纳米技术在生物科学方面的应用

纳米技术在生物科学方面的应用

纳米技术是近年来崛起的一门崭新技术，它是在现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用探索紧密联系的新型科学技术。纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域，现已成为当今世界活跃的研究热点之一。 所谓纳米技术是指在纳米尺度（0.1～100nm）上，研究物质（包括原子和分子）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科相互渗透的高新技术。它使人类的认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子水平，其最终目标是以物质在纳米尺度上表现出来的特性制造具有特定功能的产品，使之微型化，实现生产方式的跨越式发展。将对人类产生深远的影响，改变人们的思维和生活方式。纳米是一种长度单位,一纳米等于十亿分之一米、千分之一微米,约相当于45个原子串起来那么长。DNA链的直径就是2纳米左右。当物质的线度处于纳米尺度(1~100nm)时,由于量子效应、物质代写生物学论文的局限性以及巨大的表面及界面效应,物质的许多性能会发生质变,会出现许多不同于宏观物体也不同于单个孤立原子的奇异现象。由于纳米材料表现出许多不同于传统材料的特殊性能,所以纳米科技被视为21世纪关键的高新技术之一。纳米科技是在纳米尺度上研究物质(包括原子、分子)的特性和相互作用,以及利用这些特性的科学技术。它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。

生命科学领域内存在大量纳米级的结构,从核酸、蛋白质、病毒到各种各样的细胞器,线度都在1到100纳米之间。10纳米以下的粒子比血液中的红细胞还要小,可以在血管中自由流动。DNA是携带遗传信息的生物大分子,同时也是纳米建筑工具包中不可替代的部件。DNA作为纳米材料具有其他材料不

可比拟的优越性,经典的DNA双螺旋结构即B型双螺旋DNA的直径为2纳米,DNA自身就是天然的分子纳米线,可以作为纳米加工的模板。一些特殊结构的DNA,如三链DNA、四链DNA相继被发现,四臂DNA也能人工合成。DNA的多种结构为纳米工具包增添了不少部件:分子纳米线、分子环、立方体、四面体、空心管和多臂接头等。

1．纳米科技在生命科学中的应用现状

1）纳米颗粒检测与纳米药物载体

近年来,纳米颗粒已广泛应用于生物体系的研究。中国科学院的研 究人员利用双硫醇分子作连接剂,将纳米颗粒固定于金片上,利用石英晶体微天平技术研究了DNA探针在金片上的固定,并对DNA的识别能力进行了初步探讨。

在实验室条件下,经过纳米颗粒修饰的金片对HS—DNA探针的吸附量比未经修饰的金片可提高3~5倍,并将传感器的灵敏度提高了约3倍。我国的科研工作者以荧光染料为核,二氧化硅为外壳制备了大小均匀的荧光纳米颗粒,结合纳米技术、生物技术与荧光标记技术建立了一种基于生物荧光纳米颗粒的新型荧光标记方法,与传统的荧光标记方法相比,该方法在稳定性、灵敏度、应用范围等方面都有重要突破,在生命体系的超痕量分析中具有非常重要的意义。我国的科研人员应用该技术成功地识别了外周血中的SmIgG+B淋巴细胞。

纳米药物载体技术以纳米颗粒作为药物载体,将药物包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面,同时在颗粒表面耦联特异性的靶向分子,通过靶向分子与细

胞表面特异性受体结合,在细胞吞噬作用下进入细胞内,可实现安全有效的靶向性药物治疗。目前,科学家已采用金的纳米粒子进行定位病变治疗以减少毒副作用。另外利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物也已经取得突破性进展。

2）生物分子机器人

科学家们设想利用纳米技术以20种氨基酸为原料,按分子设计合成所需的蛋白质零件,并进一步利用肌肉细胞的纤维骨架结构制造出分子机器人。利用分子机器人在血液中循环,对身体各部位进行检测诊断,实施就地特殊治疗,疏通血管中的血栓,清除动脉中的脂肪沉积物,甚至用它来吞噬病毒,杀死癌细胞。这样,今天的顽症AIDS、高血压、癌症等病症的治疗难题在不久的将来都将迎刃而解,从而在生命科学史上创造一个现代医学奇迹。

