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納米物理學(xué)家在世紀(jì)之交暢想了納米科技發(fā)展的未來，它的主調(diào)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(shí)現(xiàn)人們的很多夢(mèng)想，如制造僅有少數(shù)原子構(gòu)成的微型納米機(jī)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(shí)別和殺死癌細(xì)胞，它們可以直接利用太陽能制造面包，甚至于納米機(jī)器人可以自行復(fù)制等等。這些聽上去似乎是天方夜譚的暢想其實(shí)也并非不著邊際，分子仿生學(xué)就是一門可以使研制納米機(jī)器人成為現(xiàn)實(shí)的新學(xué)科。 研制"納米機(jī)器人"將成為納米科技時(shí)代的重要內(nèi)容之一 物理學(xué)家總是模擬生物學(xué)原理制作各種靈巧的機(jī)器，這就是仿生學(xué)。仿生學(xué)是生物物理學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，它按照生物學(xué)原理提出設(shè)計(jì)原型，制造用于特殊目的的"功能器件"。 "納米機(jī)器人"的研制屬于分子仿生學(xué)的范疇，它根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理為設(shè)計(jì)原型，設(shè)計(jì)制造可對(duì)納米空間進(jìn)行操作的"功能分子器件"。 事實(shí)上，細(xì)胞就是一個(gè)活生生的納米機(jī)器。酶是細(xì)胞中種類最多和最活躍的分子，每一個(gè)酶分子也是一個(gè)個(gè)活生生的納米機(jī)器人。酶分子催化底物反應(yīng)時(shí)，其蛋白分子不同結(jié)構(gòu)域之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就像是微型人在移動(dòng)和重新安排底物分子的原子排列順序。細(xì)胞中的很多結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的微型機(jī)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)進(jìn)行修飾的加工廠；加工好的蛋白質(zhì)可以按照信號(hào)肽的指令由膜囊泡運(yùn)送到確定的部位發(fā)揮功能；完成了功能使命的蛋白質(zhì)會(huì)被貼上標(biāo)簽送去被水解成氨基酸成為合成新蛋白的原材料。細(xì)胞的生命過程就是這樣一批又一批功能相關(guān)的蛋白質(zhì)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(chǔ)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(dāng)于自身體重那么多的ATP分子以支持我們的生命活動(dòng)和繁忙的工作。細(xì)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(jìn)行的。 納米技術(shù)可以仿照細(xì)胞生命過程的各個(gè)環(huán)節(jié)制造出各種各樣的微型機(jī)器人，可以預(yù)料就在21世紀(jì)很多意想不到的微型機(jī)器人將出現(xiàn)在人類生活的各個(gè)方面，直接或間接地服務(wù)于人類。 制造納米機(jī)器人不是從單個(gè)原子堆積做起 理論上講納米機(jī)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(jī)器人不一定是從"零"開始。機(jī)器人是由零件組裝而成的，納米機(jī)器人的零件可以是單個(gè)的原子或分子，但是更現(xiàn)實(shí)的是具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原子團(tuán)或分子的集合。利用現(xiàn)實(shí)存在的功能器件組裝納米機(jī)器人比從一個(gè)原子一個(gè)原子地構(gòu)建機(jī)器人更為現(xiàn)實(shí)可行。生物分子是自然界存在的最豐富的構(gòu)建納米機(jī)器人的零件的來源，現(xiàn)實(shí)可行的途徑是按照分子仿生學(xué)的原理，利用大量存在的天然分子原器件，設(shè)計(jì)組裝納米機(jī)器人。下面列舉幾種研制納米機(jī)器人的可能途徑： 1.化學(xué)模擬 化學(xué)家很早就開始模擬酶分子的活性中心結(jié)構(gòu)制造"模擬酶",這實(shí)際上就是在研制納米機(jī)器人，因?yàn)槊恳粋€(gè)酶分子都是一個(gè)活生生的納米機(jī)器人。但是化學(xué)家只模擬了酶活性中心功能基團(tuán)在空間位置上的配置，而沒有模擬出功能基團(tuán)在催化底物反應(yīng)時(shí)出現(xiàn)的動(dòng)作，這種動(dòng)作應(yīng)當(dāng)足以打開一個(gè)化學(xué)鍵或者合成一個(gè)化學(xué)鍵。因此，化學(xué)模擬還有很長的路可走，一旦模擬出具有催化動(dòng)作的"模擬酶"，化學(xué)合成的納米機(jī)器人也就誕生了。 2.利用分子的自組合原理裝配機(jī)器人 生物分子在各個(gè)層次上存在著自組合的性質(zhì)，利用分子的自組合特性裝配納米機(jī)器人是一個(gè)值得探索的途徑。比如構(gòu)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?cè)谒芤褐袝?huì)自組合成雙分子層微囊泡，科學(xué)家利用這種微囊泡把抗癌藥包裹起來，避免藥物對(duì)正常細(xì)胞的殺傷作用。為了使包裹了抗癌藥物的微囊泡能識(shí)別癌細(xì)胞，科學(xué)家利用了抗體分子對(duì)抗原分子的專一識(shí)別作用，把一種專一識(shí)別癌細(xì)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(dǎo)彈"，可以專一地識(shí)別和殺死癌細(xì)胞。