纳米生物机器人

◆庚晋白木周洁
纳米生物机器人
纳米技术与分子生物学的结合将开创分子仿生学新领域。

分子仿生学模仿细胞生命过程的各个环节,以分子水平上的生物学原理为参照原型,设计制造各种各样的可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”,即纳米生物机器人。

纳米机器人的研制和开发将成为21世纪科学发展的一个重要方向,对医学产生巨大影响。

细胞就是纳米机器
细胞本身就是一个活生生的纳米机器,这一点早就得到了科学家的肯定。

细胞有一些与人类尺度机械相类似的分子机械:细菌细胞膜上的旋转马达转动着它的轴,从外表看来它类似于一个电动机。

另外一些(分子机械)勉强类似于我们所熟知的机械:一个RNA 和蛋白质的组合—核糖体—如同工厂流水线一般制造蛋白质。

一些分子机械与宏观的机械没有明显的相似性:一种蛋白质—拓扑异构酶—可以解旋缠绕在一起的双股DNA。

这些细胞器在细胞中的制造过程—一种高效的大分子合成,包含分子的自我装配—可以作为经济和组织的模型,它完全不像装配工所暗示的那种毫无理性的方式。

细胞中的每一个酶蛋白分子就是一个个活生生的纳米机器人,酶蛋白构象的变化使酶分子不同结构域之间发出的动作就像是微型人在移动和重新安排被催化分子的原子排列顺序。

细胞中的所有结构单元都是执行某种功能的微型机器;核糖体是按照基因密码的指令安排氨基酸顺序制造蛋白质分子的加工器;高尔基体是给新制造的蛋白质分子进行加工修饰的加工厂;加工好的蛋白质可以按照信号肽的指令由膜囊泡运送到确定的部位发挥功能;完成了功能使命的蛋白质还会被贴上标签送去水解成氨基酸并重新用于新蛋白质的合成。

细胞的生命过程就是这样一批又一批功能相关的蛋白质组群不断替换更新行使功能的过程。

这些生命过程所需的一切能量来自太阳,植物叶子中的叶绿体是把太阳能转化成化学能而制造粮食的加工厂,线粒体是把粮食中储存的太阳能释放出来制造“能量货币”ATP的车间,ATP给一切需能反应提供能量。