3）纳米生物传感器

纳米生物传感器是将纳米磁性颗粒与靶向性因子结合,与肿瘤表面的靶标识器结合后,在体外用仪器测定磁性颗粒在体内的分布和位置,从而确定肿瘤的大小尺寸和体位。美国科学家研制出一种纳米探针,它是一支直径50纳米,外面包银的光纤,可传导一束氦———镉激光,它的尖部贴有可识别和结合良性叶柄状肿瘤的单克隆抗体。325纳米波长的激光将激发抗体和BPT所形成的分子复合物产生荧光,此荧光进入探针光纤后,由光探测器接收。这种高选择和高灵敏度的纳米传感器能用于探测很多细胞化学物质,可以监控细胞的蛋白质和其它人们所感兴趣的生物化学物质。

4）纳米分子马达

分子马达是由生物大分子构成并利用化学能做功的纳米系统。天然的分子马达如肌球蛋白、驱动蛋白和RNA聚合酶等在生物体内参与胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。美国康奈尔大学的科学家用ATP酶作为分子马达,研制出了一种可进入人体细胞的“纳米直升机”。该设备有两个金属推进器和一个生物分子组件,其中的生物分子组件将体内的ATP化学能转化为机械能,使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈。当然,该技术仍处于研究初期,在其控制与应用仍是未知数,将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。

5) 生物分子计算机

生物分子是很好的信息处理材料,每一个生物大分子本身就是一个微型处理器,分子在运动过程中以可预测的方式进行状态变化。其原理类似于计算机的逻辑开关,利用该特性并结合纳米技术可用来设计生物分子计算机。美国南加州大学Adelman博士等应用基于DNA分子计算技术的生物实验方法,有效地解决了目前计算机无法解决的问题———哈密尔顿路径问题。美国锡拉丘兹大学已利用细菌视紫红质蛋白制作出了光导“与”门,利用发光门制成了存储器。此外,他们还利用细菌视紫红质蛋白研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置,制作生物芯片并结合微细加工技术制成一种混合型微型计算机,其数据存储量和处理速度是当今最先进的电子计算机所望尘莫及的,并且不会对环境造成任何潜在污染。

2．纳米科技在生命科学中的应用前景

纳米技术作为跨世纪的新学科，它已成为科学界和工程技术界备加关注的热点，美国、日本、德国等国家已经将纳米生物技术作为21世纪的科研优先项目予以发展，并作为自然科学基金优先支持的项目。

我国在纳米技术领域起步并不晚，纳米技术被认为是我国在本世纪赶超和占领国际一席之地的一个重要高技术领域。国家科委、国家自然科学基金委和国防科工委都在组织推进这一重大新兴科学技术的发展。目前，我国约有近百个研究机构和大学开发纳米材料研究工作，其中清华、北大、南京大学、中科院都设有国家重点实验室进行纳米材料的研究。我国在“九五”期间“863计划”启动了国家纳米振兴计划,“十五”期间“863计划”将纳米生物技术列为专题项目予以优先支持发展。

总的说来,国际上纳米生物技术的研究范围涉及纳米生物材料、药物和转基因纳米载体、纳米生物相容性人工器官、纳米生物传感器和成像技术、利用扫描探针显微镜分析蛋白质和DNA的结构与功能等重要领域,以疾病的早期诊断和提高药物疗效为目标。在纳米生物材料,尤其是在纳米载体方面的研究已取得一些积极进展,在恶性肿瘤诊疗方面也取得了实验阶段的进展,其它方面的研究尚处于探索阶段。

正如70年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米技术将成为本世纪信息时代的核心。人们正在注视着纳米技术领域不断涌现的奇异现象和新进展。可见预见，各种新的纳米生物材料将会被不断地开发出来，造福于人类，纳米技术作为一门新兴学科，必将给传统的医疗，制药等诸多生物领域带来一场革命，这场革命将极大地促进人类的发展进步。

王亚东、杨江、周杰、杨策、刘航、史衍卿