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納米生物學(xué)
納米這個名詞,，對生物學(xué)家來說并不陌生,。因?yàn)榇罅康纳锝Y(jié)構(gòu)，從核酸,、蛋白質(zhì),、病毒到細(xì)胞，其線度在1nm到100nm,。當(dāng)然,，生物結(jié)構(gòu)雖然很小，但異常復(fù)雜,，又格外活躍,，表現(xiàn)出很多特定的生物學(xué)功能,。如酶就是一種分子機(jī)器，它能打斷化學(xué)鍵而使分子重新結(jié)合,；脫氧核糖核酸可作為儲存系統(tǒng),，能把命令轉(zhuǎn)移到核糖體中，而核糖體這種分子機(jī)器可以制造蛋白質(zhì)分子,。 納米生物學(xué)的目的就是開辟類似的方法,，利用由程序化的分子機(jī)器組成的裝配機(jī)器去構(gòu)建物質(zhì)。裝配機(jī)器將像微小的工業(yè)機(jī)器人那樣工作,，通過排布分子附件,、引導(dǎo)和利用化學(xué)反應(yīng)，把原子逐個地構(gòu)建成復(fù)雜的結(jié)構(gòu),。 納米生物學(xué)的另一個重要方面是利用生物分子的特定功能去構(gòu)建具有某種功能的產(chǎn)品（如分子機(jī)器人）,。 納米生物學(xué)是一個非常有意義但又神秘莫測的領(lǐng)域，它究竟能給人類帶來多大變化,，還很難預(yù)料,。
一、的研究內(nèi)容 二,、分子機(jī)器人 三,、納米生物技術(shù) 四、納米醫(yī)學(xué)
一,、的研究內(nèi)容
利用新興的納米技術(shù)來研究和解決生物學(xué)的問題 1. 核酸的分子生物學(xué)
研究核酸的結(jié)構(gòu)及其功能,。
由于核酸的主要作用是攜帶和傳遞遺傳信息，因此分子遺傳學(xué)（molecular genetics）是其主要組成部分,，是目前分子生物學(xué)內(nèi)容zui豐富的一個領(lǐng)域,。
核酸分子量為6 ´ 106，由幾百到幾千個核苷酸組成,。核苷酸的分子量約為1000,，包含一個堿基、一個五碳糖和一個磷酸根,，通過磷酸二酯鍵連接成核酸,。
核酸有兩種，即脫氧核糖核酸（胸腺核酸DNA）和核糖核酸（酵母核酸RNA）,。兩種核酸的差別是：DNA的五碳核糖環(huán)（五角環(huán)結(jié)構(gòu)）的第二位少一個氧,。 ? 遺傳信息傳遞的中心法則（central dogma）是其理論體系的核心：遺傳信息流的傳遞方向是DNA → RNA → 蛋白質(zhì)(克里克提出)。
以DNA為模板合成RNA叫做轉(zhuǎn)錄,；以RNA為模板合成蛋白質(zhì)叫做翻譯,。DNA通過RNA把遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)分子。? 一份原件（DNA），一張藍(lán)圖（從DNA長鏈上轉(zhuǎn)錄的遺傳密碼片段）,，一個信使（mRNA）,，一個車間（rRNA），一個譯員和搬運(yùn)工（tRNA）,，一條多肽鏈,，還有做輔助工作的酶，這就是一個蛋白質(zhì)合成的全部工序,，也是遺傳信息的流向圖,。
研究內(nèi)容包括核酸/基因組的結(jié)構(gòu)，遺傳信息的復(fù)制,、轉(zhuǎn)錄與翻譯,，核酸存儲的信息修復(fù)與突變,，基因表達(dá)調(diào)控和基因工程技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用等,。
? 如果說由孟德爾、摩爾根創(chuàng)立的基因遺傳學(xué)說是細(xì)胞遺傳學(xué)理論的代表,，那么DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立則使遺傳學(xué)完成了由“細(xì)胞”水平向“分子”水平的轉(zhuǎn)變,，標(biāo)志著分子生物學(xué)的真正誕生，生命科學(xué)的歷史由此開始了一個新的時(shí)代,。
2. 蛋白質(zhì)的分子生物學(xué)
研究執(zhí)行各種生命功能的主要大分子—蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能,。
在廣漠的宇宙空間，生命現(xiàn)象是zui奇妙zui神秘的領(lǐng)域,，恩格斯說：“生命是蛋白質(zhì)的存在形式” ,。生命的新陳代謝和自我復(fù)制是依靠蛋白質(zhì)的輔助為基礎(chǔ)的，由于其研究難度較大,，迄今對其基本規(guī)律的認(rèn)識尚缺乏突破性的進(jìn)展,。
地球上的150萬種生物有1010 ~ 1012 種蛋白質(zhì)；蛋白質(zhì)的分子量104 ~ 107,；蛋白質(zhì)是細(xì)胞的主要成分（占20%濕量）,；蛋白質(zhì)有五種功能，即酶,、抗體,、結(jié)構(gòu)成分、運(yùn)輸工具,、代謝調(diào)節(jié)者,；氨基酸是蛋白質(zhì)基本組成單位，氨基酸的分子量約為100,，其分子結(jié)構(gòu)為表述為至少有一個氨基,，一個羧基，并且氨基和羧基連于同一個碳原子上。每個氨基酸都有一個R基團(tuán),，也叫側(cè)鏈基團(tuán),，不同的氨基酸的R基團(tuán)是不同的。
? 肽鏈：兩個氨基酸分子相連,，脫去一個水分子（H2O ）形成肽鏈,。分子量大于1000的肽鏈叫做蛋白質(zhì)，小于1000的叫多肽,。
蛋白質(zhì)是由各種氨基酸通過酰胺鍵聯(lián)成的長鏈分子（肽鏈）,，鏈中相當(dāng)于氨基酸的單元結(jié)構(gòu)稱為殘基。
? 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)有層次之分,。一級結(jié)構(gòu)稱為分形元,，在很大程度上決定著結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的構(gòu)像分為a螺旋,、b折疊,、b轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲等單元，以及各種微區(qū)域,、亞單位等結(jié)構(gòu)單元,。
一級結(jié)構(gòu)指肽鏈中氨基酸的排列順序；二級結(jié)構(gòu)指鄰近幾個氨基酸形成的一定的結(jié)構(gòu)形狀,；三級結(jié)構(gòu)指整條肽鏈盤繞折疊形成一定的空間結(jié)構(gòu)形狀,。如纖維蛋白和球狀蛋白；四級結(jié)構(gòu)指各條肽鏈之間的位置和結(jié)構(gòu),。所以,，四級結(jié)構(gòu)只存在于由兩條以上肽鏈組成的蛋白質(zhì)。
蛋白質(zhì)的表面極不規(guī)則,，布滿各種空洞和縫隙,，可見蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜奇異。近年來的研究表明,，蛋白質(zhì)的分子鏈和表面具有分形特征,。
3. 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子生物學(xué)
研究細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間信息傳遞的分子基礎(chǔ),。
構(gòu)成生物體的每一個細(xì)胞的分裂與分化及其它各種功能的完成均依賴于外界環(huán)境所賦予的各種指示信號,。在這些外源信號的刺激下，細(xì)胞可以將這些信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗械纳锘瘜W(xué)變化（如蛋白質(zhì)構(gòu)象的轉(zhuǎn)變等）,，從而使其增殖,、分化及分泌狀態(tài)等發(fā)生改變以適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的需要。
