纳米生物技术
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中国生物工程杂志
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纳米生物技术将纳米技术和生物技术相集成，将成为现代生物工程的重要组成部分，并将在生物医学、电子学、材料学、环境科学等诸多领域具有良好的应用前景[1]。
近年来，基于自然界原型的纳米生物材料、芯片技术、分子马达、纳米探针等纳米生物技术取得了迅速的发展[2，3]。但与自然界的复杂性相比，目前装配分子工具、装置和材料的水平还较低。
1 纳米生物材料
生物矿化是指在生物体内形成矿物质(生物矿物)的过程。生物矿化区别于一般矿化的显著特征是，它通过有机大分子和无机物离子在界面处的相互作用，从分子水平控制无机矿物的析出，从而使生物矿物具有特殊的多级结构和组装方式。生物矿化中，由细胞分泌的自组装的有机物对无机物的形成起模板作用，使无机矿物具有一定的形状、尺寸、取向和结构。生物矿化为纳米生物材料的设计加工提供了有效的手段[4～6]。
, 百拇医药 11 硅虫晶体管
美国和北爱尔兰的研究者偶然发现了一种能够嗅出生物战所用的毒气的“活半导体”。一种解释是：在清洗半导体芯片时，溶解于超纯水中的半导体材料会围绕细菌结晶，形成细菌的保护层。研究者们已经开始尝试将外面包上硬壳的细菌可以用于制造生物晶体管：在呼吸和光合作用等产生电子转移的生物过程中，光照或者器官的水汽能诱导细菌产生电子，控制生物晶体管的开启。
12 生物电线
DNA是一种理想的构建材料[7，8]。近来，科学家通过在DNA的表面覆盖金属原子的培植方法，合成了导电的DNA链。Jeremy Lee等人发现通过pH值的适当调控，DNA可以稳定地把锌、钻、镍等金属离子并入其双螺旋中心，并找到了在高的pH值等基本条件下，稳定DNA含有金属离子的状态，并仍然保持选择性地结合其他分子的能力，由此获得了新的DNA导电体。还有，将DNA接在两个金电极之间，将银离子交换到表面上，最后将银离子还原为银，就成为直径在100nm左右、长度可达微米级的银线。
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13 组织工程材料
在自然界，某些细菌细胞膜可以不同程度地矿化，细胞膜外S层含有规则排列的蛋白质分子，从而作为模板诱导矿化微结构纳米材料合成。模仿上述过程，制成的含纳米纤维的生物可降解材料已经开始应用于组织工程的体外及动物实验，并显示出良好的应用前景。清华大学[9]研究开发的纳米级羟基磷灰石/胶原复合物在组成上模仿了天然骨基质中无机和有机成分，其纳米级的微观结构类似于天然骨基质。多孔的纳米羟基磷灰石/胶原复合物形成的三维支架为成骨细胞提供了与体内相似的微环境。细胞在该支架上能够很好地生长并分泌骨基质。体外及动物实验表明，此种羟基磷灰石/胶原复合物是良好的骨修复纳米生物材料。
2 生物芯片技术
生物芯片是在很小几何表面积上，装配一种或集成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样即可以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，从而获得生命微观活动的规律。生物芯片具有集成、并行和快速检测的优点，其发展的最终目标是将样品制备、生化反应到分析检测的全过程集成化以获得所谓的微型全分析系统。
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生物芯片可以分为蛋白质芯片和基因芯片(DNA芯片)等类型
蛋白质芯片的发展经历了约10年的时间，现己出现相对成熟的技术，如Pharmacia的BIACORE单元芯片，中国科学院的光学多元蛋白质芯片和美国SELDI质谱芯片等[10]。其共同特点是将生物分子作为配基，以单一、或点阵、或序列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。但三者在探测方法上有明显区别。BIACORE技术利用表面等离子体共振技术检测芯片，进行单一蛋白质检测；光学多元蛋白质芯片是光学成像法，可以同时检测多种混合的蛋白质；SELDI技术则采用质谱法，以时间顺序检测序列蛋白质。
基因芯片又称为DNA芯片，它是根据DNA双螺旋原理发展起来的核酸链间分子杂交的技术：将已知的DNA(探针)和未知的核酸序列之间的一方以有序的阵列固定到芯片上，通过PCR扩增技术将数量放大，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。
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DNA芯片目前存在的问题主要有，芯片的特异性不够高；样品制备和标记操作较复杂；信号检测灵敏度低；集成化程度低。
