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納米這個名詞，對生物學家來說并不陌生。因為大量的生物結構，從核酸、蛋白質、病毒到細胞，其線度在1nm到100nm。當然，生物結構雖然很小，但異常復雜，又格外活躍，表現(xiàn)出很多特定的生物學功能。如酶就是一種分子機器，它能打斷化學鍵而使分子重新結合；脫氧核糖核酸可作為儲存系統(tǒng)，能把命令轉移到核糖體中，而核糖體這種分子機器可以制造蛋白質分子。 納米生物學的目的就是開辟類似的方法，利用由程序化的分子機器組成的裝配機器去構建物質。裝配機器將像微小的工業(yè)機器人那樣工作，通過排布分子附件、引導和利用化學反應，把原子逐個地構建成復雜的結構。 納米生物學的另一個重要方面是利用生物分子的特定功能去構建具有某種功能的產(chǎn)品（如分子機器人）。 納米生物學是一個非常有意義但又神秘莫測的領域，它究竟能給人類帶來多大變化，還很難預料。
一、的研究內(nèi)容 二、分子機器人 三、納米生物技術 四、納米醫(yī)學
一、的研究內(nèi)容
利用新興的納米技術來研究和解決生物學的問題 1. 核酸的分子生物學
研究核酸的結構及其功能。
由于核酸的主要作用是攜帶和傳遞遺傳信息，因此分子遺傳學（molecular genetics）是其主要組成部分，是目前分子生物學內(nèi)容zui豐富的一個領域。
核酸分子量為6 ´ 106，由幾百到幾千個核苷酸組成。核苷酸的分子量約為1000，包含一個堿基、一個五碳糖和一個磷酸根，通過磷酸二酯鍵連接成核酸。
核酸有兩種，即脫氧核糖核酸（胸腺核酸DNA）和核糖核酸（酵母核酸RNA）。兩種核酸的差別是：DNA的五碳核糖環(huán)（五角環(huán)結構）的第二位少一個氧。 ? 遺傳信息傳遞的中心法則（central dogma）是其理論體系的核心：遺傳信息流的傳遞方向是DNA → RNA → 蛋白質(克里克提出)。
以DNA為模板合成RNA叫做轉錄；以RNA為模板合成蛋白質叫做翻譯。DNA通過RNA把遺傳信息傳遞給蛋白質分子。? 一份原件（DNA），一張藍圖（從DNA長鏈上轉錄的遺傳密碼片段），一個信使（mRNA），一個車間（rRNA），一個譯員和搬運工（tRNA），一條多肽鏈，還有做輔助工作的酶，這就是一個蛋白質合成的全部工序，也是遺傳信息的流向圖。
研究內(nèi)容包括核酸/基因組的結構，遺傳信息的復制、轉錄與翻譯，核酸存儲的信息修復與突變，基因表達調(diào)控和基因工程技術的發(fā)展與應用等。
? 如果說由孟德爾、摩爾根創(chuàng)立的基因遺傳學說是細胞遺傳學理論的代表，那么DNA雙螺旋結構模型的建立則使遺傳學完成了由“細胞”水平向“分子”水平的轉變，標志著分子生物學的真正誕生，生命科學的歷史由此開始了一個新的時代。
2. 蛋白質的分子生物學
研究執(zhí)行各種生命功能的主要大分子—蛋白質的結構與功能。
在廣漠的宇宙空間，生命現(xiàn)象是zui奇妙zui神秘的領域，恩格斯說：“生命是蛋白質的存在形式” 。生命的新陳代謝和自我復制是依靠蛋白質的輔助為基礎的，由于其研究難度較大，迄今對其基本規(guī)律的認識尚缺乏突破性的進展。
地球上的150萬種生物有1010 ~ 1012 種蛋白質；蛋白質的分子量104 ~ 107；蛋白質是細胞的主要成分（占20%濕量）；蛋白質有五種功能，即酶、抗體、結構成分、運輸工具、代謝調(diào)節(jié)者；氨基酸是蛋白質基本組成單位，氨基酸的分子量約為100，其分子結構為表述為至少有一個氨基，一個羧基，并且氨基和羧基連于同一個碳原子上。每個氨基酸都有一個R基團，也叫側鏈基團，不同的氨基酸的R基團是不同的。
? 肽鏈：兩個氨基酸分子相連，脫去一個水分子（H2O ）形成肽鏈。分子量大于1000的肽鏈叫做蛋白質，小于1000的叫多肽。
蛋白質是由各種氨基酸通過酰胺鍵聯(lián)成的長鏈分子（肽鏈），鏈中相當于氨基酸的單元結構稱為殘基。
? 蛋白質的結構有層次之分。一級結構稱為分形元，在很大程度上決定著結構。蛋白質的構像分為a螺旋、b折疊、b轉角和無規(guī)卷曲等單元，以及各種微區(qū)域、亞單位等結構單元。
一級結構指肽鏈中氨基酸的排列順序；二級結構指鄰近幾個氨基酸形成的一定的結構形狀；三級結構指整條肽鏈盤繞折疊形成一定的空間結構形狀。如纖維蛋白和球狀蛋白；四級結構指各條肽鏈之間的位置和結構。所以，四級結構只存在于由兩條以上肽鏈組成的蛋白質。
蛋白質的表面極不規(guī)則，布滿各種空洞和縫隙，可見蛋白質的結構十分復雜奇異。近年來的研究表明，蛋白質的分子鏈和表面具有分形特征。
3. 細胞信號轉導的分子生物學
研究細胞內(nèi)、細胞間信息傳遞的分子基礎。
構成生物體的每一個細胞的分裂與分化及其它各種功能的完成均依賴于外界環(huán)境所賦予的各種指示信號。在這些外源信號的刺激下，細胞可以將這些信號轉變?yōu)橐幌盗械纳锘瘜W變化（如蛋白質構象的轉變等），從而使其增殖、分化及分泌狀態(tài)等發(fā)生改變以適應內(nèi)外環(huán)境的需要。
信號轉導研究的目標是闡明這些變化的分子機理，明確每一種信號轉導與傳遞的途徑，以及參與該途徑的所有分子的作用和調(diào)節(jié)方式，并認識各種途徑間的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。
信號轉導機理的研究在理論和技術方面與上述核酸及蛋白質分子有著緊密的，是當前分子生物學發(fā)展zui迅速的領域之一。