细胞中发生的所有这些生命过程都是按照DNA分子中基因编码顺序的指令井然有序地进行的,基因密码出现错误将导致严重的遗传性疾病。

纳米技术与仿生学的结合可以使生物物理学家依照生命过程的各个环节制造出用于各种各样目的的纳米机器人。

细胞具有自我复制结构。

它从环境中获得分子,一些分子作为它能量的来源,另外一些分子被再加工成了用来制造、修理、移动和自我防御的零件。

DNA储存着装配和操作所必需的信息,一代一代的传下去。

一种RNA (信使RNA,mRNA)充当了信息的临时脚本,“告诉”核糖体制造哪种蛋白质。

膜为工作部分提供了隔间,包含控制分子进出细胞流量的入口,控制着感知细胞环境的分子。

蛋白质(通常与其它分子共同作用)构成了细胞内的一切,并在必要的时候移动它的部件。

细胞所采取的制造它自身零件的策略-从而复制和修复它自身-是基于两个思想。

第一个是,使用单一的、概念化的直接化学过程—聚合—去制造大的、直线型的分子。

第二个是制造自身本能的折叠成为具有功能的三维结构的分子。

这两部分策略不需要一个困难和复杂的三维“抓取和放置”装配过程;它仅仅把珠子(例如氨基酸)串成项链(多肽),并且使项链自我装配成一台机器(蛋白质)。

这样,最终的功能三维结构的信息变成了珠子顺序的编码。

细胞中最重要的三类分子-DNA-RNA和蛋白质―全都是基于此策略而制造出来的;蛋白质随后制造出细胞中的其他分子。

在许多实际情况下,蛋白质自然的和其他分子—蛋白质、核酸、小分子—联合起来形成更大的功能结构。

作为一个制造复杂的三维结构的策略,这种在不同分子自我装配水平上的直线合成方式具有无与伦比的效率。

细胞在本质上是催化剂(促使化学反应发生的分子,但是它本身不会被消耗)和其他功能种类―感受器,结构元素、泵和马达的集合。

细胞中的绝大多数纳米机
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械根本上是分子催化剂。

这些催化剂执行细胞的大多数工作。

它们制造脂类(例如脂肪),脂类依次自我聚集成围绕细胞的薄层;它们制造自我复制所必需的分子组件;它们产生细胞所需的能量,并控制它的能量消耗。

它们建立档案和工作信息纪录;它们通过适当的操作参数修复内环境。

在这些细胞“雇用”的不可思议的分子机械中,存在四座宝藏。

核糖体(由核糖体RNA,即rRNA构成)是一个关键:它处在信息和操作的结合点―在核酸和蛋白质之间。

它是一个格外复杂的机械,它从mRNA得到信息用以制造蛋白质。

叶绿体存在于植物细胞和藻类中,它拥有复杂的结构,内含作为光学天线的分子阵列,它收集来自阳光的光子,把它们转化成为可以储存在细胞内部供许多操作使用的化学“燃料”。

顺便说一句,叶绿体也从水中分解出氧气,从而在生命刚刚出现的时候“污染”了大气;我们赖以生存的原料竟然来自于细胞光合作用产生的废料!
线粒体是发电厂:它进行受控的有机分子燃烧,这些分子存在于细胞内—通常是葡葡糖—并且为系统产生能量。

与(发电机)驱动导线中的电子从而使电动机运转不同的是,它产生ATP分子,AT P分子通过扩散作用运动到细胞的各个部分。

ATP是很多生化反应基本的能量提供者。

细菌的鞭毛马达是一个专用的,但是特别有趣的纳米机械,因为它看起来很像一个人类尺度的马达。

鞭毛马达是一个高度结构化的蛋白质集合,被固定在许多细菌的细胞膜上。

它能提供旋转运动,转动鞭毛—长鞭状的结构,作为细胞的螺旋桨推进器使它们在水中前进。

它有轴,就像一台电动机。

环绕轴的结构如同电动机的电枢。

鞭毛和电动机的类似之处在很大程度上是虚假的。

鞭毛马达不通过电流产磁场而运动,而是使用ATP的分解导致分子形状的变化(它们包含了精巧的分子棘轮结构),从而驱动蛋白质轴转动。

形形色色的医疗纳米机器人
纳米医疗机器人即是可以在细胞内或血液中对纳米空间进行操作的“功能分子器件”,是生物体的仿生品。

1、模拟酶机器人
酶是生物催化剂,生命过程的每一个化学反应都有一个相应的酶进行催化,所以生命现象就是成千上万个在功能上有相互协调关系的酶分子井然有序地表现催化功能的结果。

生物体所含的酶可归纳为氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、合成酶等六大类,它们催化的生物化学反应几乎涵盖了自然界所有的化学反应类型。

事实上,细胞本身就是一个活生生的纳米机器,细胞中的每一个酶分子也就是一个个活生生的纳米机器人。

因此,模拟酶分子制造纳米机器人用于净化环境和对工业化学反应进行催化是一个巨大的潜在生产力。

生物化学家发现,酶分子体现活性只与少数几个化学基团在空间上配制而组成的活性中心有关,所以很早化学家就已经开始模仿活性中心的结构研制“模拟酶”。

生物化学家又发现酶活性中心的“柔性”是酶分子表现活性所必须的,也就是说,有活性中心基团的空间配置是必须条件但不是充分条件,组成酶活性中心的各个基团必须做相对运动才能表现活性。

这意味着“模拟酶”所模拟的活性中心集团必须动起来才有可能出现模拟的活性,出现了模拟活性的“模拟酶”就是典型的纳米机器人,这将是21世纪分子仿生学研究的重要内容之一。

