纳米技术在分子生物学和生物化学中的应用Word文档下载推荐.docx

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通过查阅相关文献，本文主要对生物纳米材料的研究进行了综述，并列举了纳米技术在生物化学和分子生物学的一些具体应用。

关键词纳米技术生物化学分子生物学生物纳米材料

前言

很多生物现象发生在纳米水平。

核酸与蛋白质是执行生命功能的重要纳米成分，是最好的天然生物纳米材料。

这些成分相互作用编织了一个复杂的、完美的生物世界[1]。

生物纳米材料可分为4类：

（1）天然纳米材料；

（2）生物仿生与人工合成的纳米材料；

（3）智能纳米复合材料；

（4）合成的纳米材料与活细胞形成的复合材料或组织工程纳米材料[1]。

随着人类工业化进程的加剧，环境中重金属的含量不断增加，导致环境质量恶化，造成重金属污染。

重金属污染给人类健康带来了极大的危害，不仅导致身体紊乱，还毁坏器官功能，重者甚至对生命产生威胁。

因此，对环境中重金属的检测就显得尤为重要[2]。

中国科技大学的硕士黄婧和导师曾令文的《用于检测铜离子和汞离子的核酸纳米金传感器的研究》一文就介绍了关于纳米传感器测铜离子和汞离子的方法。

近年来，纳米材料与生物检测技术的结合，使得生物分子的检测有了重要的发展，这一交叉学科现已成为生物分析领域最具活力的研究方向[3]。

东南大学生物科学与医学工程系的陈扬和陆祖宏的《生物分子的纳米粒子标记和检测技术》对生物分子的纳米粒子标记和检测技术的原理和应用作了详细的介绍。

随着纳米科技的兴起,纳米金粒子以其独特的光学、电学性质在许多领域表现出潜在的应用价值,引起了人们浓厚的研究兴趣。

由于不存在内源酶干扰及放射性同位素污染等问题，纳米金粒子作为标记物或显色剂应用于免疫诊断和免疫分析中，逐渐取代传统的三大标记技术，也逐渐有取代酶联免疫分析等检测方法的趋势[4]。

上海交通大学硕士敖丽梅在其硕士学位论文《纳米金粒子的制备及其在免疫分析中的应用》中，利用纳米金粒子的光学性能和荧光淬灭性能，建立两种新颖的免疫分析方法，即免疫纳米金凝集分光光度法和荧光淬灭分析法，检测两种常用的肿瘤标志物即癌胚抗原和甲胎蛋白，应用于疾病的诊断[4]。

由于细胞的尺寸在数微米到数十微米之间,应用微纳米技术可以精细地调控细胞微观环境[5]。

国家纳米科学中心的王栋，张伟和蒋兴宇的《用表面微纳米技术研究细胞水平的生物力学》[5]一文介绍了作者所在的实验小组近年来在用表面微纳米技术研究细胞生物学方面取得的进展。

厦门大学黄菊的硕士论文《铝酞菁杂化纳米粒子的制备应用及其生物安全性的初步研究》[6]则又是纳米材料在生物化学方面应用的又一例。

袁飞，王树斌等结合肿瘤的分子靶向技术和纳米技术，制备出一种新的具有靶向作用的纳米载体，以达到对肿瘤更好靶向作用的目的。

制备了表皮生长因子偶联牛血清白蛋白纳米载体，联合核素标记的c-erbB2反义寡脱氧核苷酸，体外观察乐人乳腺癌SK-BR3细胞对其摄取情况[7]。

NadrianC.Seeman的BiochemistryandStructuralDNANanotechnology:

 AnEvolvingSymbioticRelationship[8]一文对纳米技术在基因工程方面的应用做了综述。

1生物纳米材料的进展

1.1生物芯片材料

生物芯片是一个正在发展中的技术，对遗传诊断、药物发现及基础研究等方面具有重大影响，它的发展取决于生物纳米材料。

它的主要进展包括两方面：

一方面是纳米复合材料在生物芯片制备方面的应用，增强核酸、蛋白质与片基之间静态与动态的粘附力，促进小型化、高分辨率与多功能[1].

