納米技術(shù)在分子生物學中的應用

1、納米技術(shù)在分子生物學中的應用1第1頁，共15頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二目 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)的應用 5.納米生物技術(shù)的展望2第2頁，共15頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二在最近的十年中,隨著納米材料在癌癥治療、細胞顯影和疾病檢測方面的應用,由此誕生了一個新的領(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識生物分子的精細結(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器。“納米蜘蛛”機器人3第3頁，共15頁，2022年，5月20日

2、，10點2分，星期二從宏觀世界到微觀世界4第4頁，共15頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二納米生物技術(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、硅納米微球等)的新型熒光標記物，用于目標生物分子(如蛋白、核酸等) 的靶向標記與細胞成像，為分子細胞生物學的研究提供新方法 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，實現(xiàn)對目標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

3、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5頁，共15頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二納米生物技術(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獲得者R.Feynman于1959年提出，20世紀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，各國政府對此投入相當大，尤其是美國，在2005

4、2008年間就投入37億美元以促進納米技術(shù)的研究開發(fā)。全球各大經(jīng)濟體紛紛以增強納米技術(shù)優(yōu)勢來增強其競爭力。中國開始研究的時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)重點實驗室在中南大學掛牌成立。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)略會議，對我國納米生物技術(shù)的未來發(fā)展進行了專門研討。極大的促進了我國納米生物技術(shù)的發(fā)展。6第6頁，共15頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二生物納米技術(shù)的應用1.QDs的生物標記、成像技術(shù) 最近,國外科學家Kim等最近研制出了一種多聚復合

5、納米顆粒(NPs),可用于癌細胞的檢測：以一種可降解生物多聚物(PLGA)作為基質(zhì),將化學治療藥物(阿霉素)以納米顆粒的形式納入到了聚合納米顆?；|(zhì)當中；將CdSe/Zns半導體量子點或超順磁性的納米晶體四氧化三鐵嵌入該基質(zhì)中；通過聚乙二醇基團將對癌細胞有靶向作用的葉酸連接到被修飾的PLAG上,構(gòu)成了一個完整的NPs；在癌細胞上有過量表達的葉酸受體,連有葉酸的NPs通過抗原抗體結(jié)合反應偵查到癌細胞并進行光學成像,可以通過核磁共振和熒光成像來觀察抗原抗體的結(jié)合進而對癌細胞進行監(jiān)測。同時,通過四氧化三鐵的磁導作用將阿霉素運輸?shù)桨┘毎浇?殺死癌細胞。7第7頁，共15頁，2022年，5月20日，10

6、點2分，星期二2.復合無機納米材料的應用 美國科學家正在研制一種“黃金”米條”，這種能在血液中流動的納米條可能會幫助醫(yī)生發(fā)現(xiàn)機體的癌變器官。 科學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，當納米條在老鼠血管中移動時，金色微粒就會發(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”可能會在剛顯現(xiàn)出的癌癥和腫瘤等“麻煩”區(qū)域活動。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，因為它能穩(wěn)定地發(fā)出熒光，從生物化學方面講屬于惰性物質(zhì)，它對人體安全?？茖W家已進一步完善這種透析

7、技術(shù)，準確控制納米條的生長。同時，對成像設(shè)備的控制對成像進程至關(guān)重要，因為決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8頁，共15頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二3.納米藥物輸運 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計劃項目“納米藥物制劑的生物效應研究”，當藥物顆?？s小時，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，納米藥物制劑的賦形劑在胃腸道中起表面活

8、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9頁，共15頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二4.捕獲病毒的納米陷阱 密西根大學的Donald Tomalia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。體外實驗表明納米陷阱能夠在流感病毒感染細胞之前就捕獲它們，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入細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，人體細胞表面裝備著含硅鋁酸成分的鎖，只準許持鑰匙者進入。不幸的是，病毒竟然有硅鋁酸受體鑰匙。Tomal

9、ia的方法是把能夠與病毒結(jié)合的硅鋁酸位點覆蓋在陷阱細胞表面。當病毒結(jié)合到陷阱細胞表面，就無法再感染人體細胞了。陷阱細胞由外殼、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)展針對各種致病病毒的特殊陷阱細胞和用于醫(yī)療的陷阱細胞庫。 10第10頁，共15頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二5.生物芯片上的應用 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，是一種儲存和處理生命信息的新概念。它的基本

10、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，對待測基因進行篩選。待測基因通過PCR擴增技術(shù)得到數(shù)量放大，再進行熒光標記，使其在篩選過程中產(chǎn)生可識別的熒光發(fā)射或光譜轉(zhuǎn)移。此熒光信號被熒光顯微鏡檢出，達到基因識別的目的。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，再與熒光標記的另一方進行雜交。當熒光標記的一方在DNA芯片上發(fā)現(xiàn)互補序列時即發(fā)生雜交，雜交的結(jié)果以熒光和模式識別分析來檢測。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)學工作者可以研究并收集基因表達和變異信息。 研究蛋白相互作用的芯片 Protein G、p50和FRB

11、等三種蛋白分別以點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11頁，共15頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二DNA芯片還可用于監(jiān)測不同的人體細胞和組織基因表達，以檢測癌癥或其它疾病所對應的基因的變化。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用于臨床診斷，藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。 基因表達的微陣列圖：以兩種顏色的熒光標記來自于兩種細胞的樣品，雜交后，對微陣列的每一位點進行熒光掃描。每一位點的光強度正比于它所結(jié)合的熒光cDNA的量。光強越強，樣品中該基因的表達水平越高。如微陣列的位點無熒光，說明兩種細胞均不表達該基因。如

12、某一位點顯示一種熒光，說明該標記的基因只在此細胞樣品中表達。同一位點顯示兩種熒光，說明該基因在兩種細胞樣品中均表達。12第12頁，共15頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二6.納米機器人 納米技術(shù)與分子生物學的結(jié)合將開創(chuàng)分子仿生學新領(lǐng)域。 “納米機器人”是根據(jù)分子水平的生物學原理為設(shè)計原型，設(shè)計制造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”。模擬酶機器人 ：酶是生物催化劑，生命過程的每一個化學反應都有一個相應的酶進行催化，所以生命現(xiàn)象就是成千上萬個在功能上有相互協(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)的酶所催化的反應幾乎涵蓋了自然界所有的化學反應類型。因此，模擬酶分子制造納

13、米機器人用于凈化環(huán)境和對工業(yè)化學反應進行催化是一個巨大的潛在生長力。 “生物導彈”機器人：生物導彈模仿膜囊泡轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)的功能，它把不能分辨好壞細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胞結(jié)合的標記分子。如此設(shè)計的生物導彈，就是在血液中或細胞間隙游走的納米機器人，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；它一旦遇到癌細胞就會抓住不放并鉆入細胞中釋放抗癌藥物殺死癌細胞。13第13頁，共15頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二生物納米技術(shù)前景展望 納米生物技術(shù)是國際生物技術(shù)領(lǐng)域的前沿和熱點問題，在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域有著廣泛的應用和明確的產(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)學變革，將給惡性腫瘤、糖尿病和