纳米技术在微生物研究和检验中的应用课件

纳米技术在微生物研究 和病原微生物诊断中应用 李富荣 MD PhD 暨南大学第二临床医学院 一、纳米技术21世纪的主导技术 2000年，美国总统克林顿向国会发布了关于 美国纳米技术启动计划 （纳米技术：要引发下一 场工业革命 ） 18世纪中叶 蒸汽机 第一次工业革命 18世纪末 19世纪初 冶炼技术 钢铁和机械制造 19世纪60年代 电力 第二次工业革命 20世纪70年代 微电子技术 家电产业革命 21世纪 纳米技术 ? ? ? ? ? 图1：在血管中运动的纳米机器人，它正在使用纳米切割机和 真空吸尘器来清除血管中的沉积物。图片来源：Julian Baum/Science Photo Library 图2：最初的“基本”纳米技 术的版本可以追溯到Eric Drexler加州远景学院 的创始人他预见了可 以精确操纵原子的纳米机 器。他设想使用坚硬的材 料，例如钻石，来制造复 杂的纳米尺度结构，通过 移动反应分子块来实现。 图中这种运动控制器，可 以成为用来组装分子的纳 米机器的一个部件。来源 ： K Drexler/ Eric Institute for Molecular Manufacturing, / 图3：细胞生物学为我们提供了数不清的成熟的纳米机器的例 子。例如图中这种生物纳米机器，可以被膜上的电压或者信号 分子驱动，开关钾离子通道，左图为关闭状态，右图为开放状 态。因此钾离子可以被选择性地通过膜（用黄色条表示）。来 源：David S Goodsell, Scripps Research Institute/RCSB Protein Data Bank. 图4：一种通向纳米技术的途径通常叫做生物纳米技 术剥离并部分地组合成较复杂的人造纳米结构，具有 部分的生物学特征。图中的结构是由纽约大学的Nadrian Seeman用特殊设计的自组装DNA分子制作的。来源：N C Seeman 2003 Biochemistry 42 7259-7269 图5：由加州大学洛杉矶分校的Carlo Montemagno和康内尔大学的Harold Craighead开发，用镍棒的阵列组成（a），每个棒高度为200纳米直径80纳米。 在每个棒上端安装有一个生物旋转马达（b）。一个纳米螺旋桨（c）长度为 750-1400纳米直径150纳米被固定在马达的转子上。另外的“ATP”燃料供给整 个装置（d）使得螺旋桨转动。来源：R K Soong et al. 2000 Science 290 1555-1558 图6.A具有比红血球携带氧分子多数 百倍的功能，而且本身装有纳米计算 机、纳米泵，可以根据需要将氧释放 ，同时将无用的二氧化碳带走。B.纳 米机器人在清理血管中的有害堆积物 . C.纳米仿生术机器人。这种称为游 荡者的纳米仿生物可以为人体传送药 物，进行细胞修复等工作。 图7.纳米颗粒跟踪癌细胞示意图 纳米马达 两栖超微机器人在水上 行走 纳米微操作机器人在1010微米 的基片上刻出的字样 蚂蚁大小的机器人在 米粒中穿行 碳纳米管制作的纳米齿轮模型 纳米技术 -引发信息技术、生 物技术、生态环境技术等领域的技术 革命和跨越式发展，并将可能带动下 一次的工业革命。 