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1、纳米科技的发展给生物化学研究带来的变革柯政 生物92 09122028摘要：在21世纪，生物化学依然有着重大研究潜力，主要研究领域包括生物大分子结构与功能的关系；生物膜的结构与功能；机体自身调控的分子机理；生化技术的创新与发明；功能基因组、蛋白质组、代谢组等； 分子育种与分子农业（工厂化农业）；生物净化；生物电子学；生化药物；生物能源的开发等。而研究这些领域需要更先进的仪器，技术，识别，研究方法等，这就与另外一门技术纳米科技紧密联系，通过纳米手段带来生化研究的新变革。本文主要就纳米材料给生物化学研究带来的新的影响加以介绍关键词：纳米科技 生物化学 仪器 材料 识别 研究手段前言：纳米微粒的尺寸
2、一般比生物体内的细胞、红血球小得多，这就为生物花学研究提供了一个新的研究途径，即利用纳米微粒进行细胞分离、细胞染色及利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。关于这方面的研究现在处于初始阶段，但却有广阔的应用前景。一.生物化学的研究历史20 世纪20 年代, 微量分析技术导致了维生素、激素和辅酶等的发现。30 年代: 电子显微镜技术打开了微观世界, 使我们能够看到细胞内的结构和生物大分子的内部结构。40 年代: 层析技术大发展, 成为分离生化物质的关键技术。50 年代: 放射性同位素示踪技术!在50 年代有了大的发展, 为各种生物化学代谢过程的阐明起了决定性的作用。60 年代: 各
3、种仪器分析方法用于生物化学研究, 取得了很大的发展, 如HPLC 技术、红外、紫外、圆二色等光谱技术、NMR 核磁共振技术等。70 年代: 基因工程技术取得了突破性的进展, 与此同时, 各种仪器分析手段进一步发展, 制成了DNA 序列测定仪、DNA 合成仪。高效毛细管电泳技术( HPCE) , 由于其高效、快速、经济, 尤其适用于生物大分子的分析, 因此受到生命科学、医学和化学等学科的科学工作者的极大重视, 发展极为迅速, 是生化实验技术和仪器分析领域的重大突破, 意义深远。现今, 由于HPCE技术的异军突起, HPLC 技术的发展重点己转到制备和下游技术。单克隆抗体技术的发明, 完善了极微量
4、蛋白质的检测技术。PCR 技术( Polymer ase Chain Reaction ) 即聚合酶链式反应的DNA 扩增技术, 对于生物化学的研究工作具有划时代的意义。纵观生物化学的研究历程，我们不难发现，仪器，技术，研究方法，检测方式等对生物化学研究的重要性。在21世纪，生物化学依然有着重大研究潜力，主要研究领域包括生物大分子结构与功能的关系；生物膜的结构与功能；机体自身调控的分子机理；生化技术的创新与发明；功能基因组、蛋白质组、代谢组等； 分子育种与分子农业（工厂化农业）；生物净化；生物电子学；生化药物；生物能源的开发等。而研究这些领域需要更先进的仪器，技术，识别方式
5、，研究方法等，这就与另外一门技术纳米科技紧密联系，通过纳米手段带来生化研究的新变革。二.纳米技术的影响纳米科技所带来的影响主要包括以下4个方面2.1仪器随着生命科学的迅速发展,人们对生命现象的观察和研究已深入到单细胞、单分子和核酸的单个碱基这样的层次,迫切需要在更加微观的尺度上原位、活体、实时地获取相关生物化学信息,许多传统的、常规的生物化学仪器面临极大的挑战。解决这个问题的一种方式就是把化学生物传感器更加微型化。纳米生物探针就是一个典型例子，由于其独特的光学性质可望用于各种细胞与组织的实时跟踪和识别、 原位杂交、生物分子的相互作用等研究，以及用于对癌症、心血管等疾病的早期诊断等医学应用2.2
6、识别微观下对组织或分子进行研究，必不可少的就是标示，古老的同位素标示技术越来越难以适应未来的纳米级发展，因此，众多识别方式应运而生，例如纳米生物标签，利用不同抗体对细胞内各种器官和骨骼组织的敏感程度和亲和力的显著差异,选择抗体种类，将纳米金粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合,制备成多种纳米金/抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物,在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色(如10nm 的金粒子在光学显微镜下呈红色),从而给各种组合“贴上”了不同颜色的标签,因而为提高细胞内组织的分辨率提供了一种急需的染色技术。2.3材料纳米科技作为材料学的分支，最重要的贡献就在于
7、新型材料的发展，在纳米科技的帮助下，有更多的纳米材料可以用来辅助生物化学的研究，使生物化学在微观下也变得可调控，这样的材料有很多，这里举两例描述。纳米管阳离子二肽在中性条件下可以自组装成纳米管，通过改变自组装体系的浓度，纳米管能进一步转化为囊泡，利用此转变过程可将寡核苷酸(ss-DNA)通过细胞的吞噬作用携入细胞内，从而实现外缘物质的胞内输送。 磁性纳米颗粒磁性纳米颗粒是一类具有可控尺寸、能够外部操控并可用于核磁共振成像(MRI)造影的材料。这使得该类纳米颗粒能够被广泛应用于生物化学领域，包括蛋白质提纯、药物传输和医学影像等方面2.4研究手段新的研究手段无疑可以提高生物化学的准确性与灵活性，在
