|
納米物理學家在世紀之交暢想了納米科技發(fā)展的未來，它的主調是：納米科技的發(fā)展將使得人類可以直接操縱原子，從而實現(xiàn)人們的很多夢想，如制造僅有少數(shù)原子構成的微型納米機器人，它們可以游走在血管中吃掉沉積在血管壁上的垃圾，它們可以游走在組織間定向地識別和殺死癌細胞，它們可以直接利用太陽能制造面包，甚至于納米機器人可以自行復制等等。這些聽上去似乎是天方夜譚的暢想其實也并非不著邊際，分子仿生學就是一門可以使研制納米機器人成為現(xiàn)實的新學科。 研制"納米機器人"將成為納米科技時代的重要內容之一 物理學家總是模擬生物學原理制作各種靈巧的機器，這就是仿生學。仿生學是生物物理學的一個分支學科，它按照生物學原理提出設計原型，制造用于特殊目的的"功能器件"。 "納米機器人"的研制屬于分子仿生學的范疇，它根據(jù)分子水平的生物學原理為設計原型，設計制造可對納米空間進行操作的"功能分子器件"。 事實上，細胞就是一個活生生的納米機器。酶是細胞中種類最多和最活躍的分子，每一個酶分子也是一個個活生生的納米機器人。酶分子催化底物反應時，其蛋白分子不同結構域之間的相對運動就像是微型人在移動和重新安排底物分子的原子排列順序。細胞中的很多結構單元都是執(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分子的加工器；高爾基體是給新制造的蛋白質進行修飾的加工廠；加工好的蛋白質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會被貼上標簽送去被水解成氨基酸成為合成新蛋白的原材料。細胞的生命過程就是這樣一批又一批功能相關的蛋白質組群不斷替換更新行使功能的過程，這些生命過程所需的一切能量來自太陽。植物葉子中的葉綠體是利用太陽能制造糧食的加工廠；線粒體是把糧食中儲存的太陽能釋放出來制造成能量貨幣ATP的車間；我們每人每天都要消耗相當于自身體重那么多的ATP分子以支持我們的生命活動和繁忙的工作。細胞中發(fā)生的所有這一切都是按照DNA分子中的基因密碼序列指令而井然有序地進行的。 納米技術可以仿照細胞生命過程的各個環(huán)節(jié)制造出各種各樣的微型機器人，可以預料就在21世紀很多意想不到的微型機器人將出現(xiàn)在人類生活的各個方面，直接或間接地服務于人類。 制造納米機器人不是從單個原子堆積做起 理論上講納米機器人是大量原子或分子按確定順序聚集而成為具有確定功能的微型器件，但制造納米機器人不一定是從"零"開始。機器人是由零件組裝而成的，納米機器人的零件可以是單個的原子或分子，但是更現(xiàn)實的是具有一定結構和功能的原子團或分子的集合。利用現(xiàn)實存在的功能器件組裝納米機器人比從一個原子一個原子地構建機器人更為現(xiàn)實可行。生物分子是自然界存在的最豐富的構建納米機器人的零件的來源，現(xiàn)實可行的途徑是按照分子仿生學的原理，利用大量存在的天然分子原器件，設計組裝納米機器人。下面列舉幾種研制納米機器人的可能途徑： 1.化學模擬 化學家很早就開始模擬酶分子的活性中心結構制造"模擬酶",這實際上就是在研制納米機器人，因為每一個酶分子都是一個活生生的納米機器人。但是化學家只模擬了酶活性中心功能基團在空間位置上的配置，而沒有模擬出功能基團在催化底物反應時出現(xiàn)的動作，這種動作應當足以打開一個化學鍵或者合成一個化學鍵。因此，化學模擬還有很長的路可走，一旦模擬出具有催化動作的"模擬酶"，化學合成的納米機器人也就誕生了。 2.利用分子的自組合原理裝配機器人 生物分子在各個層次上存在著自組合的性質，利用分子的自組合特性裝配納米機器人是一個值得探索的途徑。比如構成生物膜的脂類分子是一端親水另一端疏水的雙親性分子，它們在水溶液中會自組合成雙分子層微囊泡，科學家利用這種微囊泡把抗癌藥包裹起來，避免藥物對正常細胞的殺傷作用。為了使包裹了抗癌藥物的微囊泡能識別癌細胞，科學家利用了抗體分子對抗原分子的專一識別作用，把一種專一識別癌細胞特有抗原分子的抗體分子裝在微囊泡表面，如此制成的藥物載體如同"生物導彈"，可以專一地識別和殺死癌細胞。