奈米生物学基因组科学的发展

讀取這種字碼的裝置是DNA定序儀，DNA定序儀一次能讀取的鹼基數大約只有400到700個鹼基對，所以必須重覆操作定序相當多次。確定基因組序列的作業方式，是將DNA定序儀所決定的數萬個序列與指標連接對照，以使目的序列相同。奈米生物學基因組科學的發展讀取這種字碼的裝置是DNA定序儀，DNA定序儀一次能讀取的鹼1奈米生物學基因組科學的發展所以利用電腦進行分析足不可或缺的，這是人類基因組的全部解碼得以迅速進展的原因在基因組中所包台的基因個數究竟有幾個呢?在視為生物的東西中，具有最小基因組的寄生蟲支原體有522個基因，大腸菌等自養型細菌有4289的個基因，絲蟲等多細胞生物有16332個基因，估計人類約有7到10萬個基因。奈米生物學基因組科學的發展所以利用電腦進行分析足不可或缺2向生命學習的科學技術完全解碼這種基因訊息的科學是基因組科學，除了人類以外，其他實用微生物的基因組完全解碼計畫也在穩定地進行中，計畫成果會全部公開在網際網路上。在完全解碼基因組訊息之後，接下來的課題是研究表現遺傳訊息的機制。為了理解這個機制，共有遺傳訊息並不夠，遠必須理解蛋白質本身具有的各種功能，針對基因組分析，有一個稱為蛋白質體(proteome)分析的研究領域持續地發展。向生命學習的科學技術完全解碼這種基因訊息的科學是基因組科學，3向生命學習的科學技術◆以蛋白質的功能為基礎來考察生命作用的構成過程時，發現到有許多人類科學技術還無法到達的設計原理在產生作用。因為蛋白質分子的大小是在奈米級，所以在蛋白質層級下對生命作用的研究也稱為奈米生物學。向生命學習的科學技術◆以蛋白質的功能為基礎來考察生命作用的構4向生命學習的科學技術太陽能利用與氫離子能量電力的實體是由電壓所引起的電子流動，相對於此，生物體的能量是由氫離子的流動所產生的。氫離子能量與電力能量截然不同，氫離子能量是儲存成腺核苷三磷酸(ATP)，ATP可以由化學反應轉換成機械性能量、光、聲音等所有工作。向生命學習的科學技術太陽能利用與氫離子能量電力的實體是由電壓5因為電力不是物質，所以在輸送或能量轉換的時候會遭受各種能量損失，而相對於此，氫離子能量有可能避免產生大幅損失。另外，由於一次能量是隔著細胞膜的氫離子濃度差，所以在發電機產生燃燒能量轉換時成為限制的熱力學界限(效率=(T1/T2)/T1，T1是高溫熱源的溫度，T2是低溫熱源的溫度)並不存在。向生命學習的科學技術太陽能利用與氫離子能量因為電力不是物質，所以在輸送或能量轉換的時候會遭受各種能量損6轉換成所有工作的能量通用貨幣與物質的燃燒不同，在生物體裏面，氧並不是直接將碳變成二氧化碳氣體。清水博等人將肌肉的成分一肌動蛋白纖維固定在雲母片上做成翼狀翅膀，在燒杯中放入溶解肌凝蛋白纖維、ATP和酵素的溶液，把翅膀加到裏面，發現翅膀產生了旋轉。這是因為ATP分解成腺苷二磷酸(ADP)和磷酸離子所產生的化學能量，轉換成使翼狀翅膀旋轉的機械性能量。轉換成所有工作的能量通用貨幣與物質的燃燒不同，在生物體裏面，7◆此外，目前已經可以得知合成的化學能量、輸送物質的滲透壓之類的工作、從發熱、發電、發光到發音，全部的生物體活動部與ATP相關。所以說，如果找到可以轉換成所有能量的通用能量物質，就可以有效率地進行能量的生產、儲藏和輸送。從這種觀點來看。例如以氫氣作為通用的二次能量物質來建構能量經濟的技術，應該會讓人很感興趣吧。轉換成所有工作的能量通用貨幣◆此外，目前已經可以得知合成的化學能量、輸送物質的滲透壓之類8濃度差化學能量的利用和用氫和氧產生電力的燃料電池，與製得生物體中氫離子能量的方式十分類似。燃料電池是利用電極間的反應在液體中產生氫離子的流動，造成電子的流動，再藉由金屬等導體來獲得電力。另一方面，在生物體中，膜可以利用電子的能量來產生氫離子，但是膜會遠遠氫離子的流動，因此當需要時必須再運用酵素效用，以氫離子泵汲出氫離子，將氫離子利用為化學能量。