第2章+納米生物技術(shù)前沿-4.ppt

第2章納米生物技術(shù)前沿-4,2010-04-08,2.4納米機(jī)器人和納米分子仿生學(xué),2.4.1納米機(jī)器人納米機(jī)器人（nano-robot）是可以在細(xì)胞內(nèi)或血液中對納米空間進(jìn)行操作的“功能分子器件”。納米機(jī)器人學(xué)（nano-robotic）是一門嶄新的集納米技術(shù)、生物、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、機(jī)器人學(xué)等多門學(xué)科于一體的交叉學(xué)科，它是研究納米級/分子級物體及設(shè)備的構(gòu)建、裝配、復(fù)制和控制的一門學(xué)科，也稱分子機(jī)器人學(xué)（molecularrobotic）。,基于碳納米管的齒輪、齒輪-齒條,仿甲蟲外形制造的微型機(jī)器人,納米軸承,微型機(jī)器人,納米彈簧（nanospring）,SEMimagesofsilicananosprings(Source:Prof.DavidN.McIlroy,UniversityofIdaho),WangLDetal.Highyieldsynthesisandlithographyofsilica-basednanospringmats,Nanotechnology17(2006)S298S303,SEMimagesofsilicananospringsusingdifferentdepositiontemperatures,350,650,1000,采用CVD原位催化裂解方法制備的碳納米彈簧SEM照片,鐘偉,納米機(jī)器人可能引導(dǎo)新的工業(yè)革命,納米機(jī)器人是納米生物學(xué)中最具誘惑力的內(nèi)容。第一代納米機(jī)器人是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，如酶和納米齒輪的結(jié)合體。這種納米機(jī)器人可注入人體血管內(nèi)，可以進(jìn)行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪淀積物，吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。第二代納米機(jī)器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置。第三代納米機(jī)器人將包含有納米計(jì)算機(jī)。這是一種可以進(jìn)行人機(jī)對話的裝置。這種納米機(jī)器人一旦研制成功，有可能在1秒鐘內(nèi)完成數(shù)10億次操作。人類的勞動方式將產(chǎn)生徹底的變革。,制造納米機(jī)器人的核心是納米機(jī)電技術(shù)。微/納機(jī)電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）MEMS制造的主流是“自上而下”(top-down)的微型化過程。即采用光刻刻蝕等微細(xì)加工方法，將大的材料割小，形成結(jié)構(gòu)或器件，并與電路集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化。NEMS制造：“自下而上”（bottom-up）？自組裝法和顯微鏡法,為制造具有特定功能的納米產(chǎn)品，其技術(shù)路線可分為“自上而下”(topdown)和“自下而上”(bottomup)兩種方式.“自上而下”是指通過微加工或固態(tài)技術(shù)，不斷在尺寸上將人類創(chuàng)造的功能產(chǎn)品微型化.而“自下而上”，是指以原子、分子為基本單元，根據(jù)人們的意愿進(jìn)行設(shè)計(jì)和組裝，從而構(gòu)筑成具有特定功能的產(chǎn)品。這種技術(shù)路線將減少對原材料的需求，降低環(huán)境污染.,Top-downTraditionalapproachTakeawaymaterialuntilwhatisleftistheproduct,Bottom-upNanotechapproachAddmaterialuntiltheproducthasbeencreated,精密準(zhǔn)確，但往往投入較大，周期較長,缺陷較多，可控制性不十分理想；但屬于真正意義上的“調(diào)控”,2.4.2納米分子仿生學(xué),分子仿生學(xué)模仿細(xì)胞生命過程的各個環(huán)節(jié)，以分子水平上的生物學(xué)原理為參照原型，設(shè)計(jì)制造各種各樣的可對納米空間進(jìn)行操作的“功能分子器件”，即納米機(jī)器人。,1.細(xì)胞就是納米機(jī)器,“細(xì)胞工廠”類似于工廠的能量轉(zhuǎn)化和生產(chǎn)過程細(xì)胞內(nèi)含有的分子機(jī)器：酶類蛋白質(zhì)復(fù)合體細(xì)胞器,酶類,六大類：氧化還原酶（Oxidoreductase）1100多種轉(zhuǎn)移酶（Transferase）450種水解酶（Hydrolase）650種裂解酶（Lyase）300種連接酶（Ligase）300種異構(gòu)酶（Isomerase）,蛋白質(zhì)復(fù)合體,蛋白質(zhì)復(fù)合體通常由多種不同源的蛋白質(zhì)通過相互作用構(gòu)成，協(xié)同完成復(fù)雜且十分重要的生物學(xué)過程。