纳米机器人——分子仿生学新领域 (1)
　2001-04-29 13:40:31

　　
　　 新华网消息 据《科技日报》报道 纳米技术与分子生物学的结合将开创分子仿生学新领域。分子仿生学模仿细胞生命过程的各个环节，以分子水平上的生物学原理为参照原型，设计制造各种各样的可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”，即纳米机器人。纳米机器人的研制和开发将成为21世纪科学发展的一个重要方向，对医学和农业产生巨大影响。

　　 仿生学是生物物理学的一个分支学科，仿生学是以生物学原理为参照原型设计制造用于特殊目的的“功能器件”。20世纪仿生学的突出成就就是计算机技术发展推动下出现的各种各样机器人的设计制造和应用，这是宏观仿生学概念指导下取得的成果。

　　 纳米机器人是可以在细胞内或血液中对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。其实细胞本身就是一个活生生的纳米机器，细胞中的每一个酶蛋白分子就是一个个活生生的纳米机器人，酶蛋白构象的变化使酶分子不同结构域之间发出的动作就像是微型人在移动和重新安排被催化分子的原子排列顺序。细胞中的所有结构单元都是执行某种功能的微型机器；核糖体是按照基因密码的指令安排氨基酸顺序制造蛋白质分子的加工器；高尔基体是给新制造的蛋白质分子进行加工修饰的加工厂；加工好的蛋白质可以按照信号肽的指令由膜囊泡运送到确定的部位发挥功能；完成了功能使命的蛋白质还会被贴上标签送去水解成氨基酸并重新用于新蛋白质的合成。细胞的生命过程就是这样一批又一批功能相关的蛋白质组群不断替换更新行使功能的过程。这些生命过程所需的一切能量来自太阳，植物叶子中的叶绿体是把太阳能转化成化学能而制造粮食的加工厂，线粒体是把粮食中储存的太阳能释放出来制造“能量货币”ATP的车间，ATP给一切需能反应提供能量。细胞中发生的所有这些生命过程都是按照DNA分子中基因编码顺序的指令井然有序地进行的，基因密码出现错误将导致严重的遗传性疾病。纳米技术与仿生学的结合可以使生物物理学家仿照生命过程的各个环节制造出用于各种各样目的的纳米机器人。

　　 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。生物体所含的酶可归纳为氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、合成酶等六大类，它们催化的生物化学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产力。生物化学家发现，酶分子体现活性只与少数几个化学基团在空间上配制而组成的活性中心有关，所以很早化学家就已经开始模仿酶活性中心的结构研制“模拟酶”。生物化学家又发现酶活性中心的“柔性”是酶分子表现活性所必须的，也就是说，有活性中心基团的空间配置是必须条件但不是充分条件，组成酶活性中心的各个基团必须做相对运动才能表现活性。这意味着“模拟酶”所模拟的活性中心集团必须动起来才有可能出现模拟的活性，出现了模拟活性的“模拟酶”就是典型的纳米机器人，这将是21世纪分子仿生学研究的重要内容之一。

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