信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究的目標(biāo)是闡明這些變化的分子機(jī)理,，明確每一種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與傳遞的途徑,，以及參與該途徑的所有分子的作用和調(diào)節(jié)方式,，并認(rèn)識各種途徑間的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。
信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理的研究在理論和技術(shù)方面與上述核酸及蛋白質(zhì)分子有著緊密的,，是當(dāng)前分子生物學(xué)發(fā)展zui迅速的領(lǐng)域之一,。
二、分子機(jī)器人
納米科技的zui終目標(biāo)就是制造分子機(jī)器,，而分子機(jī)器的啟發(fā)來源于生物體系中存在的大量的生物大分子,，它們就是自然界的分子機(jī)器。的方向之一是設(shè)法在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)原理,，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象,，研制可編程的分子機(jī)器人（納米機(jī)器人）。
細(xì)胞就是一個活生生的納米機(jī)器,。細(xì)胞中所發(fā)生的一切都是按照DNA分子中的基因密碼序列指令井然有序地進(jìn)行的,。納米技術(shù)可以仿照生命過程中的各個環(huán)節(jié)制造出各種各樣的微型機(jī)器人。
利用納米技術(shù)可以制造在心血管中流動,、專門清除血管壁上沉積物的機(jī)器人以減少發(fā)生在心血管病的概率,；可以制造進(jìn)入組織間隙專門清除癌細(xì)胞的機(jī)器人，等等,。這種想法將不再是天方夜譚,。
? 利用生物大分子制造分子器件,，模仿和制造類似生物大分子的分子機(jī)器,。
的方向之一是設(shè)法在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象,，研制可編程的分子機(jī)器人（納米機(jī)器人）,。涉及的內(nèi)容主要有三個方面：
（1）在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的。
（2）在納米尺度上獲得生命信息,。例如,，利用掃描隧道顯微鏡獲取細(xì)胞膜和細(xì)胞表面的結(jié)構(gòu)信息等。 （3）研制納米機(jī)器人,。納米機(jī)器人是中有誘huo力的內(nèi)容,。*代納米機(jī)器人是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，這種納米機(jī)器人可注入人體血管內(nèi),，進(jìn)行健康檢查和疾病治療,。還可以用來進(jìn)行人體器官的修復(fù)工作、做整容手術(shù),、從基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安裝在基因中,，使機(jī)體正常運(yùn)行。 第二代納米機(jī)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(jī)器人將包含有納米計(jì)算機(jī),，是一種可以進(jìn)行人機(jī)對話的裝置,，這種納米機(jī)器人一旦問世將*改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞健?/span>
? 納米機(jī)器人除了能完成它們的基本任務(wù)外，還應(yīng)該具有復(fù)制自身的能力,，能夠制造出的自身復(fù)制品,。
三、納米生物技術(shù)
1. 生物芯片技術(shù) 2. 分子馬達(dá) 3. 硅蟲晶體管 4. 納米探針
1. 生物芯片技術(shù)
早期微處理器芯片的制造經(jīng)歷了由大變小的過程,，這種生產(chǎn)技術(shù)的突破使得微電子工業(yè)的發(fā)展發(fā)生了質(zhì)的飛躍,，同時(shí)也給人們的日常生活帶來了革命性的影響。微處理器芯片這種制造上的微型化深深啟發(fā)了生物學(xué)家的思路,，使他們產(chǎn)生了用微電子平版印刷技術(shù)制造用于生命科學(xué)研究和醫(yī)療診斷的微型儀器的想法,，從而導(dǎo)致了生物芯片的出現(xiàn)。
1991年,，美國硅谷的Affymetrix公司的科技人員,，用光刻和化學(xué)合成技術(shù)，在硅片上排布多肽和寡聚核苷酸,，用于基因檢測,。他們的成果一發(fā)表，引起了各大基因公司的重視,，紛紛投資開發(fā)研究,，生物芯片技術(shù)突飛猛進(jìn)，各種類型的生物芯片開始在檢測中應(yīng)用,。1998年,，美國納米基因公司的科學(xué)家，將多種生化處理技術(shù)組合在生物芯片中,，使芯片成了小小的生化實(shí)驗(yàn)室,，生物芯片成了世界各國科學(xué)研究機(jī)構(gòu)和醫(yī)藥公司的寵兒。
生物芯片技術(shù)是近年來在生命科學(xué)領(lǐng)域中嶄露頭角的一項(xiàng)新技術(shù),。利用微電子,、微機(jī)械、化學(xué),、物理,、計(jì)算機(jī)以及其他相關(guān)技術(shù)，將大的分立式生物化學(xué)分析系統(tǒng)縮微到固體芯片表面,、構(gòu)建微分析單元和系統(tǒng),，使生命科學(xué)研究中所涉及的不連續(xù)的分析過程（如樣品制備、化學(xué)反應(yīng)和分析檢測）連續(xù)化,、微型化,、集成化，從而具有分析自動化和高速并行處理能力,。
? 生物芯片技術(shù)主要包括四個基本點(diǎn)：芯片方陣的構(gòu)建,、樣品的制備,、生物分子反應(yīng)和信號的檢測及分析。
Ø 芯片制備：目前芯片制備主要采用表面化學(xué)的方法或組合化學(xué)的方法處理片芯（玻璃片或芯片）,，然后將DNA片段,、蛋白質(zhì)分子等生物探針按一定順序排列在片芯上。目前已能將40萬種不同的DNA分子放在1cm2的片芯上,，并且正在制備包含50萬-100萬個DNA探針的人類基因檢測芯片,。
Ø 樣品制備：生物樣品往往是非常復(fù)雜的生物分子混合體，除少數(shù)特殊樣品外,，一般不能直接與芯片反應(yīng),。可將樣品進(jìn)行生物處理,，獲取其中的蛋白質(zhì)或DNA,、RNA，并且加以標(biāo)記,，以提高檢測的靈敏度,。
Ø 生物分子反應(yīng)：芯片上生物分子之間的反應(yīng)是芯片檢測的關(guān)鍵步驟。通過選擇適宜的反應(yīng)條件使生物分子間的反應(yīng)處于*狀況之中,，減少生物分子之間的錯配比率,。
Ø 芯片信號檢測：常用的信號檢測是將芯片置于芯片掃描儀中，通過采集各反應(yīng)點(diǎn)的熒光位置,、熒光強(qiáng)弱,，經(jīng)相關(guān)軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)圖像分析，即可獲得有關(guān)的生物信息,。
