纳米技术在分子生物学中的应用.ppt

1、1 纳米技术在分子生物学中的应用 2009-3-27 2 分子生物学是当今生命科学发展的主流和带头学科，其研究的焦点是生物大分子，尤其是蛋白质和核酸的结构与功能。 DNA RNA protein character http:/ 3 从宏观世界到微观世界 4 从分子的微观角度来看，目前的医疗技术尚无法达到分子修复的水平。而纳米医学则是在分子水平上，利用分子工具和人体的分子知识，创造并利用纳米装置和纳米结构来防病治病，改善人类的整个生命系统。例如：修复畸变的基因、扼杀刚刚萌芽的癌细胞、捕捉侵入人体的细菌和病毒，并在它们致病前就消灭它们；探测机体内化学或生物化学成分的变化，适时地释放药物和人体所需

2、的微量物质，及时改善人的健康状况。最终实现纳米医学，使人类拥有持续的健康。 5 一、 在诊断方面的应用 1、遗传病诊断 纳米技术有助诊断胎儿是否有遗传缺陷。妇女怀孕 8个星期时，血液中开始出现少量胎儿细胞。利用具有纳米级大小孔洞的半透膜或特殊的合成纳米管等，可把胎儿细胞分离出来进行诊断。 不需要进行羊水穿刺 。目前美国已将此项技术应用于临床诊断中。 2、病理学诊断 肿瘤诊断最可靠的手段是建立在组织细胞水平上的病理学方法，但存在着良恶性及细胞来源判断不准确的问题。利用 原子力显微镜 (atomic force microscope， AFM)可以在纳米水平上揭示肿瘤细胞的形态特点。通过寻找特异性

3、的异常纳米级结构改变，以解决肿瘤诊断的难题。 6 目前，已有多种原子力显微镜问世， AFM克服了 STM只适用于具导电性样品的不足之处 。 7 二、在治疗方面的应用 1、纳米化增加药物吸收度 增大药物的表面积促进溶解。 药物大分子就能穿透组织间隙，也可以通过人体最小的毛细血管。而且分布面极广。 应用于中药制剂。药物的物理活性、靶向性比普通中药大大提高。 2、纳米医用材料 目前广泛使用的人工心脏瓣膜，是由钛金属与不锈钢合金所构成，但在移植入人体后仍有损坏的可能性。结晶纳米氧化镐是一种具有高度抗生物损耗的替代材料。 银在纳米状态下的杀菌能力产生了质的飞跃。只需用极少量的纳米银即可产生强力的杀菌作用

4、。 8 纳米骨材料：把它植入体内填充各类型的骨缺损，其网状结构可生长出很多新生的骨细胞，所有填的纳米骨材料，最后会降解消失，骨缺损部能完全被新生骨取代。 具有纳米级别的天然骨分级结构和天然骨的多孔结构 9 智能药物 这是纳米医学中的一个非常活跃的领域 ， 适时准确地释放药物是它的基本功能之一 。 863计划项目 ” 心血管病与糖尿病多指标微流控芯片检测系统的研制 ” ， 为糖尿病人研制超小型的 、 模仿健康人体内的葡萄糖检测系统 ， 它能够被植入皮下 ， 监测血糖水平 ， 在必要的时候释放出胰岛素 ，使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态 。 研究控制这个芯片的尺寸 ， 可以把它做得更小

5、 ， 并计划装上一个 “ 智能化 ” 的传感器 ， 使它可以适时和适量地释放药物 。 美国正在设计一种纳米 “智能炸弹 “， 它可以识别出癌细胞的化学特征 。这种 “智能炸弹 “很小 ， 仅有 20纳米左右 ， 能够进入并摧毁单个的癌细胞 。 10 人工红血球 纳米医学不仅具有消除体内坏因素的功能，而且还有增强人体功能的能力。我们知道，脑细胞缺氧 6至 10分钟即出现坏死，内脏器官缺氧后也会呈现衰竭。设想一种装备超小型纳米泵的人造红血球，携氧量是天然红血球的 200倍以上。当人的心脏因意外，突然停止跳动的时候，医生可以马上将大量的人造红血球注入人体，随即提供生命赖以生存的氧，以维持整个机体的正

6、常生理活动。它可以应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等。 随着转子的转动，气体分子与转子上的结合位点结合再释放到血浆中。 11 纳米药物输运 纳米微粒药物输送技术也是重要发展方向之一。目前，有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题。 863计划项目“纳米药物制剂的生物效应研究”，当药物颗粒缩小时，药物与胃肠道液体的有效接触面积将增加，药物的溶解速率随药物颗粒尺度的缩小而提高。利用纳米晶体技术将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，提高溶解性和难溶性药物的药效率。同时，纳米药物制剂的赋形剂在胃肠道中起表面活性剂的作用，也提高了纳米药 物颗粒的溶解率。一旦，不溶性药 物转变成