2、“生物导弹”机器人
“生物导弹”的设计也是一个典型的分子仿生学应用范例。

生物导弹模仿膜襄泡转运蛋白质的功能,它把不能分辨好环细胞的抗癌药物包裹在脂微囊中并在微囊表面植入一种专门与癌细胞结合的标记分子。

如此设计的生物导弹就是在血液中或细胞间隙游走的纳米机器人,以便专门清除血管壁上沉积物,减少心血管疾病的发病率;它一旦遇到癌细胞就会抓住不放并钻入细胞中释放抗癌药物杀死癌细胞。

瑞典正在制造的微型医用机器人是由多层聚合物和黄金制成,外形类似人的手臂,其肘部和腕部很灵活,有2到4个手指,实验已进入能让机器人捡起和移动肉眼看不见的玻璃珠的阶段。

科学家希望这种微型医用机器人能在血液、尿液和细胞介质中工作,捕捉和移动单个细胞,成为微型手术器械。

微型机器人的设计是基于分子水平的生物学原理。

美国麻省理工学院的科学家们试图通过缩小医学设备的尺寸,它的核心是一个能够定时释放药物的微芯片。

美国麻省理工学院迈克希玛博士称,“我们的目的是制造非常小的、能够准确施放很小剂量的药品的设备。

”
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在实质上它是放在芯片上的药物,但是它可以被植入到人的身体里并施放整个疗程需要的药物。

这些微小的医用纳米机器人可以被医生用来放入病人体内寻找病症的所在,不管这些病症是需要使其失去活性或者再生的癌细胞,还是在血管内需要清除的病变。

纽约大学的一个实验室最近制造了一个纳米级机器人,研究人员认为,将来,纳米级机器人可邀游于人体微观世界,随时清除人体中的一切有害物质,激活细胞能量,使人不仅仅保持健康,而且延长寿命。

3、模仿线粒体机器人
生物能力学是研究生物能量转化功能的一门学科,形象地说生物能力学就是研究植物如何把太阳的能量储存在粮食中而动物又如何把食物中的太阳能取出来为自己使用。

叶绿体是利用太阳能制造粮食的分子机器,模仿叶绿体制造的纳米机器人将可能直接利用太阳能制造食物而创造新概念农业。

动物细胞中也有一部分类似的机器叫做线粒体,它是从食物中提取太阳能的能手。

模仿线粒体制造的纳米机器人将可能为医学的发展作出重要贡献,因为人们已经发现线粒体与衰老、运动疲劳以及很多与衰老相伴而生的疾病如糖尿病、帕金森氏病、脑肌病等等有很重要的关系。

4、基因修复机器人
分子病理学的研究将揭示疑难症的分子基础,很多疑难病都是和某种酶分子的缺陷或酶分子的活性不能顺利表现有关。

这些疾病常具有家族遗传性,可以在基因水平上找到其相应的基因密码突变或者在基因表达调控水平上找到阻碍酶分子表现活性的原因。

生物芯片技术的迅猛发展将为这些疾病的快速准确诊断提供有效的手段,但如何修复这些病变分子就要看是否能设计出可以在纳米空间识别出基因突变和修复突变基因的纳米机器人了。

根据分子病理学的原理可以设计制造各种各样的用于医疗和保健目的的纳米机器人,为医学发展作出重要贡献。

5、“分子伴娘”机器人
在细胞中存在着一类被称作“分子伴娘”的生物大分子,她们帮助新合成的蛋白分子形成正确的高级结构而表现蛋白活性。

“分子伴娘”一词本身就具有仿生的意味,如果模仿“分子伴娘”制造一些纳米机器人用在制药工业上解决包含体蛋白恢复活性的问题应当是非常卓越的分子仿生学成果。

技术上的困扰
当物体尺寸达到纳米级,常规的加工技术就没有了用武之地。

怎么办?纳米技术研究者采用了盖房子的方法。

将扫描隧道显微镜的极其尖锐的金属探针,向材料表面不断逼近,当距离达到1纳米时,施加适当电压产生电流,这时探针尖端便吸引材料的一个原子过来,然后将探针移至预定位置,去除电压,原子会从探针上脱落。

