奈米生物學(xué)基因組科學(xué)的發(fā)展

讀取這種字碼的裝置是DNA定序儀，DNA定序儀一次能讀取的鹼基數(shù)大約只有400到700個(gè)鹼基對(duì)，所以必須重覆操作定序相當(dāng)多次。確定基因組序列的作業(yè)方式，是將DNA定序儀所決定的數(shù)萬個(gè)序列與指標(biāo)連接對(duì)照，以使目的序列相同。奈米生物學(xué)基因組科學(xué)的發(fā)展讀取這種字碼的裝置是DNA定序儀，DNA定序儀一次能讀取的鹼1奈米生物學(xué)基因組科學(xué)的發(fā)展所以利用電腦進(jìn)行分析足不可或缺的，這是人類基因組的全部解碼得以迅速進(jìn)展的原因在基因組中所包臺(tái)的基因個(gè)數(shù)究竟有幾個(gè)呢?在視為生物的東西中，具有最小基因組的寄生蟲支原體有522個(gè)基因，大腸菌等自養(yǎng)型細(xì)菌有4289的個(gè)基因，絲蟲等多細(xì)胞生物有16332個(gè)基因，估計(jì)人類約有7到10萬個(gè)基因。奈米生物學(xué)基因組科學(xué)的發(fā)展所以利用電腦進(jìn)行分析足不可或缺2向生命學(xué)習(xí)的科學(xué)技術(shù)完全解碼這種基因訊息的科學(xué)是基因組科學(xué)，除了人類以外，其他實(shí)用微生物的基因組完全解碼計(jì)畫也在穩(wěn)定地進(jìn)行中，計(jì)畫成果會(huì)全部公開在網(wǎng)際網(wǎng)路上。在完全解碼基因組訊息之後，接下來的課題是研究表現(xiàn)遺傳訊息的機(jī)制。為了理解這個(gè)機(jī)制，共有遺傳訊息並不夠，遠(yuǎn)必須理解蛋白質(zhì)本身具有的各種功能，針對(duì)基因組分析，有一個(gè)稱為蛋白質(zhì)體(proteome)分析的研究領(lǐng)域持續(xù)地發(fā)展。向生命學(xué)習(xí)的科學(xué)技術(shù)完全解碼這種基因訊息的科學(xué)是基因組科學(xué)，3向生命學(xué)習(xí)的科學(xué)技術(shù)◆以蛋白質(zhì)的功能為基礎(chǔ)來考察生命作用的構(gòu)成過程時(shí)，發(fā)現(xiàn)到有許多人類科學(xué)技術(shù)還無法到達(dá)的設(shè)計(jì)原理在產(chǎn)生作用。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)分子的大小是在奈米級(jí)，所以在蛋白質(zhì)層級(jí)下對(duì)生命作用的研究也稱為奈米生物學(xué)。向生命學(xué)習(xí)的科學(xué)技術(shù)◆以蛋白質(zhì)的功能為基礎(chǔ)來考察生命作用的構(gòu)4向生命學(xué)習(xí)的科學(xué)技術(shù)太陽能利用與氫離子能量電力的實(shí)體是由電壓所引起的電子流動(dòng)，相對(duì)於此，生物體的能量是由氫離子的流動(dòng)所產(chǎn)生的。氫離子能量與電力能量截然不同，氫離子能量是儲(chǔ)存成腺核苷三磷酸(ATP)，ATP可以由化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械性能量、光、聲音等所有工作。向生命學(xué)習(xí)的科學(xué)技術(shù)太陽能利用與氫離子能量電力的實(shí)體是由電壓5因?yàn)殡娏Σ皇俏镔|(zhì)，所以在輸送或能量轉(zhuǎn)換的時(shí)候會(huì)遭受各種能量損失，而相對(duì)於此，氫離子能量有可能避免產(chǎn)生大幅損失。另外，由於一次能量是隔著細(xì)胞膜的氫離子濃度差，所以在發(fā)電機(jī)產(chǎn)生燃燒能量轉(zhuǎn)換時(shí)成為限制的熱力學(xué)界限(效率=(T1/T2)/T1，T1是高溫?zé)嵩吹臏囟龋琓2是低溫?zé)嵩吹臏囟?並不存在。向生命學(xué)習(xí)的科學(xué)技術(shù)太陽能利用與氫離子能量因?yàn)殡娏Σ皇俏镔|(zhì)，所以在輸送或能量轉(zhuǎn)換的時(shí)候會(huì)遭受各種能量損6轉(zhuǎn)換成所有工作的能量通用貨幣與物質(zhì)的燃燒不同，在生物體裏面，氧並不是直接將碳變成二氧化碳?xì)怏w。