根據(jù)芯片上探針的不同,，生物芯片可粗略地分為基因芯片（即DNA芯片）,、蛋白質(zhì)芯片（生物分子芯片）和細(xì)胞（組織）芯片等幾類,，都有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點(diǎn),，已成為21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程的前沿科技,。
① 基因芯片
如果芯片上固定的分子是寡核苷酸探針或靶DNA，則稱為基因芯片（Gene chip）或DNA芯片（DNA chip）,。由于Genechip這一專有名詞已經(jīng)被業(yè)界的*Affymetrix公司注冊,，因而其他廠家的同類產(chǎn)品通常稱為DNA微陣列(DNA Microarray) 、寡核苷酸陣列芯片（oligonucleotide array）,。
基因芯片是根據(jù)DNA雙螺旋原理而發(fā)展的核酸鏈分子雜交的技術(shù),，是生物芯片技術(shù)中發(fā)展zui成熟和zui先實(shí)現(xiàn)商品化的產(chǎn)品?；蛐酒Ｊ?/span>I和模式II兩種：模式I是指將靶DNA固定于支持物上,，適合于對大量不同的靶DNA進(jìn)行分析,；模式II是將大量探針分子固定于支持物上，適合于對同一靶DNA進(jìn)行不同探針序列的分析,。
DNA芯片的大小在1cm2左右,，在芯片表面能夠制備成千上萬的基因單元作為配基，對待測基因進(jìn)行篩選,。待測基因通過多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（polymerase chain reaction,，簡稱PCR）擴(kuò)增技術(shù)得到數(shù)量放大，再進(jìn)行熒光標(biāo)記,。根據(jù)堿基互補(bǔ)的原理,，當(dāng)熒光標(biāo)記的一方在DNA芯片上發(fā)現(xiàn)互補(bǔ)序列時(shí)即發(fā)生雜交，雜交產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度及分布由熒光顯微鏡檢出,，通過計(jì)算機(jī)模式識別進(jìn)行分析,，從而達(dá)到基因識別的目的。
DNA芯片技術(shù)隨著人類基因組計(jì)劃（Human Genome Project -- HGP）的研究發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生,。被譽(yù)為與阿波羅登月計(jì)劃及曼哈頓原zi彈計(jì)劃相媲美的HGP,，是人類為了認(rèn)識自己而進(jìn)行的一項(xiàng)偉大而影響深遠(yuǎn)的研究計(jì)劃，其目標(biāo)是測定人類基因組3´109 bp全順序,，鑒定約10萬個人類編碼基因,。
目前國內(nèi)外已有公司生產(chǎn)并銷售的DNA芯片有兩類，一類是芯片上原位合成待測的寡核苷酸,，可用于檢測變異,、在基因中定位目標(biāo)區(qū)域、以及確定基因功能,。
另一類DNA芯片利用微量點(diǎn)樣技術(shù)在芯片上制作DNA探針（一段人工合成的堿基序列 ）陣列,，再與熒光標(biāo)記的DNA樣品雜交，產(chǎn)生互補(bǔ)匹配時(shí),，通過確定熒光強(qiáng)度zui強(qiáng)的探針位置,，獲得一組序列*互補(bǔ)的探針序列。具有特殊用途的DNA探針陣列可以在人類基因組中快速篩選已知的DNA序列,、識別特定基因 ,。
DNA芯片還可用于監(jiān)測不同的人體細(xì)胞和組織基因表達(dá)，以檢測癌癥或其他疾病所對應(yīng)的基因的變化,。隨著DNA芯片及雜交技術(shù)的發(fā)展,，DNA芯片可廣泛應(yīng)用于疾病診斷和治療、藥物篩選,、農(nóng)作物的優(yōu)育優(yōu)選,、司法鑒定、食品衛(wèi)生監(jiān)督,、環(huán)境檢測,、國防,、航天等許多領(lǐng)域。它將為人類認(rèn)識生命的起源,、遺傳,、發(fā)育與進(jìn)化、為人類疾病的診斷,、治療和防治開辟全新的途徑,，為生物大分子的全新設(shè)計(jì)和藥物開發(fā)中先導(dǎo)化合物的快速篩選和藥物基因組學(xué)研究提供技術(shù)支撐平臺。
② 蛋白質(zhì)芯片
人類基因組(genome)排序工作的完成是人類醫(yī)學(xué)*的里程碑,，也代表著后基因組時(shí)代的到來—生命科學(xué)的研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到了細(xì)胞中的蛋白質(zhì),。*，細(xì)胞中的DNA是生命的基礎(chǔ),、是遺傳信息的攜帶者,；但是細(xì)胞中真正行使功能的、生命活動的執(zhí)行者卻是由基因編碼的蛋白質(zhì),，即基因的表達(dá)產(chǎn)物,。因此，即使得到人類全部基因序列,，也只是解決了遺傳信息庫的問題,。人類揭示整個生命活動的規(guī)律，就必須研究基因的產(chǎn)物——蛋白質(zhì),。
生命活動的主體是人體內(nèi)存在的10萬種以上的蛋白質(zhì),，發(fā)展蛋白質(zhì)芯片這一高新技術(shù)已成為生物芯片領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性課題。
蛋白質(zhì)芯片(protein chip)是指固定于支持介質(zhì)上的蛋白質(zhì)構(gòu)成的微陣列,，又稱蛋白質(zhì)微陣列(protein microarray),。
蛋白質(zhì)芯片zui早是在生物功能基因組學(xué)研究中繼基因芯片之后，作為基因芯片功能的補(bǔ)充發(fā)展起來的,。它是在一個基因芯片大小的載體上,，按使用目的的不同，點(diǎn)布相同或不同種類的蛋白質(zhì),，然后再與用熒光染料標(biāo)記了的蛋白質(zhì)結(jié)合,，掃描儀上讀出熒光強(qiáng)弱，計(jì)算機(jī)分析出樣本結(jié)果,。zui早進(jìn)行蛋白質(zhì)芯片研究的是德國科學(xué)家Lueking。
蛋白質(zhì)芯片的研發(fā)概念由基因芯片延伸而來,，兩者的基本原理相同,，不同之處有，一是芯片上固定的分子是蛋白質(zhì),，如抗原或抗體等,；其二,，檢測的原理是依據(jù)蛋白分子、蛋白與核酸,、蛋白與其它分子的相互作用,。即蛋白質(zhì)芯片利用的不是堿基配對，而是抗體與抗原結(jié)合的特異性,、即免疫反應(yīng)來檢測,。
蛋白質(zhì)芯片的原理是對固相載體進(jìn)行特殊的化學(xué)處理，再將已知的蛋白分子產(chǎn)物固定其上(如酶,、抗原,、抗體、受體,、配體,、細(xì)胞因子等)，根據(jù)這些生物分子的特性,，捕獲能與之特異性結(jié)合的待測蛋白(存在于血清,、血漿、淋巴,、間質(zhì)液,、尿液、滲出液,、細(xì)胞溶解液,、分泌液等)，經(jīng)洗滌,、純化,，再進(jìn)行確認(rèn)和生化分析。它可為獲得重要的生命信息(如未知蛋白組分,、序列,、與其他分子的相互調(diào)控關(guān)系、藥物篩選,、藥物靶位的選擇等)提供有力的,。
利用生物分子間的特異結(jié)合的自然屬性，待測分子與配基分子在芯片表面會形成生物分子復(fù)合物,。然后,，檢測此復(fù)合物的存在與否，達(dá)到對蛋白質(zhì)的探測,、識別和純化的目的,。
蛋白質(zhì)芯片是一種高通量的蛋白功能分析技術(shù)，可用于蛋白質(zhì)表達(dá)譜分析，研究蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用,，甚至DNA－蛋白質(zhì),、RNA－蛋白質(zhì)的相互作用，篩選藥物作用的蛋白靶點(diǎn)等,。