二、分子機器人
納米科技的zui終目標就是制造分子機器，而分子機器的啟發(fā)來源于生物體系中存在的大量的生物大分子，它們就是自然界的分子機器。的方向之一是設法在納米尺度上應用生物學原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，研制可編程的分子機器人（納米機器人）。
細胞就是一個活生生的納米機器。細胞中所發(fā)生的一切都是按照DNA分子中的基因密碼序列指令井然有序地進行的。納米技術可以仿照生命過程中的各個環(huán)節(jié)制造出各種各樣的微型機器人。
利用納米技術可以制造在心血管中流動、專門清除血管壁上沉積物的機器人以減少發(fā)生在心血管病的概率；可以制造進入組織間隙專門清除癌細胞的機器人，等等。這種想法將不再是天方夜譚。
? 利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造類似生物大分子的分子機器。
的方向之一是設法在納米尺度上應用生物學原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，研制可編程的分子機器人（納米機器人）。涉及的內(nèi)容主要有三個方面：
（1）在納米尺度上了解生物大分子的精細結構及其與功能的。
（2）在納米尺度上獲得生命信息。例如，利用掃描隧道顯微鏡獲取細胞膜和細胞表面的結構信息等。 （3）研制納米機器人。納米機器人是中有誘huo力的內(nèi)容。*代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結合體，這種納米機器人可注入人體血管內(nèi)，進行健康檢查和疾病治療。還可以用來進行人體器官的修復工作、做整容手術、從基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安裝在基因中，使機體正常運行。 第二代納米機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。第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以進行人機對話的裝置，這種納米機器人一旦問世將*改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞健?/span>
? 納米機器人除了能完成它們的基本任務外，還應該具有復制自身的能力，能夠制造出的自身復制品。
三、納米生物技術
1. 生物芯片技術 2. 分子馬達 3. 硅蟲晶體管 4. 納米探針
1. 生物芯片技術
早期微處理器芯片的制造經(jīng)歷了由大變小的過程，這種生產(chǎn)技術的突破使得微電子工業(yè)的發(fā)展發(fā)生了質的飛躍，同時也給人們的日常生活帶來了革命性的影響。微處理器芯片這種制造上的微型化深深啟發(fā)了生物學家的思路，使他們產(chǎn)生了用微電子平版印刷技術制造用于生命科學研究和醫(yī)療診斷的微型儀器的想法，從而導致了生物芯片的出現(xiàn)。
1991年，美國硅谷的Affymetrix公司的科技人員，用光刻和化學合成技術，在硅片上排布多肽和寡聚核苷酸，用于基因檢測。他們的成果一發(fā)表，引起了各大基因公司的重視，紛紛投資開發(fā)研究，生物芯片技術突飛猛進，各種類型的生物芯片開始在檢測中應用。1998年，美國納米基因公司的科學家，將多種生化處理技術組合在生物芯片中，使芯片成了小小的生化實驗室，生物芯片成了世界各國科學研究機構和醫(yī)藥公司的寵兒。
生物芯片技術是近年來在生命科學領域中嶄露頭角的一項新技術。利用微電子、微機械、化學、物理、計算機以及其他相關技術，將大的分立式生物化學分析系統(tǒng)縮微到固體芯片表面、構建微分析單元和系統(tǒng)，使生命科學研究中所涉及的不連續(xù)的分析過程（如樣品制備、化學反應和分析檢測）連續(xù)化、微型化、集成化，從而具有分析自動化和高速并行處理能力。
? 生物芯片技術主要包括四個基本點：芯片方陣的構建、樣品的制備、生物分子反應和信號的檢測及分析。
Ø 芯片制備：目前芯片制備主要采用表面化學的方法或組合化學的方法處理片芯（玻璃片或芯片），然后將DNA片段、蛋白質分子等生物探針按一定順序排列在片芯上。目前已能將40萬種不同的DNA分子放在1cm2的片芯上，并且正在制備包含50萬-100萬個DNA探針的人類基因檢測芯片。
Ø 樣品制備：生物樣品往往是非常復雜的生物分子混合體，除少數(shù)特殊樣品外，一般不能直接與芯片反應?？蓪悠愤M行生物處理，獲取其中的蛋白質或DNA、RNA，并且加以標記，以提高檢測的靈敏度。
Ø 生物分子反應：芯片上生物分子之間的反應是芯片檢測的關鍵步驟。通過選擇適宜的反應條件使生物分子間的反應處于*狀況之中，減少生物分子之間的錯配比率。
Ø 芯片信號檢測：常用的信號檢測是將芯片置于芯片掃描儀中，通過采集各反應點的熒光位置、熒光強弱，經(jīng)相關軟件進行計算機圖像分析，即可獲得有關的生物信息。
根據(jù)芯片上探針的不同，生物芯片可粗略地分為基因芯片（即DNA芯片）、蛋白質芯片（生物分子芯片）和細胞（組織）芯片等幾類，都有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點，已成為21世紀生物醫(yī)學工程的前沿科技。
① 基因芯片
