分子手术与纳米治疗讲座之四课件

1、纳米生物系统量子点纳米编码DNA计算机纳米生物传感器纳米组装纳米制造新概念量子点纳米编码 量子点是直径为纳米级的半导体晶体，在受激光发射中能够吸收阈值以上所有能量的光子，然而发射光的波长，即其颜色却主要取决于量子点的尺寸。因此，一种类型的半导体，如硒化镉，就能产生出整整一族颜色不同的标记。早期这是个纯物理学的研究课题，几乎没人会料到量子点的最先应用竟会是有助于疾病诊断或新药筛选的量子点纳米编码。图101展示了不同量子点标记的微胶乳球在激光照射下，发出不同颜色的光的情景。 目前已有应用量子点技术的商品化产品“蛋白质阵列系统”(见图103)，通过不同的量子点组合(见图104左边)可同时标记100种

2、蛋白质，每一种量子点组合标记一种单克隆抗体。蛋白质阵列试验的原理图见图104。它具有两束激光，一束对标记进行监测；另一束则记录荧光强度作定量分析。可对仅1微升的样品，同时定量分析100种蛋白质或肽。主要应用于药物筛选、信号传递过程中的蛋白谱和蛋白质组学的研究。DNA计算机 DNA分子是大自然经历几十亿年进化的产物，它是遗传信息的载体，既高效又稳定，而且随着时间、空间的变化相应地控制着生命过程。这么一种独特的生物大分子无论如何应当进一步发挥其信息处理的能力，成为一种最先进的信息技术。迄今所有电子计算机都是基于布尔代数，即二进制0，1代码方式。而DNA分子是由四种代码：A、T、C、G四种碱基构成的

3、，另外还有A-T；C-G的配对原则。DNA利用这种“四代码”的不同序列，可以存储大量的生命信息，同时酶分子能以高度并行的方式处理这些信息，就像现代的并行计算机。可见构建计算机的基本要素(代码、存储和处理)DNA和酶的系统均已具备了。威斯康辛一麦迪逊大学的史密斯(LMSmith)小组已经利用基因芯片实现了DNA计算机的想法，示意图参见图105。DNA计算机可能特别适合求解普通计算机极难求解的某些问题，如推销员行走路线问题等；但要使DNA计算机实用化要克服的困难还很多，如怎么将DNA计算系统与常规接口连接通讯的问题；DNA碱基配对错误导致汁算错误高发率的问题等等。 最近以色列科学家E麦皮诺利用少量

4、DNA片段和酶类，制造出了一台可自我驱动的分子计算机，能完成一系列简单的运算，(见图106)。在一般运算方面，DNA计算机与普通计算机相比不一定占优势，但这是朝着研制生化计算机方向迈出的第一步。DNA计算机的优势可能在于怎么快速扫描DNA序列的个体差异，怎么诊断疾病和按需在体内释放药物等这类的工作。这种生化用途的DNA计算机可能有朝一日会被广泛用于监控和改善身体健康。 最近科学时报报道我国上海交通大学Bio-X实验室的学者们也开展了DNA计算机的基础研究工作。纳米生物传感器美国于2003年12月白宫签署了21世纪纳米技术研究开发法案，其中保健、治疗和诊断是重大挑战领域之一。为应对这个挑战，发展

5、各类纳米生物传感器是当务之急。纳米生物传感器用于何方？体内实时监测芯片实验室（lab-on-a-chip）人工器官DNA测序药物反应应用： 生物分子的无标记检测(Label-free detection of biomolecules) 减少了检测步骤并限制了标记试剂对结果的干扰。复杂混合物的分析 很容易做成微型阵列，包括多个传感器，在分析复杂化学混合体系时，无需费时的纯化与分离步骤。(如图108) 当与一个人工神经网络连接后，这类阵列可作为一个“电子鼻”，快速识别一个复杂的气体混合物。医学诊断 无标记和并行地(Label-freeandparallel)探测疾病相关标记物，如蛋白质或DNA，

6、鉴别特殊的DNA序列。药物发现 无标记的生化反应和生物分子反应的研究。过程与质量控制(Progressandqualitycontr01)食品分析（Food analysis）环境监测（Environmental monitoring）安全监测器件（Security devices）潜在的事物或微量有机物（Micro organisms）的检测CNTDNA传感器基于碳纳米管（CNT）的生物传感器是美国NASA研究中心纳米技术方面的主攻方向之一，首先由平行垂直生长的CNT（图10.9）构建纳米电极阵列（图10.10）。然后，这些纳米电极阵列以DNAPNA探针功能化，构成检测靶DNAPNA的极高灵