近两年，微米级机器手性能的提高，推动了亲和结合芯片(包括DNA和蛋白质微阵列芯片)的发展。亲和结合芯片加工方法可以分为以下四种。一种是Affymetrix公司开发出的光学光刻法与光化学合成法相结合的光引导原位合成法。第二种方法是Incyte Pharmaceutical公司所采用的化学喷射法，它的原理是将预先合成好的寡核苷酸探针喷射到芯片上指定的位置来制作DNA芯片的。第三种是美国斯坦福大学所使用的接触式点涂法。该方法的实现是通过使用高速精密机械手所带的移液头与玻璃芯片表面接触而将探针电位点滴到芯片上的。第四
种方法是通过使用四支分别装有A、T、G、C核昔的压电喷头在芯片上作原位DNA探针合成的[11，12]。
3 分子马达
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分子马达是由生物大分子构成并将化学能转化为机械能的纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物迥诘陌试耸洹NA复制、细胞分裂、肌肉收缩等生命活动起着重要作用[13，14]。
目前，研究较多的是F\-1\|ATPase中γ亚基的转动。Noji[15]将荧光标记的肌动蛋白丝作为一种标志物和γ亚基结合，此γ亚基位于3个β与3个α亚基组成的六聚体中。F\-1\|ATPase和埋在膜内的F\-0(质子运送单元)组成H\++—ATP合成酶，在细胞呼吸和光合作用中可逆地将跨膜质子流与ATP合成与水解偶联起来。在有ATP时，从膜上方可观察到荧光标记的肌动蛋白丝逆时针方向可转动100次以上。最近Adachi等又详细地分析了单个荧光基团Cy3标记于膜上的运动，进一步说明旋转是分步进行的，每步转120°，证明这种分步运动是F\-1\|ATPase的固有性质，也就是每个ATP分子水解驱动γ亚基转动，而且这种运动与γ亚基上的负载无关。
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，比较典型的旋转式发动机有F1\|ATP酶。ATP酶是一种生物体中普遍存在的酶，它由两部分组成：一部分结合在线粒体膜上，另一部分在膜外。当质子流经ATP酶时产生力矩，从而推动了F1—ATP酶的Y亚基的旋转。F1—ATP酶直径小于12纳米，能产生大于100pN的力，无载荷时转速可达17r/s。ATP酶与纳米机电系统的组合，已经成为新型纳米机械装置。
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分子马达方面的一个新进展是将DNA用于纳米机械装置制成DNA马达[16]。2000年8月，Bell实验室和牛津大学的研究者开发了第一个DNA马达。据预测，DNA马达技术可制造比当今快1000倍的计算机。在制作DNA马达时DNA既是结构材料，而且也作为“燃料”。
4 纳米探针
生物大分子用于制作纳米探针现已越来越受到重视。Elghanian等人[17]将直径约13纳米的金微粒粘附上DNA链，当在溶液中这些DNA链和互补的碱基序列结合后就形成DNA链的网络，使其中的微粒间距减小，由于金粒的表面等离子体共振，体系的颜色从红色变成蓝色[18]。这种方法对病原体检测简便而价廉。Kasianoviez等[18]将一种细菌的离子通道(α\|溶血素)组装在人工双分子层脂质膜上，在膜两侧加上电压使通道打开，同时在电场作用下单链的DNA或RNA分子通过15纳米宽的离子通道，由于不同碱基理化特性不同以及通道内电荷分布对离子通量的影响非常显著，因而在核酸链通过通道的过程中随碱基序列的不同可以记录到单通道电流随时间改变的不同形式。这是一种全新的纳米探测技术，目前的速度已经达到每毫秒1个碱基。
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研究者们正在研制的遗传畸变探测生物传感器，类似于其他的DNA探测传感器。在此传感器上装配所要探测的特制DNA序列。这里，DNA链是导电的。杂交DNA所引起的删除或变化，均起阻碍电流的作用，通过测量电导的变化可以识别DNA的异常状态。
这种生物传感器还能用于鉴别混合物，如：环境毒素、毒品、或蛋白质等，当这类分子结合到金属DNA上，将把金属离子排斥出来，导致电流中断，由于信号强度的减少正比于污染物的浓度，所以能够很容易地确定环境毒素的量。
纳米探针由于具有高选择性和高灵敏度可以用来探测很多细胞物质、监控活细胞的蛋白质和其他生化物质。纳米探针还可以探测基因表达和靶细胞的蛋白质生成，用于微量药物筛选等。
5 结束语
后基因组时代为纳米生物技术的发展提供了良好的契机。可以预计，随着化学、生物学、材料学等领域的不断进步，纳米生物技术会得到更为广泛和深入的研究。在生物芯片、分子马达、生物探针、纳米生物材料等迅速发展的同时，还会诞生出纳米生物技术其它一些新领域[19,20]。
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来源：《中国生物工程杂志》2002年第22卷第6期
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