生物納米技術：來自自然的啟示

第1章探索納米技術1
11生物技術和兩周革命3
12從生物技術到生物納米技術3
13什么是生物納米技術5

第2章生物納米機器在活動7
21陌生的生物納米機器世界8
211納米水平可忽略重力和慣性力8
212納米機器的原子粒度9
213熱運動是納米水平上的一種重要作用力9
214生物納米機器需要水環(huán)境10
22現(xiàn)代生物材料11
221大部分天然生物納米機器由蛋白質(zhì)組成12
222核酸攜帶信息18
223脂質(zhì)用于細胞基礎結構19
224多糖用于專門的結構功能21
23進化遺產(chǎn)22
231進化對天然生物分子性質(zhì)的重要限制25
24天然生物納米機器舉例25

第3章生物分子設計和生物技術35
31重組DNA技術36
311利用商業(yè)化酶對DNA進行操作38
312定點突變使基因組發(fā)生特異性改變42
313具有兩種功能的融合蛋白43
32單克隆抗體45
33生物分子結構的測定47
331X射線晶體衍射法對原子結構的分析47
332可以使用核磁共振光譜儀導出原子結構50
333電子顯微鏡表征分子形態(tài)50
334原子力顯微鏡探測生物分子表面53
34制作分子模型54
341應用計算機圖形學觀測生物納米機器54
342利用計算機建模預測生物分子的結構和功能56
343蛋白質(zhì)折疊問題56
344分子對接模擬（Docking Simulations）預測生物分子間的相互
作用模式58
345計算機輔助分子設計開發(fā)新功能60

第4章生物納米技術的結構原理61
41設計用于特定環(huán)境的天然生物納米機器61
42構建納米機器的分級策略62
43原料：生物分子的結構和穩(wěn)定性64
431由共價鍵連接的原子組成分子66
432在近距離作用的分散力和排斥力67
433氫鍵提供穩(wěn)定性和專一性69
434帶電原子間形成靜電相互作用70
435疏水效應穩(wěn)定水中的生物分子72
44蛋白質(zhì)的折疊74
441并非所有的蛋白質(zhì)都采用穩(wěn)定結構74
442球蛋白有分級結構75
443穩(wěn)定的球狀結構需要組合設計策略77
444分子伴侶為折疊提供最理想的環(huán)境79
445剛性可使蛋白質(zhì)在高溫下更加穩(wěn)定79
446很多蛋白質(zhì)利用無序性81
45自組裝83
451對稱性允許具有確定大小的穩(wěn)定復合體進行自組裝84
452準對稱用來構建對理想對稱而言過大的組裝體 90
453擁擠的條件促進自組裝92
46自組織93
461脂質(zhì)自組織形成雙分子層93
462脂質(zhì)雙分子層是流動的95
463蛋白質(zhì)可以按照脂質(zhì)雙分子層的自組織方式設計95
47分子識別97
471分子識別的Crane原則97
472原子數(shù)目限制結合部位公差102
48柔性103
481生物分子在各個水平上表現(xiàn)柔性104
482柔性為生物納米機器設計帶來了很大的挑戰(zhàn)106

第5章生物納米技術的功能原理107
51信息驅(qū)動的納米裝配107
511核酸攜帶遺傳信息108
512核糖體合成蛋白質(zhì)111
513信息以緊湊的形式存儲114
52能量學115
521利用載體分子來傳遞化學能115
522專門的小分子捕獲光能118
523蛋白質(zhì)途徑傳遞單一電子118
524在DNA中已經(jīng)觀察到電傳導和電荷轉(zhuǎn)移123
525跨越細胞膜的電化學梯度124
53化學轉(zhuǎn)化125
531酶降低化學反應熵130
532酶創(chuàng)造一個使過渡態(tài)分子穩(wěn)定的環(huán)境130
533酶借助化學工具完成反應131
54調(diào)節(jié)133
541變構運動可調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)活性133
542共價修飾調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的作用134
55生物材料138
551亞基的螺旋裝配形成原纖維和細纖絲138
552纖維成分構建微觀基礎結構141
553礦物質(zhì)與生物材料結合滿足特殊用途144
554彈性蛋白利用無序鏈147
555細胞制造的特殊和普通的黏合劑149
56生物分子馬達151
561以ATP作為動力的直線馬達151
562ATP合成酶和鞭毛馬達是旋轉(zhuǎn)馬達155
563布朗棘輪校正隨機熱運動161
57跨膜物質(zhì)運輸163
571鉀通道利用選擇透性163
572ABC轉(zhuǎn)運蛋白利用“滾翻”機制進行跨膜運輸165
573細菌視紅紫質(zhì)利用光抽吸質(zhì)子167
58生物分子傳感169
581嗅覺和味覺檢測特定分子169
582通過監(jiān)測視黃醛中的光敏運動來感測光170
583機械感受器感受跨膜運動170
584細菌通過校正隨機運動感測化學梯度172
59自復制173
591細胞是自發(fā)的自復制體173
592細胞的基本設計由進化過程確定175
510機器態(tài)生物納米技術176
5101肌肉肌原纖維節(jié)177
5102神經(jīng)179

第6章當今生物納米技術181
61基本能力181
611簡化天然蛋白質(zhì)181
612從零開始設計蛋白質(zhì)183
613蛋白質(zhì)可以由非天然氨基酸構成185
614肽核酸為DNA和RNA提供穩(wěn)定的選擇性187
62今天的納米醫(yī)學188
621計算機輔助藥物設計已經(jīng)產(chǎn)生有效的抗艾滋病藥物190
622免疫毒素是目標細胞的殺手191
623脂質(zhì)體運輸藥物192
624人造血可以挽救生命193
625基因治療糾正基因缺陷195
626通用醫(yī)學走向個人化醫(yī)學196
63各種水平的自組裝197
631自組裝的DNA支架已經(jīng)構建197
632環(huán)肽形成納米管199
633融合蛋白自組裝成伸展結構200
634小的有機分子自組裝成大的結構200
635大的物體可以自組裝202
64利用分子馬達204
641ATP合成酶用作旋轉(zhuǎn)馬達204
642用DNA構建分子機器206
65DNA計算機207
651第一個DNA計算機解決貨郎擔問題209
652用DNA計算機解決可滿足性問題210
653DNA制造圖靈機211
66利用生物學選擇進行分子設計211
661抗體可以轉(zhuǎn)變成酶212
662利用噬菌體展示庫篩選肽215
663可以選出具有新功能的核酸216
664功能性生物納米機器令人吃驚地普遍存在219
67人造生命220
671通過出芽繁殖人工原細胞220
672自復制分子是一個難以捉摸的目標222
673通過人工光合作用利用脂質(zhì)體合成ATP223
674只用一個遺傳藍圖構建脊髓灰質(zhì)炎病毒224
68雜交分子226
681利用DNA構建納米金屬導線226
682利用DNA形成金納米顆粒的規(guī)則聚集227
683機械DNA杠桿228
684利用生物礦化作用229
69生物傳感器230
691抗體廣泛地用作生物傳感器230
692生物傳感器檢測葡萄糖水平來控制糖尿病231
693設計納米孔檢測特定的DNA序列232

第7章生物納米技術的未來235
71生物納米技術的時間表236
72分子納米技術的啟示237
73三個實例研究239
731實例研究一：合成納米管239
732實例研究二：普通納米尺寸的裝配體242
733實例研究三：納米監(jiān)測244
74倫理因素246
741尊重生命247
742潛在的危險247
743最后的思考248