7、稳定的纳米颗粒，就适合 于口服或者注射了。 12 捕获病毒的纳米陷阱 密西根大学的 Donald Tomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕获病毒的纳米陷阱。体外实验表明纳米陷阱能够在流感病毒感染细胞之前就捕获它们，同样的方法期望用于捕获类似爱滋病病毒等更复杂的病毒。此纳米陷阱使用的是超小分子，此分子能够在病毒进入细胞致病前即与病毒结合，使病毒丧失致病的能力。通俗地讲，人体细胞表面装备着含硅铝酸成分的 “锁 “，只准许持 “钥匙 “者进入。不幸的是，病毒竟然有硅铝酸受体 “钥匙 “。 Tomalia的方法是把能够与病毒结合的硅铝酸位点覆盖在陷阱细胞表面。当病毒结合到陷阱细胞表面，就无法再感染

8、人体细胞了。陷阱细胞由外壳、内腔和核三部分组成。内腔可充填药物分子；将来有可能装上化疗药物，直接送到肿瘤上。研究者希望发展针对各种致病病毒的特殊陷阱细胞和用于医疗的陷阱细胞库。 13 识别血液异常的生物芯片 美国圣地亚国家实验室发现纳米技术可以在血流中进行巡航探测，即时地发现诸如病毒和细菌类型的外来入侵者，并予以歼灭，从而消除传染性疾病。 Micheal Wisz做了一个雏形装置，发挥芯片实验室的功能，它可以沿血流流动并跟踪像镰状细胞血症和感染了爱滋病的细胞。血液细胞被导入一个发射激光的腔体表面， 从而改变激光的形成。癌细胞会产生一种明亮的闪光；而健康细胞只发射一种标准波长的光，以此鉴别癌变。

9、 http:/ 14 纳米技术在生物大分子研究中的应用 1. 纳米级生物分子的观测 以往对于纳米尺度上的生物大分子结构的研究主要通过电子显微镜观察和 X射线晶体衍射等方法来实现的，但这些方法都有局限之处。电子显微镜要求有一定的真空干燥制样条件，而且在观测中电子束对生物样品有损伤； X射线晶体衍射方法具有很高的分辨率，但它要求样品能够结晶，且样品需求量较大。 纳米技术与扫描探针显微镜 (SPMs)相结合，能观察、制造原子水平物质结构，直接在亚细胞水平或分子水平研究生命现象。常用的有扫描隧道显微镜（ STM）和原子力显微镜（ AFM），是目前探测生物单分子的有力工具，所提供的图象可在近自然的大气或

10、液体条件下，在纳米水平的分辨率上展示生物分子的结构，同时具有高度的直观性以及三维表面信息。 15 STM的基本原理是量子的隧道效应，它利用金属针尖在样品的表面上进行扫描，通过探测固体表面原子的隧道电流来分辨固体表面的形貌。它的缺点是观测的样品必须有导电性。 AFM的工作原理是通过探针针尖与样品表面轻轻接触，针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，使悬臂产生微小偏转。通过检测这种微小偏转可以获得其对应于扫描各点的位置变化，从而得到样品表面形貌。 AFM能测量非导电的样品，还能测出分子间的作用力的大小。 16 2. DNA合成过程、基因调控过程的 STM研究 3. 质粒 DNA及其与限制性

11、内切酶相互作用的研究 4. 对染色体的 AFM研究 5. 对生物分子之间及分子内部的力的测量 6. 生物大分子动态过程的研究 17 7. 生物大分子的直接操纵和改性 DNA分子是全部遗传信息的携带者，因而 DNA分子操纵成为生命科学、物理学等多学科的共同热点。 DNA操纵包括：（ 1） DNA链的原子力切割。利用原子力显微镜 AFM在几年前已经实现了 DNA分子链的原子力切割，可不受 DNA序列的限制，在任何部位进行纳米级的精确切割。（ 2） DNA分子链的拉直操纵。其实现方法很多，主要有以下三种：静电场法。在一定强度的电场下，可拉直小片段的 DNA。激光镊子法。在 DNA的两端点粘上微小的颗

