纳米生物技术前沿.ppt

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1、第2章 纳米生物技术前沿-4,2010-04-08,2.4 纳米机器人和纳米分子仿生学,2.4.1 纳米机器人纳米机器人（nano-robot）是可以在细胞内或血液中对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米机器人学（nano-robotic）是一门崭新的集纳米技术、生物、化学、计算机、数学、机器人学等多门学科于一体的交叉学科，它是研究纳米级/分子级物体及设备的构建、装配、复制和控制的一门学科，也称分子机器人学（molecular robotic）。,基于碳纳米管的齿轮、齿轮-齿条,仿甲虫外形制造的微型机器人,纳米轴承,微型机器人,纳米弹簧（nanospring）,SEM images of

2、silica nanosprings(Source:Prof.David N.McIlroy,University of Idaho),Wang LD et al.High yield synthesis and lithography of silica-based nanospring mats,Nanotechnology 17(2006)S298S303,SEM images of silica nanosprings using different deposition temperatures,350,650,1000,采用CVD原位催化裂解方法制备的碳纳米弹簧SEM照片,http

3、:/=288460,钟伟,纳米机器人可能引导新的工业革命,纳米机器人是纳米生物学中最具诱惑力的内容。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，如酶和纳米齿轮的结合体。这种纳米机器人可注入人体血管内，可以进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪淀积物，吞噬病毒，杀死癌细胞。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。这是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦研制成功，有可能在1秒钟内完成数10亿次操作。人类的劳动方式将产生彻底的变革。,制造纳米机器人的核心是纳米机电技术。微/纳机电系统（MEMS/NE

4、MS）MEMS制造的主流是“自上而下”(top-down)的微型化过程。即采用光刻刻蚀等微细加工方法，将大的材料割小，形成结构或器件，并与电路集成，实现系统微型化。NEMS制造：“自下而上”（bottom-up）？自组装法和显微镜法,为制造具有特定功能的纳米产品，其技术路线可分为“自上而下”(top down)和“自下而上”(bottom up)两种方式.“自上而下”是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化.而“自下而上”，是指以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品。这种技术路线将减少对原材料的需求，降低环境污染.,Top-d

5、ownTraditional approachTake away material until what is left is the product,Bottom-upNanotech approachAdd material until the product has been created,精密准确，但往往投入较大，周期较长,缺陷较多，可控制性不十分理想；但属于真正意义上的“调控”,2.4.2 纳米分子仿生学,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”，即纳米机器人。,1.细胞就是纳米机器,“细胞工

6、厂”类似于工厂的能量转化和生产过程细胞内含有的分子机器：酶类蛋白质复合体细胞器,酶类,六大类：氧化还原酶（Oxidoreductase）1100多种转移酶（Transferase）450种水解酶（Hydrolase）650种裂解酶（Lyase）300种连接酶（Ligase）300种异构酶（Isomerase）,蛋白质复合体,蛋白质复合体通常由多种不同源的蛋白质通过相互作用构成，协同完成复杂且十分重要的生物学过程。ATP酶（分子马达）细菌鞭毛（螺旋推进器）DNA聚合酶系统（DNA复制机器）RNA聚合酶（RNA转录机器）核糖体（蛋白质翻译机器）DNA错配修复系统蛋白质转运机器,细胞器,细胞中的所有

7、结构单元都是执行某种功能的微型机器：核糖体是按照基因密码的指令安排氨基酸顺序制造蛋白质分子的加工器；高尔基体是给新制造的蛋白质分子进行加工修饰的加工厂；加工好的蛋白质可以按照信号肽的指令由膜囊泡运送到确定的部位发挥功能；完成了功能使命的蛋白质还会被贴上标签送去水解成氨基酸并重新用于新蛋白质的合成。,核糖体是按照基因密码的指令安排氨基酸顺序制造蛋白质分子的加工器,生物纳米机器的特点,自组装（self-assembling）自指导（self-directed）与细胞钟（cellular clock）高效率（high efficiency）高可靠性（high fidelity）柔性（flexibil

