納米技術(shù)在分子生物學(xué)中的應(yīng)用

納米技術(shù)在分子生物學(xué)中的應(yīng)用1第一頁，共十五頁，2022年，8月28日目錄1.何為納米生物技術(shù)

2.納米生物技術(shù)的研究方向

3.納米生物技術(shù)發(fā)展歷程

4.納米生物技術(shù)的應(yīng)用

5.納米生物技術(shù)的展望2第二頁，共十五頁，2022年，8月28日在最近的十年中,隨著納米材料在癌癥治療、細(xì)胞顯影和疾病檢測方面的應(yīng)用,由此誕生了一個(gè)新的領(lǐng)域———生物納米技術(shù)。生物納米技術(shù)是指在納米尺度上認(rèn)識(shí)生物分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)和功能之間的聯(lián)系,并在此基礎(chǔ)上按研究者的意愿組合、裝配,創(chuàng)造出滿足人們意愿并行使特定功能的生物納米機(jī)器?！凹{米蜘蛛”機(jī)器人3第三頁，共十五頁，2022年，8月28日從宏觀世界到微觀世界4第四頁，共十五頁，2022年，8月28日納米生物技術(shù)研究方向主要研究方向：1、新型生物熒光探針：研究與開發(fā)基于功能納米材料(如量子點(diǎn)、硅納米微球等)的新型熒光標(biāo)記物，用于目標(biāo)生物分子(如蛋白、核酸等)的靶向標(biāo)記與細(xì)胞成像，為分子細(xì)胞生物學(xué)的研究提供新方法2、新型納米生物傳感器：研究與開發(fā)基于功能納米材料(如硅納米線、硅納米微球等)的生物傳感器和功能納米器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)生物分子的高靈敏度和高特異性檢測，為重大疾病、傳染病及遺傳病的早期診斷提供新技術(shù)；3、新型納米藥物載體：研究與開發(fā)基于低生物毒性、低免疫原性、高生物相容性的功能納米材料，并將其與生物分子(如短肽、蛋白等)結(jié)合，發(fā)展高效、安全、高靶向性、可控的納米藥物載體及基因治療載體。5第五頁，共十五頁，2022年，8月28日納米生物技術(shù)發(fā)展歷程納米技術(shù)的概念最初是由美國諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者R.Feynman于1959年提出，20世紀(jì)70年代后期E.Drexler教授提倡研究納米技術(shù)，直到1982年，美國公司成功研制出具有原子分辨能力的掃描隧道顯微鏡后，納米技術(shù)才得以初次曝光。在此之后，關(guān)于納米技術(shù)就成了科學(xué)界研究的大熱門，而且不斷有新成果出現(xiàn)，得到了快速發(fā)展。納米生物技術(shù)是納米技術(shù)的核心研究領(lǐng)域，各國政府對(duì)此投入相當(dāng)大，尤其是美國，在2005~2008年間就投入37億美元以促進(jìn)納米技術(shù)的研究開發(fā)。全球各大經(jīng)濟(jì)體紛紛以增強(qiáng)納米技術(shù)優(yōu)勢來增強(qiáng)其競爭力。中國開始研究的時(shí)間基本上與國際上同步，并取得了較大的成果。國家十五863計(jì)劃開設(shè)了”納米生物技術(shù)”專題課程。2003年2月衛(wèi)生部納米生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中南大學(xué)掛牌成立。2003年7月在湖南長沙召開了國家科技部863高技術(shù)生物工程與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略會(huì)議，對(duì)我國納米生物技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行了專門研討。極大的促進(jìn)了我國納米生物技術(shù)的發(fā)展。6第六頁，共十五頁，2022年，8月28日生物納米技術(shù)的應(yīng)用1.QDs的生物標(biāo)記、成像技術(shù)最近,國外科學(xué)家Kim等最近研制出了一種多聚復(fù)合納米顆粒(NPs),可用于癌細(xì)胞的檢測：①以一種可降解生物多聚物(PLGA)作為基質(zhì),將化學(xué)治療藥物(阿霉素)以納米顆粒的形式納入到了聚合納米顆?；|(zhì)當(dāng)中；②將CdSe/Zns半導(dǎo)體量子點(diǎn)或超順磁性的納米晶體四氧化三鐵嵌入該基質(zhì)中；③通過聚乙二醇基團(tuán)將對(duì)癌細(xì)胞有靶向作用的葉酸連接到被修飾的PLAG上,構(gòu)成了一個(gè)完整的NPs；④在癌細(xì)胞上有過量表達(dá)的葉酸受體,連有葉酸的NPs通過抗原抗體結(jié)合反應(yīng)偵查到癌細(xì)胞并進(jìn)行光學(xué)成像,可以通過核磁共振和熒光成像來觀察抗原抗體的結(jié)合進(jìn)而對(duì)癌細(xì)胞進(jìn)行監(jiān)測。同時(shí),通過四氧化三鐵的磁導(dǎo)作用將阿霉素運(yùn)輸?shù)桨┘?xì)胞附近,殺死癌細(xì)胞。7第七頁，共十五頁，2022年，8月28日2.復(fù)合無機(jī)納米材料的應(yīng)用