1.2纳米生物仿生材料

纳米仿生材料的研究集中在力学形变、微结构与功能方面。

阐明生物纳米材料的生化过程、力学形变与运动规律有助于生物仿生材料的设计与制造[1]。

1.3生物纳米马达

生物马达分子也称作纳米机器。

它们在肌肉收缩，细胞移动、分化，囊泡转运，信号转导，DNA复制、卷曲与翻译方面起着重要作用。

马达分子主要分为actin网络、Kinesin与dynein超家族和与ABC相互作用的蛋白质。

通过ATP水解，化学能被转化为机械能，导致马达分子构像发生改变，引起马达分子运动[1]。

1.3.1actin网络

actin网络在细胞运动中起协同作用。

actin结合蛋白的结构与它们在细胞运动期间对细胞骨架的调节作用目前已有很多研究。

通过研究已证实了细胞的力学行为具有惊人的抗突变能力。

3个actin调节蛋白被敲除，并不改变细胞形状及细胞运动等表现型行为。

这种现象可以用弹性原理来解释，因为交联部分的敲除使得actin网络软化可通过F-actin功能增强与整体体积减少来补偿。

1.3.2Kinesin马达

Kinesin是一个线状的两个头的马达，通过在细胞内沿着微管移动囊泡而发挥转运作用。

Kinesin的每个头由一个带有CI7结合结构域的重链与带有运动囊泡的轻链组成。

两个轻链形成卷曲螺旋的劲部区域。

Kinesin分子沿着微管每移动一步，距离是8nm，同时消耗一个ATP分子水解提供的能量。

大约5—PN的机械力可阻止Kinesin分子的移动。

Kinesin的运动率随着应用负荷的增加而呈线性减少。

Kinesin的两个tubulin结合区域正常隔开约5nm，要取得超过8nm的距离的距离，其构像必须有大的改变。

Kinesin劲部的绞链区域一旦与CI7结合，即可出现构像改变，协助一个头粘附于微管，另一个头在ATP水解能量的驱动下，向前移动16nm。

Kinesin的8nm的力学距离产生的机制以及劲部绞链构像改变与ATP水解释放焦磷酸相联结的机制至今仍不清楚。

1.3.3Myosin马达

Myosin是一个两头线性马达，在骨骼与平滑肌内部的actin与Myosin细丝之间产生滑动。

。

早期报道Myosin平均每次滑动的移动距离是11nm，产生的力大约为4pN。

目前有研究证实骨骼肌Myosin移动距离只有4nm，平滑肌Myosin移动距离只有7nm，这4-11nm的每步距离与Myosin工作行程相关。

Myosin构像的改变怎样与ATP水解及与actin结合的机理仍然有待研究。

1.3.4ATP合酶

ATP合酶是世界上最小的马达蛋白，包括一个跨膜成分F0，构成质子通道；

一个可溶性成分，F1—ATPase包含催化位点。

ATP合酶既能利用ATP水解对抗电化学梯度，使质子穿过生物膜，又能利用来自跨膜质子梯度的能量（利用ADP与焦磷酸）合成ATP。

1.3.5DNA与蛋白质相互作用的马达分子

纳米马达也能以与D+7结合的单个蛋白分子形式存在。

例如，细胞中DNA聚合酶、RNA聚合酶及拓扑异构酶是参与基因转录、复制与DNA卷曲的马达分子。

一些RNA聚合酶以每秒10多个核苷酸的速度合成模板DNA的RNA拷贝。

1.4核酸与蛋白质材料

核酸包括DNA与RNA。

DNA是一个直径为3.4nm的双螺旋双链。

DNA是构建大分子的最佳材料。

因为它易合成，具有高度特异性与柔韧性。

1.5生物纳米传感器

生物系统拥有一些独特的能力，如控制晶体结构、相的方向与对无机材料纳米结构的调节，识别与材料特异结合的蛋白，如半导体.Wafers、半导体与磁性纳米粒子、碳纳米管与传导性聚合体。

生物分子固有的自组织、高选择特性可被用于制造纳米传感器[1]。

1.6生物兼容性界面材料

1.7纳米药物递送系统

2核酸纳米金传感器测金属离子[2]

2.1铜离子的测定

利用铜离子依赖的核酸酶以及胶体金层析技术，发明了一种高灵敏度高特异性的传感器。

可在20分钟之内完成对Cu2+的检测，检测过程不需要任何仪器的使用，检测线肉眼可见，灵敏度达到10nM。

2.2汞离子的测定

利用铅离子依赖的核酸酶和胶体金层析技术，巧妙的采用竞争法，可以快速检测溶液中的Pb2+。

在水溶液中的检测灵敏度达到500nM，在尿液中的检测灵敏度达到1μM。

检测过程不需要任何仪器的使用，检测线肉眼可见。

3.生物分子的纳米粒子标记和检测技术[3]

3.1半导体纳米粒子

当半导体纳米粒子的尺寸与其激子半径相近时，由于电子波函数的量子限制效应半导体纳米粒子能带的有效带隙随粒子的半径减小而增加，导致吸收光谱和荧光光谱的蓝移，光谱性质主要取决于其半径大小而与组成无关0通过改变粒子的大小可获得从12到近红外范围内任意点的光谱.

3.2金属纳米粒子标记物

金属纳米粒子标记物主要是贵金属金、银的纳米粒子。

胶体金和银早期就因灵敏度高，检测方便在免疫分析中作为标记物被使用。

金或银的纳米粒子作标记物具有制备简单，化学性质稳定，可和多种生物分子（抗体、激素、蛋白质）结合易于标记的特点。

不同粒度的金属纳米粒子还可实现多重标记。

但金属纳米粒子也许是与核酸分子连接的困难以及难以具有良好的稳定性，用这种标记物检测核酸分子长期以来没有取得成功[3]。

4.纳米粒子在免疫学中的应用

4.1免疫纳米金凝集分光光度法

本方法采用纳米金颗粒分别标记癌胚抗原相匹配的两种抗体，通过免疫反应形成金标记抗体1－抗原－金标记抗体2复合物，研究反应溶液中复合物光学性质的变化，寻找定量免疫分析的方法，建立纳米金标记免疫凝集光度法，定量检测癌胚抗原，最低检测极限为15ng/mL。