清水博等人將肌肉的成分一肌動(dòng)蛋白纖維固定在雲(yún)母片上做成翼狀翅膀，在燒杯中放入溶解肌凝蛋白纖維、ATP和酵素的溶液，把翅膀加到裏面，發(fā)現(xiàn)翅膀產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)。這是因?yàn)锳TP分解成腺苷二磷酸(ADP)和磷酸離子所產(chǎn)生的化學(xué)能量，轉(zhuǎn)換成使翼狀翅膀旋轉(zhuǎn)的機(jī)械性能量。轉(zhuǎn)換成所有工作的能量通用貨幣與物質(zhì)的燃燒不同，在生物體裏面，7◆此外，目前已經(jīng)可以得知合成的化學(xué)能量、輸送物質(zhì)的滲透壓之類的工作、從發(fā)熱、發(fā)電、發(fā)光到發(fā)音，全部的生物體活動(dòng)部與ATP相關(guān)。所以說，如果找到可以轉(zhuǎn)換成所有能量的通用能量物質(zhì)，就可以有效率地進(jìn)行能量的生產(chǎn)、儲(chǔ)藏和輸送。從這種觀點(diǎn)來看。例如以氫氣作為通用的二次能量物質(zhì)來建構(gòu)能量經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，應(yīng)該會(huì)讓人很感興趣吧。轉(zhuǎn)換成所有工作的能量通用貨幣◆此外，目前已經(jīng)可以得知合成的化學(xué)能量、輸送物質(zhì)的滲透壓之類8濃度差化學(xué)能量的利用和用氫和氧產(chǎn)生電力的燃料電池，與製得生物體中氫離子能量的方式十分類似。燃料電池是利用電極間的反應(yīng)在液體中產(chǎn)生氫離子的流動(dòng)，造成電子的流動(dòng)，再藉由金屬等導(dǎo)體來獲得電力。另一方面，在生物體中，膜可以利用電子的能量來產(chǎn)生氫離子，但是膜會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)氫離子的流動(dòng)，因此當(dāng)需要時(shí)必須再運(yùn)用酵素效用，以氫離子泵汲出氫離子，將氫離子利用為化學(xué)能量。濃度差化學(xué)能量的利用和用氫和氧產(chǎn)生電力的燃料電池，與製得生物9生物體的能量轉(zhuǎn)換效率之所以很高，是因?yàn)樗芾媚し指舳刮镔|(zhì)濃縮，或者相反地利用由濃度高的地方流出到濃度低的地方的能量等，這些都是由膜和酵素的效用所導(dǎo)致的，這點(diǎn)也與人工熱力機(jī)只能由溫度差引發(fā)能量截然不同。濃度差化學(xué)能量的利用濃度差化學(xué)能量的利用10分子機(jī)械以DNA的資訊為基礎(chǔ)，將胺基酸作用材料來維持生命活動(dòng)的時(shí)候，生物體必須消耗能量。生命可以視為是一具擁有自行增殖功能的能量、與處理訊息的裝置。因?yàn)闅潆x子的生產(chǎn)是氧化還原反應(yīng)，所以一定會(huì)伴隨著成對(duì)的電子輸送反應(yīng)，也就是說，如果控管電子輸送反應(yīng)，就可以自由控制化學(xué)反應(yīng)。分子機(jī)械以DNA的資訊為基礎(chǔ)，將胺基酸作用材料來維持生命活動(dòng)11圖1.21所示的光合作用反應(yīng)是相當(dāng)為人所知的這種電子-化學(xué)反應(yīng)相互控制機(jī)制，其中生成氫離子的製程稱為光化學(xué)系統(tǒng)II。相對(duì)於此，與以消耗大陽光所產(chǎn)生電子來固定碳酸的製程相關(guān)的反應(yīng)系統(tǒng)稱為光化學(xué)系統(tǒng)I。分子機(jī)械分子機(jī)械12分子機(jī)械控制電子的流動(dòng)、控制物質(zhì)和能量的方式，給人的印象是一座進(jìn)行電腦控制的化學(xué)工廠。雖然還不是很清楚蛋白質(zhì)所進(jìn)行的訊息處理機(jī)制，但是如果能明瞭其與能量控制的關(guān)聯(lián)性，應(yīng)該也能設(shè)計(jì)出亦可稱為分子機(jī)械的嶄新能量裝置吧!