如果芯片上固定的分子是寡核苷酸探針或靶DNA，則稱為基因芯片（Gene chip）或DNA芯片（DNA chip）。由于Genechip這一專有名詞已經(jīng)被業(yè)界的*Affymetrix公司注冊，因而其他廠家的同類產(chǎn)品通常稱為DNA微陣列(DNA Microarray) 、寡核苷酸陣列芯片（oligonucleotide array）。
基因芯片是根據(jù)DNA雙螺旋原理而發(fā)展的核酸鏈分子雜交的技術，是生物芯片技術中發(fā)展zui成熟和zui先實現(xiàn)商品化的產(chǎn)品?；蛐酒Ｊ?/span>I和模式II兩種：模式I是指將靶DNA固定于支持物上，適合于對大量不同的靶DNA進行分析；模式II是將大量探針分子固定于支持物上，適合于對同一靶DNA進行不同探針序列的分析。
DNA芯片的大小在1cm2左右，在芯片表面能夠制備成千上萬的基因單元作為配基，對待測基因進行篩選。待測基因通過多聚酶鏈式反應（polymerase chain reaction，簡稱PCR）擴增技術得到數(shù)量放大，再進行熒光標記。根據(jù)堿基互補的原理，當熒光標記的一方在DNA芯片上發(fā)現(xiàn)互補序列時即發(fā)生雜交，雜交產(chǎn)生的熒光強度及分布由熒光顯微鏡檢出，通過計算機模式識別進行分析，從而達到基因識別的目的。
DNA芯片技術隨著人類基因組計劃（Human Genome Project -- HGP）的研究發(fā)展應運而生。被譽為與阿波羅登月計劃及曼哈頓原zi彈計劃相媲美的HGP，是人類為了認識自己而進行的一項偉大而影響深遠的研究計劃，其目標是測定人類基因組3´109 bp全順序，鑒定約10萬個人類編碼基因。
目前國內(nèi)外已有公司生產(chǎn)并銷售的DNA芯片有兩類，一類是芯片上原位合成待測的寡核苷酸，可用于檢測變異、在基因中定位目標區(qū)域、以及確定基因功能。
另一類DNA芯片利用微量點樣技術在芯片上制作DNA探針（一段人工合成的堿基序列 ）陣列，再與熒光標記的DNA樣品雜交，產(chǎn)生互補匹配時，通過確定熒光強度zui強的探針位置，獲得一組序列*互補的探針序列。具有特殊用途的DNA探針陣列可以在人類基因組中快速篩選已知的DNA序列、識別特定基因 。
DNA芯片還可用于監(jiān)測不同的人體細胞和組織基因表達，以檢測癌癥或其他疾病所對應的基因的變化。隨著DNA芯片及雜交技術的發(fā)展，DNA芯片可廣泛應用于疾病診斷和治療、藥物篩選、農(nóng)作物的優(yōu)育優(yōu)選、司法鑒定、食品衛(wèi)生監(jiān)督、環(huán)境檢測、國防、航天等許多領域。它將為人類認識生命的起源、遺傳、發(fā)育與進化、為人類疾病的診斷、治療和防治開辟全新的途徑，為生物大分子的全新設計和藥物開發(fā)中先導化合物的快速篩選和藥物基因組學研究提供技術支撐平臺。
② 蛋白質芯片
人類基因組(genome)排序工作的完成是人類醫(yī)學*的里程碑，也代表著后基因組時代的到來—生命科學的研究重點逐漸轉移到了細胞中的蛋白質。*，細胞中的DNA是生命的基礎、是遺傳信息的攜帶者；但是細胞中真正行使功能的、生命活動的執(zhí)行者卻是由基因編碼的蛋白質，即基因的表達產(chǎn)物。因此，即使得到人類全部基因序列，也只是解決了遺傳信息庫的問題。人類揭示整個生命活動的規(guī)律，就必須研究基因的產(chǎn)物——蛋白質。
生命活動的主體是人體內(nèi)存在的10萬種以上的蛋白質，發(fā)展蛋白質芯片這一高新技術已成為生物芯片領域的挑戰(zhàn)性課題。
蛋白質芯片(protein chip)是指固定于支持介質上的蛋白質構成的微陣列，又稱蛋白質微陣列(protein microarray)。
蛋白質芯片zui早是在生物功能基因組學研究中繼基因芯片之后，作為基因芯片功能的補充發(fā)展起來的。它是在一個基因芯片大小的載體上，按使用目的的不同，點布相同或不同種類的蛋白質，然后再與用熒光染料標記了的蛋白質結合，掃描儀上讀出熒光強弱，計算機分析出樣本結果。zui早進行蛋白質芯片研究的是德國科學家Lueking。
蛋白質芯片的研發(fā)概念由基因芯片延伸而來，兩者的基本原理相同，不同之處有，一是芯片上固定的分子是蛋白質，如抗原或抗體等；其二，檢測的原理是依據(jù)蛋白分子、蛋白與核酸、蛋白與其它分子的相互作用。即蛋白質芯片利用的不是堿基配對，而是抗體與抗原結合的特異性、即免疫反應來檢測。
蛋白質芯片的原理是對固相載體進行特殊的化學處理，再將已知的蛋白分子產(chǎn)物固定其上(如酶、抗原、抗體、受體、配體、細胞因子等)，根據(jù)這些生物分子的特性，捕獲能與之特異性結合的待測蛋白(存在于血清、血漿、淋巴、間質液、尿液、滲出液、細胞溶解液、分泌液等)，經(jīng)洗滌、純化，再進行確認和生化分析。它可為獲得重要的生命信息(如未知蛋白組分、序列、與其他分子的相互調(diào)控關系、藥物篩選、藥物靶位的選擇等)提供有力的。
利用生物分子間的特異結合的自然屬性，待測分子與配基分子在芯片表面會形成生物分子復合物。然后，檢測此復合物的存在與否，達到對蛋白質的探測、識別和純化的目的。
蛋白質芯片是一種高通量的蛋白功能分析技術，可用于蛋白質表達譜分析，研究蛋白質與蛋白質的相互作用，甚至DNA－蛋白質、RNA－蛋白質的相互作用，篩選藥物作用的蛋白靶點等。
蛋白質芯片的應用領域可概括為三方面：蛋白質表達的檢測；蛋白質-蛋白質、蛋白質-DNA和蛋白質-小分子等之間相互作用的鑒定；抗體的鑒定?？煞譃榈鞍踪|功能芯片(生物信息)和蛋白質檢測芯片兩類。
