納米生物技術前沿培訓課件

納米生物技術前沿2.4納米機器人和納米分子仿生學2.4.1納米機器人納米機器人（nano-robot）是可以在細胞內(nèi)或血液中對納米空間進行操作的“功能分子器件”。納米機器人學（nano-robotic）是一門嶄新的集納米技術、生物、化學、計算機、數(shù)學、機器人學等多門學科于一體的交叉學科，它是研究納米級/分子級物體及設備的構建、裝配、復制和控制的一門學科，也稱分子機器人學（molecularrobotic）。2納米生物技術前沿3納米生物技術前沿4納米生物技術前沿5納米生物技術前沿基于碳納米管的齒輪、齒輪-齒條仿甲蟲外形制造的微型機器人納米軸承微型機器人6納米生物技術前沿納米彈簧（nanospring）SEMimagesofsilicananosprings(Source:Prof.DavidN.McIlroy,UniversityofIdaho)7納米生物技術前沿WangLDetal.Highyieldsynthesisandlithographyofsilica-basednanospringmats,Nanotechnology17(2006)S298–S303SEMimagesofsilicananospringsusingdifferentdepositiontemperatures350℃650℃1000℃8納米生物技術前沿采用CVD原位催化裂解方法制備的碳納米彈簧SEM照片/m/user_content.aspx?id=288460鐘偉9納米生物技術前沿10納米生物技術前沿納米機器人可能引導新的工業(yè)革命納米機器人是納米生物學中最具誘惑力的內(nèi)容。第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結合體，如酶和納米齒輪的結合體。這種納米機器人可注入人體血管內(nèi)，可以進行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪淀積物，吞噬病毒，殺死癌細胞。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。這是一種可以進行人機對話的裝置。這種納米機器人一旦研制成功，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。11納米生物技術前沿制造納米機器人的核心是納米機電技術。微/納機電系統(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加工方法，將大的材料割小，形成結構或器件，并與電路集成，實現(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12納米生物技術前沿為制造具有特定功能的納米產(chǎn)品，其技術路線可分為“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，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)人們的意愿進行設計和組裝，從而構筑成具有特定功能的產(chǎn)品。這種技術路線將減少對原材料的需求，降低環(huán)境污染.13納米生物技術前沿Top-downTraditionalapproachTakeawaymaterialuntilwhatisleftistheproductBottom-upNanotechapproachAddmaterialuntiltheproducthasbeencreated精密準確，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”14納米生物技術前沿2.4.2納米分子仿生學分子仿生學模仿細胞生命過程的各個環(huán)節(jié)，以分子水平上的生物學原理為參照原型，設計制造各種各樣的可對納米空間進行操作的“功能分子器件”，即納米機器人。分子生物學納米技術分子仿生學15納米生物技術前沿研究納米生物機器通過交叉學科手段和視野，導致更多的生物學發(fā)現(xiàn)深入認識蛋白質(zhì)分子機器的結構與功能及工作原理，開發(fā)生物分子機器促進仿生學發(fā)展16納米生物技術前沿17納米生物技術前沿1.細胞就是納米機器“細胞工廠”——類似于工廠的能量轉(zhuǎn)化和生產(chǎn)過程細胞內(nèi)含有的分子機器：酶類蛋白質(zhì)復合體細胞器18納米生物技術前沿酶類六大類：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種異構酶（Isomerase）19納米生物技術前沿蛋白質(zhì)復合體蛋白質(zhì)復合體通常由多種不同源的蛋白質(zhì)通過相互作用構成，協(xié)同完成復雜且十分重要的生物學過程。ATP酶（分子馬達）細菌鞭毛（螺旋推進器）DNA聚合酶系統(tǒng)（DNA復制機器）RNA聚合酶（RNA轉(zhuǎn)錄機器）核糖體（蛋白質(zhì)翻譯機器）DNA錯配修復系統(tǒng)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運機器……20納米生物技術前沿細胞器葉綠體粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)核糖體線粒體高爾基體溶酶體細胞核質(zhì)膜21納米生物技術前沿細胞中的所有結構單元都是執(zhí)行某種功能的微型機器：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)還會被貼上標簽送去水解成氨基酸并重新用于新蛋白質(zhì)的合成。22納米生物技術前沿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23納米生物技術前沿24納米生物技術前沿生物納米機器的特點自組裝（self-assembling）自指導（self-directed）與細胞鐘（cellularclock）高效率（highefficiency）高可靠性（highfidelity）柔性（flexibility）化學能驅(qū)動分子調(diào)控（molecularregulation）25納米生物技術前沿AdenosineTriphosphate26納米生物技術前沿ATPmoleculeReleasingenergyfromATP27納米生物技術前沿ATP合成酶廣泛存在于細菌、葉綠體和線粒體膜上。它由兩個轉(zhuǎn)動馬達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.28納米生物技術前沿F1-ATPase蛋白分子馬達29納米生物技術前沿分子仿生學的應用例子分子伴侶：細胞內(nèi)幫助新合成的蛋白分子形成正確的高級結構而表現(xiàn)蛋白活性的生物大分子。模仿線粒體機器人基因修復機器人：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將錯誤基因進行修正，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構的缺陷，并進行分子手術。31納米生物技術前沿分子仿生學的應用例子生物計算機：尋找或創(chuàng)造一些特定的生物分子（細菌視紫紅蛋白質(zhì)、DNA等），能夠更加快速地完成計算機的基本運算和存儲功能，代替目前的半導體計算機中央處理器（CPU）和存儲器。體積小，質(zhì)量輕，能耗小，環(huán)境適應性強，運算速度和信息儲存能力比現(xiàn)有的計算機高數(shù)億倍，人工智能（分析、判斷、聯(lián)想、記憶等）32納米生物技術前沿分子機器也稱分子馬達(molecularmotor)，由生物大分子構成，是能將化學能轉(zhuǎn)化為機械能的納米系統(tǒng)。分子馬達大體可分為六類：細胞骨架蛋白、聚合體、G蛋白、旋轉(zhuǎn)的馬達、環(huán)狀蛋白以及核苷酸馬達。33納米生物技術前沿天然的分子馬達在生物體內(nèi)的胞質(zhì)運輸、DNA復制、細胞分裂、肌肉收縮等生命活動起著重要作用。通過對分子馬達的深入研究，人們對細胞內(nèi)部的認識已經(jīng)從靜態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)變到有分子機器運輸物質(zhì)的動態(tài)環(huán)境中。34納米生物技術前沿生物細胞中納米級分子馬達有ATP合成酶、Kinesin、Actin、Myosin.35納米生物技術前沿無窮能量一旦獲得成功，納米機器人就能通過人體血糖獲得前進動力科學家從精子的前進方式中受到啟發(fā)，計劃用生物能來驅(qū)動納米機器人科技新時代，2008年2月pp.4436納米生物技術前沿37納米生物技術前沿生命活動中的許多基本過程都是基于分子馬達的運動:真核細胞內(nèi)沿細胞骨架系統(tǒng)的物質(zhì)輸運DNA復制過程中的DNA解鏈過程細胞有絲分裂期間染色體的分離過程肌肉收縮過程38納米生物技術前沿納米生物機器人離我們有多遠？由于研究手段的局限，至今取得的成果不多。此外，納米機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。39納米生物技術前沿40納米生物技術前沿41納米生物技術前沿42納米生物技術前沿細菌視紫紅蛋白質(zhì)細菌視紫紅質(zhì)用來制造計算機組件最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學物理特性和很好的穩(wěn)定性，且其奇特的光學循環(huán)特性可用于儲存信息，起到代替當今計