分子機(jī)械控制電子的流動(dòng)、控制物質(zhì)和能量的方式，給人的印象是一13奈米生物學(xué)基因組科學(xué)的發(fā)展14自行組織、自行組合化系統(tǒng)擴(kuò)散-反應(yīng)系統(tǒng)會(huì)形成耗散結(jié)構(gòu)，需藉由一定的能量流動(dòng)來維持穩(wěn)定的狀態(tài)。特寧是最早提倡可利用擴(kuò)散-反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)，來說明生物體形成形態(tài)的人。在奈米科技中，利用自行組織、自行組合化排列奈米材料，以製成有用的結(jié)構(gòu)，這個(gè)看法相當(dāng)令人感興趣，如此一來，便可預(yù)先準(zhǔn)備好奈米材料，在必要的時(shí)加以排列化，簡(jiǎn)便地進(jìn)行形形色色的材料加工。自行組織、自行組合化系統(tǒng)擴(kuò)散-反應(yīng)系統(tǒng)會(huì)形成耗散結(jié)構(gòu)，需藉由15生命科學(xué)與奈米科技的融合奈米科技是一種模擬生命機(jī)能、向生命學(xué)習(xí)的科學(xué)技術(shù)奈米科技的發(fā)達(dá)引發(fā)了在奈米層級(jí)下對(duì)生命機(jī)能的解釋。藉著考察奈米層級(jí)下的機(jī)制，可以更深入理解以前的生物學(xué)。生命科學(xué)與奈米科技的融合奈米科技是一種模擬生命機(jī)能、向生命學(xué)16生命科學(xué)與奈米科技的融合舉例來說:人的身體是大約60兆個(gè)細(xì)胞的聚集物，這些都是由最初的一個(gè)受精卵分裂而成的，說到具有細(xì)胞核之真核生物細(xì)胞的特徵:首先就在細(xì)胞中將細(xì)胞質(zhì)和胞器包圍其中成為一體的細(xì)胞膜，其具有與外界隔離之作用。生命科學(xué)與奈米科技的融合舉例來說:人的身體是大約60兆個(gè)細(xì)胞17生命科學(xué)與奈米科技的融合細(xì)胞內(nèi)包含著各種細(xì)胞內(nèi)器官（胞器，各其有內(nèi)膜和外膜）、合成ATP的粒線體、進(jìn)行蛋白質(zhì)生物合成的核糖體、運(yùn)用其鍵結(jié)以對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行修飾的囊胞、獨(dú)立承擔(dān)細(xì)胞內(nèi)輸送的高基氏體、分解不需要物質(zhì)的溶脢體等胞器中最大的是細(xì)胞核，DNA分子就位於細(xì)胞核中。生命科學(xué)與奈米科技的融合細(xì)胞內(nèi)包含著各種細(xì)胞內(nèi)器官（胞器，各18生命科學(xué)與奈米科技的融合◆而奈米科技是以工程上的替代技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這些生命的巧妙作為，所以奈米科技的形態(tài)愈來愈鮮活。圖1.22顯示了奈米科技在這方面的發(fā)展?！粼诩?xì)胞內(nèi)的膜所隔開的區(qū)域內(nèi)，離子泵和ATP合成酵素等對(duì)能量代謝機(jī)制有相當(dāng)重要的作用，這是一種稱為分子馬達(dá)的東西，目前正在進(jìn)行模擬分子馬達(dá)來設(shè)計(jì)奈米機(jī)器的研究。生命科學(xué)與奈米科技的融合◆而奈米科技是以工程上的替代技術(shù)來實(shí)19生命科學(xué)與奈米科技的融合掌控運(yùn)動(dòng)的肌肉被稱為分子引擎，蛋白質(zhì)分子藉由在空間中滑動(dòng)以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。最近發(fā)現(xiàn)一種稱為分子往復(fù)體的分子環(huán)，由長(zhǎng)的分子引導(dǎo)在上面滑動(dòng)。身為生命自行維持機(jī)能的免疫系統(tǒng)，是一個(gè)分子辨識(shí)機(jī)能高度發(fā)達(dá)的複合化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。生命科學(xué)與奈米科技的融合掌控運(yùn)動(dòng)的肌肉被稱為分子引擎，蛋白質(zhì)20◆現(xiàn)在正在應(yīng)用這種分