蛋白質芯片技術與基因芯片相比較，還處在起步階段，無論在芯片的制備，具體應用過程以及結果的檢測方面還有很多的不足。主要表現(xiàn)在：靈敏度（新的信號放大技術急待解決）、準確度（抗原或抗體的來源、純度與特異性，溫度敏感）、高密度（美國AFFYMERTRIX公司的光蝕到合成技術限制了該技術的普遍采用，發(fā)展新的高密度合成技術勢在必行）、普及（設備昂貴、限于在少數(shù)條件好的實驗室進行）等方面。
但是，通過蛋白質芯片技術可以地大規(guī)模獲取生物體中蛋白質的信息，是蛋白質組研究的重要手段。
蛋白質芯片技術在新世紀里不僅會對認識基因組與人類健康錯綜復雜的關系、對疾病的早期診斷和療效監(jiān)測等會產(chǎn)生巨大的推動作用，而且在其他相關領域，如環(huán)境保護、食品衛(wèi)生、生物工程、工業(yè)制藥等方面也將具有廣闊的發(fā)展前景。特別是隨著人類基因組計劃的完成，一個以研究蛋白質功能為重點的后基因組時代已拉開序幕，許多人預言，蛋白質芯片技術將從根本上改變生物學和生物技術的觀點和效率，為生命科學的發(fā)展做出貢獻。
③ 細胞芯片
通過微制作技術（MEMS），可制成微米量級的機械手，能夠在細胞溶液中捕捉到單個細胞，進行細胞結構、功能和通訊等特性研究。以此為基礎制造出可以捕捉和固定單個細胞的生物芯片，通過調(diào)節(jié)細胞間距等，研究細胞分泌和胞間通訊。此類細胞芯片還可以作細胞分類和純化等。
④ 組織芯片
組織芯片也稱為組織微陣列(tissue microarray -- TMA)。組織芯片的概念于1998年由Kononen等提出，可視為基因芯片(DNA芯片)技術的發(fā)展和延伸，與細胞芯片、蛋白質(抗體)芯片一樣，屬于一種特殊形成的生物芯片技術。
基因芯片和蛋白芯片是研究同一種細胞中成千上萬個基因或蛋白分子變化的情況，而組織芯片則是研究同一種基因或蛋白分子在成千上萬種細胞或組織中表達的情況。所以，組織芯片技術不但是傳統(tǒng)病理學技術的進一步發(fā)展，也是基因芯片和蛋白質芯片的進一步延伸。
組織芯片是將數(shù)十個甚至上千個不同個體的臨床組織標本按預先設計的順序排列在一張固相載體(載玻片)上所形成的組織微陣列，是一種高通量、多樣本以及快速的分子水平的分析工具。它克服了傳統(tǒng)病理學方法和DNA芯片技術中存在的某些缺陷，使人類*次有可能同時對幾百甚至上千份正?；蚣膊∫约凹膊“l(fā)展不同階段的自然病理生理狀態(tài)下的組織樣本，進行某一個或多個特定的基因、或與其相關的表達產(chǎn)物的研究。
組織芯片的制備目前主要依靠機械化芯片制備儀來完成。制備儀包括操作平臺、特殊的打孔采樣裝置和一個定位系統(tǒng)。打孔采樣裝置對供體組織蠟塊進行采樣，同時也可對受體蠟塊進行打孔，其孔徑與采樣直徑相同，兩者均可定位。制備儀的定位裝置可使穿刺針或受體蠟塊線性移動，從而制備出孔徑、孔距、孔深*相同的組織微陣列蠟塊。通過切片輔助系統(tǒng)將其轉移并固定到硅化和膠化玻片上即成為組織芯片。根據(jù)樣本直徑(0.2~2.0 mm)不同，在一張45 mm´25 mm的玻片上可以排列40~2000個以上的組織標本。
根據(jù)研究目的不同，芯片種類可以分成腫瘤組織芯片、正常組織芯片、單一或復合、特定病理類型等數(shù)十種組織芯片。
組織芯片技術可以與DNA、RNA、蛋白質、抗體等研究技術相結合，也可與傳統(tǒng)的病理學技術、組織化學及免疫組化技術相結合，在基因、基因轉錄和相關表達產(chǎn)物-蛋白質生物功能等三個層次上進行系統(tǒng)研究。這對人類后基因組學的深入研究與發(fā)展，特別是對研究特定基因及其所表達的蛋白質與疾病之間的相互關系、疾病的分子診斷、預后指標的確定、治療靶點的定位、治療效果的預測、抗體和藥物的篩選以及基因治療的研發(fā)等方面均有著十分重大的實用價值和廣闊的市場前景。
⑤ 糖芯片（carbohydrate chip）
是用于快速和高通量研究糖類生物功能的芯片。 糖(sugar)又稱為碳水化合物(carbohydrate)，包括單糖、寡糖、多糖/聚糖和糖復合物。糖類在生命活動中發(fā)揮著重要作用，研究糖可以為揭示細胞識別機制提供重要線索。如決定人血清抗體與不配型紅細胞凝聚反應特異性的關鍵結構分子是紅細胞表達并展示在紅細胞表面上的寡糖鏈。
但糖類的研究比較困難，因為糖具有不同于其他分子的*性質：高度異源性（糖單元數(shù)目差別極大）、糖鏈的生物合成極其復雜（需要多種酶參與、途徑也極其復雜）、信號傳導作用不被認識（認為糖僅是細胞結構和儲存能量的細胞成分）。為研究糖鏈中蘊含的大量生物信息，1999年以色列的Glycominds公司zui早推出了寡糖芯片，開啟了高通量、敏感、準確而方便的糖類研究。
宿主細胞和病原微生物細胞表面的糖基復合物，在很大程度上影響病原體的侵染、在疾病發(fā)生中起著關鍵作用。糖基復合物同時又是宿主識別與響應的主要抗原結構。某些病原微生物的表面抗原更是模擬宿主細胞的部分碳水化合物結構，從而逃避宿主免役系統(tǒng)的攻擊。因此，識別鑒定這類糖結構，對于研究病原微生物與宿主之間的相互關系、并進而有效控制由此引起的傳染性疾病都具有非常重大的意義。