這不就是納米物理學家倡導的定向殺死癌細胞的納米機器人嗎? 3.利用生物分子作為分子功能器件組裝納米機器人 ATP酶作為分子發(fā)動機的研究已經在西方形成熱點領域，日本和美國雙方已經呈現(xiàn)出強烈的對峙競爭局面。分子發(fā)動機問世的意義決不僅僅是制造一種納米機器人的動力裝置，而是開辟了一個新的探索領域，這個領域就是研究生物分子作為微型機器人原器件的可能性。原則上所有的生物分子都是納米機器人或組成納米機器人的零件，生物分子的自組合性質就是零件組裝的原理依據(jù)。因此，開展生物分子作為納米器件特性和組裝原理的研究應當及早倡導和支持。 呼吸鏈酶系是研究生物分子納米器件和組裝的好材料ATP酶在生物體內是執(zhí)行能量轉化的關鍵分子之一，它和呼吸鏈酶系共同組成線粒體的能量轉化體系。線粒體的功能是把儲存在食物中的太陽能取出來制造機體需求的"能量貨幣"ATP，在生物體內是呼吸鏈酶系推動ATP酶制造ATP。如果把ATP酶看作是一部馬達，那么呼吸鏈就如同連接馬達和電源的導線。與導線不同的是，呼吸鏈傳遞電子是通過幾個生物大分子的氧化還原變化而實現(xiàn)的，這些大分子被稱為復合物 I(NADH-泛醌還原酶)、復合物II(琥珀酸-泛酮還原酶)、復合物III(泛醌-細胞色素C還原酶)和復合物IV(細胞色素C氧化酶)，它們按照氧化還原電位的高低有序地把底物電子逐一傳遞，最終把電子傳遞給氧。作為分子馬達進行研究的ATP酶實際上被稱作復合物V，它和呼吸鏈的四個復合物共同組成線粒體的能量轉化體系。呼吸鏈四個復合物進行的電子傳遞是一個放能的過程，放出的能量用于推動復合物V(ATP酶)制造ATP。 呼吸鏈酶系可以作為開展納米器件特性和組裝規(guī)律的典型研究材料，它具備以下幾方面的優(yōu)點： （1）呼吸鏈酶系一直是研究生物能量轉化機制的典型實驗材料。 呼吸鏈酶系是研究生物能量轉化規(guī)律的典型實驗材料，國內外科學家對它已經研究了近半個多世紀。可以預言：將來制造直接利用太陽能合成面包的納米機器人很可能要遵循從這個酶系統(tǒng)總結出來的原理和規(guī)律而進行組裝。 （2）呼吸鏈中的兩個關鍵酶(復合物III和IV)都有了晶體結構解析的結果，其分子內的電荷轉移中心結構清楚，并有大量溶液結構研究數(shù)據(jù)可參考。 （3）最近我們將純化的細胞色素C氧化酶(復合物IV)制作成固態(tài)薄膜并研究其分子內電子轉移特性，發(fā)現(xiàn)其分子內的電子傳遞活性依然完好，而且其電子轉移規(guī)律和文獻中對該酶溶液狀態(tài)研究的結果很一致。有趣的是發(fā)現(xiàn)制成固態(tài)薄膜的該種酶，其分子內的電子傳遞活性具有"電子開關"的特性，這為該種酶作為納米器件的研究打下了基礎。這種研究應該說是我們首先開始的，到目前為止尚未見有過類似的文獻報道。 （4）呼吸鏈四個復合物中的每一個單體酶的分子內部都有各自不同的電子轉移中心，它們多數(shù)是金屬中心，或是某些氨基酸的功能基團。研究分子內電子轉移中心的相互關系和電子在其間轉移和駐留的規(guī)律，有可能發(fā)現(xiàn)它們具有的"分子功能器件"的特性。這種研究有可能打開一扇門，使我們看到很多生物分子所具有的納米器件的特性，這些知識的積累將會產生組裝納米機器人的新思路。 （5）呼吸鏈四個復合物可以分開制成單體酶，也可以重組合制成不同的呼吸鏈片段，這為研究納米器件的裝配規(guī)律提供了便利。 納米科技時代需要新型科技人才和新的管理模式 研究生物分子作為功能器件以及利用生物分子功能器件組裝納米機器人的原理和規(guī)律是一個前瞻性的研究，這里需要的是創(chuàng)新的思想和勇敢的探索以及新知識的累積。要有很多新型的人才在這一方向上進行創(chuàng)造性地開拓，因此，新型的納米人才應當具有多學科交叉的知識和經驗。更需要一大批新型管理人才，他們善于在各學科的交叉中有機地組織各方面的專家進行有效的合作。 20世紀初期嫦娥奔月的理想在世紀之末以宇航員登上月球的現(xiàn)實而得以實現(xiàn)，21世紀制造納米機器人的理想也將在納米科技的發(fā)展中逐步變成現(xiàn)實。 |
