1、生 物 科 技 快 报Bulletin of Biological Science next, they plan to test the movement of DNA. The overarching goal is to understand how biological molecules of all types move across the surface of lipid bilayers. “This particular project is focused on DNA, but the approach could potentially be used for sep
2、arating other biological molecules, such as proteins,“ Kane said. He envisions immediate applications in genomics and proteomics, with the new approach providing several improvements over current techniques. The new surfaces could yield separations with higher resolution and greater efficiency, Kane
3、 suggested. And they can be easily fabricated in a normal laboratory, whereas other surfaces require the use of a clean room. The nanoscale surfaces are also dynamic, while the materials in use today cannot be altered once they have been made. 先进工业生物科技专辑 2006-11-3让病毒成为纳米电路加工厂对于材料科学家而言，他们一直想弄明白一个问题：为
4、什么像鲍鱼和海蜗牛这样的动物能用难于利用的矿物质制造出坚硬的外壳？如果弄清楚这个原理，他们就能制造出相似的材料。对于同一个问题，安吉拉贝尔彻教授有23另外一种思路：能不能让这些动物为人类制造物品呢？ 贝尔彻将一片很薄的玻璃片插入到鲍鱼和它的外壳之间，这样就可以在不杀死鲍鱼的情况下研究它如何制造外壳。她发现，鲍鱼会制造蛋白质来引导碳酸钙分子形成两种完全不同却又密切相连的混合晶体形式一种非常坚硬，一种生长迅速。由于这项研究，贝尔彻在拿到了加州大学圣巴巴拉分校的博士学位后，成为了珍珠行业的顾问，她目前是麻省理工学院的教授，并在加州创办了一家公司。 贝尔彻有一项宏大的计划让生物体能够把分子当作砖一样，
5、组装出建筑物，这种策略在纳米技术领域被称为“自组配”。然而要想完成这个工作，必须先找到一种比鲍鱼更听话的生物，而且它还必须又小又有活力。 细菌导线： 贝尔彻首先想到了单克隆抗体，这种材料经过人为设计能够吸附多种物质，但是因为难度太大没有成功。20 世纪 90 年代中期，贝尔彻转向噬菌体 M13，这是一种瘦长的、寄生于细菌的病毒，但对人体无害。它宽约6 纳米，长 1 微米，它有一条单链 DNA 封装在蛋白质外壳中，整个丝状外壳由大约 2700 个同一种蛋白质组成，两端有几个其他蛋白质。通过改变端部的蛋白质，理论上就可以制造出数十亿种有各种特殊化学功能的噬菌体。噬菌体的侧面和两端可以粘接上不同的材
6、料。 长期以来，生物学家一直在研究这些化学特性，比如用 M13 粘接特殊的有机物来检测未知样本。不过，贝尔彻首次证明了这种病毒也能被用来标记并操作无机物分子，如许多产品都要用到的金属和半导体。 为了得到能结合特定分子的噬菌体，贝尔彻进行了被称为“定向进化”的试验，研究人员将上亿个噬菌体投入到含有某种物质的烧杯中，然后增加溶液的酸性，洗去不能与该材料特定结合的噬菌体，再将用剩下的噬菌体通过感染细菌的方式进行繁殖。 接下来，这些噬菌体将接受新一轮定向进化的考验，溶液环境将使它们更难与目标材料结合。接下来，研究人员再次洗去不合适的噬菌体进行繁殖。这24个过程在不同要求下不断重复，直到大约 3 个星期
7、后，只有一种噬菌体幸存下来它是最容易与这些材料结合的噬菌体。 最后，研究人员把对金有高度吸附能力的噬菌体投入到金离子溶液中，结果噬菌体全身镀金，成为一条一微米长的导线，可被用来制作微型电路。这些噬菌体甚至还可以相互连接形成长数厘米的金线，从而可以被织入布料中。 更轻更薄的电池： 贝尔彻已经用噬菌体 M13 制造出面积为 10 平方厘米，厚不到 1 微米的薄膜，在加入其他化学物质后，得到了一片稳固的薄片。她和她的同事希望用这种薄片作为电极来制造超轻锂离子电池。这项研究得到了美国军方的资助。贝尔彻说：“电池重量对他们来说是个大问题。我们的电极只有 4050 毫克，而传统电池电极有几克重。” 电池阴