糖芯片又稱糖微陣列(carbohydrate microarray, sugar array)，包括寡糖芯片(oligosaccharide microarray)和多糖芯片(glycan microarray，polysaccharide microarray) 。根據(jù)用途可分為功能糖組學芯片（尋找生物學通路）和藥物糖組學芯片（篩選藥物靶標，在治療上增強或抑制糖-蛋白質相互作用的糖模擬物）。
糖類在生命活動中發(fā)揮著重要作用，研究糖可以為揭示細胞識別機制提供重要線索。20世紀末，繼基因組學、蛋白質組學之后興起糖組學。糖組(glycome)指的是生物體中所有糖分子以及糖結合分子的全部集合，糖組學是主要研究生物體中所有糖類以及糖結合分子的結構、功能及其表達和調(diào)控的新興分支學科，是糖生物學(glycobiology)的重要研究領域。糖芯片在此背景下出現(xiàn)，變革了糖生物學的研究手段，拓展了糖生物學的發(fā)展空間。
糖芯片可同時分析數(shù)量的多糖-蛋白質相互作用，可用于功能糖組學（鑒定蛋白質-多糖相互作用）、藥物篩選（篩選新的蛋白質-多糖相互作用抑制劑）、抗體結合特異性分析、細胞年黏附檢測（鑒定靶多糖）、酶測定（發(fā)現(xiàn)糖苷酶特異性抑制劑）和藥物糖組學（確定患者類群）等方面的研究，在大容量、高度敏感性和長期穩(wěn)定性方面有*的優(yōu)勢。
? 生物芯片技術（進展）
根據(jù)芯片的結構和工作原理，生物芯片可分為微陣列芯片（microarray chip）、微流體芯片（microfluidic chip）和芯片實驗室(lab-on-a-chip) 。
Ø 所謂微陣列芯片，是將基因的片段［DNA或 RNA］、蛋白質（如抗體）、細胞組織等生物樣品，以微點樣技術或其他技術固定在玻片等基片上制作形成的。通常一塊小小的芯片可以固定數(shù)萬個甚至上十萬個樣品點，也就是說這類生物芯片類似于微處理器芯片，有著極大的信息存儲量和快速的并行處理能力。
Ø 微流體芯片是相對于微陣列芯片而言的，核心是在基片上刻出若干根微通道作為一系列生物檢測反應的發(fā)生地。微流體芯片的共同特點是采用半導體微加工技術和(或)微電子工藝在芯片上構建微流路系統(tǒng)(由儲液池、微反應室、微通道、微電極、微電路中的一種或幾種組成)，加載生物樣品和反應液后，在壓力泵或電場的作用下形成微流路，于芯片上進行一種或連續(xù)多種的反應，達到對樣品的高通量快速分析的目的。此類芯片的發(fā)展極大地拓寬了生物芯片的內(nèi)涵。
常規(guī)DNA微陣列芯片上DNA探針與靶核酸是被動作用的，受分子擴散的限制。流過式芯片的基本原理是將特定DNA探針結合于芯片微通道內(nèi)的特定部位，熒光標記靶核酸由壓力泵或電場驅動流過微通道，被互補探針捕獲進行反應，達到對靶核酸的檢測分析目的。探針和靶分子的作用是主動式的，因而大大增強了敏感性，提高了反應速率。
微流體芯片是結合生物技術、微機械等技術，將實驗室中許多儀器的功能縮小到芯片上來處理的一種微型器件。隨著微型機電技術（MEMS）、X光深層曝光微電鑄復制（LIGA）技術和納米技術的引入和應用，微流體芯片的集成化程度越來越高，已有在一塊片基上刻出96根微通道的報道和產(chǎn)品。
應該說微流體芯片是微陣列芯片的延伸（有人將微陣列芯片稱為*代生物芯片，而將微流體芯片稱為第二代生物芯片）。
Ø 芯片實驗室是將樣品制備、生化反應以及檢測分析等過程高度集約化形成的便攜式微型生物分析系統(tǒng)。它zui終的目的是實現(xiàn)生化分析全過程全部集成在一片芯片上完成，從而使現(xiàn)有的許多煩瑣、費時、不連續(xù)、不和難以重復的生物分析過程自動化、連續(xù)化和微縮化，是未來生物芯片的發(fā)展方向。
微流體芯片、芯片實驗室與微陣列芯片技術并駕齊驅，是生物芯片技術的三駕馬車，將逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前已經(jīng)商品化的生物芯片多為微陣列芯片，而微流體芯片和芯片實驗室正處于研究階段。據(jù)專業(yè)人士稱，目前國外生物芯片的研究重心已經(jīng)轉移到微流體芯片。
以芯片毛細管電泳作為核心技術的芯片實驗室更是一個微而全的系統(tǒng)，它用量極微、速度極快，得到的信息量可以比常規(guī)實驗室多幾個數(shù)量級，它不僅用于分析，也可用于反應，甚至細胞培養(yǎng)，在臨床診斷、藥物篩選和生命科學的其他領域都有廣泛應用，已被很多人認為是21世紀zui重要的前沿技術之一。
? 生物芯片技術是20世紀90年代隨著人類基因組研究的深入而迅速發(fā)展起來的一項技術，它以玻片、硅片、高分子凝膠、尼龍膜、微型磁球等固相介質為載體（在選擇固相介質時，應考慮其熒光背景的大小、化學穩(wěn)定性、結構復雜性、介質對化學修飾作用的反應、介質表面積及其承載能力以及非特異吸附的程度等因素），在單位面積上高密度地排列大量的生物探針，從而達到一次實驗同時探測多種疾病或分析多種生物樣本的目的，在臨床診斷、新藥開發(fā)、環(huán)境保護、動植物檢疫、司法鑒定等方面有廣泛的應用價值，是目前應用前景的生物樣品分析技術之一。
生物芯片具有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點，其發(fā)展的zui終目標是將從樣品制備、生化反應到分析檢測的全過程集成化，以獲得所謂的微型全分析系統(tǒng)--芯片實驗室(lab-on-a-chip) ，大大促進了生物信息學這一嶄新學科領域的發(fā)展。