8、ity）化学能驱动分子调控（molecular regulation）,Adenosine Triphosphate,ATP合成酶广泛存在于细菌、叶绿体和线粒体膜上。它由两个转动马达F0 和F1 共轴耦合而成.F0F1-ATP合酶普遍存在于动物线粒体的内膜、植物叶绿体的类囊体膜和细菌的质膜上,其主要功能是在生物体系中参与氧化磷酸化或光合磷酸化,催化合成ATP.,F1-ATPase 蛋白分子马达,分子仿生学的应用例子,模拟酶：人工模拟天然酶的分子识别和催化功能而合成的非蛋白质分子生物导弹：生物导弹模仿膜囊泡转运蛋白质的功能，它把不能分辨好坏细胞的抗癌药物包裹在脂微囊中并在微囊表面植入一种专门与癌

9、细胞结合的标记分子。如此设计的生物导弹就是在血液中或细胞间隙游走的纳米机器人，它一旦遇到癌细胞就会抓住不放并钻入细胞中释放抗癌药物杀死癌细胞。,分子仿生学的应用例子,分子伴侣：细胞内帮助新合成的蛋白分子形成正确的高级结构而表现蛋白活性的生物大分子。模仿线粒体机器人基因修复机器人：利用基因芯片迅速查出人的基因密码中的错误，并迅速利用纳米技术将错误基因进行修正，治疗遗传缺陷疾病；通过观测直接发现遗传缺陷或病毒中原子或分子结构的缺陷，并进行分子手术。,分子仿生学的应用例子,生物计算机：寻找或创造一些特定的生物分子（细菌视紫红蛋白质、DNA等），能够更加快速地完成计算机的基本运算和存储功能，代替目前的

10、半导体计算机中央处理器（CPU）和存储器。体积小，质量轻，能耗小，环境适应性强，运算速度和信息储存能力比现有的计算机高数亿倍，人工智能（分析、判断、联想、记忆等）,分子机器也称分子马达(molecular motor)，由生物大分子构成，是能将化学能转化为机械能的纳米系统。分子马达大体可分为六类：细胞骨架蛋白、聚合体、G蛋白、旋转的马达、环状蛋白以及核苷酸马达。,天然的分子马达在生物体内的胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等生命活动起着重要作用。通过对分子马达的深入研究，人们对细胞内部的认识已经从静态环境转变到有分子机器运输物质的动态环境中。,生物细胞中纳米级分子马达有ATP合成酶、Ki

11、nesin、Actin、Myosin.,无穷能量一旦获得成功，纳米机器人就能通过人体血糖获得前进动力,科学家从精子的前进方式中受到启发，计划用生物能来驱动纳米机器人,科技新时代，2008年2月 pp.44,生命活动中的许多基本过程都是基于分子马达的运动:真核细胞内沿细胞骨架系统的物质输运 DNA复制过程中的DNA解链过程 细胞有丝分裂期间染色体的分离过程 肌肉收缩过程,纳米生物机器人离我们有多远？,由于研究手段的局限，至今取得的成果不多。此外，纳米机器人本身的一些固有缺陷（如体外稳定性差，工作寿命较短）和操纵困难，也常常让研究工作陷入困境。,细菌视紫红蛋白质,细菌视紫红质用来制造计算机组件最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，且其奇特的光学循环特性可用于储存信息，起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。Birge等研究表明，细菌视紫红质的三维存储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间。,细菌视紫红质蛋白是一个典型的多次跨膜蛋白，该蛋白的三维结构已经通过电子显微镜确定了。有7个跨膜的-螺旋片段，每个片段大约含有25个氨基酸残基。,2.6 生物芯片及其中的纳米技术2.7 纳米生物效应及纳米安全性,