纳米机器人——分子仿生学新领域

    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。
    基因工程技术的发展带动了制药工业，很多基因工程新药已经问世。但是，广泛深入地发展此项新技术却遇到了一个棘手的难题：工程菌常常把克隆的药用蛋白识别出来而作为异己蛋白包裹在“包含体”里。包含体包裹的蛋白因为没有正确的高级结构而不表现蛋白活性，这个问题成为目前基因工程制药工业发展的“瓶颈”限制了它的发展速度，在化工领域出现的生物化工前沿课题就是如何把没有活性的包含体蛋白重新“复活”。在细胞中存在着一类被称作“分子伴娘”的生物大分子，她们帮助新合成的蛋白分子形成正确的高级结构而表现蛋白活性。“分子伴娘”一词本身就具有仿生的意味，如果模仿“分子伴娘”制造一些纳米机器人用在制药工业上解决包含体蛋白恢复活性的问题应当是非常卓越的分子仿生学成果。“生物导弹”的设计也是一个典型的分子仿生学应用范例。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，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。这个方向上的研究已取得了一些成果，而且正在向纵深发展。
    生物能力学是研究生物能量转化功能的一门学科，形象地说生物能力学就是研究植物如何把太阳的能量储存在粮食中而动物又如何把食物中的太阳能取出来为自己使用。叶绿体是利用太阳能制造粮食的分子机器，模仿叶绿体制造的纳米机器人将可能直接利用太阳能制造食物而创造新概念农业。动物细胞中也有一部分类似的机器叫做线粒体，它是从食物中提取太阳能的能手。模仿线粒体制造的纳米机器人将可能为医学的发展作出重要贡献，因为人们已经发现线粒体与衰老、运动疲劳以及很多与衰老相伴而生的疾病如糖尿病、帕金森氏病、脑肌病等等有很重要的关系。
　　分子病理学的研究将揭示疑难症的分子基础，很多疑难病都是和某种酶分子的缺陷或酶分子的活性不能顺利表现有关。这些疾病常具有家族遗传性，可以在基因水平上找到其相应的基因密码突变或者在基因表达调控水平上找到阻碍酶分子表现活性的原因。生物芯片技术的迅猛发展将为这些疾病的快速准确诊断提供有效的手段，但如何修复这些病变分子就要看是否能设计出可以在纳米空间识别出基因突变和修复突变基因的纳米机器人了。根据分子病理学的原理可以设计制造各种各样的用于医疗和保健目的的纳米机器人，为医学发展作出重要贡献。
    纳米机器人的设计原理来自于对分子水平生物原理的深入认识，因此大力支持分子水平生物学原理的基础研究是非常重要的，基础打得越厚楼层起得越高。但是基础研究必须有明确的目的才能得到发展的动力，在知识经济时代的今天，基础研究只有和社会生产力结合起来，才能得到迅速和健康的发展。以纳米机器人的研制为契机组织21世纪生物学的学科发展可以把生物学基础研究与发展社会生产力紧密结合起来。对细胞生命过程分子水平生物学原理的每一步深入认识，都可能提出新的设计思想，促进新型纳米机器人的制造。如此不断深入的挖掘自然潜力可创造巨大的社会生产力，它给人类带来的将是高度的社会文明和无限美好的生活方式，这也是摆在21世纪年轻有为科学家面前的光荣历史使命。