8、极由包裹着金和氧化钴的噬菌体形成的薄片构成金能增加导电性，氧化钴交换电解质中的离子，从而形成电流。这个电极直接在预先制作好的聚合体电解质上组配完成，然后，研究人员再在电解质的另一面用噬菌体生成阳极，电池最终呈一种三明治结构。他们还设想将这种电池叠加起来从而得到更高的电压，而且电极间距离很短也使充电和放电更加迅速。此外，这种电池可以结合在各种表面上，因此不仅重量轻，而且体积小。除了军事用途，它将来还可以被用于超薄 MP3 播放器中。 检测制造缺陷： 噬菌体的本领还远不仅于此，有一种噬菌体能特异性吸附半导体材料砷化镓，而对它的“近亲”氮化镓却不敏感。这种辨别力使它可以被用来检测芯片上的缺陷。芯片制
9、造商有时在其他半导体上用这些材料中的一种生成晶体，而微小的晶格空间差异将产生机械变形，最终会影响到电学特性。如果晶体没有恰当结合，就会有额外的原子产生，噬菌体正好可以吸附在这个缺陷上。如果再让噬菌体带上荧光标记，我们就能用显微镜观察到这处缺陷。 贝尔彻还想将这一技术推向更多领域。她说：“我们想看看能不能在机翼等物体上寻找制造缺陷。”此外，她的研究小组还试图用噬菌体 M13 制造出完25整的晶体管，她表示，尽管病毒晶体管可能并不会更小，性能更好，但它不使用化学工艺，其制造产生的有毒废料肯定更少。 帮助寻找癌细胞： 在癌症检测方面，贝尔彻也找到了噬菌体的应用方向。她希望可以用噬菌体 M13 来连接
10、癌细胞和被称为“量子点”的标记物。“量子点”是纳米大小的发光晶体，可以由金、银等金属或者半导体制成。它体积小，却可以激发出强度高、稳定性好的荧光，许多科学家都看好用它来标记癌细胞。然而，量子点中的重金属比如镉对机体细胞有毒，这个缺陷在一定程度上限制了它的临床应用。贝尔彻等人正在试图用噬菌体吸附更为安全的氮化镓、氮化铟等半导体。这项研究得到了美国癌症研究所的资助。 制造柔性触摸屏： 尽管贝尔彻在麻省理工学院的大部分项目还需要数年时间才能进入商业应用，但她创办的 Cambrios 公司却需要能在两年内推向市场的应用。这家公司的总裁透露，他们将在明年中期推出一种产量不需要很大，利润却很高的产品一种使
11、用柔性塑料做成的触摸屏。军方需要一种可以用在挡风玻璃上的柔性屏幕，这样驾驶员可以快速操作计算机界面。对于其他人来说，在显示屏不用时能够卷起来将会省出不少空间。 贝尔彻表示她正计划成立一家新公司，开发更多的产品。利用这些微小的病毒组装工人和各种无机物，科学家将为我们带来更多、更奇妙的新产品。科技日报 2006-10-19哈佛大学建立 Kavli 生物纳米科技研究所哈佛大学于 2006 年 9 月 26 日宣布，Kavli 基金会与哈佛大学已经同意建立 Kavli 生物纳米科技研究所（KIBST）。Kavli 基金会的捐赠将有助于推进哈佛大学在生物学、工程学与纳米科学的交叉领域的研究。特别地，这个
12、捐赠26将资助致力于“纳米级”或小尺度科学的博士后研究人员和讲师。 一“纳米”等于一米的十亿分之一，人头发的平均直径大约比一纳米大十万倍。纳米科学为科学家近距离观察生命基础提供了一种途径。接近原子级的分辨图像有助于确定蛋白质的结构与功能，甚至可以了解个别分子的动态。另外，操纵纳米级物质与材料方面的进步，很可能导致能够传递药物或检测病毒的微小机器的产生。 “Kavli 基金会的捐赠对于基础科学与应用科学来说都是极好的事情，”哈佛大学临时校长 Derek Bok 说，“它将使哈佛大学在这个令人兴奋的新兴领域完成更出色的工作。” “在纳米水平，即原子与分子的领域，有一些最具吸引力的科学研究正在进行，
13、” Kavli 基金会的创始人、商业领袖和慈善家 Fred Kavli 说，“我期望哈佛大学能够大大加强我们对纳米科学的认识，并且利用这些知识为人类谋福利。” George Whitesides 教授（Woodford L. and Ann A. Flowers University Professor）与David Weitz 教授 （Mallinckrodt Professor of Physics and of Applied Physics）将任 KIBST 的主任。KIBST 可能位于未来的科学与工程整合实验室（LISE），或位于西北楼群，它将成为哈佛业已存在的小尺度科学研究中心的补
14、充。这些研究机构包括：纳米系统中心（CNS）、材料研究科学与工程中心（MRSEC）、纳米级科学与工程中心（NSEC）、以及新近成立的量子科学与工程项目（IQSE）。 “结合高分辨图像，开发应用微制造与微射流的新工具与新探针，KIBST将寻求在纳米级水平对生命和生物功能的更深入了解，”Whitesides 教授说，“我们的目标是，利用这样的新技术，探测单个分子、细胞、组织和器官的行为，更深入地了解那些存在于结构与功能之间的基本联系，从单个分子水平上27直至从组织和整个器官水平上来整合结构与功能的研究。” 哈佛工程与应用科学部（DEAS）几乎一半的教员对于与生物相关的问题感兴趣，该部正在与哈佛医学