如此反复进行,最后便按设计要求堆砌出各种微型构件,整个过程就像是用砖头盖房子一样。

纳米技术的核心是纳米机电技术。

纳米机电技术并不是把所有的东西都做小那么简单。

新的物理特性使纳米器件非常坚固耐用,同时非常可靠。

一般纳米器件振动2000万次,也丝毫不会损坏。

近10多年来,科学家们成功地制出了纳米齿轮、纳米弹簧、纳米喷嘴、纳米轴承等微型零件,并且发明了纳米发动机,它的直径只有200微米,一滴油可以灌满四五十个这种发动机。

而且,纳米级的传感器、纳米级执行器也相继制成。

如果加上电路和出口,就能组成完整的纳米机电系统了。

第一个真正的纳米机器人仅仅在过去几年中才出现,并且只是实验性质的。

很多有趣的难题困扰着带有活动部分的纳米器件的装配。

一个至关重要的问题是摩擦和粘性,因为微型器件表面积比率更大。

表面效应—好的和坏的—变得比宏观器件更加重要。

如果值得做,这样的问题最终会被解决,但是现在它带给人们的是困难的技术挑战。

毫无疑问,科学界将会发展出更复杂的纳米机械以及类似人类尺度机械的纳米机械模型,但是在人类制造出适合任何实际用途的纳米器件之前,还有很长的一段路要走。

也没有任何理由认为纳米机械一定要和人类尺度机械相似。

这些系统能不能自我复制?目前,科学界还不知道如何制造可以自我复制的机器,无论是任何尺度或者任何类型。

根据最近的生物研究,科学家们知道了关于一个活的细胞最低水平的复杂程度,这个细胞可以维持自我复制:一个有300个基因的系统足以进行自我复制。

科学界还不清楚如何把这一数字转化成为我们熟悉的那种机械,也不清楚如何设计一个自我维持的自我复制机械。

人类仅仅向自我复制的纳米机械迈出了第一步。

核糖体按照RNA(紫色的)的信息制造蛋白质(金色的)。

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这类似于装配线上的焊接机器人。

另一个问题更加棘手。

哪里可以找到供纳米机械使用的动力?没有纳米尺度的电源插座。

细胞使用特定的化合物进行化学反应提供动力;纳米尺度机械相应的策略尚待发展。

能够自我复制的纳米机械如何贮存和使用信息?生物的策略是基于DNA的,它运行的很好,然而如果想使用一个不同的策略,科学界就不清楚如何入手了。

有“抓取和放置”钳子的装配工消除了装配纳米机械的困难,也通过忽略消除了自我复制的困难;假设有一台机器能够消除令人烦恼的装配方面的问题,它能够通过一个一个的放置原子从而合成物质和建造任何结构。

然而,在化学家来看,装配工似乎是行不通的。

这要考虑两个约束条件。

第一个是钳子,或者叫做装配工的爪子。

如果它们能够灵巧的抓取原子,那么它们就要比原子还小。

但是爪子只能是用原子构成的,而且要比它们“抓取和放置”的原子还要大。

(想象一下用你的手指制造一块精致的手表,而不借助任何工具)。

第二个是原子的本性。

原子,特别是碳原子,与相邻的碳原子紧密的结合。

当从某处拿走一个原子的时候需要能量(能量提供的问题),而把它安放的时候又会放出能量(冷却问题)。

更重要的是,一个碳原子几乎能与任何东西结合。

很难想象什么样的装配工的钳子从原料中取出原子的时候不会被粘住。

(想像一下用从另一只手表上拆下的零件装配你的手表,这些零件全都涂上了一层粘糊糊的胶水;如果你试图把零件分开,它们就会粘到你的手指上。

)
如果人类能制造一台纳米潜艇,它能工作吗?一个人类尺度的潜艇可以在水中自如的运动,依靠的是螺旋桨推进器—旋转的螺旋桨把水推向后方从而使潜艇前进—和控制方向的舵。