12、粒，可通过激光镊子将其展开。分子梳法。通过受压的液体流动产生的流体力可将 DNA链进行拉直操纵，与双色荧光标记法结合成为基因研究中的有力工具。 18 纳米技术在分子生物学中的应用工程 1. 生物芯片技术 生物芯片是基因生物学与纳米技术相结合的产物，它不同于半导体芯片，它是在很小的几何尺度的表面积上，装配一种或集成多种生物活性分子，仅用微量生理或生物采样，即可同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和 DNA的特性，以及它们之间的相互作用，获得生命微观活动的规律。生物芯片可以粗略地分为 细胞芯片、蛋白质芯片（生物分子芯片）和基因芯片（ DNA芯片） 等几类，都有集成、并行和快速检测的优点，已经成为

13、 21世纪生物医学工程的前沿科技。 细胞芯片： 利用芯片表面微单元的几何尺寸和表面改性，选择和固定细胞及细胞面密度控制。通过调节细胞间距等，研究细胞分泌和胞间通讯。此类细胞芯片还可以用作细胞分类和纯化等。 19 蛋白质芯片（生物分子芯片） 将生物分子作为配基，以单一、或面阵、或序列方式固定在固体芯片表面或表面微单元上。利用生物分子间的特异结合的自然属性，待测分子与配基分子在芯片表面会形成生物分子复合物。然后，检测此复合物的存在与否，达到对蛋白质的探测、识别和纯化的目的。 多元蛋白质芯片模型 1）在格式化的改性表面上，固定配基； 2）含配基的芯片与蛋白溶液相互作用，蛋白特异性结合形成蛋白复合物；

14、 3）对芯片进行检测以确定蛋白间的相互作用。 20 DNA芯片 又称为寡核苷酸阵列或杂交阵列分析，它是根据 DNA双螺旋原理而发展的核酸链间分子杂交的技术。实际上， DNA芯片是一种特殊的分子操纵，即将 DNA子片段集约固化在固体表面上以构成 DNA芯片，是一种储存和处理生命信息的新概念。它的基本结构类似于面阵型蛋白质芯片，在芯片表面能够制备成千上万的基因单元作为配体，对待测基因进行筛选。待测基因通过PCR扩增技术得到数量放大，再进行荧光标记，使其在筛选过程中产生可识别的荧光发射或光谱转移。此荧光信号被荧光显微镜检出，达到基因识别的目的。将已知的 DNA和未知的核酸序列之间的一方以有序的阵列固

15、定到载玻片或硅片上，再与荧光标记的另一方进行杂交。当荧光标记的一方在 DNA芯片上发现互补序列时即发生杂交，杂交的结果以荧光和模式识别分析来检测。DNA芯片技术可以快速分析大量的基因信息，从而使生物医学工作者可以研究并收集基因表达和变异信息。 研究蛋白相互作用的芯片 Protein G、 p50 和 FRB等三种蛋白分别以点状阵列固定到玻片上。三种探针分别与三种蛋白发生特异性相互作用。 D表示无任何探针的状态。 21 DNA芯片还可用于监测不同的人体细胞和组织基因表达，以检测癌症或其它疾病所对应的基因的变化。随着 DNA芯片及杂交技术的发展， DNA芯片将有可能直接应用于临床诊断，药物开发和人

16、类遗传诊断。 基因表达的微阵列图：以两种颜色的荧光标记来自于两种细胞的样品，杂交后，对微阵列的每一位点进行荧光扫描。每一位点的光强度正比于它所结合的荧光 cDNA的量。光强越强，样品中该基因的表达水平越高。如微阵列的位点无荧光，说明两种细胞均不表达该基因。如某一位点显示一种荧光，说明该标记的基因只在此细胞样品中表达。同一位点显示两种荧光，说明该基因在两种细胞样品中均表达。 22 所谓分子马达即分子机械，是由生物大分子构成并利用化学能进行机械做功的纳米系统。分子马达包括线性推进和旋转式两大类。其中 线性分子马达 是将化学能转化为机械能，并沿着一条线性轨道运动的生物分子，主要包括肌球蛋白、驱动蛋白

17、、 DNA解旋酶和 RNA聚合酶等。 肌肉肌球蛋白和驱动蛋白的运动周期模型 2. 分子马达 美国波士顿大学的化学家制备出世界上最小的马达，该分子马达由 78个原子构成 23 旋转式分子马达 工作时，类似于定子和转子之间的旋转运动，比较典型的旋转式分子马达有 F1-ATP酶 。 F1-ATP酶与纳米机电系统的组合已成为新型纳米机械装置，可完成在血管内定向输送药物、清除血栓、进行心脏手术等复杂工作。 了解分子马达的运动机制，可以用来探索能够对分子马达的运动有促进或抑制作用的一些小分子作为药物设计的新思路。例如紫杉醇就是由于对微管蛋白分子马达的运动有干扰，而成为抗癌药物的明星。 http:/ 24