7、敏度的电化学传感器。（图10.11）家庭DNA检测一旦涉及DNA检测，总是联想到DNA芯片、荧光标记、专用试剂、昂贵的仪器等。目前，一般医院都难以普及。 美国西北大学的C.A.Mirkin和R.L.Letsinger创造了一个精巧的方法，用于检测溶液中是否存在某种特别的遗传序列（图10.12）。这里的诀窍是采用2组金粒子。第1组金粒子所带有的DNA同靶顺序的一半结合；第2组所带有的DNA同靶顺序的另一半结合。有着完整靶顺序的DNA迅速地黏附在两种类型的金粒子上，把它们连接在一起。由于每个金粒子都有许多DNA触手，带有这种靶顺序的多片遗传物质就能将许多金粒子连接在一起。当这些金粒子结合在一起时，

8、其光学性质便发生厂显著变化，使得试液由红色变成蓝色。(见图1012右边) 由于检测结果无需任何检测仪器就很容易看出来，这种方法或许有可能用于家庭DNA检测。纳米组装纳米组装是纳米技术实用化的门槛之一。在寻求高效、实用的纳米组装策略时，目光会骤然聚焦至DNA分子上。因为它的碱基配对原理，很易将复杂的纳米组装对应于一系列特殊的DNA序列，以配对的DNA片段作为“钩子”，可将纳米部件组装至特定的部位；再则DNA分子可以通过PCR放大，很适合于大规模生产。本节介绍几项DNA纳米组装的新成果。DNA双链之间的配对识别是在纳米尺度上组建纳米器件的基础。图1014中左上图是该DNA镊子“打开”的状态，它的两

9、端留有一小段单链DNA。当环境中有合适的配对DNA单链存在时，就有可能结合而“关闭”这个分子镊子(见图1014右上图)；随后另外的竞争DNA单链(见图1014左下图)又可能与配对的DNA竞争结合而重新“打开”该DNA分子镊子(见图1014右下图)。有趣的是这些操纵DNA分子镊子开关的DNA分子可以反复使用，一点也不会浪费。DNA纳米导线科学家已经开始利用DNA技术来生产可应用于纳米级电子设备的细电线。据美国国家科学院学报在网上刊登的一则报道，这些可自我组装的DNA链可以镀上金属，形成导电性能很好的电线。 杜克大学的托马斯拉宾和他的同事们第一次对合成的DNA分子片段进行了组装。在适当的化学环境下

10、，这些片段组成了管状物，直径只有25纳米，长度20微米(这一过程比以前的组装方法有了很大的改善，以前的管状物长度各异，还有一些遗留下的片段)。接下来，科学家制作出了光滑的、单一的纳米银线。利用DNA技术的好处是DNA的特异性。由于DNA是根据人们已熟知的碱基配对规则来连接的，所以科学家希望利用这一特性在一个相对较大的芯片上准确安放纳米线，无需直接对其进行操作。纳米制造新概念纳米科技自1990年诞生以来，已从少数前卫学者的象牙塔里走了出来，受到社会 广泛的重视和认真对待。特别是近年来，在纳米电子学方面的进展，更增加了人们期望在今后1015年内实现内米科技的实用化，并将形成一个年产出约1万亿美元的

11、大产业。 再进一步的发展，可能是要逐步实现纳米科技的最高目标，直接操纵一个个原子、分子，构造有特殊功能的纳米器件；就是说要发明实用的纳米组装机(Nano Assembly Machine)。分子纳米技术的先驱者德雷克斯勒早在1986年就对这类“组装机”有过在很大程度上带有幻想成分的设想。这里我们要讨论的是比较现实的纳米组装机。第一步的纳米组装机利用类似STM、AFM这样的机器就能操纵单个原子、分子（图10.15），而且现在微形的STM、AFM日见成熟，这大概是纳米组装机的第一代。分子组装实例量子点的组装这种有几百个原子构成的量子点，能够发射特定波长的光，具有特定的功能，符合了纳米组装的基本要求

12、，这类自组装模式是纳米组装的第二代。（图10.16）向生命学习真正意义上的纳米组装机事实上，细胞内的许多亚细胞器都是实实在在的纳米组装机，像核糖体就是根据mRNA的信息指令从环境中的氨基酸直接合成各种复杂的蛋白质分子(见图1017)。向生命学习，向大自然学习，大概是最终完成纳米组装机的必由之路。那时纳米组装机将从装备少数几种原子(C、H、N、O)和分子(CO2、氨基酸、核苷酸)的原料盒中取出一个个原子、分子组装成具有特定功能的纳米器件，乃至它自身。对纳米生物学的高度重视又一次生物学革命？三大高科技的交汇点基于纳米组装机的网络生产结语展望对纳米生物学的高度重视 近来的种种发展迹象表明：可以毫不夸

13、张地说，纳米技术的研究热点正山牛导体芯片领域转向生物、医学领域。纳米医学技术已经被列入美国的优先科研计划。在2004年2月召开的美国科学年会上，主办者特意开设了“纳米技术论坛”，麻省理工学院科学家米尔德雷德德雷塞毫斯在论坛的基调演讲中说，美国用于研究纳米技术的经费已从1997年的不足5亿美元上升到2002年的22亿美元。随着纳米技术在医学领域表现出越来越诱人的应用前景，越来越多的研究经费正在涌人这一领域，兼任爱默里大学佐治亚理工学院教授的华裔科学家聂书明说，纳米技术刚兴起时，科学界的研究热点是纳米材料在信息技术领域的应用，科学家希望利用纳米技术使芯片体积更小、速度更快，而日前纳米技术的研究热点