這不就是納米物理學(xué)家倡導(dǎo)的定向殺死癌細(xì)胞的納米機(jī)器人嗎? 3.利用生物分子作為分子功能器件組裝納米機(jī)器人 ATP酶作為分子發(fā)動(dòng)機(jī)的研究已經(jīng)在西方形成熱點(diǎn)領(lǐng)域，日本和美國雙方已經(jīng)呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的對(duì)峙競(jìng)爭(zhēng)局面。分子發(fā)動(dòng)機(jī)問世的意義決不僅僅是制造一種納米機(jī)器人的動(dòng)力裝置，而是開辟了一個(gè)新的探索領(lǐng)域，這個(gè)領(lǐng)域就是研究生物分子作為微型機(jī)器人原器件的可能性。原則上所有的生物分子都是納米機(jī)器人或組成納米機(jī)器人的零件，生物分子的自組合性質(zhì)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(yīng)當(dāng)及早倡導(dǎo)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(nèi)是執(zhí)行能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵分子之一，它和呼吸鏈酶系共同組成線粒體的能量轉(zhuǎn)化體系。線粒體的功能是把儲(chǔ)存在食物中的太陽能取出來制造機(jī)體需求的"能量貨幣"ATP，在生物體內(nèi)是呼吸鏈酶系推動(dòng)ATP酶制造ATP。如果把ATP酶看作是一部馬達(dá)，那么呼吸鏈就如同連接馬達(dá)和電源的導(dǎo)線。與導(dǎo)線不同的是，呼吸鏈傳遞電子是通過幾個(gè)生物大分子的氧化還原變化而實(shí)現(xiàn)的，這些大分子被稱為復(fù)合物 I(NADH-泛醌還原酶)、復(fù)合物II(琥珀酸-泛酮還原酶)、復(fù)合物III(泛醌-細(xì)胞色素C還原酶)和復(fù)合物IV(細(xì)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(dá)進(jìn)行研究的ATP酶實(shí)際上被稱作復(fù)合物V，它和呼吸鏈的四個(gè)復(fù)合物共同組成線粒體的能量轉(zhuǎn)化體系。呼吸鏈四個(gè)復(fù)合物進(jìn)行的電子傳遞是一個(gè)放能的過程，放出的能量用于推動(dòng)復(fù)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(diǎn)： （1）呼吸鏈酶系一直是研究生物能量轉(zhuǎn)化機(jī)制的典型實(shí)驗(yàn)材料。 呼吸鏈酶系是研究生物能量轉(zhuǎn)化規(guī)律的典型實(shí)驗(yàn)材料，國內(nèi)外科學(xué)家對(duì)它已經(jīng)研究了近半個(gè)多世紀(jì)。可以預(yù)言：將來制造直接利用太陽能合成面包的納米機(jī)器人很可能要遵循從這個(gè)酶系統(tǒng)總結(jié)出來的原理和規(guī)律而進(jìn)行組裝。 （2）呼吸鏈中的兩個(gè)關(guān)鍵酶(復(fù)合物III和IV)都有了晶體結(jié)構(gòu)解析的結(jié)果，其分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移中心結(jié)構(gòu)清楚，并有大量溶液結(jié)構(gòu)研究數(shù)據(jù)可參考。 （3）最近我們將純化的細(xì)胞色素C氧化酶(復(fù)合物IV)制作成固態(tài)薄膜并研究其分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移特性，發(fā)現(xiàn)其分子內(nèi)的電子傳遞活性依然完好，而且其電子轉(zhuǎn)移規(guī)律和文獻(xiàn)中對(duì)該酶溶液狀態(tài)研究的結(jié)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(nèi)的電子傳遞活性具有"電子開關(guān)"的特性，這為該種酶作為納米器件的研究打下了基礎(chǔ)。這種研究應(yīng)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(xiàn)報(bào)道。 （4）呼吸鏈四個(gè)復(fù)合物中的每一個(gè)單體酶的分子內(nèi)部都有各自不同的電子轉(zhuǎn)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(tuán)。研究分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移中心的相互關(guān)系和電子在其間轉(zhuǎn)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(shí)的積累將會(huì)產(chǎn)生組裝納米機(jī)器人的新思路。 （5）呼吸鏈四個(gè)復(fù)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(shí)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(jī)器人的原理和規(guī)律是一個(gè)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(shí)的累積。要有很多新型的人才在這一方向上進(jìn)行創(chuàng)造性地開拓，因此，新型的納米人才應(yīng)當(dāng)具有多學(xué)科交叉的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。更需要一大批新型管理人才，他們善于在各學(xué)科的交叉中有機(jī)地組織各方面的專家進(jìn)行有效的合作。 20世紀(jì)初期嫦娥奔月的理想在世紀(jì)之末以宇航員登上月球的現(xiàn)實(shí)而得以實(shí)現(xiàn)，21世紀(jì)制造納米機(jī)器人的理想也將在納米科技的發(fā)展中逐步變成現(xiàn)實(shí)。 |
