【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 有一個(gè)相應(yīng)的酶進(jìn)行催化，所以生命現(xiàn)象就是成千上萬(wàn)個(gè)在功能上有相互協(xié)調(diào)關(guān)系的酶分子井然有序地表現(xiàn)催化功能的結(jié)果。生物體內(nèi)的酶所催化的反應(yīng)幾乎涵蓋了自然界所有的化學(xué)反應(yīng)類型。因此，模擬酶分子制造納米機(jī)器人用于凈化環(huán)境和對(duì)工業(yè)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行催化是一個(gè)巨大的潛在生長(zhǎng)力。 ? “生物導(dǎo)彈”機(jī)器人 ：生物導(dǎo)彈模仿膜囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)的功能，它把不能分辨好壞細(xì)胞的抗癌藥物包裹在脂微囊中，并在微囊表面植入一種專門(mén)與癌細(xì)胞結(jié)合的標(biāo)記分子。如此設(shè)計(jì)的生物導(dǎo)彈，就是在血液中或細(xì)胞間隙游走的納米機(jī)器人，以便專門(mén)清除血管壁上沉積物，減少心血管疾病的發(fā)病率；它一旦遇到癌細(xì)胞就會(huì)抓住不放并鉆入細(xì)胞中釋放抗癌藥物殺死癌細(xì)胞。 28 在血管中運(yùn)動(dòng)的納米機(jī)器人，正在使用納米切割機(jī)和真空吸塵器來(lái)清除血管中的沉積物。 納米機(jī)器人消滅癌細(xì)胞虛擬圖 29 ?模仿線粒體機(jī)器人 ：模仿線粒體制造的納米機(jī)器人將可能為醫(yī)學(xué)的發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)，因?yàn)槿藗円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)線粒體與衰老、運(yùn)動(dòng)疲勞以及很多與衰老相伴而生的疾病如糖尿病、帕金森氏并等有很重要的關(guān)系。 ?基因修復(fù)機(jī)器人 ：分子病理學(xué)的研究將揭示疑難病的分子基礎(chǔ)，很多疑難病都是和某種酶分子的缺陷或酶分子的活性不能順利表現(xiàn)有關(guān)。應(yīng)用納米技術(shù)可以在微小空間重新排列基因遺傳密碼，利用基因芯片迅速查出人的基因密碼中的錯(cuò)誤，并迅速利用納米技術(shù)將錯(cuò)誤基因進(jìn)行修正，治療遺傳缺陷疾病。另外，納米技術(shù)還可以通過(guò)觀測(cè)直接發(fā)現(xiàn)遺傳缺陷或病毒中原子或分子結(jié)構(gòu)的缺陷，并通過(guò)分子手術(shù)將有缺陷的部分切割去除，然后再將好的原子和分子結(jié)構(gòu)移植上去，這樣可以從根本上治愈遺傳缺陷或病毒。 30 ? 生物計(jì)算機(jī) ：生物計(jì)算機(jī)是納米生物學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，其主要研究目標(biāo)是尋找或創(chuàng)造一些特定的生物分子，并期待這些生物分子能夠更加快速地完成計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)算和存儲(chǔ)功能，代替目前的半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)中央處理器（ CPU）和存儲(chǔ)器。研究表明，以蛋白質(zhì)分子為材料制造的生物計(jì)算機(jī)，不僅體積小，質(zhì)量輕，能耗小，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，而且運(yùn)算速度和信息儲(chǔ)存能力比現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)要高出數(shù)億倍。同時(shí)還具有和人腦一樣非常優(yōu)越的分析、判斷、聯(lián)想、記憶等智能。 ? DNA計(jì)算機(jī)將利用 DNA分子這些獨(dú)特的遺傳信息傳遞方式來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的計(jì)算功能。 DNA分子中遺傳密碼相當(dāng)于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)， DNA分子之間可以在某種酶的作用下瞬間完成生化反應(yīng)，從一種基因代碼變?yōu)榱硪环N基因代碼。如果將反應(yīng)前的基因代碼作為系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，而將反應(yīng)后的基因代碼作為運(yùn)算結(jié)果的話，那么只要控制得當(dāng)就可以利用這種反應(yīng)過(guò)程制成 DNA計(jì)算機(jī)。基于分子反應(yīng)的DNA計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度極快，科學(xué)家認(rèn)為，它幾天的運(yùn)算量就可相當(dāng)于計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)世界上所有計(jì)算機(jī)的總計(jì)算量。另外，由于每個(gè) DNA分子都含有大量的基因，因此 DNA分子的存儲(chǔ)容量將是十分巨大的，如 1m3的 DNA溶液可存儲(chǔ) 1萬(wàn)億億比特的數(shù)據(jù)，這將超過(guò)目前所有計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器容量的總和。不僅如此，DNA計(jì)算機(jī)所消耗的能量卻小的出奇，只有普通半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)的 10億分之一。 31 納米機(jī)器人應(yīng)用前景 ? 