蛋白質(zhì)芯片的應(yīng)用領(lǐng)域可概括為三方面：蛋白質(zhì)表達(dá)的檢測,；蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-DNA和蛋白質(zhì)-小分子等之間相互作用的鑒定,；抗體的鑒定,。可分為蛋白質(zhì)功能芯片(生物信息)和蛋白質(zhì)檢測芯片兩類,。
蛋白質(zhì)芯片技術(shù)與基因芯片相比較,，還處在起步階段，無論在芯片的制備,，具體應(yīng)用過程以及結(jié)果的檢測方面還有很多的不足,。主要表現(xiàn)在：靈敏度（新的信號放大技術(shù)急待解決）、準(zhǔn)確度（抗原或抗體的來源,、純度與特異性,，溫度敏感）、高密度（美國AFFYMERTRIX公司的光蝕到合成技術(shù)限制了該技術(shù)的普遍采用,，發(fā)展新的高密度合成技術(shù)勢在必行）,、普及（設(shè)備昂貴、限于在少數(shù)條件好的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行）等方面,。
但是,，通過蛋白質(zhì)芯片技術(shù)可以地大規(guī)模獲取生物體中蛋白質(zhì)的信息，是蛋白質(zhì)組研究的重要手段,。
蛋白質(zhì)芯片技術(shù)在新世紀(jì)里不僅會對認(rèn)識基因組與人類健康錯綜復(fù)雜的關(guān)系,、對疾病的早期診斷和療效監(jiān)測等會產(chǎn)生巨大的推動作用，而且在其他相關(guān)領(lǐng)域,，如環(huán)境保護(hù),、食品衛(wèi)生、生物工程,、工業(yè)制藥等方面也將具有廣闊的發(fā)展前景,。特別是隨著人類基因組計(jì)劃的完成，一個以研究蛋白質(zhì)功能為重點(diǎn)的后基因組時(shí)代已拉開序幕,，許多人預(yù)言,，蛋白質(zhì)芯片技術(shù)將從根本上改變生物學(xué)和生物技術(shù)的觀點(diǎn)和效率，為生命科學(xué)的發(fā)展做出貢獻(xiàn),。
③ 細(xì)胞芯片
通過微制作技術(shù)（MEMS）,，可制成微米量級的機(jī)械手，能夠在細(xì)胞溶液中捕捉到單個細(xì)胞,，進(jìn)行細(xì)胞結(jié)構(gòu),、功能和通訊等特性研究。以此為基礎(chǔ)制造出可以捕捉和固定單個細(xì)胞的生物芯片,，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞間距等,，研究細(xì)胞分泌和胞間通訊。此類細(xì)胞芯片還可以作細(xì)胞分類和純化等,。
④ 組織芯片
組織芯片也稱為組織微陣列(tissue microarray -- TMA),。組織芯片的概念于1998年由Kononen等提出，可視為基因芯片(DNA芯片)技術(shù)的發(fā)展和延伸,，與細(xì)胞芯片,、蛋白質(zhì)(抗體)芯片一樣，屬于一種特殊形成的生物芯片技術(shù),。
基因芯片和蛋白芯片是研究同一種細(xì)胞中成千上萬個基因或蛋白分子變化的情況,，而組織芯片則是研究同一種基因或蛋白分子在成千上萬種細(xì)胞或組織中表達(dá)的情況。所以,，組織芯片技術(shù)不但是傳統(tǒng)病理學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,，也是基因芯片和蛋白質(zhì)芯片的進(jìn)一步延伸。
組織芯片是將數(shù)十個甚至上千個不同個體的臨床組織標(biāo)本按預(yù)先設(shè)計(jì)的順序排列在一張固相載體(載玻片)上所形成的組織微陣列,，是一種高通量,、多樣本以及快速的分子水平的分析工具。它克服了傳統(tǒng)病理學(xué)方法和DNA芯片技術(shù)中存在的某些缺陷,，使人類*次有可能同時(shí)對幾百甚至上千份正?；蚣膊∫约凹膊“l(fā)展不同階段的自然病理生理狀態(tài)下的組織樣本，進(jìn)行某一個或多個特定的基因,、或與其相關(guān)的表達(dá)產(chǎn)物的研究,。
組織芯片的制備目前主要依靠機(jī)械化芯片制備儀來完成。制備儀包括操作平臺,、特殊的打孔采樣裝置和一個定位系統(tǒng),。打孔采樣裝置對供體組織蠟塊進(jìn)行采樣，同時(shí)也可對受體蠟塊進(jìn)行打孔,，其孔徑與采樣直徑相同,，兩者均可定位。制備儀的定位裝置可使穿刺針或受體蠟塊線性移動,，從而制備出孔徑,、孔距、孔深*相同的組織微陣列蠟塊,。通過切片輔助系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)移并固定到硅化和膠化玻片上即成為組織芯片,。根據(jù)樣本直徑(0.2~2.0 mm)不同，在一張45 mm´25 mm的玻片上可以排列40~2000個以上的組織標(biāo)本。
根據(jù)研究目的不同,，芯片種類可以分成腫瘤組織芯片,、正常組織芯片、單一或復(fù)合,、特定病理類型等數(shù)十種組織芯片,。
組織芯片技術(shù)可以與DNA、RNA,、蛋白質(zhì),、抗體等研究技術(shù)相結(jié)合，也可與傳統(tǒng)的病理學(xué)技術(shù),、組織化學(xué)及免疫組化技術(shù)相結(jié)合,，在基因、基因轉(zhuǎn)錄和相關(guān)表達(dá)產(chǎn)物-蛋白質(zhì)生物功能等三個層次上進(jìn)行系統(tǒng)研究,。這對人類后基因組學(xué)的深入研究與發(fā)展,，特別是對研究特定基因及其所表達(dá)的蛋白質(zhì)與疾病之間的相互關(guān)系、疾病的分子診斷,、預(yù)后指標(biāo)的確定,、治療靶點(diǎn)的定位、治療效果的預(yù)測,、抗體和藥物的篩選以及基因治療的研發(fā)等方面均有著十分重大的實(shí)用價(jià)值和廣闊的市場前景,。
⑤ 糖芯片（carbohydrate chip）
是用于快速和高通量研究糖類生物功能的芯片。 糖(sugar)又稱為碳水化合物(carbohydrate),，包括單糖,、寡糖、多糖/聚糖和糖復(fù)合物,。糖類在生命活動中發(fā)揮著重要作用,，研究糖可以為揭示細(xì)胞識別機(jī)制提供重要線索。如決定人血清抗體與不配型紅細(xì)胞凝聚反應(yīng)特異性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分子是紅細(xì)胞表達(dá)并展示在紅細(xì)胞表面上的寡糖鏈,。
但糖類的研究比較困難,，因?yàn)樘蔷哂胁煌谄渌肿拥?性質(zhì)：高度異源性（糖單元數(shù)目差別極大）、糖鏈的生物合成極其復(fù)雜（需要多種酶參與,、途徑也極其復(fù)雜）,、信號傳導(dǎo)作用不被認(rèn)識（認(rèn)為糖僅是細(xì)胞結(jié)構(gòu)和儲存能量的細(xì)胞成分）。為研究糖鏈中蘊(yùn)含的大量生物信息,，1999年以色列的Glycominds公司zui早推出了寡糖芯片,，開啟了高通量、敏感,、準(zhǔn)確而方便的糖類研究,。
宿主細(xì)胞和病原微生物細(xì)胞表面的糖基復(fù)合物,，在很大程度上影響病原體的侵染、在疾病發(fā)生中起著關(guān)鍵作用,。糖基復(fù)合物同時(shí)又是宿主識別與響應(yīng)的主要抗原結(jié)構(gòu),。某些病原微生物的表面抗原更是模擬宿主細(xì)胞的部分碳水化合物結(jié)構(gòu)，從而逃避宿主免役系統(tǒng)的攻擊,。因此,，識別鑒定這類糖結(jié)構(gòu),，對于研究病原微生物與宿主之間的相互關(guān)系,、并進(jìn)而有效控制由此引起的傳染性疾病都具有非常重大的意義。