ATP酶（分子馬達(dá)）細(xì)菌鞭毛（螺旋推進(jìn)器）DNA聚合酶系統(tǒng)（DNA復(fù)制機(jī)器）RNA聚合酶（RNA轉(zhuǎn)錄機(jī)器）核糖體（蛋白質(zhì)翻譯機(jī)器）DNA錯配修復(fù)系統(tǒng)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器,細(xì)胞器,細(xì)胞中的所有結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的微型機(jī)器：核糖體是按照基因密碼的指令安排氨基酸順序制造蛋白質(zhì)分子的加工器；高爾基體是給新制造的蛋白質(zhì)分子進(jìn)行加工修飾的加工廠；加工好的蛋白質(zhì)可以按照信號肽的指令由膜囊泡運(yùn)送到確定的部位發(fā)揮功能；完成了功能使命的蛋白質(zhì)還會被貼上標(biāo)簽送去水解成氨基酸并重新用于新蛋白質(zhì)的合成。,核糖體是按照基因密碼的指令安排氨基酸順序制造蛋白質(zhì)分子的加工器,生物納米機(jī)器的特點(diǎn),自組裝（self-assembling）自指導(dǎo)（self-directed）與細(xì)胞鐘（cellularclock）高效率（highefficiency）高可靠性（highfidelity）柔性（flexibility）化學(xué)能驅(qū)動分子調(diào)控（molecularregulation）,AdenosineTriphosphate,ATP合成酶廣泛存在于細(xì)菌、葉綠體和線粒體膜上。它由兩個轉(zhuǎn)動馬達(dá)F0和F1共軸耦合而成.F0F1-ATP合酶普遍存在于動物線粒體的內(nèi)膜、植物葉綠體的類囊體膜和細(xì)菌的質(zhì)膜上,其主要功能是在生物體系中參與氧化磷酸化或光合磷酸化,催化合成ATP.,F1-ATPase蛋白分子馬達(dá),分子仿生學(xué)的應(yīng)用例子,模擬酶：人工模擬天然酶的分子識別和催化功能而合成的非蛋白質(zhì)分子生物導(dǎo)彈：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，它一旦遇到癌細(xì)胞就會抓住不放并鉆入細(xì)胞中釋放抗癌藥物殺死癌細(xì)胞。,分子仿生學(xué)的應(yīng)用例子,分子伴侶：細(xì)胞內(nèi)幫助新合成的蛋白分子形成正確的高級結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)蛋白活性的生物大分子。模仿線粒體機(jī)器人基因修復(fù)機(jī)器人：利用基因芯片迅速查出人的基因密碼中的錯誤，并迅速利用納米技術(shù)將錯誤基因進(jìn)行修正，治療遺傳缺陷疾??；通過觀測直接發(fā)現(xiàn)遺傳缺陷或病毒中原子或分子結(jié)構(gòu)的缺陷，并進(jìn)行分子手術(shù)。,分子仿生學(xué)的應(yīng)用例子,生物計(jì)算機(jī)：尋找或創(chuàng)造一些特定的生物分子（細(xì)菌視紫紅蛋白質(zhì)、DNA等），能夠更加快速地完成計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)算和存儲功能，代替目前的半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)中央處理器（CPU）和存儲器。體積小，質(zhì)量輕，能耗小，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)算速度和信息儲存能力比現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)高數(shù)億倍，人工智能（分析、判斷、聯(lián)想、記憶等）,分子機(jī)器也稱分子馬達(dá)(molecularmotor)，由生物大分子構(gòu)成，是能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的納米系統(tǒng)。分子馬達(dá)大體可分為六類：細(xì)胞骨架蛋白、聚合體、G蛋白、旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)、環(huán)狀蛋白以及核苷酸馬達(dá)。,天然的分子馬達(dá)在生物體內(nèi)的胞質(zhì)運(yùn)輸、DNA復(fù)制、細(xì)胞分裂、肌肉收縮等生命活動起著重要作用。通過對分子馬達(dá)的深入研究，人們對細(xì)胞內(nèi)部的認(rèn)識已經(jīng)從靜態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)變到有分子機(jī)器運(yùn)輸物質(zhì)的動態(tài)環(huán)境中。,生物細(xì)胞中納米級分子馬達(dá)有ATP合成酶、Kinesin、Actin、Myosin.,無窮能量一旦獲得成功，納米機(jī)器人就能通過人體血糖獲得前進(jìn)動力,科學(xué)家從精子的前進(jìn)方式中受到啟發(fā)，計(jì)劃用生物能來驅(qū)動納米機(jī)器人,科技新時(shí)代，2008年2月pp.44,生命活動中的許多基本過程都是基于分子馬達(dá)的運(yùn)動:真核細(xì)胞內(nèi)沿細(xì)胞骨架系統(tǒng)的物質(zhì)輸運(yùn)DNA復(fù)制過程中的DNA解鏈過程細(xì)胞有絲分裂期間染色體的分離過程肌肉收縮過程,納米生物機(jī)器人離我們有多遠(yuǎn)？,由于研究手段的局限，至今取得的成果不多。此外，納米機(jī)器人本身的一些固有缺陷（如體外穩(wěn)定性差，工作壽命較短）和操縱困難，也常常讓研究工作陷入困境。,細(xì)菌視紫紅蛋白質(zhì),細(xì)菌視紫紅質(zhì)用來制造計(jì)算機(jī)組件最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性和很好的穩(wěn)定性，且其奇特的光學(xué)循環(huán)特性可用于儲存