纳米技术在分子生物学中的应用

1、纳米技术在分子生物学中的应用1第1页，共15页，2022年，5月20日，10点2分，星期二目 录1.何为纳米生物技术 2.纳米生物技术的研究方向 3.纳米生物技术发展历程 4.纳米生物技术的应用 5.纳米生物技术的展望2第2页，共15页，2022年，5月20日，10点2分，星期二在最近的十年中,随着纳米材料在癌症治疗、细胞显影和疾病检测方面的应用,由此诞生了一个新的领域生物纳米技术。生物纳米技术是指在纳米尺度上认识生物分子的精细结构和功能之间的联系,并在此基础上按研究者的意愿组合、装配,创造出满足人们意愿并行使特定功能的生物纳米机器。“纳米蜘蛛”机器人3第3页，共15页，2022年，5月20日

2、，10点2分，星期二从宏观世界到微观世界4第4页，共15页，2022年，5月20日，10点2分，星期二纳米生物技术研究方向主要研究方向：1、新型生物荧光探针：研究与开发基于功能纳米材料(如量子点、硅纳米微球等)的新型荧光标记物，用于目标生物分子(如蛋白、核酸等) 的靶向标记与细胞成像，为分子细胞生物学的研究提供新方法 2、新型纳米生物传感器：研究与开发基于功能纳米材料(如硅纳米线、硅纳米微球等) 的生物传感器和功能纳米器件，实现对目标生物分子的高灵敏度和高特异性检测，为重大疾病、传染病及遗传病的早期诊断提供新技术； 3、新型纳米药物载体：研究与开发基于低生物毒性、低免疫原性、高生物相容性的功能

3、纳米材料，并将其与生物分子(如短肽、蛋白等)结合，发展高效、安全、高靶向性、可控的纳米药物载体及基因治疗载体。 5第5页，共15页，2022年，5月20日，10点2分，星期二纳米生物技术发展历程 纳米技术的概念最初是由美国诺贝尔物理奖获得者R.Feynman于1959年提出，20世纪70年代后期E.Drexler教授提倡研究纳米技术，直到1982年，美国公司成功研制出具有原子分辨能力的扫描隧道显微镜后，纳米技术才得以初次曝光。在此之后，关于纳米技术就成了科学界研究的大热门，而且不断有新成果出现，得到了快速发展。纳米生物技术是纳米技术的核心研究领域，各国政府对此投入相当大，尤其是美国，在2005

4、2008年间就投入37亿美元以促进纳米技术的研究开发。全球各大经济体纷纷以增强纳米技术优势来增强其竞争力。中国开始研究的时间基本上与国际上同步，并取得了较大的成果。国家十五863计划开设了”纳米生物技术”专题课程。2003年2月卫生部纳米生物技术重点实验室在中南大学挂牌成立。2003年7月在湖南长沙召开了国家科技部863高技术生物工程与现代农业发展战略会议，对我国纳米生物技术的未来发展进行了专门研讨。极大的促进了我国纳米生物技术的发展。6第6页，共15页，2022年，5月20日，10点2分，星期二生物纳米技术的应用1.QDs的生物标记、成像技术 最近,国外科学家Kim等最近研制出了一种多聚复合

5、纳米颗粒(NPs),可用于癌细胞的检测：以一种可降解生物多聚物(PLGA)作为基质,将化学治疗药物(阿霉素)以纳米颗粒的形式纳入到了聚合纳米颗粒基质当中；将CdSe/Zns半导体量子点或超顺磁性的纳米晶体四氧化三铁嵌入该基质中；通过聚乙二醇基团将对癌细胞有靶向作用的叶酸连接到被修饰的PLAG上,构成了一个完整的NPs；在癌细胞上有过量表达的叶酸受体,连有叶酸的NPs通过抗原抗体结合反应侦查到癌细胞并进行光学成像,可以通过核磁共振和荧光成像来观察抗原抗体的结合进而对癌细胞进行监测。同时,通过四氧化三铁的磁导作用将阿霉素运输到癌细胞附近,杀死癌细胞。7第7页，共15页，2022年，5月20日，10

6、点2分，星期二2.复合无机纳米材料的应用 美国科学家正在研制一种“黄金”米条”，这种能在血液中流动的纳米条可能会帮助医生发现机体的癌变器官。 科学家将黄金纳米条注射到老鼠体内，然后用比可见光波长稍长的激光束照射老鼠的耳朵，当纳米条在老鼠血管中移动时，金色微粒就会发出比常规成像设备中使用的荧光染料亮度近60倍的荧光，跟踪这些闪光棒路径的新型成像系统就能生成比目前成像设备更清晰的图片。“黄金纳米条”可能会在刚显现出的癌症和肿瘤等“麻烦”区域活动。黄金纳米颗粒黄金纳米颗粒在血管中黄金是制作造影剂的上等材料，因为它能稳定地发出荧光，从生物化学方面讲属于惰性物质，它对人体安全。科学家已进一步完善这种透析

