关于纳米机器人的报告

关于纳米机器人的报告

纳米机器人的研究属于分子仿生学的范畴，它根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。合成生物学对细胞信号传导与基因调控网络重新设计，开发“在体”（in vivo）或“湿”的生物计算机或细胞机器人，从而产生了另种方式的纳米机器人技术。

纳米生物学的设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。涉及的内容可归纳为以下三个方面：

1.在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联

系； 2.在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等； 3.纳米机器人的研制。

纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容。

第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的DNA，或把正常的ＤＮＡ安装在基因中，使机体正常运行。

第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。

第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。

在纳米生物学原子力显微镜( Atomic force microscopy, AFM ) 和光镊( optical tweezers) 应用最为广泛。

原子力显微镜 ( Atomic force microscopy )是20 世纪80 年代问世的扫描探针显微镜的( scanning probe microscope, SPM )的一种。它的放大倍数远远超过了常规的光学显微镜和电子显微镜镜, 其极限达到了10 亿倍, 可以直接观察物质的分子和原子。另外,AFM 的样品制备非常容易, 还可以在模拟生物学环境中使用, 这些优势使它广泛应用于蛋白质大分子的拓扑学分析、多蛋白复合物结构解析等方面的研究。在对AFM 的针尖进行一些特殊的处理之后, 它可以粘附生物大分子, 从而使我们可以利用微悬臂的形变来对其进行一系列的力学性质的测量。

光镊 ( optical tweezers)技术也是上个世纪80 年代兴起的一种微观动力学测量技术。它利用激光束形成的三维势阱控制微观物体的位置和移动, 可以探测纳米级的位移以及皮牛级的相互作用力, 广泛应用于马达蛋白运动以及RNA 聚合酶工作原理等研究方向。与AFM相比, 光镊系统对分子相互作用力的测量精细度更高, 但会受限于激光器功率; 原子力显微镜则不会遇到这方面的问题, 并且凭借其操作简单方便的优势,可有效的弥补光镊系统的缺陷。

原子力显微镜与光镊技术的有机结合, 可以在分子及原子水平剖析重要的生物大分子的结构功能相关性, 这将为详尽描绘生物大分子

的功能奠定基础, 同时还将极大地推动现有的分子细胞生物学研究的进展。随着纳米技术与生命科学结合程度的深入, 越来越多的纳米技术将被应用于生命科学研究领域,为生命科学的研究手段带来了革命性的变化。除去现在广泛应用的原子力显微镜和光镊技术外, 量子点、相干反斯托克斯拉曼显微等高新技术亦正在蓬勃发展, 可以预见, 在不久的将来, 伴随着更多更先进的纳米生物学技术在生命科学中的有效应用, 越来越多的生命科学难题将在分子及原子水平得到诠释。

纳米机器人的动力——分子马达

分子马达（molecular motor），是美国康奈尔大学研究人员在活细胞内的能源机制启发下，制造出的一种马达。这种微型马达以三磷酸腺苷酶为基础，依靠为细胞内化学反应提供能量的高能分子三磷酸腺苷（ATP）为能源。

美国科学家正在进行一项新研究，让纳米仪器利用为精子长距离游动提供能量的生物能为动力，用来释放药物，或者在人体内执行机械功能。

首先，这些研究人员针对精子的特殊部位，用一个可以粘贴在特殊的金表面的标签取代了己糖激酶(糖酵解的第一个酶)。这种酶即使在受到限制的时候，仍然能产生作用。接着，他们在糖酵解途经的第二个酶——葡萄糖-6-磷酸异构酶上作了标记。这种酶在受到限制后，还仍然具有活性。粘附在相同支撑物上的这些酶会依次产生作用，第一个反应的产物将会成为第二个反应的基础。

穆凯和特拉维斯表示，这只是在无机支撑物上复制整个糖酵解途

径的最初几步，他们指出，他们的研究从原理上为精子中的糖酵解途径的组织如何在纳米设备上产生三磷酸腺甙提供了一个天然的工程学解决方案。

6 参考文献

[1]姜忠义纳米生物技术【M】北京化学工业出版社 2003

2]李易纳米技术取得进展【J】国外科技动态 1998.11

[3]李沐纯等.中国现代医学杂志，2003

[4]纳米机器人——分子仿生学新领域《中国高新技术企业评价》2001

[ 5]纳米生物学研究中的新技术* 刘丹，郭振，王振兴，张凝，姚雪彪（中国科学技术大学微尺度国家实验室, 合肥230026）世界科技研究与发展——工程技术研究专题 2005.2

[ 6 ] 纳米机器人维护人体健康*，中国计量测控网，2010.6

[ 7 ] 纳米机器人——分子仿生学新领域《中国高新技术企业评价》2001