美国在2006年期间，政府在纳米科技的总 投入为13亿美元 日本2002年预算13.84亿日元用于纳米医 学领域研究费用 英国2001年纳米技术研发费用1800万英 镑 中国十一五国家纳米研发经费100亿, 863计划下开设纳米生物技术专题 十一五纳米生物技术研究和开发重点 ： 关键技术： 重大疾病早期诊断技术 重要致病病源的快速检测技术 纳米药物载体的可控制备技术 中药纳米化技术 纳米生物农药载体的可控制备技术 纳米生物材料的加工、制备技术 纳米生物材料及微系统的生物效应评估 重大产品： 用于重大疾病治疗的纳米药物及纳米药物运载 纳米化中药 纳米改进高效、低毒造影剂 用于重大疾病早期诊断的生物传感器 用于重要致病病源快速检测的生物传感器 高效、低毒纳米改性农药和肥料 生物相容性的纳米生物材料 2000年纳米技术对全世界GDP的贡 献为4000亿美元 预测2010年纳米技术对美国GDP的 贡献将达到10000亿美元 日本纳米技术的国内市场规划也将 达到273000亿日元 二、纳米技术的内涵 纳米：1/10-9m. 纳米技术:即对100nm尺寸以下的物质和 材料进行研究处理的技术。 目标:人们将按照自己的意愿直接操纵单 个原子、分子或原子团，分子团，制造具 有特定功能的产品。 纳米材料的特性： 小尺寸效应：特殊的光学、热学、电学 、磁学、力学等性质的不同 表面效应：比表面积大，高的化学活性 宏观量子隧道效应 纳米算盘 硅表面 STM针尖 通过扫描隧道显微镜操纵氙原子 用35个原子排出的“IBM“字样 操纵原子排出的“原子“字样 纳米加工五环 纳米加工师 生物固有的纳米材料 纳米技术大体上有三个层次的含义: “分子纳米技术”,即在0. 1100 nm 尺度 上对物质存在的种类、数量、结构形态进行 精确的识别与控制的研究及应用的高新技术 ,其最终目标是直接用分子、原子在纳米尺 度上制造具有特定功能的产品,实现生产方 式的革命。 是把纳米技术定位为微加工技术的 极限,即人们通过对物质进行纳米精度 的“加工”来形成纳米尺寸结构的技术, 这将引起现存技术(如半导体微型化) 的发展极限。 是从生物的角度出发进行的研究,生物细 胞和生物膜本身就存在纳米的结构,每个 细胞都是活生生的纳米机器,它不仅可以 将食物转变成能量,而且能根据其DNA 上 的信息制造出蛋白质和酶。 三、微生物与纳米 美国微生物与纳米大会 2006年1月15日-18日在加利福尼亚州 旧金山市的费尔蒙特大酒店召开。 大会主题： 利用细菌与生物工艺学制造显微电子装 置； 开发生物材料与纳米结构界面，以用于 疾病检测、监视与控制等应用领域； 利用细菌与其他生物材料制造生物机器 或者实现信息处理； 利用纳米技术来诊断或治疗疾病。 . 1、纳米细菌 直径约50500,能通过0.1的滤过 器。 纳米细菌生长缓慢,倍增时间13,无典 型形态学特征, 有磷灰石外壳,形成所谓的生物膜,故难碎 裂,用常规方法难以提取。 纳米细菌异常耐热,可染色,可固定。 分类属于真菌属，兰氏染色阴性的球形细 菌 各种纳米细菌 纳米细菌与疾病 纳米细菌与结石 (1)97.2%的肾结石中发现了纳米细菌; (2)几乎所有的肾结石都含有磷灰石成分; (3)纳米细菌是已知仅有的能产生磷灰石 并在肾脏中聚集的微生物; (4)肾结石中分离出来 的纳米细菌在体外 培养时可产生结石 。 纳米细菌与动脉硬化 研究表明从粥样斑块中培养出纳米细菌,阳 性率达60%,正常对照组无一例阳性。 Gary等对77例冠状动脉硬化患者采用 NanobacTX治疗3个月,57.2%患者硬化程 度降低, 其中14例完全消失,推测此药物可能是 通过杀灭粥样斑块中的纳米细菌达到治疗作用 。 纳米细菌与皮肤病 芬兰学者Harvima等对65例皮肤病患者 进行研究,发现银屑病、红色扁平苔藓、钱币 性湿疹、荨麻疹及非特异性瘙痒症患者皮肤 和血清中纳米细菌感染率分别为85%、 100%、100%、89%和53%、67%、 60%、56%。而正常人血清感染率仅为 12%,故作者认为许多皮肤病的发生可能与 纳米细菌感染有关,但具体发病机制尚有待于 进一步研究。 纳米细菌与肿瘤 Ciftcioglu等(1998)发现部分肿瘤细 胞表面有纳米细菌粘附的受体,使得细菌可 进入瘤体内产生钙化作用,并经vonKossa 钙染色证实,其推断纳米细菌可能与肿瘤的 发生有一定的关系 2.