纳米生物机器人浅析

纳米生物机器人纳米生物机器人 摘要 摘要 纳米技术与分子生物学的结合将开创分子仿生学新领域 分子仿生学模仿细胞生命过程的各个环节 以 分子水平上的生物学原理为参照原型 设计制造各种各样的可对纳米空间进行操作的 功能分子器件 纳米机器人 纳米机器人实质是分子机器人 是分子仿生学中的一个重要内容 纳米机器人的研制和开发将成 为 世纪科学发展的一个重要方向 关键词 关键词 纳米技术 纳米机器人 原子力显微镜 光镊 分子马达 纳米蜘蛛 微型机器人 纳米机器人实质是分子机器人 是分子仿生学中的一个重要内容 纳米机器人根据分子水平的生物学原理 为设计原型 是一种可在微小的纳米空间内进行操作的 功能分子器件 事实上 每一个细胞都是一个活生生 的纳米机器人 细胞不仅将燃料转化为能量 而且按照储存在 DNA 中的信息来建造和激活蛋白质和酶 通过 对不同物种的 DNA 进行重组 目前 基因工程家已经开始利用这些活生生的 纳米工具 来维护人体健康 例如 用细菌细胞来生产医用激素 纳米机器人 的研制属于分子仿生学的范畴 它根据分子水平的生物学原理为设计原型 设计制造可对 纳米空间进行操作的 功能分子器件 纳米生物学的近期设想 是在纳米尺度上应用生物学原理 发现新现象 研制可编程的分子机器人 也称纳米机器人 目前涉及的内容可归纳为以下三个方面 1 在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系 2 在纳米尺度上获得生命信息 例如 利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等 3 纳米机器人的研制 纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容 第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体 这种纳米机器人可注入人体血管内 进行健康检查和疾病治疗 还可以用来进行人体器官的修复工作 作整容 手术 从基因中除去有害的 或把正常的 安装在基因中 使机体正常运行 第二代纳米机器人是 直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置 第三代纳米机器人将包含有纳米计算机 是一 种可以进行人机对话的装置 这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式 纳米生物学新技术基础纳米生物学新技术基础 在纳米生物学研究技术中 原子力显微镜 Atomic force microscopy AFM 和光镊 optical tweezers 应用最 为广泛 原子力显微镜原子力显微镜 Atomic force microscopy 是 20 世纪 80 年代问世的扫描探针显微镜的 scanning probe microscope SPM 的一种 它的放大倍数远远超过了常规的光学显微镜和电子显微镜镜 其极限达到了 10 亿倍 可以直接观察物质的分子和原子 另外 AFM 的样品制备非常容易 还可以在模拟生物学环境中使用 这些优势 使它广泛应用于蛋白质大分子的拓扑学分析 多蛋白复合物结构解析等方面的研究 在对 AFM 的针尖进行一 些特殊的处理之后 它可以粘附生物大分子 从而使我们可以利用微悬臂的形变来对其进行一系列的力学性质的 测量 光镊光镊 optical tweezers 技术技术也是上个世纪 80 年代兴起的一种微观动力学测量技术 它利用激光束形成的 三维势阱控制微观物体的位置和移动 可以探测纳米级的位移以及皮牛级的相互作用力 广泛应用于马达蛋白运 动以及 RNA 聚合酶工作原理等研究方向 与 AFM 相比 光镊系统对分子相互作用力的测量精细度更高 但会 受限于激光器功率 原子力显微镜则不会遇到这方面的问题 并且凭借其操作简单方便的优势 可有效的弥补光 镊系统的缺陷 原子力显微镜与光镊技术的有机结合 可以在分子及原子水平剖析重要的生物大分子的结构 功能相关性 这将为详尽描绘生物大分子的功能奠定基础 同时还将极大地推动现有的分子细胞生物学研究的进展 随着纳 米技术与生命科学结合程度的深入 越来越多的纳米技术将被应用于生命科学研究领域 为生命科学的研究手段 带来了革命性的变化 除去现在广泛应用的原子力显微镜和光镊技术外 量子点量子点 1 相干反斯托克斯拉曼显微相干反斯托克斯拉曼显微 2 等高新技术亦正在蓬勃发展 可以预见 在不久的将来 伴随着更多更先进的纳米生物学技术在生命科学中的 有效应用 越来越多的生命科学难题将在分子及原子水平得到诠释 相关技术进展状况相关技术进展状况 纳米机器人的动力纳米机器人的动力 分子马达分子马达 分子马达 molecular motor 是美国康奈尔大学研究人员在活细胞内的能源机制启发下 制造出的一种马 达 这种微型马达以三磷酸腺苷酶为基础 依靠为细胞内化学反应提供能量的高能分子三磷酸腺苷 