美國商業(yè)界雜志Fortune《財富》在1997年3月刊中，以封面為題撰文對生物芯片技術的重要性和對未來社會的影響進行了大膽預測。文章指出，微處理器使我們的經(jīng)濟發(fā)生了根本變化，給人類帶來了巨大的財富，改變了我們的生活方式。然而，生物芯片給人類帶來的影響可能更大。在20世紀科技*有兩件事影響深遠，一是微電子芯片，它是計算機和許多家電的心臟，它改變了我們的經(jīng)濟和文化生活，并已進入每一個家庭；另一件事就是生物芯片，它將改變生命科學的研究方式，革新醫(yī)學診斷和治療，極大地提高人口素質和健康水平，從而改變世界的面貌。2. 分子馬達 ① 定義
所謂分子馬達（molecular motor）即分子機械，是指分子水平（納米尺度）的一種復合體系，是能夠作為機械部件的zui小實體。
分子馬達的驅動方式是通過外部刺激（如采用化學、電化學、光化學等方法改變環(huán)境）使分子結構、構型或構象發(fā)生較大程度的變化，并且必須保證這種變化是可控和可調(diào)制的，而不是無規(guī)的，從而使體系在理論上具備對外做機械功的可能性。
世界上zui小的分子馬達在我們每個人的身體里。 分子馬達是生物體內(nèi)的一類蛋白質，就像傳統(tǒng)的馬達一樣，它們“燃燒”燃料，做出特定的運動，完成特定的功能：它們是生物體內(nèi)的“化學能與機械能之間的轉換器”；某些分子馬達也有定子、轉子，只不過它們的尺寸都非常小，以納米為單位，所以被稱為世界上zui小的一類馬達。
② 特性和意義
生命在于運動，機體的一切活動，從肌肉收縮、細胞內(nèi)部的運輸、遺傳物質（DNA）的復制、一直到細胞的分裂等等，追蹤到分子水平，都是來源于具有馬達功能的蛋白質大分子做功推動的結果。因此它們被稱為分子馬達、蛋白質馬達或蛋白質機器等。
到目前為止，已有百種以上的分子馬達被確定，它們在機體內(nèi)執(zhí)行著各種各樣的生物功能。這些分子馬達可率地將儲藏在三磷酸腺苷（ATP）分子中的化學能直接轉換為機械能，產(chǎn)生協(xié)調(diào)的定向運動而做功。
迄今為止，人類尚無由化學能直接轉換為機械能做功的任何記載。那么由生物體反映出的這一*的能量轉換形式不僅對于生命活動是至關重要的，而且可以使人類從新的角度去認識、研究和利用這一能量轉換的分子機制。
因此分子馬達作功原理及能量轉換機制已成為分子生物學、物理學、生物化學等諸多學科中zui引人注目的問題之一，并會在相當長時間里成為多學科所共同面臨的一個挑戰(zhàn)性的科學研究領域。
③ 分子馬達的種類 i) 線性分子馬達
線性分子馬達是將化學能轉化成機械能，并沿著一條線形軌道運動的生物分子，主要包括肌球蛋白、動力蛋白、驅動蛋白及DNA解旋酶(DNA helicase)、RNA聚合酶(RNA polymerase)等。
Ø 當肌肉收縮時，肌球蛋白馬達沿著肌動蛋白（actin）滑動。肌球蛋白以肌動蛋白為線形軌道運動，其運動過程與ATP的水解相關聯(lián)。
Ø 動蛋白馬達和力蛋白馬達都是運載囊泡（vesicles）與細胞器（organelles）等沿著微管（microtubule）的負極向正極做定向運動，并由此完成各種細胞內(nèi)外的傳質功能。
Ø DNA解旋酶作為線性分子馬達，以DNA分子為軌道，與ATP水解釋放的能量相偶聯(lián)，在釋放ADP和Pi的同時將DNA雙鏈分開成兩條互補的單鏈。
Ø RNA聚合酶則在DNA轉錄過程中，沿DNA模版迅速移動，消耗的能量來自核苷酸的聚合及RNA的折疊反應。
ii) 旋轉分子馬達
旋轉分子馬達類似于定子和轉子之間的旋轉運動，比較典型的旋轉式發(fā)動機是F0F1－三磷酸腺苷酶（ F0F1 －ATPase）分子馬達。這個分子馬達包括F0和F1兩個復合體。
0是疏水的，由
C12亞基、a1亞基及b2亞基構成，嵌
在雙分子膜中。a1b2在一起被認為是馬達的“定子”，而c12被看做是馬達的“轉子”。
F1由3對a、b亞基相間組成類似橘子瓣的“定子” 和一個由g、e亞基組成的“轉子”構成，還有一個連在b2亞基上的d亞基。
F0F1－ATPase的一部分夾在細胞的雙分子膜間，調(diào)節(jié)膜內(nèi)外質子和鈉、鉀等陽離子的平衡。這種F0F1－ATP酶進行三磷酸腺苷的合成是靠雙分子膜內(nèi)外的質子濃度差驅動完成的，從F1®F0方向觀察，它的轉子g和e亞基會順時針轉動；而水解ATP的時候，F0又把質子運回來、形成新的質子濃度差，g和e亞基轉子會進行逆時針轉動。
F0F1－ATP酶的直徑小于12nm，能產(chǎn)生大于100pN的力，無載荷時轉速可達17轉/秒。 F0F1－ATP酶與納米機電系統(tǒng)（NEMS）的組合已成為新型納米機械裝置。
美國康乃爾大學的科學家利用ATP酶作為分子馬達，研制出了可以進入人體細胞的納米機電設備—“納米直升機”。
④ 分子馬達運動的可能機理 i) 化學模型
從化學的角度來看分子馬達，它的反應有幾個特點，一是效率都很高。其次，分子馬達在反應時，選擇性非常專一。所以，可以將生物馬達中的反應看做計算機里的“1”與“0”，要么是開，要么就是關。
現(xiàn)在對分子馬達的研究主要集中在生物物理學方面，而從化學的角度進行研究的還很少，還沒有具體研究到化學鍵的水平。但我們猜想這里一定有一個非常重要的元素在充當著開關的角色，這種原子和其他的原子有著特殊的結合形式。
趙玉芬院士認為：這個元素是磷。這同趙玉芬院士經(jīng)過多年研究提出的“磷是生命化學過程的調(diào)控中心”的觀點是一致的。應該理解，三磷酸腺苷（ATP）不只是作為能量的來源，還應該是參與分子馬達運轉過程的重要“零件”，這個零件很可能就是其“開關”。