会游泳的细菌使用鞭毛结构,鞭毛看起来就像柔软的螺旋桨或者鞭子,但是能够起到类似于螺旋奖的功能。

水分子将会比纳米潜艇小,但是不会小的太多,并且在纳米尺度上它们的热运动是十分迅速的。

碰撞使一个纳米尺度的物体迅速的反弹(这个过程被称作布朗运动),但是方向是随机的;任何控制运动方向的企图将会被迅速运动的水分子无情的碰撞所粉碎。

纳米尺度的航海家需要适应布朗运动的风暴,这风暴可能撞毁他的船体。

对于大约100纳米的船,大多数航行的目的都要听天由命,因为小船几乎无法掌舵,在某种意义上如同纳米潜艇。

血流中的细胞—质量比纳米潜艇大10到100倍—不能控制自己的方向;它们仅仅是血流中翻斤斗。

一个纳米潜艇至多有希望选择一条大致的方向,但不会有特定的目的地。

不管人们是否可以制造或者控制纳米器件,它们都不适于探测疾病这种复杂的工作。

用“微型潜艇”探测和消灭体内患病细胞—诸如癌细胞—的部分策略应该着眼于寻找猎物。

为了这个目的,它们可能不得不模仿在我们体内运作的免疫系统的样子。

对于“正常”细胞、病原体细胞和癌细胞的识别是一个复杂的过程,这需要一整套免疫系统,包括组成它的数以十亿计的专门细胞。

癌细胞表面并没有标志表明它们是危险的。

在癌细胞的许多特征中,它们和正常细胞没有太大的区别。

充当癌细胞猎杀者的微型潜艇需要携带一套小小诊断实验室,因此实验室需要采样设备、试剂、反应容器和分析设备,它们的体积不会很小。

操作这些设备同样需要能量。

免疫系统的细胞使用与其他细胞相同的营养;微型潜艇也不得不这样做。

科学界信心百倍
微型机械最终将被制造出来,但是制造它们的策略以及它们的用途,仍然还在设计中。

生物学提供了一套超群的范例;在生物系统中,纳米机械确实存在,并且它们履行着格外复杂的功能。

令人惊奇的是,在这些纳米机械中应用的策略和人类尺度机械中应用的策略是如此的不同。

再考虑如何制造纳米机械的时候,科学界遇到了两条限制条件。

第一个是考虑已有的纳米机械—存在于细胞中的—并且研究它们。

毫无疑问可以从这些系统中得到概念和原理,从而能够制造出许多为我所用的纳米机械,以及具有崭新功能的纳米机械。

遗传工程正在沿这条路前进。

新型化学的发展或许使我们能够在没有蛋白质和核酸的分子系统中使用生物学的法则。

第二是从零开始独立发展全新类型的纳米系统。

生物学为功能纳米机械的制作和合成提供了一条实用的方法,我们没有理由相信不会存在别的方法。

但是这条道路将会非常艰难。

看看我们身边的机械,使用通常的方法制造它们的纳米版本,一般是不实际的,甚至在某些情况中是不可行的。

在纳米尺度上无法加工和焊接。

更不用说在液体里。

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装配工的梦想有着诱人的吸引力,它似乎可以解决一切困难。

但是吸引力是虚幻的,它更像一个吸引人的寓言而不是现实,与其等它解决问题,还不如期待奇迹出现。

考虑到许多建造和操作纳米机械的限制,似乎用于制造它们的新体系可能最终看起来更像旧的生物体系。

这将是一个令人吃惊的挑战,即我们是否能够超越进化的设计。

模拟最简单的细胞将是令人惊愕的成就。

生物纳米机械是尽头吗?它们是已有的最优化的结构吗?进化是否在所有的可能性中选出了最优的?对这个问题科学界还没找到答案。

哈佛大学的Jer em y R.Knowles断定,一种酶—磷酸丙糖异构酶,或者说TI M,是“完美”的;这意味着,没有任何其他的催化剂对于特定的化学反应比这种酶更有效。