美國科學(xué)家正在研制一種“黃金”米條”，這種能在血液中流動(dòng)的納米條可能會(huì)幫助醫(yī)生發(fā)現(xiàn)機(jī)體的癌變器官?？茖W(xué)家將黃金納米條注射到老鼠體內(nèi)，然后用比可見光波長稍長的激光束照射老鼠的耳朵，當(dāng)納米條在老鼠血管中移動(dòng)時(shí)，金色微粒就會(huì)發(fā)出比常規(guī)成像設(shè)備中使用的熒光染料亮度近60倍的熒光，跟蹤這些閃光棒路徑的新型成像系統(tǒng)就能生成比目前成像設(shè)備更清晰的圖片?！包S金納米條”可能會(huì)在剛顯現(xiàn)出的癌癥和腫瘤等“麻煩”區(qū)域活動(dòng)。黃金納米顆粒黃金納米顆粒在血管中黃金是制作造影劑的上等材料，因?yàn)樗芊€(wěn)定地發(fā)出熒光，從生物化學(xué)方面講屬于惰性物質(zhì)，它對(duì)人體安全?？茖W(xué)家已進(jìn)一步完善這種透析技術(shù)，準(zhǔn)確控制納米條的生長。同時(shí)，對(duì)成像設(shè)備的控制對(duì)成像進(jìn)程至關(guān)重要，因?yàn)闆Q定光頻率的納米條的比例將促使它們發(fā)光。只有使用合適的光頻率才有可能使納米條順利在皮膚中穿行8第八頁，共十五頁，2022年，8月28日3.納米藥物輸運(yùn)

納米微粒藥物輸送技術(shù)也是重要發(fā)展方向之一。目前，有半數(shù)以上的新藥存在溶解和吸收的問題。863計(jì)劃項(xiàng)目“納米藥物制劑的生物效應(yīng)研究”，當(dāng)藥物顆?？s小時(shí)，藥物與胃腸道液體的有效接觸面積將增加，藥物的溶解速率隨藥物顆粒尺度的縮小而提高。利用納米晶體技術(shù)將藥物顆粒轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米粒子，提高溶解性和難溶性藥物的藥效率。同時(shí)，納米藥物制劑的賦形劑在胃腸道中起表面活性劑的作用，也提高了納米藥物顆粒的溶解率。一旦，不溶性藥物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米顆粒，就適合于口服或者注射了。9第九頁，共十五頁，2022年，8月28日4.捕獲病毒的納米陷阱

密西根大學(xué)的DonaldTomalia等已經(jīng)用樹形聚合物發(fā)展了能夠捕獲病毒的納米陷阱。體外實(shí)驗(yàn)表明納米陷阱能夠在流感病毒感染細(xì)胞之前就捕獲它們，同樣的方法期望用于捕獲類似愛滋病病毒等更復(fù)雜的病毒。此納米陷阱使用的是超小分子，此分子能夠在病毒進(jìn)入細(xì)胞致病前即與病毒結(jié)合，使病毒喪失致病的能力。通俗地講，人體細(xì)胞表面裝備著含硅鋁酸成分的"鎖"，只準(zhǔn)許持"鑰匙"者進(jìn)入。不幸的是，病毒竟然有硅鋁酸受體"鑰匙"。Tomalia的方法是把能夠與病毒結(jié)合的硅鋁酸位點(diǎn)覆蓋在陷阱細(xì)胞表面。當(dāng)病毒結(jié)合到陷阱細(xì)胞表面，就無法再感染人體細(xì)胞了。陷阱細(xì)胞由外殼、內(nèi)腔和核三部分組成。內(nèi)腔可充填藥物分子；將來有可能裝上化療藥物，直接送到腫瘤上。研究者希望發(fā)展針對(duì)各種致病病毒的特殊陷阱細(xì)胞和用于醫(yī)療的陷阱細(xì)胞庫。10第十頁，共十五頁，2022年，8月28日5.生物芯片上的應(yīng)用DNA芯片又稱為寡核苷酸陣列或雜交陣列分析，它是根據(jù)DNA雙螺旋原理而發(fā)展的核酸鏈間分子雜交的技術(shù)。實(shí)際上，DNA芯片是一種特殊的分子操縱，即將DNA子片段集約固化在固體表面上以構(gòu)成DNA芯片，是一種儲(chǔ)存和處理生命信息的新概念。它的基本結(jié)構(gòu)類似于面陣型蛋白質(zhì)芯片，在芯片表面能夠制備成千上萬的基因單元作為配體，對(duì)待測基因進(jìn)行篩選。待測基因通過PCR擴(kuò)增技術(shù)得到數(shù)量放大，再進(jìn)行熒光標(biāo)記，使其在篩選過程中產(chǎn)生可識(shí)別的熒光發(fā)射或光譜轉(zhuǎn)移。此熒光信號(hào)被熒光顯微鏡檢出，達(dá)到基因識(shí)別的目的。將已知的DNA和未知的核酸序列之間的一方以有序的陣列固定到載玻片或硅片上，再與熒光標(biāo)記的另一方進(jìn)行雜交。當(dāng)熒光標(biāo)記的一方在DNA芯片上發(fā)現(xiàn)互補(bǔ)序列時(shí)即發(fā)生雜交，雜交的結(jié)果以熒光和模式識(shí)別分析來檢測。DNA芯片技術(shù)可以快速分析大量的基因信息，從而使生物醫(yī)學(xué)工作者可以研究并收集基因表達(dá)和變異信息。