生命過程中許多內(nèi)源活性物質在激活和轉化過程中均以五配位磷作為過渡態(tài)，很多生物分子也只有在磷配化以后才會出現(xiàn)生物活性，而且蛋白質可逆磷配化對細胞活動的調(diào)節(jié)起著至關重要的作用。
因此，趙玉芬等研究者推測，在分子馬達與ATP作用的過程中經(jīng)歷了五配位磷過渡態(tài)，從而激活了分子馬達，使之具有了運動功能。
趙玉芬等研究者對五配位磷化學的研究已經(jīng)有了很多重要的結果，進一步研究五配位磷與核酸水解、蛋白質可逆磷酸化的作用，不僅有望揭示出生物體內(nèi)的能量轉化機制和分子馬達的運動機制，而且對于生命起源的研究有著十分重要的意義。
ii) 物理模型
活細胞有復雜的內(nèi)部結構，細胞質中有許多懸浮的具有膜的亞細胞結構，如細胞核、各種細胞器、胞質顆粒等，此外，細胞內(nèi)轉運的物質常包裝為具有膜的轉運小泡。細胞內(nèi)這些物體的尺度多為亞微米至微米，使細胞質呈兩相系統(tǒng)。
這些細胞內(nèi)物體在細胞質中的運動方式，有主動運動和被動運動。主動運動是基于分子馬達的運動，被動運動是在細胞質中的擴散運動，這兩類運動在細胞內(nèi)并存。耗能的主動運動負責細胞內(nèi)物質定向長距離的轉運和分配，有重要的生物學意義。
根據(jù)實驗，唐孝威等研究者提出細胞內(nèi)物體主動運動的4個要素是：馬達、軌道、能源、調(diào)控，主動運動是由分子馬達驅動、沿分子軌道定向運動、消耗ATP分子、受信號分子調(diào)控的運動。
作為分子馬達的各種蛋白質，如肌球蛋白(myosin)、驅動蛋白(kinesin)、動力蛋白(dynein)等，將ATP分子水解的化學能轉換為機械能。分子馬達常與細胞內(nèi)物體的膜連接，組成復合體，分子馬達產(chǎn)生的作用力驅動與它們連接的物體運動。
作為分子軌道的各種蛋白質，如肌動蛋白(actin)、微管蛋白(microtubule)等，是細胞骨架蛋白，它們組成有極性的蛋白質纖絲，如微絲、微管及它們的復合體，為細胞內(nèi)物體運動提供運動軌道，馬達的性質和軌道的極性決定了物體主動運動的方向，這種運動受細胞信號分子例如Ca2+的調(diào)控。
對細胞內(nèi)物體的主動運動來說，上述4個要素缺一不可：若沒有分子馬達，就失去主動運動的作用力；若沒有分子軌道，就不能發(fā)生定向的主動運動；若缺少ATP分子作為運動的能源及調(diào)控主動運動的信號分子，主動運動也不能進行。
3. 硅蟲晶體管
美國和北愛爾蘭的研究者偶然發(fā)現(xiàn)了一種活的半導體（half bacterium, half microchip），它能夠嗅出生物戰(zhàn)所用的毒氣。
這一發(fā)現(xiàn)竟來自科學家為消除計算機芯片生產(chǎn)線上的某些特殊細菌的屢屢失敗。為消除這些生物，研究者試用了從紫外線到強氧化劑，但是細菌仍可以幸存。
紐約州立大學的生物學家Robert Baier解釋了此現(xiàn)象。在清洗半導體時，超純水能夠溶解一些半導體材料，如氧化鍺，而這些半導體材料會圍繞細菌結晶，使細菌在晶體的“家”中存活的*而不會受到損傷。亞里桑那大學的物理學家O’Hanlon和Baier認為外面包上硬殼的細菌可以用于制造生物晶體管。
在普通三極管中，由源極到漏極的電流受門極電壓的控制。而這種細菌半導體晶體恰好可以用作生物晶體管的門極。當在呼吸和光合作用等產(chǎn)生電子轉移的生物過程中，光照或者器官的水汽能誘導細菌產(chǎn)生電子，猶如打開了這個生物晶體管。這種精巧的靈敏裝置能夠探測生物戰(zhàn)毒氣。
4. 納米探針
一種探測單個活細胞生物特性的納米傳感器，探頭尺寸僅為納米數(shù)量級，當它插入活細胞時，可探知會導致腫瘤的早期DNA損傷。
苯并吡（BPT-- benzo pyrene tetrol）是城市受污染空氣中普遍存在的致癌物質。為了模仿暴露于致癌物質，將細胞浸入含有苯并吡的液體中，在一般暴露情況下，細胞攝取苯并吡，和細胞DNA代謝反應形成一種可水解的BK-D14A加合物，它可作為因暴露于BPT而產(chǎn)生DNA損傷的生物標記，即腫癌早期診斷的靶標。
納米探針是一支直徑50nm，外面包銀的光纖，并傳導一束氦—鎘激光。它的尖部貼有可識別和結合BPT的單克隆抗體。325納米波長的激光將激發(fā)抗體和BPT形成的分子復合物產(chǎn)生熒光。此熒光進入探針后，由光探測器接收。此高選擇和高靈敏的納米傳感器，可用于探測很多細胞生物化學物質。
此外，它還可以探測基因表達和靶細胞的蛋白生成，用于篩選微量藥物，以確定哪種藥物能夠zui有效地阻止細胞內(nèi)致病蛋白的活動。
隨著納米技術的進步，zui終實現(xiàn)評定單個細胞的健康狀況。
四、納米醫(yī)學
我們知道人體是由多種器官組成的，如：大腦、心臟、肝、脾、胃、腸、肺、骨骼、肌肉和皮膚；器官又是由各種細胞組成的，細胞是器官的組織單元，細胞的組合作用才顯示出器官的功能。那么細胞又是由什么組成的呢？按現(xiàn)在的認識，細胞的主要成分是各種各樣的蛋白質、核酸、脂類和其他生物分子，可以統(tǒng)稱為生物分子，它的種類有數(shù)十萬種。生物分子是構成人體的基本成分，它們各自具有*的生物活性，正是它們不同的生物活性決定了它們在人體內(nèi)的分工和作用。