对于大多数酶,以及比酶还要复杂的结构,科学界还没有找到替代物。

生物结构在水中运作,绝大多数的工作处于很狭窄的温度和盐浓度范围,它们通常不导电(尽管诸如叶绿体和线粒体会搬运周围的电子)。

它们不能执行二进制的计算和通信。

它们不是机械,因此,如果纳米机械要适应纳米生物环境,必须发明出很多功能。

那么人类能从灰色粘质导致的世界末日中学到什么呢?如果风险来自于纳米机械,那全是因为自我复制的能力。

为了自我复制,一个系统必须包含自我复制所需要的全部信息,并且从环境中收集用以获得能量和装配(复制品)的原料。

它还要能够加工和装配(或者允许装配)制造一个复制品所需的全部零件。

生物学解决了所有这些问题,并且自我复制的生物系统—从致病细菌到癌细胞—对人类是一种危险。

在计算机系统中,自我复制的比特串(计算机病毒),尽管不是物质实体,至少也有害,但是它对我们仅仅是间接的危险。

如果一个新的系统—任何系统—能够利用环境中的原料复制自我,它将会成为人们担心的理由。

但是科学界现在已经通过复制纳米生物系统得知我们能实现什么。

其实,使用装配工进行装配并不是一个可行的策略,因此也不必担心。

在可以预见的未来,人类不必害怕灰色粘质。

如果强大的自我复制微(或者纳米)结构最终产生了,它们将可能与像原始细菌那样的化学系统同样复杂。

任何这样的系统将是令人难以置信的成就和让人仔细评估的理由。

任何威胁将不会来自于失控的装配工,而是来自于不可思议的自我催化反应系统。

因此,生物学和化学而不是机械工程学的教科书,指出了科学界所寻求的答案所在的方向—并且这也表明人类关于生物体和失控的自我复制器件的担心是非常正当的。

在考虑自我复制系统以及“活”的系统时,科学家应该从生物学开始,生物学提供了在高度复杂性上成功的丰富设计和策略。

在解决一个难题的时候,拜倒在一个熟练的师傅的脚下学习是明智的,哪怕它们是鞭毛,不是脚。

“毁灭地球”的忧虑
未来学家K.R eic Dr exler提出,一种纳米机器没有与宏观物体的相似性。

它将是一种新型的机械—一种万用制造者。

它可以制造任何结构,包括它自身,通过原子尺度的“抓取和放置”;一套纳米尺度的钳子将会从环境中抓取单个原子,然后把它放在适当的位置。

Drexler的设想预示着社会将因为微型机械而永远改变,这些机械可以在几个小时内制造一台电视机或者一台电脑,而根本不花一分钱。

然而它也有危险的一面。

装配工自我复制的潜力导致了所谓的“灰色粘质”产生的可能性;无数的自我复制纳米装配工制造了无数它们自身的复制品,这个过程毁灭了地球。

说到毁灭地球:就某种意义来说,生物细胞的集合已经破坏了地球。

在生命出现之前,地球与今天的样子完全不同。

它的表面覆盖着无机矿石,它的大气富含二氧化碳。

生命迅速而彻底的改变了这个星球,它用微生物污染了原始的地表,植物和有机物就来源于它们。

它从大气中驱除了二氧化碳,注入了大量的氧气。

这是一个全面而彻底的变化。

细胞—分子纳米机械自我复制的集合—彻底改变了我们的行星的表面和大气。

我们通常不认为这种转变“毁坏了星球”,因为人类就是在这个环境中发展起来的,但是一个外部的观察者可能有不同的看法。

参考资料
[1]Go Forth And Replicate,作者Moshe Sipper和James A.Reggia,科学美国人,2001.08
[2]纳米机器人—分子仿生学新领域科技日报2001.04.29
[3]“纳米”将给医学带来什么?健康报,2001.10.26
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