動(dòng)脈粥樣硬化的治療 機(jī)器人能夠從動(dòng)脈壁上清除粥樣沉積物。這不僅會(huì)提高動(dòng)脈壁的彈性 ,還會(huì)使通過(guò)動(dòng)脈的血液流動(dòng)狀況得到改善。 ? 腎結(jié)石、膽結(jié)石的治療 將納米機(jī)器人以插入導(dǎo)管的方式引入 到尿道或膽道里內(nèi) ,直接到達(dá)結(jié)石所在 的部位 ,并且直接把結(jié)石擊碎。 ? 檢查體內(nèi)疾病 像一顆膠囊，把它吞進(jìn)肚里，消化道內(nèi)的情景就可以像放電影一樣在電腦屏幕 上一 目了然。 納米機(jī)器人在清理血管中的有害堆積物 32 納米機(jī)器人進(jìn)入人體消化系統(tǒng)工作示意圖 目前還只能鉆進(jìn)人的肚子里通過(guò)傳輸圖像“瞧病”，還不能治病 。 機(jī)器人醫(yī)生在未來(lái)三年內(nèi)：當(dāng)機(jī)器人醫(yī)生發(fā)現(xiàn)可疑病變組織后，立即能伸出“手”來(lái)取樣進(jìn)行活檢 33 4. 生物大分子的物質(zhì)裝配及應(yīng)用 ? S層蛋白通過(guò)分子表面修飾或作為基質(zhì)，用于識(shí)別、固定、配對(duì)和調(diào)節(jié)單分子作用。另外，可以直接用于基因操縱。 5. 反義核酸技術(shù)的應(yīng)用 ? 反義寡核苷酸（ Antisense oligonucleotide， AONs）能特異性阻斷基因表達(dá)，但不穩(wěn)定，易被體內(nèi)細(xì)胞中的核酸酶消化，為達(dá)到治療目的，需不斷向體內(nèi)注射 AONs以保證其有效治療濃度。 ? 近來(lái)用納米粒作為反義核苷酸載體的研究相當(dāng)多。研究表明， AONs可以比較容易地與親脂性的生物降解型高分子納米粒相結(jié)合，或者被包裹在某些親水性體系（如海藻酸的納米系統(tǒng)）中。 AONs經(jīng)過(guò)化學(xué)修飾增加親脂性后也有利于與高分子 NP的結(jié)合； AONs與納米粒結(jié)合后，可以保護(hù)其不受酶的破壞，增加對(duì)細(xì)胞內(nèi)的通透性，并明顯改變 AONs的體內(nèi)分布特征。 34 納米技術(shù)在基因轉(zhuǎn)運(yùn)與基因工程中的應(yīng)用 1. 納米技術(shù)在基因?qū)胫委熤械膽?yīng)用 ? 基因治療是生物治療的重要組成部分 , 是當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)的研究熱點(diǎn)。但其面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一是基因治療的載體系統(tǒng)。目前 , 用于基因治療的基因轉(zhuǎn)移載體有 : 反義核酸、質(zhì)粒 DNA、重組病毒載體等 , 但各有載體互有利弊。反義核酸、質(zhì)粒 DNA 轉(zhuǎn)移效率低 , 易被核酸酶降解 , 而病毒載體則有安全性和免疫原性等方面的劣勢(shì)。因此 , 發(fā)展新型的安全、高效的基因治療載體系統(tǒng)顯得非常關(guān)鍵。 ? 納米基因載體 一般由具生物兼容性、可生物降解的納米生物材料制備 , 基本無(wú)毒性 , 無(wú)免疫原性 ,體內(nèi)可以代謝降解 , 生物安全性好 。 35 ? 核苷酸保護(hù)作用 ：裸 DNA、寡核苷酸在體內(nèi)可被核酸酶迅速降解。納米脂質(zhì)體和納米?？梢酝ㄟ^(guò)表面電荷吸附作用或通過(guò)包裹負(fù)載核酸分子，提高核酸分子對(duì)核酸酶的抵抗性。如聚氰基丙烯酸烷基酯陽(yáng)離子納米粒負(fù)載的反義寡核苷酸在細(xì)胞培養(yǎng)基中具有抗核酸酶的作用 , 阻止了寡核酸的降解 , 靜脈給藥體內(nèi)的穩(wěn)定性顯著提高。 ? 提高細(xì)胞攝取率 ：細(xì)胞主要是通過(guò)胞吞作用將負(fù)載外源基因的載體主動(dòng)攝入細(xì)胞內(nèi)。大量實(shí)驗(yàn)研究表明細(xì)胞對(duì)載體的攝取效率有明顯的尺寸依賴性。納米級(jí)的基因治療載體顯著提高了細(xì)胞的攝取 , 目的基因的表達(dá)水平。載體通過(guò)胞吞進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)后 , 如何實(shí)現(xiàn)溶酶體的逃避 , 以及細(xì)胞核內(nèi)的定位亦是提高基因治療效率的關(guān)鍵問(wèn)題。一些納米材料制備的載體 , 如加入聚賴氨酸的脂質(zhì)體、 聚乳酸 聚乙醇酸共聚物（ PLGA） 納米粒等在內(nèi)吞溶酶體內(nèi)酸性的環(huán)境中 , 可以干擾溶酶體膜的完整性 , 逃避核酸酶降解 , 以利于進(jìn)入胞核表達(dá)負(fù)載的基因。 36 ? 緩釋、控釋性基因傳遞 ：載體在體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間受載體粒徑大小影響。傳統(tǒng)的載體經(jīng)靜脈注射后 , 大部分被機(jī)體網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞系統(tǒng) (RES) 迅速攝取 , 限制其靶向其他部位。納米粒在體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間可明顯延長(zhǎng)。如納米脂質(zhì)體的表面修飾親水性材料 , 如聚乙二醇 (PEG) , 能在載體表面形成水化層 , 降低調(diào)理素作用 , 減少肝臟巨噬細(xì)胞的吞噬 ,使其兼有長(zhǎng)循環(huán)和立體穩(wěn)定的特性。納米粒載體由可降解的高分子材料合成 , 不同的納米材料有不同的降解速率。組織細(xì)胞攝取了納米粒后 , 通過(guò)高分子材料的逐漸降解 , 釋放出所負(fù)載的核酸分子。根據(jù)所選用的材料在體內(nèi)的水解速度不同 , 可實(shí)現(xiàn)所負(fù)載核酸分子的可控、緩慢釋放 , 如 PLGA納米粒載體可通過(guò)逐漸水解使目