研究蛋白相互作用的芯片ProteinG、p50和FRB等三種蛋白分別以點(diǎn)狀陣列固定到玻片上。三種探針分別與三種蛋白發(fā)生特異性相互作用。D表示無任何探針的狀態(tài)。11第十一頁，共十五頁，2022年，8月28日DNA芯片還可用于監(jiān)測不同的人體細(xì)胞和組織基因表達(dá)，以檢測癌癥或其它疾病所對(duì)應(yīng)的基因的變化。隨著DNA芯片及雜交技術(shù)的發(fā)展，DNA芯片將有可能直接應(yīng)用于臨床診斷，藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。基因表達(dá)的微陣列圖：以兩種顏色的熒光標(biāo)記來自于兩種細(xì)胞的樣品，雜交后，對(duì)微陣列的每一位點(diǎn)進(jìn)行熒光掃描。每一位點(diǎn)的光強(qiáng)度正比于它所結(jié)合的熒光cDNA的量。光強(qiáng)越強(qiáng)，樣品中該基因的表達(dá)水平越高。如微陣列的位點(diǎn)無熒光，說明兩種細(xì)胞均不表達(dá)該基因。如某一位點(diǎn)顯示一種熒光，說明該標(biāo)記的基因只在此細(xì)胞樣品中表達(dá)。同一位點(diǎn)顯示兩種熒光，說明該基因在兩種細(xì)胞樣品中均表達(dá)。12第十二頁，共十五頁，2022年，8月28日6.納米機(jī)器人納米技術(shù)與分子生物學(xué)的結(jié)合將開創(chuàng)分子仿生學(xué)新領(lǐng)域。“納米機(jī)器人”是根據(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”。模擬酶機(jī)器人：酶是生物催化劑，生命過程的每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)都有一個(gè)相應(yīng)的酶進(jìn)行催化，所以生命現(xiàn)象就是成千上萬個(gè)在功能上有相互協(xié)調(diào)關(guān)系的酶分子井然有序地表現(xiàn)催化功能的結(jié)果。生物體內(nèi)的酶所催化的反應(yīng)幾乎涵蓋了自然界所有的化學(xué)反應(yīng)類型。因此，模擬酶分子制造納米機(jī)器人用于凈化環(huán)境和對(duì)工業(yè)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行催化是一個(gè)巨大的潛在生長力?！吧飳?dǎo)彈”機(jī)器人：生物導(dǎo)彈模仿膜囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)的功能，它把不能分辨好壞細(xì)胞的抗癌藥物包裹在脂微囊中，并在微囊表面植入一種專門與癌細(xì)胞結(jié)合的標(biāo)記分子。如此設(shè)計(jì)的生物導(dǎo)彈，就是在血液中或細(xì)胞間隙游走的納米機(jī)器人，以便專門清除血管壁上沉積物，減少心血管疾病的發(fā)病率；它一旦遇到癌細(xì)胞就會(huì)抓住不放并鉆入細(xì)胞中釋放抗癌藥物殺死癌細(xì)胞。13第十三頁，共十五頁，2022年，8月28日生物納米技術(shù)前景展望納米生物技術(shù)是國際生物技術(shù)領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)問題，在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和明確的產(chǎn)業(yè)化前景，特別是納米藥物載體、納米生物傳感器和成像技術(shù)以及微型智能化醫(yī)療器械等，將在疾病的診斷、治療和衛(wèi)生保健方面發(fā)揮重要作用。

藥物和基因納米載體材料將帶來醫(yī)學(xué)變革，將給惡性腫瘤、糖尿病和老年性癡呆甚至艾滋病等疾病的治療帶來革命性