微生物在纳米技术研究中的应用 用微生物研制纳米晶体 澳大利亚昆士兰大学和英国伯明翰大学的科 学家合作，利用脱硫弧菌和大肠杆菌等微生物研 制纳米晶体，这种方法不但清洁环保，而且有害 废弃物更少。 脱硫弧菌和大肠杆菌能在氢气或甲酸盐有机分 子存在的条件下，从溶液中提取钯，并使之以纳 米晶体的形式沉积在微生物细胞表面。产生的钯 晶体约50纳米宽，是传统工业方法生产钯晶体的 一半。而且，微生物也能提取铝、铂、银等金属 微生物生物电路 威斯康星-麦迪逊大学化学系教授Hamers及其 同事将活的微生物，主要是细菌，依次沿着一个 通道导向到一对互相分开不到一个细菌长度的电 极，当细菌在电极间移动时，事实上细菌便成为 一个电接点，使得科研人员可以一次一个地捕获 、 讯问和释放细菌细胞。如果将这一功能安装到传 感器之中，这种能力便能实时地检测危险的生物 物质，包括炭疽杆菌和其它微生物病原体。 微生物纳米线路 美国马萨诸塞大学的科学家发现了一 种微生物结构，它拥有非常好的导电。由 一种特殊的微生物组成的，这种微生物被 称为“泥菌”。整个线路非常完美，虽然仅 有3到5纳米宽，但是非常耐用，长度是宽 度的1000倍。 利用细菌建造纳米发动机 细菌电机是利用细胞质膜上质子电势差作为 能源的装置，可以肯定地说，细菌电机是类似人 类制造的直流电机。细菌电机工作起来非常有效 率，细菌能以约25微米/秒的平均速度游动，但 是有些种类细菌能以超过100微米/秒的速度游动 。 这意味着，在短短的1秒内细菌移动的距离超过 自身长度几十至几百倍。 从某组“喷嘴”喷射粘液束能使细菌向前或向 后运动，运动速度可达到10微米/秒。 纳米发动机构造 用活细菌建造纳米机械 活细菌很有可能会成为纳米电路的组合元件 ， 甚至有可能成为建造纳米机械的脚手架。 从某种酵母提取的物 质研发的机器人润滑油 ，可以让纳米机器人运 行更顺畅。 微生物技术制备纳米 机器人润滑油 杀死细菌的纳米管 匹兹堡大学研制只有一微米高的纳米地毯里 ， 纳米管能够把自己组织为宽阔的、竖立的群体， 如果放大 100 万倍，它们看上去就像地毯的纤 维那样。而且，与一般的纳米管结构不同，这种 纳米管对各种化学剂有不同的敏感性，可以通过 不同的颜色显示来区别化学剂。它还可以培植来 杀死细菌（如大肠菌），因为它本身像用一把刀 ， 可以刺进细胞膜来杀死细菌。 杀菌剂纳米银 这种纳米银粒径大多在25纳米左右，对大肠 杆菌、淋球菌、沙眼衣原体等数十种致病微生物 都有强烈的抑制和杀灭作用，而且不会产生耐药 性。动物试验表明，这种纳米银抗菌微粉即使用 量达到标准剂量的几千倍，受试动物也无中毒表 现。同时，它对受损上皮细 胞还具有促进修复作用。值 得一提的是，该产品遇水抗 菌效果愈发增强，更利于疾 病的治疗。 纳米传感器对付“细菌战” 澳大利亚的科学家近日宣布，他们研制 的手持式纳米传感器，能准确检测出空气 中的病原体，这样人们在对付细菌战时有 了一种敏感的“武器”。 细菌光控纳米阀门 荷兰研究人员用大肠杆菌的一个通道蛋白， 这个蛋白象一个安全阀，其作用是在有严重渗透 变化时保护细胞。正常情况下，这个通道被严格 控制着，但是在某个压力阈值之上，通道的孔打 开，让离子和某些其他分子流出去。研究者通过 附加合成的化合物改造了这个通道蛋白，当有紫 外光照射时，蛋白的结构发生变化，使离子能从 通道流过。研究者还制造了另外一种通道的变化， 该通道能在可见光照射下关闭。 四、纳米技术在病原微生 物检测中应用 美开发出体积超小的微生物探测器 一种叫做纳米振动子的微小结构能够 作为探测器，检测细菌、病毒和其他病原 ，因为当不同的污染物黏附在上面的时候 ，能够以不同频率发生振动。 