糖芯片又稱糖微陣列(carbohydrate microarray, sugar array),，包括寡糖芯片(oligosaccharide microarray)和多糖芯片(glycan microarray,，polysaccharide microarray) 。根據(jù)用途可分為功能糖組學(xué)芯片（尋找生物學(xué)通路）和藥物糖組學(xué)芯片（篩選藥物靶標(biāo),，在治療上增強(qiáng)或抑制糖-蛋白質(zhì)相互作用的糖模擬物）,。
糖類在生命活動中發(fā)揮著重要作用，研究糖可以為揭示細(xì)胞識別機(jī)制提供重要線索,。20世紀(jì)末,，繼基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)之后興起糖組學(xué),。糖組(glycome)指的是生物體中所有糖分子以及糖結(jié)合分子的全部集合,，糖組學(xué)是主要研究生物體中所有糖類以及糖結(jié)合分子的結(jié)構(gòu)、功能及其表達(dá)和調(diào)控的新興分支學(xué)科,，是糖生物學(xué)(glycobiology)的重要研究領(lǐng)域,。糖芯片在此背景下出現(xiàn)，變革了糖生物學(xué)的研究手段,，拓展了糖生物學(xué)的發(fā)展空間,。
糖芯片可同時(shí)分析數(shù)量的多糖-蛋白質(zhì)相互作用，可用于功能糖組學(xué)（鑒定蛋白質(zhì)-多糖相互作用）,、藥物篩選（篩選新的蛋白質(zhì)-多糖相互作用抑制劑）,、抗體結(jié)合特異性分析、細(xì)胞年黏附檢測（鑒定靶多糖）,、酶測定（發(fā)現(xiàn)糖苷酶特異性抑制劑）和藥物糖組學(xué)（確定患者類群）等方面的研究,，在大容量、高度敏感性和長期穩(wěn)定性方面有*的優(yōu)勢,。
? 生物芯片技術(shù)（進(jìn)展）
根據(jù)芯片的結(jié)構(gòu)和工作原理,，生物芯片可分為微陣列芯片（microarray chip）、微流體芯片（microfluidic chip）和芯片實(shí)驗(yàn)室(lab-on-a-chip) ,。
Ø 所謂微陣列芯片,，是將基因的片段［DNA或 RNA］,、蛋白質(zhì)（如抗體）、細(xì)胞組織等生物樣品,，以微點(diǎn)樣技術(shù)或其他技術(shù)固定在玻片等基片上制作形成的,。通常一塊小小的芯片可以固定數(shù)萬個甚至上十萬個樣品點(diǎn)，也就是說這類生物芯片類似于微處理器芯片,，有著極大的信息存儲量和快速的并行處理能力,。
Ø 微流體芯片是相對于微陣列芯片而言的，核心是在基片上刻出若干根微通道作為一系列生物檢測反應(yīng)的發(fā)生地,。微流體芯片的共同特點(diǎn)是采用半導(dǎo)體微加工技術(shù)和(或)微電子工藝在芯片上構(gòu)建微流路系統(tǒng)(由儲液池,、微反應(yīng)室、微通道,、微電極,、微電路中的一種或幾種組成)，加載生物樣品和反應(yīng)液后,，在壓力泵或電場的作用下形成微流路,，于芯片上進(jìn)行一種或連續(xù)多種的反應(yīng)，達(dá)到對樣品的高通量快速分析的目的,。此類芯片的發(fā)展極大地拓寬了生物芯片的內(nèi)涵,。
常規(guī)DNA微陣列芯片上DNA探針與靶核酸是被動作用的，受分子擴(kuò)散的限制,。流過式芯片的基本原理是將特定DNA探針結(jié)合于芯片微通道內(nèi)的特定部位,，熒光標(biāo)記靶核酸由壓力泵或電場驅(qū)動流過微通道，被互補(bǔ)探針捕獲進(jìn)行反應(yīng),，達(dá)到對靶核酸的檢測分析目的,。探針和靶分子的作用是主動式的，因而大大增強(qiáng)了敏感性,，提高了反應(yīng)速率,。
微流體芯片是結(jié)合生物技術(shù)、微機(jī)械等技術(shù),，將實(shí)驗(yàn)室中許多儀器的功能縮小到芯片上來處理的一種微型器件,。隨著微型機(jī)電技術(shù)（MEMS）、X光深層曝光微電鑄復(fù)制（LIGA）技術(shù)和納米技術(shù)的引入和應(yīng)用,，微流體芯片的集成化程度越來越高,，已有在一塊片基上刻出96根微通道的報(bào)道和產(chǎn)品。
應(yīng)該說微流體芯片是微陣列芯片的延伸（有人將微陣列芯片稱為*代生物芯片,，而將微流體芯片稱為第二代生物芯片）,。
Ø 芯片實(shí)驗(yàn)室是將樣品制備,、生化反應(yīng)以及檢測分析等過程高度集約化形成的便攜式微型生物分析系統(tǒng),。它zui終的目的是實(shí)現(xiàn)生化分析全過程全部集成在一片芯片上完成,，從而使現(xiàn)有的許多煩瑣、費(fèi)時(shí),、不連續(xù),、不和難以重復(fù)的生物分析過程自動化、連續(xù)化和微縮化,，是未來生物芯片的發(fā)展方向,。
微流體芯片、芯片實(shí)驗(yàn)室與微陣列芯片技術(shù)并駕齊驅(qū),，是生物芯片技術(shù)的三駕馬車,，將逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前已經(jīng)商品化的生物芯片多為微陣列芯片,，而微流體芯片和芯片實(shí)驗(yàn)室正處于研究階段。據(jù)專業(yè)人士稱,，目前國外生物芯片的研究重心已經(jīng)轉(zhuǎn)移到微流體芯片。
以芯片毛細(xì)管電泳作為核心技術(shù)的芯片實(shí)驗(yàn)室更是一個微而全的系統(tǒng),，它用量極微,、速度極快，得到的信息量可以比常規(guī)實(shí)驗(yàn)室多幾個數(shù)量級,，它不僅用于分析，也可用于反應(yīng),，甚至細(xì)胞培養(yǎng),，在臨床診斷、藥物篩選和生命科學(xué)的其他領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用,，已被很多人認(rèn)為是21世紀(jì)zui重要的前沿技術(shù)之一,。
? 生物芯片技術(shù)是20世紀(jì)90年代隨著人類基因組研究的深入而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)，它以玻片,、硅片,、高分子凝膠,、尼龍膜,、微型磁球等固相介質(zhì)為載體（在選擇固相介質(zhì)時(shí)，應(yīng)考慮其熒光背景的大小,、化學(xué)穩(wěn)定性,、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,、介質(zhì)對化學(xué)修飾作用的反應(yīng)、介質(zhì)表面積及其承載能力以及非特異吸附的程度等因素）,，在單位面積上高密度地排列大量的生物探針,，從而達(dá)到一次實(shí)驗(yàn)同時(shí)探測多種疾病或分析多種生物樣本的目的，在臨床診斷,、新藥開發(fā),、環(huán)境保護(hù)、動植物檢疫,、司法鑒定等方面有廣泛的應(yīng)用價(jià)值,，是目前應(yīng)用前景的生物樣品分析技術(shù)之一。
生物芯片具有集成,、并行和快速檢測的優(yōu)點(diǎn),，其發(fā)展的zui終目標(biāo)是將從樣品制備、生化反應(yīng)到分析檢測的全過程集成化,，以獲得所謂的微型全分析系統(tǒng)--芯片實(shí)驗(yàn)室(lab-on-a-chip) ,，大大促進(jìn)了生物信息學(xué)這一嶄新學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展。