14、正在转向疾病诊断、疾病治疗等医学领域。美国国家卫生研究所将在未来几年内把纳米医学技术列为优先发展项目。我国为何要高度重视纳米生物学的发展呢? (1)为了人民健康 最近报道，传染病已成为冷战后对国家安全的最大威胁。2003年SARS病毒的传染袭击即是一个深刻的教训，反思一下，应急能力的不足还源于基础研究的薄弱。调查一下，美国2002年6月对2000年启动的NNI计划的评论报告中，再次强调了基础研究，其第一项重点即：纳米生物系统。在应用研究和产品开发方面的十个重点中，有两项是针对纳米生物技术的：即第3项的“用于保健、治疗和诊断的纳米技术和装置”，第7项的“用于检测传染性疾病和生物威胁的生物传感器装

15、置”。值得注意的是，对美国这样一个在传染性疾病控制方面已很健全的国家，尚且那么针对性地部署其国家科技发展重点领域，对于我国显然更是紧迫的战略目标了。 (2)为了国家安全，尽快加入“纳米俱乐部” 2003年5月，美国国会又以绝大多数通过了“加速发展纳米科技”的立法，在以后三年内每年拨款78亿美元发展纳米科技，并成立综合协调机构，每年向国会报告进展情况，欲称霸世界纳米科技领域。这项计划比2000年的NNI计划，更是动真格了。“911”事件后，纳米生物传感器在“防生物威胁”中可能具有战略贡献，也是促进该立法的成因之一。 美国的重点是国防与航天航空。纳米科技中的纳米电子学、纳米机械和纳米生物技术在军事

16、装备小型化、智能化和信息化方面的贡献非同小可。我们要及早重视，及早跨人“纳米俱乐部”。因为在纳米科技诞生之初就有美国学者提醒：要注意纳米科技的军事应用及后果，要防止其扩散。正像防止核武器扩散一样，我们要及早跨入这个“纳米之门”，以免将来被人家当作防扩散的对象。这对国家安全也是至关重要的。(3)为了科技发展 从科学发展前景而言，发展纳米生物学也是意义重大的。一方面，基于纳米技术的生物学是生命科学的前沿之一；另一方面，基于生物学的纳米技术则是纳米科技走向实用的必经之路。从发展我国科技的全局和战略高度而言，纳米生物学也应属于优先领域的重要方向。又一次生物革命 DNA双螺旋结构发现(50周年前) 本身

17、是科学史上由学科交叉产生的重大科研成果。为此发现作出重大贡献的四位科学家中沃森(J.Watson)毕业于生物专业；克里克(F. Crick)和威尔金斯(M.Wilkins)毕业于物理专业；富兰克林(R. Franklin)则是毕业于化学专业。最先发现DNA分子结构的是在卡文迪什实验室工作的克里克和沃森，两人各自的专业背景不同，但都对DNA分子结构具有浓厚的兴趣，两人密切合作，共同探索，通过对DNA的X衍射照片的分析最终发现了DNA双螺旋结构。周光召院士又进一步指出：从DNA双螺旋结构的发现过程可以看到，将一个学科发展成熟的知识、技术和方法应用到另一学科的前沿，能够产生重大的创新成果。学科交叉是

18、创新思想的源泉。 最近由于单分子技术的成熟发展，物理学家已能在实验室内操纵一个个原子、分子；已能对复杂体系进行海量的并行分析和处理；已能对分子结构和生命过程进行三维计算机模拟和虚拟现实；纳米生物学一再被推至交叉学科前沿的时候，人们自然期待着全新思想的出现。英国自然杂志编辑部更是发表了“物理学会不会引导又一次生物学革命?”讨论的文章。Nature杂志还多次报道了国际学术界关注物理学与生物学学科交叉和融合的情况三大高科技的交汇点人们公认影响21世纪的三大科技是：信息技术、生物技术和纳米技术。其中纳米技术又以其突出的交叉性和集成性，影响到信息技术和生物技术的发展，它们三者的交叉、综合将诞生集大成的纳米生物技术或纳米生物信息技术。基于纳米组装机的网络生产真正高效、实用的纳米组装机很可能是起主导作用的生命体中的细胞器纳米组装机和起配合作用的人工纳米装置的结合体。在图114中，纳米科技与信息科学的交叉领域，我们标着“纳米电子学”，实际上还有更深的含义，即纳米科技的代表纳米组装机和信息技术的代表网络技术的交叉、综合网络化的纳米组装机的生产。这是纳米组装机的进一步发展，这是真正可与大自然比肩的发明创造!作为信息技术与纳米科技结合的雏形，即是网络扫描隧道显微镜。1999年，中科院上海应用物理研究所单分子探测和操纵实验室