18、美国康耐尔大学的科学家利用 ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备 “纳米直升机 ”。该设备共包括三个组件，两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件。其中的生物分子组件将人体的生物“燃料” ATP转化为机械能，使得金属推进器的运转速率达到每秒 8圈。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。 25 3. 纳米机器人 纳米技术与分子生物学的结合将开创分子仿生学新领域。 “纳米机器人”是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“ 功能分子器件 ”。 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

19、结合体。这种纳米机器人可注入人体血管内，进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，吞噬病毒，杀死癌细胞；还可进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的，把正常的安装在基因中，使机体正常运行。 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。 第三代纳米机器人是包含 纳米计算机 ，可以进行人机对话的装置。一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。 26 Molecular-scale machines could one day have medical applications such as removing cancerous ce

20、lls. Nature 451, 770-771 (14 February 2008) | 利用氨基酸为原料，按照分子设计组成线状肽链，合成所需的蛋白质“零件”。由于线状肽链能在一定的条件下自动转变成特定的三维结构，所以便于制备成具有特定功能的生物零件。进一步利用肌细胞的纤维结构骨架和纤毛结构（运动部件），还可以制备有支撑、牵引和杠杆功能的零件并以酶为核心统一成具有特定功能的结构，即形成生物机器。这些纳米机器人以光感应器作为开关，从溶解在血液中的葡萄糖和氧气获得能量。 27 模拟酶机器人 ：酶是生物催化剂，生命过程的每一个化学反应都有一个相应的酶进行催化，所以生命现象就是成千上万个在功能上有相

21、互协调关系的酶分子井然有序地表现催化功能的结果。生物体内的酶所催化的反应几乎涵盖了自然界所有的化学反应类型。因此，模拟酶分子制造纳米机器人用于净化环境和对工业化学反应进行催化是一个巨大的潜在生长力。 “生物导弹”机器人 ：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，以便专门清除血管壁上沉积物，减少心血管疾病的发病率；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。 28 在血管中运动的纳米机器人，正在使用纳米切割机和真空吸尘器来清除血

22、管中的沉积物。 纳米机器人消灭癌细胞虚拟图 29 模仿线粒体机器人 ：模仿线粒体制造的纳米机器人将可能为医学的发展作出重要贡献，因为人们已经发现线粒体与衰老、运动疲劳以及很多与衰老相伴而生的疾病如糖尿病、帕金森氏并等有很重要的关系。 基因修复机器人 ：分子病理学的研究将揭示疑难病的分子基础，很多疑难病都是和某种酶分子的缺陷或酶分子的活性不能顺利表现有关。应用纳米技术可以在微小空间重新排列基因遗传密码，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。另外，纳米技术还可以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，并通过分子手术将有缺陷的

23、部分切割去除，然后再将好的原子和分子结构移植上去，这样可以从根本上治愈遗传缺陷或病毒。 30 生物计算机 ：生物计算机是纳米生物学的一个重要研究领域，其主要研究目标是寻找或创造一些特定的生物分子，并期待这些生物分子能够更加快速地完成计算机的基本运算和存储功能，代替目前的半导体计算机中央处理器（ CPU）和存储器。研究表明，以蛋白质分子为材料制造的生物计算机，不仅体积小，质量轻，能耗小，环境适应性强，而且运算速度和信息储存能力比现有的计算机要高出数亿倍。同时还具有和人脑一样非常优越的分析、判断、联想、记忆等智能。 DNA计算机将利用 DNA分子这些独特的遗传信息传递方式来实现计算机的计算功能。

24、DNA分子中遗传密码相当于存储的数据， DNA分子之间可以在某种酶的作用下瞬间完成生化反应，从一种基因代码变为另一种基因代码。如果将反应前的基因代码作为系统的输入数据，而将反应后的基因代码作为运算结果的话，那么只要控制得当就可以利用这种反应过程制成 DNA计算机。基于分子反应的DNA计算机运算速度极快，科学家认为，它几天的运算量就可相当于计算机问世以来世界上所有计算机的总计算量。另外，由于每个 DNA分子都含有大量的基因，因此 DNA分子的存储容量将是十分巨大的，如 1m3的 DNA溶液可存储 1万亿亿比特的数据，这将超过目前所有计算机存储器容量的总和。不仅如此，DNA计算机所消耗的能量却小的出奇，只有普通半导体计算机的 10亿分之一。