美國商業(yè)界雜志Fortune《財(cái)富》在1997年3月刊中,，以封面為題撰文對生物芯片技術(shù)的重要性和對未來社會的影響進(jìn)行了大膽預(yù)測,。文章指出，微處理器使我們的經(jīng)濟(jì)發(fā)生了根本變化,，給人類帶來了巨大的財(cái)富,，改變了我們的生活方式。然而,，生物芯片給人類帶來的影響可能更大,。在20世紀(jì)科技*有兩件事影響深遠(yuǎn)，一是微電子芯片,，它是計(jì)算機(jī)和許多家電的心臟,，它改變了我們的經(jīng)濟(jì)和文化生活，并已進(jìn)入每一個家庭,；另一件事就是生物芯片,，它將改變生命科學(xué)的研究方式，革新醫(yī)學(xué)診斷和治療,，極大地提高人口素質(zhì)和健康水平,，從而改變世界的面貌。2. 分子馬達(dá) ① 定義
所謂分子馬達(dá)（molecular motor）即分子機(jī)械,，是指分子水平（納米尺度）的一種復(fù)合體系,，是能夠作為機(jī)械部件的zui小實(shí)體。
分子馬達(dá)的驅(qū)動方式是通過外部刺激（如采用化學(xué),、電化學(xué),、光化學(xué)等方法改變環(huán)境）使分子結(jié)構(gòu),、構(gòu)型或構(gòu)象發(fā)生較大程度的變化，并且必須保證這種變化是可控和可調(diào)制的,，而不是無規(guī)的,，從而使體系在理論上具備對外做機(jī)械功的可能性。
世界上zui小的分子馬達(dá)在我們每個人的身體里,。 分子馬達(dá)是生物體內(nèi)的一類蛋白質(zhì),，就像傳統(tǒng)的馬達(dá)一樣，它們“燃燒”燃料,，做出特定的運(yùn)動,，完成特定的功能：它們是生物體內(nèi)的“化學(xué)能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換器”；某些分子馬達(dá)也有定子,、轉(zhuǎn)子,，只不過它們的尺寸都非常小，以納米為單位,，所以被稱為世界上zui小的一類馬達(dá),。
② 特性和意義
生命在于運(yùn)動，機(jī)體的一切活動,，從肌肉收縮,、細(xì)胞內(nèi)部的運(yùn)輸、遺傳物質(zhì)（DNA）的復(fù)制,、一直到細(xì)胞的分裂等等，追蹤到分子水平,，都是來源于具有馬達(dá)功能的蛋白質(zhì)大分子做功推動的結(jié)果,。因此它們被稱為分子馬達(dá)、蛋白質(zhì)馬達(dá)或蛋白質(zhì)機(jī)器等,。
到目前為止,，已有百種以上的分子馬達(dá)被確定，它們在機(jī)體內(nèi)執(zhí)行著各種各樣的生物功能,。這些分子馬達(dá)可率地將儲藏在三磷酸腺苷（ATP）分子中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,，產(chǎn)生協(xié)調(diào)的定向運(yùn)動而做功。
迄今為止,，人類尚無由化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能做功的任何記載,。那么由生物體反映出的這一*的能量轉(zhuǎn)換形式不僅對于生命活動是至關(guān)重要的，而且可以使人類從新的角度去認(rèn)識,、研究和利用這一能量轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制,。
因此分子馬達(dá)作功原理及能量轉(zhuǎn)換機(jī)制已成為分子生物學(xué)、物理學(xué),、生物化學(xué)等諸多學(xué)科中zui引人注目的問題之一,，并會在相當(dāng)長時(shí)間里成為多學(xué)科所共同面臨的一個挑戰(zhàn)性的科學(xué)研究領(lǐng)域,。
③ 分子馬達(dá)的種類 i) 線性分子馬達(dá)
線性分子馬達(dá)是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，并沿著一條線形軌道運(yùn)動的生物分子,，主要包括肌球蛋白,、動力蛋白、驅(qū)動蛋白及DNA解旋酶(DNA helicase),、RNA聚合酶(RNA polymerase)等,。
Ø 當(dāng)肌肉收縮時(shí)，肌球蛋白馬達(dá)沿著肌動蛋白（actin）滑動,。肌球蛋白以肌動蛋白為線形軌道運(yùn)動,，其運(yùn)動過程與ATP的水解相關(guān)聯(lián)。
Ø 動蛋白馬達(dá)和力蛋白馬達(dá)都是運(yùn)載囊泡（vesicles）與細(xì)胞器（organelles）等沿著微管（microtubule）的負(fù)極向正極做定向運(yùn)動,，并由此完成各種細(xì)胞內(nèi)外的傳質(zhì)功能,。
Ø DNA解旋酶作為線性分子馬達(dá)，以DNA分子為軌道,，與ATP水解釋放的能量相偶聯(lián),，在釋放ADP和Pi的同時(shí)將DNA雙鏈分開成兩條互補(bǔ)的單鏈。
Ø RNA聚合酶則在DNA轉(zhuǎn)錄過程中,，沿DNA模版迅速移動,，消耗的能量來自核苷酸的聚合及RNA的折疊反應(yīng)。
ii) 旋轉(zhuǎn)分子馬達(dá)
旋轉(zhuǎn)分子馬達(dá)類似于定子和轉(zhuǎn)子之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,，比較典型的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機(jī)是F0F1－三磷酸腺苷酶（ F0F1 －ATPase）分子馬達(dá),。這個分子馬達(dá)包括F0和F1兩個復(fù)合體。
0是疏水的,，由
C12亞基,、a1亞基及b2亞基構(gòu)成，嵌
在雙分子膜中,。a1b2在一起被認(rèn)為是馬達(dá)的“定子”,，而c12被看做是馬達(dá)的“轉(zhuǎn)子”。
F1由3對a,、b亞基相間組成類似橘子瓣的“定子” 和一個由g,、e亞基組成的“轉(zhuǎn)子”構(gòu)成，還有一個連在b2亞基上的d亞基,。
F0F1－ATPase的一部分夾在細(xì)胞的雙分子膜間,，調(diào)節(jié)膜內(nèi)外質(zhì)子和鈉、鉀等陽離子的平衡,。這種F0F1－ATP酶進(jìn)行三磷酸腺苷的合成是靠雙分子膜內(nèi)外的質(zhì)子濃度差驅(qū)動完成的,，從F1®F0方向觀察，它的轉(zhuǎn)子g和e亞基會順時(shí)針轉(zhuǎn)動；而水解ATP的時(shí)候,，F0又把質(zhì)子運(yùn)回來,、形成新的質(zhì)子濃度差，g和e亞基轉(zhuǎn)子會進(jìn)行逆時(shí)針轉(zhuǎn)動,。
F0F1－ATP酶的直徑小于12nm,，能產(chǎn)生大于100pN的力，無載荷時(shí)轉(zhuǎn)速可達(dá)17轉(zhuǎn)/秒,。 F0F1－ATP酶與納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）的組合已成為新型納米機(jī)械裝置,。
美國康乃爾大學(xué)的科學(xué)家利用ATP酶作為分子馬達(dá)，研制出了可以進(jìn)入人體細(xì)胞的納米機(jī)電設(shè)備—“納米直升機(jī)”,。
④ 分子馬達(dá)運(yùn)動的可能機(jī)理 i) 化學(xué)模型
從化學(xué)的角度來看分子馬達(dá),，它的反應(yīng)有幾個特點(diǎn)，一是效率都很高,。其次,，分子馬達(dá)在反應(yīng)時(shí)，選擇性非常專一,。所以,，可以將生物馬達(dá)中的反應(yīng)看做計(jì)算機(jī)里的“1”與“0”，要么是開,，要么就是關(guān),。
現(xiàn)在對分子馬達(dá)的研究主要集中在生物物理學(xué)方面，而從化學(xué)的角度進(jìn)行研究的還很少,，還沒有具體研究到化學(xué)鍵的水平,。但我們猜想這里一定有一個非常重要的元素在充當(dāng)著開關(guān)的角色，這種原子和其他的原子有著特殊的結(jié)合形式,。