7、技术，准确控制纳米条的生长。同时，对成像设备的控制对成像进程至关重要，因为决定光频率的纳米条的比例将促使它们发光。只有使用合适的光频率才有可能使纳米条顺利在皮肤中穿行8第8页，共15页，2022年，5月20日，10点2分，星期二3.纳米药物输运 纳米微粒药物输送技术也是重要发展方向之一。目前，有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题。863计划项目“纳米药物制剂的生物效应研究”，当药物颗粒缩小时，药物与胃肠道液体的有效接触面积将增加，药物的溶解速率随药物颗粒尺度的缩小而提高。利用纳米晶体技术将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，提高溶解性和难溶性药物的药效率。同时，纳米药物制剂的赋形剂在胃肠道中起表面活

8、性剂的作用，也提高了纳米药 物颗粒的溶解率。一旦，不溶性药 物转变成稳定的纳米颗粒，就适合 于口服或者注射了。9第9页，共15页，2022年，5月20日，10点2分，星期二4.捕获病毒的纳米陷阱 密西根大学的Donald Tomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕获病毒的纳米陷阱。体外实验表明纳米陷阱能够在流感病毒感染细胞之前就捕获它们，同样的方法期望用于捕获类似爱滋病病毒等更复杂的病毒。此纳米陷阱使用的是超小分子，此分子能够在病毒进入细胞致病前即与病毒结合，使病毒丧失致病的能力。通俗地讲，人体细胞表面装备着含硅铝酸成分的锁，只准许持钥匙者进入。不幸的是，病毒竟然有硅铝酸受体钥匙。Tomal

9、ia的方法是把能够与病毒结合的硅铝酸位点覆盖在陷阱细胞表面。当病毒结合到陷阱细胞表面，就无法再感染人体细胞了。陷阱细胞由外壳、内腔和核三部分组成。内腔可充填药物分子；将来有可能装上化疗药物，直接送到肿瘤上。研究者希望发展针对各种致病病毒的特殊陷阱细胞和用于医疗的陷阱细胞库。 10第10页，共15页，2022年，5月20日，10点2分，星期二5.生物芯片上的应用 DNA芯片又称为寡核苷酸阵列或杂交阵列分析，它是根据DNA双螺旋原理而发展的核酸链间分子杂交的技术。实际上，DNA芯片是一种特殊的分子操纵，即将DNA子片段集约固化在固体表面上以构成DNA芯片，是一种储存和处理生命信息的新概念。它的基本

10、结构类似于面阵型蛋白质芯片，在芯片表面能够制备成千上万的基因单元作为配体，对待测基因进行筛选。待测基因通过PCR扩增技术得到数量放大，再进行荧光标记，使其在筛选过程中产生可识别的荧光发射或光谱转移。此荧光信号被荧光显微镜检出，达到基因识别的目的。将已知的DNA和未知的核酸序列之间的一方以有序的阵列固定到载玻片或硅片上，再与荧光标记的另一方进行杂交。当荧光标记的一方在DNA芯片上发现互补序列时即发生杂交，杂交的结果以荧光和模式识别分析来检测。DNA芯片技术可以快速分析大量的基因信息，从而使生物医学工作者可以研究并收集基因表达和变异信息。 研究蛋白相互作用的芯片 Protein G、p50和FRB

11、等三种蛋白分别以点状阵列固定到玻片上。三种探针分别与三种蛋白发生特异性相互作用。D表示无任何探针的状态。11第11页，共15页，2022年，5月20日，10点2分，星期二DNA芯片还可用于监测不同的人体细胞和组织基因表达，以检测癌症或其它疾病所对应的基因的变化。随着DNA芯片及杂交技术的发展，DNA芯片将有可能直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。 基因表达的微阵列图：以两种颜色的荧光标记来自于两种细胞的样品，杂交后，对微阵列的每一位点进行荧光扫描。每一位点的光强度正比于它所结合的荧光cDNA的量。光强越强，样品中该基因的表达水平越高。如微阵列的位点无荧光，说明两种细胞均不表达该基因。如

12、某一位点显示一种荧光，说明该标记的基因只在此细胞样品中表达。同一位点显示两种荧光，说明该基因在两种细胞样品中均表达。12第12页，共15页，2022年，5月20日，10点2分，星期二6.纳米机器人 纳米技术与分子生物学的结合将开创分子仿生学新领域。 “纳米机器人”是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”。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。生物体内的酶所催化的反应几乎涵盖了自然界所有的化学反应类型。因此，模拟酶分子制造纳

13、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长力。 “生物导弹”机器人：生物导弹模仿膜囊泡转运蛋白质的功能，它把不能分辨好坏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。13第13页，共15页，2022年，5月20日，10点2分，星期二生物纳米技术前景展望 纳米生物技术是国际生物技术领域的前沿和热点问题，在医药卫生领域有着广泛的应用和明确的产业化前景，特别是纳米药物载体、纳米生物传感器和成像技术以及微型智能化医疗器械等，将在疾病的诊断、治疗和卫生保健方面发挥重要作用。 药物和基因纳米载体材料将带来医学变革，将给恶性肿瘤、糖尿病和