濃度差化學能量的利用和用氫和氧產生電力的燃料電池，與製得生物9生物體的能量轉換效率之所以很高，是因為它能利用膜分隔而使物質濃縮，或者相反地利用由濃度高的地方流出到濃度低的地方的能量等，這些都是由膜和酵素的效用所導致的，這點也與人工熱力機只能由溫度差引發能量截然不同。濃度差化學能量的利用濃度差化學能量的利用10分子機械以DNA的資訊為基礎，將胺基酸作用材料來維持生命活動的時候，生物體必須消耗能量。生命可以視為是一具擁有自行增殖功能的能量、與處理訊息的裝置。因為氫離子的生產是氧化還原反應，所以一定會伴隨著成對的電子輸送反應，也就是說，如果控管電子輸送反應，就可以自由控制化學反應。分子機械以DNA的資訊為基礎，將胺基酸作用材料來維持生命活動11圖1.21所示的光合作用反應是相當為人所知的這種電子-化學反應相互控制機制，其中生成氫離子的製程稱為光化學系統II。相對於此，與以消耗大陽光所產生電子來固定碳酸的製程相關的反應系統稱為光化學系統I。分子機械分子機械12分子機械控制電子的流動、控制物質和能量的方式，給人的印象是一座進行電腦控制的化學工廠。雖然還不是很清楚蛋白質所進行的訊息處理機制，但是如果能明瞭其與能量控制的關聯性，應該也能設計出亦可稱為分子機械的嶄新能量裝置吧!分子機械控制電子的流動、控制物質和能量的方式，給人的印象是一13奈米生物学基因组科学的发展14自行組織、自行組合化系統擴散-反應系統會形成耗散結構，需藉由一定的能量流動來維持穩定的狀態。特寧是最早提倡可利用擴散-反應系統的動力學，來說明生物體形成形態的人。在奈米科技中，利用自行組織、自行組合化排列奈米材料，以製成有用的結構，這個看法相當令人感興趣，如此一來，便可預先準備好奈米材料，在必要的時加以排列化，簡便地進行形形色色的材料加工。自行組織、自行組合化系統擴散-反應系統會形成耗散結構，需藉由15生命科學與奈米科技的融合奈米科技是一種模擬生命機能、向生命學習的科學技術奈米科技的發達引發了在奈米層級下對生命機能的解釋。藉著考察奈米層級下的機制，可以更深入理解以前的生物學。生命科學與奈米科技的融合奈米科技是一種模擬生命機能、向生命學16生命科學與奈米科技的融合舉例來說:人的身體是大約60兆個細胞的聚集物，這些都是由最初的一個受精卵分裂而成的，說到具有細胞核之真核生物細胞的特徵:首先就在細胞中將細胞質和胞器包圍其中成為一體的細胞膜，其具有與外界隔離之作用。生命科學與奈米科技的融合舉例來說:人的身體是大約60兆個細胞17生命科學與奈米科技的融合細胞內包含著各種細胞內器官（胞器，各其有內膜和外膜）、合成ATP的粒線體、進行蛋白質生物合成的核糖體、運用其鍵結以對蛋白質進行修飾的囊胞、獨立承擔細胞內輸送的高基氏體、分解不需要物質的溶脢體等胞器中最大的是細胞核，DNA分子就位於細胞核中。生命科學與奈米科技的融合細胞內包含著各種細胞內器官（胞器，各18生命科學與奈米科技的融合◆而奈米科技是以工程上的替代技術來實現這些生命的巧妙作為，所以奈米科技的形態愈來愈鮮活。圖1.22顯示了奈米科技在這方面的發展。◆在細胞內的膜所隔開的區域內，離子泵和ATP合成酵素等對能量代謝機制有相當重要的作用，這是一種稱為分子馬達的東西，目前正在進行模擬分子馬達來設計奈米機器的研究。生命科學與奈米科技的融合◆而奈米科技是以工程上的替代技術來實19生命科學與奈米科技的融合掌控運動的肌肉被稱為分子引擎，蛋白質分子藉由在空間中滑動以產生運動。最近發現一種稱為分子往復體的分子環，由長的分子引導在上面滑動。身為生命自行維持機能的免疫系統，是一個分子辨識機能高度發達的複合化學反應系統。生命科學與奈米科技的融合掌控運動的肌肉被稱為分子引擎，蛋白質20◆現在正在應用這種分