由于人體是由分子構成的，所有的疾病包括衰老本身也可歸因于人體內(nèi)分子的變化。當人體的分子機器，如合成蛋白質的核糖體、DNA復制所需的酶等，出現(xiàn)故障或工作失常時，就會導致細胞死亡或異常。從分子的微觀角度來看，目前的醫(yī)療技術尚無法達到分子水平的修復。
而納米醫(yī)學則是在分子水平上，利用分子工具和人體的分子知識（在納米尺度上了解生物大分子的精細結構及其與功能的關系，獲取生命信息），所從事的診斷、醫(yī)療、預防疾病、防止外傷、止痛、保健和改善健康狀況等方面的科學技術。換句話講，人類將從分子水平上認識自己，創(chuàng)造并利用納米裝置和納米結構來防病治病，改善人類的整個生命系統(tǒng)。
首先需要認識生命的分子基礎，然后從科學認識發(fā)展到工程技術，設計制造大量的具有令人難以置信的奇特功效的納米裝置，它們由一個個分子裝配起來，能夠發(fā)揮類似于組織和器官的功能，并且能更準確、更有效地發(fā)揮作用。
它們可以在人體的各處暢游，甚至出入細胞，在人體的微觀世界里完成特殊使命。例如：修復畸變的基因、扼殺剛剛萌芽的癌細胞，捕捉侵入人體的細菌和病毒，并在它們致病前就消滅它們；探測機體內(nèi)化學或生物化學成分的變化，適時地釋放藥物和人體所需的微量物質，及時改善人的健康狀況。
未來的納米醫(yī)學將是強大的，它的功能會令世人驚嘆；但它又是令人驚訝的小，因為在其中所發(fā)揮作用的藥物和醫(yī)療裝置都是肉眼所無法看到的。納米醫(yī)學的zui終實現(xiàn)，將使人類擁有持續(xù)的健康。
1. 疾病診斷--使診斷更 （1）影像學診斷
分子雷達“光學相干層析術（OCT）”這一納米影像學診斷工具的分辨率可達1個微米數(shù)量級，較CT和核磁共振的精密度高出上千倍，這對疾病的早期診斷有很大幫助。而且它不會像X射線、 CT、核磁共振那樣殺死活細胞。
有了如此準確的依據(jù)，人們或許有辦法把疾病 “扼殺在萌芽狀態(tài)”，而不必等到生命的尾聲才被CT或磁共振檢查出癌組織病變。
（2）實驗室診斷
使用納米技術的新型診斷儀器只需檢測少量血液，就能通過其中的蛋白質和DNA早期診斷出某些疾病。如用超順磁性氧化鐵納米顆粒脂質體，可以診斷直徑在3mm以下的肝腫瘤。激光單原子分子探測術可通過人的唾液、血液、糞便以及呼出的氣體，及時發(fā)現(xiàn)人體中哪怕只有億萬分之一的各種致病或帶病游離分子，具有*的靈敏性。
（3）植入傳感器診斷
利用納米級微小探針技術，可向人體內(nèi)植入傳感器，根據(jù)不同的診斷和監(jiān)測目的，定位于體內(nèi)不同部位，也可隨血液在體內(nèi)運行，隨時將體內(nèi)各種生物信息反饋于體外記錄裝置。
（4）病理診斷方面
目前腫瘤診斷zui可靠的手段是建立在組織細胞水平上的病理學方法，但存在著良、惡性及細胞來源判斷不準確的問題。
利用原子力顯微鏡可以在納米水平上揭示腫瘤細胞的形態(tài)特點。通過尋找特異性的異常納米結構改變，解決腫瘤診斷的難題。
基因水平上的診斷研究：AFM不僅可以對DNA、蛋白質等進行形態(tài)分析，還可以進行直觀下的分子剪輯、DNA特殊位點的定位等高水平研究。（5）遺傳病診斷方面
為了判斷胎兒是否具有遺傳缺陷，以往常采用價格昂貴并對人體有損害的羊水診斷技術。而應用納米技術可簡便安全地達到目的：婦女懷孕8周左右，在血液中開始出現(xiàn)非常少量的胎兒細胞，利用納米微粒很容易將這些胎兒細胞分離出來進行診斷。
2. 疾病治療
（1）在基因治療方面
基因是“生命的設計圖”，當基因因為突變、缺失、轉移或是不正常的擴增而“出錯”時，細胞制造出來的蛋白質數(shù)量或是形態(tài)就會出現(xiàn)問題，人體也就生病了。所以要治療這種疾病zui根本的方法，就是找出基因發(fā)生“錯誤”的地方和原因，把它矯正回來，疾病自然就會*了。
所謂基因療法，即是通過基因水平的操作來治療疾病的方法。目前的基因療法是先從患者身上取出一些細胞（如造血干細胞、纖維干細胞、肝細胞、癌細胞等），然后利用對人體無害的逆轉錄病毒當載體，把正常的基因嫁接到病毒上，再用這些病毒去感染取出的人體細胞，讓它們把正?；虿暹M細胞的染色體中，使人體細胞“獲得”正常的基因，以取代原有的異?；?；接著把這些修復好的細胞培養(yǎng)、繁殖到一定的數(shù)量后，送回患者體內(nèi)，這些細胞就會發(fā)揮“醫(yī)生”的功能，把疾病治好。
（2）在器官yi植方面
納米技術所要做的是尋找生物兼容物質。只要在人工器官外面涂上納米粒子，就可預防人工器官yi植的排異反應。生物兼容物質的開發(fā)，是納米材料在醫(yī)學領域中一個重要應用。
（3）在開發(fā)新藥方面
制備出理想的具有智能效果的納米藥物載體，以解決人類重大疾病的診斷、治療和預防等問題（更可靠的納米載體，更準確的靶向物質，更有效的治療藥物）。 Ø 納米級粒子可使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。 Ø 制備納米級載體與具有特異性的藥物相結合，以得到具有自動靶向和定量定時釋藥的納米智能藥物。 Ø 制備針對癌癥的“納米生物dao彈”，將藥物連接在磁性超微粒子上，定向射向癌細胞，把癌細胞全部消滅。
（4）納米機器人的開發(fā)與疾病治療
納米級機器人可遨游于人體微觀世界，隨時清除人體中的一切有害物質，激活細胞能量，使人不僅僅保持健康，而且延長壽命。
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