该方法只需检测纳米金粒子的光吸收变化就可检测癌胚抗原的浓度，不需要分离抗原抗体的复合物，可直接检测，简单方便。

4.2免疫纳米金荧光淬灭分析法

本方法采用纳米磁粒子和纳米金粒子分别标记甲胎蛋白相匹配的两种抗体，通过免疫反应在磁颗粒表面形成抗原抗体复合物。

在磁场的作用下，分离复合物与游离的纳米金标记物，在游离物中加入荧光物质——异硫氰酸荧光素，荧光信号淬灭，研究在516nm处信号淬灭的程度与体系中被测物量的相关性，从而建立纳米金标记免疫荧光淬灭定量检测甲胎蛋白的分析方法，检测极限达12ng/mL。

该方法可以检测相匹配的目标分子，灵敏度高，在免疫分析和疾病诊断中有着广阔的应用前景。

[4]

5.表面微纳米技术

软蚀刻技术主要利用弹性材料在光刻模板基础上通过翻膜的方法复制其表面图案结构。

并用这些具有特定表面结构的弹性材料在另一表面上实现生物化学分子的图案化。

这种表面图案化的方法使细胞生物学的研究得以在一个全新的层面上展开。

使我们可以精确地控制单个细胞的形状、大小和细胞之间以及细胞与基底之间的相互作用。

可以更进一步模拟生物体内的微环境。

从而为组织工程和体外生命系统构建提供了坚实的理论和实验基础。

软蚀刻和自组装单层膜（SAM）技术为细胞生物学提供了一系列方法,用这些方法可以模拟生物体内的微环境在体外培养细胞,从而为更精确地研究细胞生物学提供了研究平台[5]。

6.铝酞菁杂化纳米粒子

采用光催化剂纳米Ti02光催化降解处理EB，结果表明，在pH9．6左右的0．05mol／L的Na2C03-NaHCO3缓冲液中，并有Fe3+存在的情况下，EB的降解率达到90％.，由于纳米Ti02本身无毒性，不会造成二次污染，因而该法具有较好的实际应用价值。

纳米光催化技术在生物以及医学领域中对EB乃至其他“三致"

（致癌、致畸、致突变）的处理有一定的应

用潜力[6]。

7.表皮生长因子受体靶向纳米载体

125I标记的表皮生长因子靶向纳米载体能够提高乳腺癌SK-BR3细胞对c-erbB2反义寡脱氧核苷酸的摄取和滞留，能达到更好的靶向作用。

实验将纳米技术与分子靶向技术相结合制备的EGF偶联白蛋白纳米载体，联合核素标记的c-erbB2反义寡脱氧核苷酸，在体外对人乳腺癌SK-BR3肿瘤细胞有较高的摄取率及滞留率，表明EGF偶联白蛋白纳米载体联合c-erbB2反义寡脱氧核苷酸的靶向性更好，而相应的毒副作用更低[7]。

结语

纳米技术由于其特殊的物理性质，在如今成为一项热门的技术。

而生命科学赋予它全新的含义。

生物纳米材料科学已展示出激动人心的前景。

此领域最终目标是在纳米水平制造功能性生物材料。

探索生物纳米材料可以更好地理解生命科学与材料科学交叉领域的根本原理，这些原理可用于设计与制造各种纳米装置。

随着纳米技术的成熟以及生命科学的发展，相信在生命科学领域会有重大的成果。

参考文献

[1]崔大祥,高华建.生物纳米材料的进展与前景.中国科学院院刊,2003

（1）：

20-24.

[2]黄婧,曾令文.用于检测铜离子和汞离子的核酸纳米金传感器的研究.中国科学技术大学硕士生论文,2011-05-05.

[3]陈扬,陆祖宏.生物分子的纳米粒子标记和检测技术.中国生物化学与分子生物学,ISSN1007—76262003年2月19

（1）:

1-4.

[4]敖丽梅,古宏晨等.纳米金粒子的制备及其在免疫分析中的应用.上海交通大学硕士生论文,20051230.

[5]王栋，张伟，蒋兴宇.用表面微纳米技术研究细胞水平的生物力学.国家纳米中心专题,物理40卷（2011年）9期:

588-593.

[6]黄菊，李东辉.铝酞菁杂化纳米粒子的制备应用及其生物安全性的初步研究.厦门大学硕士生论文20070601

[7]袁飞,王树斌等.表皮生长因子受体靶向纳米载体荷载c-erbB2反义寡脱氧核苷酸对人乳腺癌SK-BR3细胞的摄取与滞留.中国组织工程研究与临床康复,第13卷第16期,April16,2009Vol.13,No.16:

3085-35088.

[8]NadrianC.SeemanBiochemistryandStructuralDNANanotechnology:

 AnEvolvingSymbioticRelationshipDepartmentofChemistry,NewYorkUniversity,NewYork,NewYork10003,USA

2003,42（24）,pp7259–7269