ATP 为 能源 生命系统中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中作功分泌吸收和传导等的初级能源 的大型嵌膜复合体 Boyer 3 曾提出 F1 ATPase 分子模型 Walke 等等 4 通过 F1 ATPase 分子的 X 射线晶体结构认为该酶是一个马达 Noji 5 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 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 Montemagn 等等 6 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 8 r 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 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 纳米蜘蛛纳米蜘蛛 微型机器人微型机器人 最近 美国科学家就研制出一种可以进入人体的纳米机器人 有望用于维护人体健康 发明这些纳米机器 人的科学家是美国哥伦比亚大学生物工程学研究人员米兰 斯托诺维克等人 组成机器人的原料是 DNA 分子 它们的外形很像蜘蛛 因此又称为 纳米蜘蛛 微型机器人 它们能够跟随 DNA 的运行轨迹自由地行走 移 动 转向以及停止 虽然以前研制出的 DNA 分子机器人也具有行走功能 但不会超过 3 步 而新的机器人却 能行走 50 步 科学家希望不断改进纳米蜘蛛 以提高它们的行进距离 让它们最好能够在人体内自由穿梭 纳米蜘蛛的体长只有 4 纳米 需要高倍电子显微镜才能看见 因为 10 万个这样的纳米蜘蛛排成一串也比人 类头发直径还小 正因为纳米蜘蛛如此微小 它可以穿越人体任何组织和器官 包括最细小的毛细血管和神经 末梢 而不会导致这些细小管道的阻塞 纳米蜘蛛可以在人体内的 大街小巷 内随意穿梭 及时发现人体内 出现的异常情况 因此堪称人体内的 微型警察 纳米蜘蛛 机器人有望成为治疗多种疾病的重要工具 比如 它们可以区分健康细胞和癌细胞 及时发 现癌细胞后发出警报 成千上万只纳米蜘蛛就源源不断地向癌细胞聚集 一起合力杀死癌细胞 它们还可以成 为清理人体血管的 管道工 人体血管其实也像城市的下水道一样 时间长了就会出现垃圾 如果不及时清理 就会发生各种心血管疾病 纳米蜘蛛发现这些垃圾后 能合力把这些垃圾击碎并运到人体的肠道内 纳米机器 人甚至可以用于外科手术 切割或缝合所需做手术的部位 由于它们可以直接利用人体活性物质到手术部位 手术之后可以达到没有疤痕的效果 我国在纳米机器人研究上的进展我国在纳米机器人研究上的进展 一台能够在纳米尺度上操作的机器人系统样机由中国科学院沈阳自动化所研制成功 并通过了国家 863 自动化领域智能机器人专家组的验收 在一个演示中 沈阳自动化所的研究人员操纵 纳米微操作机器人 在一块硅基片上 10 10 的区域上清晰刻出 CHINA 863 代表我国 863 计划 另一个演示显示 在一 个 的硅基片上 操作者将一个 长 100 纳米 粗细的碳纳米管准确移动到一个刻好的沟 槽里 据介绍 由重庆科研人员开发的这种名为 OMOM 胶囊内镜系统 的纳米机器人医生已经是第二次被列入 国家 863 计划 前一次获得了该计划 500 万元基金支持 并于 2004 年获得 863 计划 专家组验收 但这种 机器人目前还只能钻进人的肚子里通过传输图像 瞧病 还没有治病的本事 中国科学院沈阳自动化所研制研制的 重庆科研人员开发的 OMOM 胶囊内镜系统 纳米微操作机器人在 10 10 微米的基片上刻出的字样 注释 注释 1 Mingyong Han Xiaohu Gao Jack Z Su and Shuming Nie Quantum dot tagged micro beads for multiplexed optical coding of biomolecules Nature biotechnology 2001 19 631 635 2 Ji Xin Cheng and X Sunney Xie Coherent Anti Stokes Raman Scattering Microscopy Instrumentation Theory and Applications J Phys Chem B 2004 108 827 840 3 Boyer P D Biochim Biophys Acta 1993 215 1140 4 Abrahams J P Leslie A G W Lutter Retal Nature 1994 621 370 5 Noji H Science 1998 282 1844 1845 6 Soong R K Bach and G D Neves H P et