8、生物化学的研究方向中，越来越多的领域围绕在微观方面，以前“粗犷”的研究手段经常带来很大误差，所以，纳米技术的出现无疑解决了这个问题。以信号肽功能化二氧化硅纳米颗粒的线粒体靶向作用研究为例，以N-（p-）（）为交联剂， 将具有线粒体靶向作用的信号肽分子共价修饰在二氧化硅荧光纳米颗粒表面， 获得信号肽功能化二氧化硅荧光纳米颗粒， 以分离纯化的细胞核作为对照，采用流式细胞术考察了信号肽功能化二氧化硅荧光纳米颗粒与分离纯化后的线粒体的相互作用三.纳米技术在生物化学应用的展望对于未来纳米材料在生物化学上的应用，现在已经有了许多设想，相信不久的将来都会化为现实。以下两个技术都已初现雏形，虽然还不完善，但在
9、未来的发展中，一定能够应用到实际。3.1纳米药物载体1 普通载药纳米微粒 这种剂型的出现背景是基于将一些药物通过药剂学和纳米技术的高度结合，使原本因理化性质不稳定而降解破坏或因不良反应较大而影响其使用的药物经特殊的方法高度分散于药物载体中，制成载药纳米微粒，用液体载体的流动形式给药，从而避免了所提到的缺点。2 控释载药纳米微粒 纳米控释系统包括纳米粒子和纳米胶囊，它们是粒子在10一500nm间的固体胶态粒子。它与以往的控释制剂不同，载药纳米微粒的控释过程具有其特定的规定，囊壁溶解和微生物的作用，均可使囊心物质向外扩散。将药物制成纳米制剂后，不但达到缓控释效果，而且改变其药物动力学的特性，使一些
10、免疫系统的慢性病能得到更好的治疗。3 靶向定位载药纳米微粒 靶向药物能完成从靶器官、靶细胞到最为先进的细胞内结构的三级靶向治疗，从而达到病灶部位缓慢释放药物，维持长期局部有效的药物浓度。此类微粒是根据临床需要，通过选用对机体各种组织或病变部位亲和力不同的载体制作载药微粒或将单克隆抗体与载体结合，以使药物能够输送到治疗期望达到的特定部位，因而称之为靶向定位给药。载药磁性纳米微粒（物理靶向） 载药磁性微粒是在微囊基础上发展起来的新型药物运载系统。这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒子作为药物载体静脉注射到动物体(小鼠、白兔)内后，在外加磁场下，通过纳米微粒的磁性导航，使药物移向病变部位，达到定向治疗的
11、目的。国内有实验研究出阿霉素免疫磁性造微粒，在进行了免疫活性检测和体外抑瘤实验后证实其具有抗体导向功能，并具有较高的磁响应性，具有较强的靶向定位功能，为靶向治疗肿瘤奠定了结实的基础。3.2蛋白质芯片蛋白质芯片是一种高通量的蛋白功能分析技术，可用于蛋白质表达谱分析，研究蛋白质与蛋白质的相互作用，甚至DNA蛋白质、RNA蛋白质的相互作用，筛选药物作用的蛋白靶点等。然而，蛋白质芯片技术还远不成熟，需要克服许多困难才能投入使用。如：1建立快速、廉价、高通量的蛋白质表达和纯化方法，高通量制备抗体并定义每种抗体的亲和特异性；第一代蛋白检测芯片将主要依赖于抗体和其他大分子，显然，用这些材料制备复杂的芯片，尤
12、其是规模生产会存在很多实际问题，理想的解决办法是采用化学合成的方法大规模制备抗体。2改进基质材料的表面处理技术以减少蛋白质的非特异性结合。3提高芯片制作的点阵速度；提供合适的温度和湿度以保持芯片表面蛋白质的稳定性及生物活性。4研究通用的高灵敏度、高分辨率检测方法，实现成像与数据分析一体化。 生物化学与纳米科技的结合就是生命科学与材料科学的交叉，目前已经初步展现其潜力。尽管纳米科技在生物学上的应用并不广泛，但其独特的光学性质，安全性，微观操作性都体现着其与众不同的地位，相信生物化学的未来研究必定有纳米科技的重要辅助。 参考文献1. 何晓晓， 袁媛， 石慧， 王柯敏， 何定庚， 秦迪岚信号肽功能化
13、二氧化硅纳米颗粒的线粒体靶向作用研究（湖南大学生物医学工程中心， 化学生物传感与计量学国家重点实验室， 化学化工学院，生命科学与技术研究院， 生物纳米与分子工程湖南省重点实验室， 长沙）2. 王梦姣浅谈生物化学与分子生物学进展及其在社会发展中作用 ( 西北农林科技大学生命学院, 陕西杨凌 712100)3. 钟旖菱，苏媛媛，何耀荧光纳米探针的构建及其在生物医学影像中的应用研究（苏州大学功能纳米与软物质研究院，江苏苏州）4. 侯仰龙磁性纳米材料的化学合成、功能化及其生物医学应用 (北京大学工学院先进材料与纳米技术系北京100871)5. 李军王柯敏何晓晓唐志文纳米尺度和单分子
14、水平上的化学生物学研究(湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室,生命科学与技术研究院,化学化工学院长沙410082)6.冉阳 探析纳米材料在生物医学领域的应用 （四川农业大学，生命科学与理学院，四川雅安，625104）7. 姜会庆 陈一飞 纳米材料在医学中的应用 中国修复重建外科杂志2002年16卷6期8. 崔大祥 高华健生物纳米材料的进展与前景 （马普金属研究所生物纳米中心）中国科学院院刊2003（1）9. WANG Jing 1,# , LV XiaoWen 2 , SHI JiePing 3 , HU XiaoSong 3 , and DU YuGuo 1 Troglitazone Induced Apoptosis via PPAR Activated POXinducedROSFormation in HT29 Cells *Biomed Environ Sci, 2011; 24(4): 391399 391