15、院形成更密切联系。在确定研究所方向上，DEAS将起很大的作用。此外，KIBST 的参与者来自哈佛大学的多个系，如化学与化学生物系、分子与细胞生物学系、有机体与进化生物学系、物理系、以及统计系，研究人员的背景也很广泛，有从事神经系统、基因组学研究的，也有来自罗兰研究所。 “尽管已经有若干教员致力于研究生物纳米科技的不同方面，但通过提供一个综合性的研究机构，Kavli 研究所的建立将有助于加强这些研究活动的整合，”工程与应用科学部主任 Venkatesh “Venky“ Narayanamurti 说，“对于科学与工程中跨领域的、持续不断的进步来说，在交叉领域投资极为重要。未来的创新可能包括新型图
16、像仪、精确药物投递系统、以及新材料。” KIBST 的主任 Whitesides 和 Weitz 希望研究所首先致力于各种成就的应用，包括从物理学（特别是纳米水平）的成就，以研究生命科学的重要问题。他们对于利用微射流技术来更好地了解细胞及更小水平的生物学问题持有兴趣。微射流技术是一种精确控制和操纵极小量流体的技术。 “KIBST 是 Kavli 研究所组织非常重要的组成部分，”Kavli 基金会主席David Auston 说，“我们期望，在生物学、物理学、化学和材料科学交叉的新兴领域，KIBST 能对前沿科学的发展起到关键作用。” Kavli 基金会简介: Kavli 基金会（www.kav
17、lifoundation.org）致力于科学进步，造福人类。通过天体物理学、纳米科学和神经系统科学领域的国际项目，它支持科学研究，鼓励科学进步，促进公众对科学家及其工作的了解。这些国际项目包括上述领域的研究机构、奖金、教授职位、以及讨论会。Kavli基金会建立于 2000 年，总部设在美国加利福尼亚州的 Oxnard。先进工业生物科技专辑 2006-10-1828科学家发明用于药物输送的纳米生物反应器瑞士巴塞尔大学的科学家们示范了一个多功能、智能的药物输送系统的制造方法，这种纳米容器能够输送药物，并在接收到特定的生理学信号后针对特定细胞释放药物。 这些智能的纳米容器能够作为一个抗癌药物输送工具
18、的模版，它们可以在其接收到癌细胞特有的生化信号后，针对癌细胞释放所携带药物。 在这片发表在Nano Letters上的文章中，由医学博士Patrick Hunziker 领导的科研小组描述了这个由聚合物纳米点与在其外壳上的生物受体和在细胞内部的效应物所组成的系统。这个受体和效应物共同实现探测特定的生化信号并对纳米容器和其所载荷物质产生作用的功能。这个过程包含释放药物或者生成一个诊断信号。 在文中，科学家们还描述了这个理论的证实实验，他们使用细菌毛孔蛋白来向纳米容器内输送一种非荧光分子。一旦进入了纳米容器，这种分子就会在已经放入纳米容器的一种酶的作用下，产生一种能用荧光显微镜观测到的荧光分子。科
19、学家们用荧光信号的出现来证明他们的智能纳米容器实现了设计功能。他们还说选择合适的酶可以把非活性的药物变成其活性状态并只在疾病细胞内部释放。教育部科技发展中心 2006-10-9科学家发明对生物细胞的纳米尺度分析方法29任职于哈佛大学医学院和 Brigham and Womens Hospital 的Claude Lechene 和来自于世界各地的合作者们，在 10 月 5 日的Journal of Biology发表文章，描述了他们在多同位素成像质谱（MIMS）方面的进展。他们的成果可以应用在生物学和生物医学研究的各个领域，能够对单个哺乳动物细胞或者细菌细胞内的分子成像并作定量分析。 Lech
20、ene 说：“这个方法让我们能够看到从来没看到过的图像，测量从来没测量过的量。想象一栋建筑，你不仅可以看到它由许多房间组成，还能看到每个房间都有一个电冰箱。你还能够看到一个房间中的电冰箱中有番茄，另一个房间也有。你可以数出它们的个数，测量它们被使用的和被取代的速度。MIMS 就是能够对细胞在这种程度的分辨率和量级上进行研究。” 一束离子轰击在生物样本的表面原子上，一小部分原子被发射出、被离子化。这些“二次离子”被离子光学操纵，产生一个样品的原子质量图像。MIMS 系统是 Lechene 等人在法国 Paris-Sud 大学的 Georges Slodzian 研制的新型二次离子质谱仪的基础上，
21、加上稳定同位素标记并建立了定量成像、分析软件而制成的。 MIMS 能够对组织片断或细胞中的蛋白质、DNA、RNA、糖、脂肪酸在亚细胞水平进行定量分析并成三维图象。Lechene 说：“使用 MIMS，我们可以对这些分子的进行成像和定量分析，知道它们什么时候去哪里、和它们被替换的速度。” 这个方法无需着色或进行放射性标记。相反，它使用稳定同位素来追踪分子。比如，科学家们可以用氮 15 对 DNA 进行标记来追踪干细胞。Lechene说：“这些稳定同位素不会改变 DNA，对人体没有毒性。使用 MIMS 和稳定同位素我们可以在若干年后再追踪这些细胞，找到它们的位置和它们有了怎样的改变。” 这项技术的最突出特点是它开辟了成像的新天地，在此之前我们从来没有对这个尺度的东西进行过成像。