趙玉芬院士認(rèn)為：這個元素是磷,。這同趙玉芬院士經(jīng)過多年研究提出的“磷是生命化學(xué)過程的調(diào)控中心”的觀點(diǎn)是一致的。應(yīng)該理解,，三磷酸腺苷（ATP）不只是作為能量的來源，還應(yīng)該是參與分子馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的重要“零件”,，這個零件很可能就是其“開關(guān)”,。
生命過程中許多內(nèi)源活性物質(zhì)在激活和轉(zhuǎn)化過程中均以五配位磷作為過渡態(tài)，很多生物分子也只有在磷配化以后才會出現(xiàn)生物活性,，而且蛋白質(zhì)可逆磷配化對細(xì)胞活動的調(diào)節(jié)起著至關(guān)重要的作用,。
因此，趙玉芬等研究者推測,，在分子馬達(dá)與ATP作用的過程中經(jīng)歷了五配位磷過渡態(tài),，從而激活了分子馬達(dá)，使之具有了運(yùn)動功能。
趙玉芬等研究者對五配位磷化學(xué)的研究已經(jīng)有了很多重要的結(jié)果,，進(jìn)一步研究五配位磷與核酸水解,、蛋白質(zhì)可逆磷酸化的作用，不僅有望揭示出生物體內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化機(jī)制和分子馬達(dá)的運(yùn)動機(jī)制,，而且對于生命起源的研究有著十分重要的意義,。
ii) 物理模型
活細(xì)胞有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，細(xì)胞質(zhì)中有許多懸浮的具有膜的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu),，如細(xì)胞核,、各種細(xì)胞器、胞質(zhì)顆粒等,，此外,，細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)常包裝為具有膜的轉(zhuǎn)運(yùn)小泡。細(xì)胞內(nèi)這些物體的尺度多為亞微米至微米,，使細(xì)胞質(zhì)呈兩相系統(tǒng),。
這些細(xì)胞內(nèi)物體在細(xì)胞質(zhì)中的運(yùn)動方式，有主動運(yùn)動和被動運(yùn)動,。主動運(yùn)動是基于分子馬達(dá)的運(yùn)動,，被動運(yùn)動是在細(xì)胞質(zhì)中的擴(kuò)散運(yùn)動，這兩類運(yùn)動在細(xì)胞內(nèi)并存,。耗能的主動運(yùn)動負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)定向長距離的轉(zhuǎn)運(yùn)和分配,，有重要的生物學(xué)意義。
根據(jù)實(shí)驗(yàn),，唐孝威等研究者提出細(xì)胞內(nèi)物體主動運(yùn)動的4個要素是：馬達(dá),、軌道、能源,、調(diào)控,，主動運(yùn)動是由分子馬達(dá)驅(qū)動、沿分子軌道定向運(yùn)動,、消耗ATP分子,、受信號分子調(diào)控的運(yùn)動。
作為分子馬達(dá)的各種蛋白質(zhì),，如肌球蛋白(myosin),、驅(qū)動蛋白(kinesin)、動力蛋白(dynein)等,，將ATP分子水解的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,。分子馬達(dá)常與細(xì)胞內(nèi)物體的膜連接，組成復(fù)合體,，分子馬達(dá)產(chǎn)生的作用力驅(qū)動與它們連接的物體運(yùn)動,。
作為分子軌道的各種蛋白質(zhì)，如肌動蛋白(actin)、微管蛋白(microtubule)等,，是細(xì)胞骨架蛋白,，它們組成有極性的蛋白質(zhì)纖絲，如微絲,、微管及它們的復(fù)合體,，為細(xì)胞內(nèi)物體運(yùn)動提供運(yùn)動軌道，馬達(dá)的性質(zhì)和軌道的極性決定了物體主動運(yùn)動的方向,，這種運(yùn)動受細(xì)胞信號分子例如Ca2+的調(diào)控,。
對細(xì)胞內(nèi)物體的主動運(yùn)動來說，上述4個要素缺一不可：若沒有分子馬達(dá),，就失去主動運(yùn)動的作用力,；若沒有分子軌道，就不能發(fā)生定向的主動運(yùn)動,；若缺少ATP分子作為運(yùn)動的能源及調(diào)控主動運(yùn)動的信號分子,，主動運(yùn)動也不能進(jìn)行。
3. 硅蟲晶體管
美國和北愛爾蘭的研究者偶然發(fā)現(xiàn)了一種活的半導(dǎo)體（half bacterium, half microchip）,，它能夠嗅出生物戰(zhàn)所用的毒氣,。
這一發(fā)現(xiàn)竟來自科學(xué)家為消除計(jì)算機(jī)芯片生產(chǎn)線上的某些特殊細(xì)菌的屢屢失敗。為消除這些生物,，研究者試用了從紫外線到強(qiáng)氧化劑,，但是細(xì)菌仍可以幸存。
紐約州立大學(xué)的生物學(xué)家Robert Baier解釋了此現(xiàn)象,。在清洗半導(dǎo)體時(shí),，超純水能夠溶解一些半導(dǎo)體材料，如氧化鍺,，而這些半導(dǎo)體材料會圍繞細(xì)菌結(jié)晶,，使細(xì)菌在晶體的“家”中存活的*而不會受到損傷。亞里桑那大學(xué)的物理學(xué)家O’Hanlon和Baier認(rèn)為外面包上硬殼的細(xì)菌可以用于制造生物晶體管,。
在普通三極管中,，由源極到漏極的電流受門極電壓的控制。而這種細(xì)菌半導(dǎo)體晶體恰好可以用作生物晶體管的門極,。當(dāng)在呼吸和光合作用等產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移的生物過程中,，光照或者器官的水汽能誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生電子，猶如打開了這個生物晶體管,。這種精巧的靈敏裝置能夠探測生物戰(zhàn)毒氣。
4. 納米探針
一種探測單個活細(xì)胞生物特性的納米傳感器,，探頭尺寸僅為納米數(shù)量級,，當(dāng)它插入活細(xì)胞時(shí)，可探知會導(dǎo)致腫瘤的早期DNA損傷。
苯并吡（BPT-- benzo pyrene tetrol）是城市受污染空氣中普遍存在的致癌物質(zhì),。為了模仿暴露于致癌物質(zhì),，將細(xì)胞浸入含有苯并吡的液體中，在一般暴露情況下,，細(xì)胞攝取苯并吡,，和細(xì)胞DNA代謝反應(yīng)形成一種可水解的BK-D14A加合物，它可作為因暴露于BPT而產(chǎn)生DNA損傷的生物標(biāo)記,，即腫癌早期診斷的靶標(biāo),。
納米探針是一支直徑50nm，外面包銀的光纖,，并傳導(dǎo)一束氦—鎘激光,。它的尖部貼有可識別和結(jié)合BPT的單克隆抗體。325納米波長的激光將激發(fā)抗體和BPT形成的分子復(fù)合物產(chǎn)生熒光,。此熒光進(jìn)入探針后,，由光探測器接收。此高選擇和高靈敏的納米傳感器,，可用于探測很多細(xì)胞生物化學(xué)物質(zhì),。
此外，它還可以探測基因表達(dá)和靶細(xì)胞的蛋白生成,，用于篩選微量藥物,，以確定哪種藥物能夠zui有效地阻止細(xì)胞內(nèi)致病蛋白的活動。
隨著納米技術(shù)的進(jìn)步,，zui終實(shí)現(xiàn)評定單個細(xì)胞的健康狀況,。
四、納米醫(yī)學(xué)
