生物晶體管的門極。當(dāng)在呼吸和光合作用等產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移的生物過程中，光照或者器官的水汽能誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生電子，猶如打開了這個生物晶體管。這種精巧的靈敏裝置能夠探測到生物戰(zhàn)毒氣。 　　他們在半導(dǎo)體表面用純水制作細(xì)菌晶體單元，下一步是使它發(fā)揮晶體管的功能，并獲得更多的應(yīng)用。 圖8： 載激光束（藍(lán)色）的納米傳感器探針穿過活細(xì)胞，以檢測該細(xì)胞是否曾置于致癌物質(zhì)下 　?。?） 納米探針 　　一種探測單個活細(xì)胞的納米傳感器，探頭尺寸僅為納米量級，當(dāng)它插入活細(xì)胞時，可探知會導(dǎo)致腫瘤的早期DNA損傷。 　　為了模仿暴露于致癌物質(zhì)，將細(xì)胞浸入含有苯并吡 (BaP)的代謝物的液體中。 苯并吡是城市污染空氣中普遍存在的致癌物質(zhì)。在一般暴露情況下，細(xì)胞攝取苯并吡,并代謝掉。苯并吡和細(xì)胞DNA的代謝反應(yīng)形成一種可水解的DNA加合物BPT （ benzo(a)pyrene tetrol)。納米探針是一支直徑50納米，外面包銀的光纖，并傳導(dǎo)一束氦-鎘激光。它的尖部貼有可識別和結(jié)合BPT的單克隆抗體。325納米波長的激光將激發(fā)抗體和BPT所形成的分子復(fù)合物產(chǎn)生熒光。此熒光進(jìn)入探針光纖后，由光探測器接收。Tuan Vo-Dinh和他的同事認(rèn)為此高選擇和高靈敏的納米傳感器，可以用于探測很多細(xì)胞化學(xué)物質(zhì)，可以監(jiān)控活細(xì)胞的蛋白質(zhì)和其它所感興趣的生物化學(xué)物質(zhì)。 　　此傳感器還可以探測基因表達(dá)和靶細(xì)胞的蛋白生成，用于篩選微量藥物，以確定哪種藥物能夠最有效地阻止細(xì)胞內(nèi)，致病蛋白的活動。隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，最終實現(xiàn)評定單個細(xì)胞的健康狀況。 　　 　　三、納米生物材料 　　生物材料已是大家熟知的內(nèi)容，例如：用于制衣、皮帶的動物皮革是生物材料；用于鑲牙和制作隱形眼睛的材料，盡管不是生物制品，但是被用于生物體內(nèi)，也可以歸于生物材料。納米生物材料也可以分為兩類，一種是適合于生物體內(nèi)應(yīng)用的納米材料，它本身即可以是具有生物活性的，也可以不具有生物活性，而僅僅易于被生物體接受，而不引起不良反應(yīng)。另一類是利用生物分子的特性而發(fā)展的新型納米材料，它們可能不再被用于生物體，而被用于其它納米技術(shù)或微制造。 　　(1) 活的電線 　　在很多方面，DNA幾乎是構(gòu)筑納米尺度結(jié)構(gòu)的理想材料。近來，科學(xué)家通過在DNA的表面覆蓋金屬原子的培植方法，合成了導(dǎo)電的DNA鏈。然而，由于DNA完全被金屬覆蓋，僅起一種支架的作用，不再具備選擇性結(jié)合其它生物分子這一很有價值的特性。 Saskatchewan大學(xué)的研究者逐漸發(fā)現(xiàn)了將DNA發(fā)展成新一代生物傳感器和半導(dǎo)體導(dǎo)線的途徑。生物化學(xué)教授Jeremy Lee 實驗室的研究者發(fā)現(xiàn)DNA很容易把鋅、鎳、鈷等離子并入它的雙螺旋的中心，并找到了在高pH值等基本條件下，穩(wěn)定DNA含有金屬離子的狀態(tài)，獲得了新的DNA導(dǎo)電體。 并且，此類金屬DNA仍然保持選擇性結(jié)合其它分子的能力。正在開發(fā)的應(yīng)用之一是遺傳畸變探測生物傳感器。類似于其它的DNA探測，在此傳感器上裝配上所要探測的特制DNA序列。在此，DNA鏈?zhǔn)菍?dǎo)電的。雜交DNA所引起的刪除或變化，均起阻礙電流的作用，計算機能夠簡單地通過測量電導(dǎo)的變化，來識別DNA的異常。 　　這種生物傳感器還能用于鑒別混合物，如：環(huán)境毒素、毒品、或蛋白質(zhì)等，當(dāng)這類分子結(jié)合到金屬DNA上，將把金屬離子排斥出來，導(dǎo)致電流中斷。由于，信號強度的減小正比于污染物的濃度，所以，能夠很容易地確定環(huán)境毒素的量。金屬DNA還可以用于篩選結(jié)合于DNA的抗腫瘤藥物，用作微細(xì)半導(dǎo)體線路的導(dǎo)線等。 　?。?） 組織工程中的納米生物材料 　　材料支架在組織工程中起重要作用，因為貼壁依賴型細(xì)胞只有在材料上粘附后，才能生長和分化。模仿天然的細(xì)胞外基質(zhì)--膠原的結(jié)構(gòu)，制成的含納米纖維的生物可降解材料已開始應(yīng)用于組織工程的體外及動物實驗，并將具良好的應(yīng)用前景。國內(nèi)清華大學(xué)研究開發(fā)的納米級羥基磷灰石/膠原復(fù)合物在組成上模仿了天然骨基質(zhì)中無機和有機成分，其納米級的微結(jié)構(gòu)類似于天然骨基質(zhì)。多孔的納米羥基磷灰石/膠原復(fù)合物形成的三維支架為成骨細(xì)胞提供了與體內(nèi)相似的微環(huán)境。細(xì)胞在該支架上能很好地生長并能分泌骨基質(zhì)。體外及動物實驗表明，此種羥基磷灰石/膠原復(fù)合物是良好的骨修復(fù)納米生物材料。 　　通過以上所述，可以明顯地看出納米醫(yī)學(xué)、納米生物技術(shù)和納米生物材料等內(nèi)容，并無明顯的界線，可以說是相互交叉，相互依賴，共同發(fā)展的。這正是納米生物工程的含義。 隨著進(jìn)入21世紀(jì)，納米技術(shù)的發(fā)展將使今天的科學(xué)幻想成為明天世人普遍接受的實用技術(shù)。