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N4鎳棒加工納米生物學(xué)能給我們什么啟示
研制納米直升機(jī)在人體細(xì)胞內(nèi)發(fā)放藥物，開(kāi)發(fā)人工紅血球向缺氧的臟器提供氧氣……這些看似天方夜譚的醫(yī)學(xué)研究創(chuàng)意，都是源于自然界生物分子機(jī)器給人類的啟示。
在日前舉行的香山科學(xué)會(huì)議第次學(xué)術(shù)討論會(huì)“納米醫(yī)藥與納米生物學(xué)前沿”上，“生物納米機(jī)器”成為會(huì)議的關(guān)注焦點(diǎn)之一。專家呼吁我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)學(xué)科整合，從納米角度認(rèn)識(shí)生物機(jī)器，盡快在前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域中搶占一席之地。
由分子尺度物質(zhì)構(gòu)成能行使某種加工功能的機(jī)器稱為分子機(jī)器，而生物分子機(jī)器的構(gòu)成部件是蛋白質(zhì)等生物分子，因?yàn)樗鼈兊某叽缍酁榧{米級(jí)別，所以又稱生物納米機(jī)器。
“細(xì)胞生物學(xué)知識(shí)早告訴我們，生物細(xì)胞好似一個(gè)工廠，無(wú)數(shù)的分子機(jī)器在其中有組織地、有機(jī)地、協(xié)調(diào)地、高地工作，進(jìn)行物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化，維持細(xì)胞和個(gè)體生命活動(dòng)�！毕闵綍�(huì)議執(zhí)行主席之一、科技部基礎(chǔ)司張先恩研究員告訴記者，每個(gè)細(xì)胞都含有多種類型的分子機(jī)器。小的如各種單分子酶，能夠特異性地、高地將底物（原料）轉(zhuǎn)變成細(xì)胞所需要的各種物質(zhì)和能量；大的如由多種蛋白質(zhì)和其它類型的分子構(gòu)成的細(xì)胞器。比較復(fù)雜的蛋白質(zhì)機(jī)器有核糖體蛋白質(zhì)合成機(jī)器、分子馬達(dá)（ATP酶）、DNA復(fù)制機(jī)器、轉(zhuǎn)錄機(jī)器、DNA錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器等。
為能讓與會(huì)者有直觀形象的了解，張先恩展示了一系列模擬生物納米機(jī)器工作原理的動(dòng)畫(huà)片。例如，鞭毛是細(xì)主要的運(yùn)動(dòng)器官，天然呈螺旋型。解析其結(jié)構(gòu)，如同一個(gè)由定子、轉(zhuǎn)子、軸承和其他部件組成的運(yùn)動(dòng)推進(jìn)器，成為高靈活細(xì)運(yùn)動(dòng)器官。
專家們認(rèn)為，自然界給人類提供了很好的啟示，如利用紫膜，開(kāi)發(fā)人工復(fù)眼、光探測(cè)器、光電池；研究離子通道，制造納米開(kāi)關(guān)、信號(hào)放大器等。美國(guó)康納爾大學(xué)利用ATP酶作為分子馬達(dá)，加上螺旋槳式的金屬N4鎳棒，研制出了一種可以進(jìn)入人體細(xì)胞的“納米直升機(jī)”，用于清淤和載。
“但是，哪怕是解析很簡(jiǎn)單的生物機(jī)器，都要付出長(zhǎng)期艱辛的努力�！睆埾榷髡f(shuō)。
張先恩認(rèn)為，由于生物納米機(jī)器具有小尺寸、多樣性、自指導(dǎo)、有機(jī)組成、自組裝、準(zhǔn)確高、分子柔性、自適應(yīng)、僅依靠化學(xué)能或熱能驅(qū)動(dòng)、分子調(diào)劑等其它機(jī)器難以比擬的性能，因此研究生物納米機(jī)器具有重大意義。它可以促進(jìn)生物學(xué)發(fā)現(xiàn)、深入認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)分子機(jī)器的結(jié)構(gòu)與功能及工作原理、開(kāi)發(fā)生物分子機(jī)器、促進(jìn)仿生學(xué)發(fā)展。
“雖然，有科學(xué)家已經(jīng)構(gòu)建了一些簡(jiǎn)單的生物器件如DNA編織構(gòu)件、細(xì)胞膜分子穿孔器、分子傳感器等，但是總體來(lái)說(shuō)，N4鎳棒目前相關(guān)研究還停留在探明機(jī)理的基礎(chǔ)研究階段。”
談到研究水平，張先恩認(rèn)為，迄今為止，對(duì)生物納米機(jī)器的認(rèn)識(shí)，主要基于分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的原理和方法，但是還缺乏從納米角度來(lái)認(rèn)識(shí)物質(zhì)在納米尺寸發(fā)生的性質(zhì)變化。
生物納米機(jī)器離我們有多遠(yuǎn)？“由于研究手段的局限，至今，我們對(duì)它們還了解甚少。此外，生物納米機(jī)器本身的一些固有的缺陷，如體外穩(wěn)定性差，工作壽命短，人為操縱也很困難，這讓許多研究者望而卻步�！睆垜c東透露，目前，國(guó)內(nèi)啟動(dòng)了納米科學(xué)計(jì)劃，“”項(xiàng)目也進(jìn)行了相關(guān)部署。他呼吁，物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)和信息科學(xué)領(lǐng)域的專家可與生物學(xué)家一道工作，通過(guò)學(xué)科交叉融合，在相關(guān)研究方面做出新的貢獻(xiàn)。
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