我們知道人體是由多種器官組成的,，如：大腦,、心臟、肝,、脾,、胃、腸,、肺,、骨骼、肌肉和皮膚,；器官又是由各種細(xì)胞組成的,，細(xì)胞是器官的組織單元，細(xì)胞的組合作用才顯示出器官的功能,。那么細(xì)胞又是由什么組成的呢,？按現(xiàn)在的認(rèn)識,，細(xì)胞的主要成分是各種各樣的蛋白質(zhì)、核酸,、脂類和其他生物分子,，可以統(tǒng)稱為生物分子，它的種類有數(shù)十萬種,。生物分子是構(gòu)成人體的基本成分,，它們各自具有*的生物活性，正是它們不同的生物活性決定了它們在人體內(nèi)的分工和作用,。
由于人體是由分子構(gòu)成的,，所有的疾病包括衰老本身也可歸因于人體內(nèi)分子的變化。當(dāng)人體的分子機(jī)器,，如合成蛋白質(zhì)的核糖體,、DNA復(fù)制所需的酶等，出現(xiàn)故障或工作失常時(shí),，就會導(dǎo)致細(xì)胞死亡或異常,。從分子的微觀角度來看，目前的醫(yī)療技術(shù)尚無法達(dá)到分子水平的修復(fù),。
而納米醫(yī)學(xué)則是在分子水平上,，利用分子工具和人體的分子知識（在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息）,，所從事的診斷,、醫(yī)療、預(yù)防疾病,、防止外傷,、止痛、保健和改善健康狀況等方面的科學(xué)技術(shù),。換句話講,，人類將從分子水平上認(rèn)識自己，創(chuàng)造并利用納米裝置和納米結(jié)構(gòu)來防病治病,，改善人類的整個生命系統(tǒng),。
首先需要認(rèn)識生命的分子基礎(chǔ)，然后從科學(xué)認(rèn)識發(fā)展到工程技術(shù),，設(shè)計(jì)制造大量的具有令人難以置信的奇特功效的納米裝置,，它們由一個個分子裝配起來，能夠發(fā)揮類似于組織和器官的功能,，并且能更準(zhǔn)確,、更有效地發(fā)揮作用。
它們可以在人體的各處暢游,，甚至出入細(xì)胞,，在人體的微觀世界里完成特殊使命,。例如：修復(fù)畸變的基因、扼殺剛剛萌芽的癌細(xì)胞,，捕捉侵入人體的細(xì)菌和病毒，并在它們致病前就消滅它們,；探測機(jī)體內(nèi)化學(xué)或生物化學(xué)成分的變化,，適時(shí)地釋放藥物和人體所需的微量物質(zhì)，及時(shí)改善人的健康狀況,。
未來的納米醫(yī)學(xué)將是強(qiáng)大的,，它的功能會令世人驚嘆；但它又是令人驚訝的小,，因?yàn)樵谄渲兴l(fā)揮作用的藥物和醫(yī)療裝置都是肉眼所無法看到的,。納米醫(yī)學(xué)的zui終實(shí)現(xiàn)，將使人類擁有持續(xù)的健康,。
1. 疾病診斷--使診斷更 （1）影像學(xué)診斷
分子雷達(dá)“光學(xué)相干層析術(shù)（OCT）”這一納米影像學(xué)診斷工具的分辨率可達(dá)1個微米數(shù)量級,，較CT和核磁共振的精密度高出上千倍，這對疾病的早期診斷有很大幫助,。而且它不會像X射線,、 CT、核磁共振那樣殺死活細(xì)胞,。
有了如此準(zhǔn)確的依據(jù),，人們或許有辦法把疾病 “扼殺在萌芽狀態(tài)”，而不必等到生命的尾聲才被CT或磁共振檢查出癌組織病變,。
（2）實(shí)驗(yàn)室診斷
使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測少量血液,，就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA早期診斷出某些疾病。如用超順磁性氧化鐵納米顆粒脂質(zhì)體,，可以診斷直徑在3mm以下的肝腫瘤,。激光單原子分子探測術(shù)可通過人的唾液、血液,、糞便以及呼出的氣體,，及時(shí)發(fā)現(xiàn)人體中哪怕只有億萬分之一的各種致病或帶病游離分子，具有*的靈敏性,。
（3）植入傳感器診斷
利用納米級微小探針技術(shù),，可向人體內(nèi)植入傳感器，根據(jù)不同的診斷和監(jiān)測目的,，定位于體內(nèi)不同部位,，也可隨血液在體內(nèi)運(yùn)行，隨時(shí)將體內(nèi)各種生物信息反饋于體外記錄裝置,。
（4）病理診斷方面
目前腫瘤診斷zui可靠的手段是建立在組織細(xì)胞水平上的病理學(xué)方法,，但存在著良,、惡性及細(xì)胞來源判斷不準(zhǔn)確的問題。
利用原子力顯微鏡可以在納米水平上揭示腫瘤細(xì)胞的形態(tài)特點(diǎn),。通過尋找特異性的異常納米結(jié)構(gòu)改變,，解決腫瘤診斷的難題。
基因水平上的診斷研究：AFM不僅可以對DNA,、蛋白質(zhì)等進(jìn)行形態(tài)分析,，還可以進(jìn)行直觀下的分子剪輯、DNA特殊位點(diǎn)的定位等高水平研究,。（5）遺傳病診斷方面
為了判斷胎兒是否具有遺傳缺陷,，以往常采用價(jià)格昂貴并對人體有損害的羊水診斷技術(shù)。而應(yīng)用納米技術(shù)可簡便安全地達(dá)到目的：婦女懷孕8周左右,，在血液中開始出現(xiàn)非常少量的胎兒細(xì)胞,，利用納米微粒很容易將這些胎兒細(xì)胞分離出來進(jìn)行診斷。
2. 疾病治療
（1）在基因治療方面
基因是“生命的設(shè)計(jì)圖”,，當(dāng)基因因?yàn)橥蛔?、缺失、轉(zhuǎn)移或是不正常的擴(kuò)增而“出錯”時(shí),，細(xì)胞制造出來的蛋白質(zhì)數(shù)量或是形態(tài)就會出現(xiàn)問題,，人體也就生病了。所以要治療這種疾病zui根本的方法,，就是找出基因發(fā)生“錯誤”的地方和原因,，把它矯正回來，疾病自然就會*了,。
所謂基因療法,，即是通過基因水平的操作來治療疾病的方法。目前的基因療法是先從患者身上取出一些細(xì)胞（如造血干細(xì)胞,、纖維干細(xì)胞,、肝細(xì)胞、癌細(xì)胞等）,，然后利用對人體無害的逆轉(zhuǎn)錄病毒當(dāng)載體,，把正常的基因嫁接到病毒上，再用這些病毒去感染取出的人體細(xì)胞,，讓它們把正?；虿暹M(jìn)細(xì)胞的染色體中，使人體細(xì)胞“獲得”正常的基因,，以取代原有的異?；颍唤又堰@些修復(fù)好的細(xì)胞培養(yǎng),、繁殖到一定的數(shù)量后,，送回患者體內(nèi),，這些細(xì)胞就會發(fā)揮“醫(yī)生”的功能，把疾病治好,。
（2）在器官yi植方面
納米技術(shù)所要做的是尋找生物兼容物質(zhì),。只要在人工器官外面涂上納米粒子，就可預(yù)防人工器官yi植的排異反應(yīng),。生物兼容物質(zhì)的開發(fā),，是納米材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中一個重要應(yīng)用。
（3）在開發(fā)新藥方面
制備出理想的具有智能效果的納米藥物載體,，以解決人類重大疾病的診斷、治療和預(yù)防等問題（更可靠的納米載體,，更準(zhǔn)確的靶向物質(zhì),，更有效的治療藥物）。 Ø 納米級粒子可使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便,。 Ø 制備納米級載體與具有特異性的藥物相結(jié)合,，以得到具有自動靶向和定量定時(shí)釋藥的納米智能藥物。 Ø 制備針對癌癥的“納米生物dao彈”,，將藥物連接在磁性超微粒子上,，定向射向癌細(xì)胞，把癌細(xì)胞全部消滅,。
（4）納米機(jī)器人的開發(fā)與疾病治療
納米級機(jī)器人可遨游于人體微觀世界,，隨時(shí)清除人體中的一切有害物質(zhì)，激活細(xì)胞能量,，使人不僅僅保持健康,，而且延長壽命。