第五章_纳米技术在分子生物学中的应用

纳米技术 在分子生物学中的应用

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

从宏观世界到微观世界

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。

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 性的异常纳米级结构改变，以解决肿瘤诊断的难题。5

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 。6

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。

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。

8 具有纳米级别的天然骨分级结构和天然骨的多孔结构

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，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 。9

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。10

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 物转变成稳定的纳米颗粒，就适合

于口服或者注射了。11

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 。12

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。 13

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。

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。15

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

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：①静电场法。在一定强度的电场下，可拉直小片段的DNA。②激光镊子法。在DNA的两端点粘上微小的颗粒，可通 过激光镊子将其展开。③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。

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。

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； 3)对芯片进行检测以确定蛋白间的相互 作用。19

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。20

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。21

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