由于这种纳米振动子体积极小，所以 比其他大型设备更加敏感，能够配备在各 种污染物探测器之上，在危险致病菌出现 的早期即可发出警报。 n“纳米阱”能快速判断细菌种类 n 可用于病毒监测而在噬菌体把遗传物质注入 细菌的过程中，细菌细胞内的离子会释放出来， 从而改变周围的电场。根据这种情况，得克萨斯 农业机械大学科学家设计了“纳米阱”。这种小型 设备的关键器件只是一个低成本的芯片。当细菌 受到噬菌体侵袭释放出离子时，“纳米阱”里就会 出现相应的电压噪声，仿佛是细胞受伤后的“惨 叫”。因为每种噬菌体只感染对应的唯一一种细 菌，所以科学家可以利用不同的噬菌体，通过 “纳米阱”是否听到细菌“惨叫”，检测细菌。 n纳米粒子检测细菌 由美国开发出来的新型检测方法，使用二氧 化硅纳米粒子，每个粒子含数千个荧光染色分子 ，而且每个分子附着在一个特定细菌的抗体上。 这些纳米粒子被加入到含有检测样本如牛 肉的溶解液里。如果存在要寻找的细菌，这些纳 米粒子就会迅速粘着在细菌上，并把细菌从样本 中分离出去。由于要寻找的细菌比这些纳米粒子 重，细菌就会和纳米粒子分离，但是那些附着在 细菌上的染色分子会发出荧光，指明细菌所在， 从而检测出细菌。 IMB-PCR技术：越来越多的人将纳米 免疫磁珠技术与PCR结合起来 影响PCR直接应用于临床诊断的一个因素 是样品中的细菌浓度。 冻存过的样品中可能包含死菌，不适合培 养，而应用PCR则可以很好地进行检测。 IMB-ECL：将纳米免疫磁珠和电化学 发光传染器结合起来的自动检测系统 检测各种生物毒素和细菌芽孢，分析A型 肉毒杆菌毒素、霍乱亚基、蓖麻毒素、葡 萄球菌内毒素B等的检测限可达fg 。 分析炭疽杆菌芽孢时，可检测到100个芽 。 DNA序列分析 将纳米亲和磁珠和PCR结合起来可以 进行DNA测序。已经应用于巨细胞病毒、 沙眼衣原体、恶性疟原虫、HIVI型病毒， 人类基因等。 美国NASAA公司： 将碳纳米管用于基因芯片，可以在单位面 积上连接更多的探针，与传统的基因芯片相 比，它具有无可比拟的优点。 无需进行标记； 敏感性更高，样本需要量低于1000个 DNA分子；传统DNA检测的样本需要量超 过106个DNA分子； 需要的样品量更少，可以免去传统的PCR 扩增步骤； 结果可靠，重复性好； 操作简单，易实现检测自动化。 纳米碳管基因芯片 ： 生物芯片 纳米芯片 不能很好地固定DNA 固定方式：自组装 样本需量大 样本量少 荧光标记不可直接读出 高敏感：可检测SNP 敏感度低：难检测SNP 微电子：高产而成本低 纳米DNA诊断实时检测仪 此仪器以纳米电极为核心技术，形成 DNA或蛋白质功能化阵列，可实时进行 DNA或蛋白质检测。由于免去了纯化、扩 增和标记等步骤，检测时间由24周减少 为数分钟，不需要昂贵的激光仪器显示结 果，而且非常容易与其他电子设备结合使 用。 纳米DNA诊断实时检测仪 SCIENCE，2003,301:1884-1886 纳米DNAPCR探针超微量蛋白检测方法 检测结果 Analytical Chemistry, 2006 ,78: 2055 纳米生物条码技术检测蛋白质方法 Figure 1. The NA- BCA assay. (A) Nanoparticle and magnetic microparticle probe preparation. (B) Nanoparticle- based PCR-less DNA amplification scheme. ( J. AM. CHEM. SOC. 2004, 126: 5932-5933) 具有PCR灵敏度的生物条码的DNA检测方法 Figure 2. Ampl