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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