奈米生物技术.pptx

第六章 奈米生物技術6.1 前言6.2 奈米元件與生物反應系統6.3 奈米生物技術應用範疇6.4 奈米生物技術未來研究及發展6.1 前言研究生物體元件(bio-elements)的奈米級工具及檢測技術統稱為奈米生物技術(nano-biotechnology)。以尺度而言，一般細胞生物(cellular life)單一細胞尺寸屬微米級(micro scale)，如大腸桿菌，其直徑約在2微米; 長5微米，故其內部元件或基本建構元件(building blocks)尺度，大都在奈/微米(nano/micro)級之間，所以奈米技術發展，預期進一步了研究生物體微小元件及生物反應系統運作方式的可行性。目前奈米技術已可操控原子級粒子並研究其微小化下的物化特性，如何利用此一技術並配合目前分子生物學發展，來進一步了解活體中生物活動(甚至生命)現象，將是未來數十年間，重要研究課題之一。 把奈米技術引入生物學研究的目的在於微小化奈米技術可幫我們(1)精準辨識反應中的微小生物分子(如特定酵素)的存在、(2)控制特定生物分子的移動，及(3)運送特定微小粒子至某定點等，而這些結果都將有助於進一步了解各生物分子特性，其相互間的作用情形，及生物系統本身的效率及精準特性。以前述大腸桿菌生長為例，一隻大腸桿菌在30分鐘完成便完成伍佰萬個鹼基對複製，亦即一秒鐘內可複製二仟八佰個鹼基對，而奈米微小化技術可幫助我們了解：(1)這高效率的系統是如何達成的，及(2)在如此快速的製程中，微小元件的位移控制又是如何完成的。總之，奈米研究可進一步回答生物系統對其元件掌控的專一及精準特性，而因為奈米技術的發展，未來這些特性的研究也可能在活體中完成。更重要的一點是—這些研究成果都與身為生物之一的人類息息相關，故其重要程度不言可諭。 6.2 生物元件與生物反應系統生物元件種類甚多，也常因物種不同而有所差異。研究不同生物元件與其組合而成的生物反應系統(bio-reactive systems)，是了解生物運作機制的最佳方式之一。有鑑於此，本節就常見且重要的生物元件與生物反應系統及其功能作說明： 核酸 (nucleic acid)蛋白質 (protein)粒腺體 (mitochondrion)細胞膜 (cell membrane)電子傳遞系統 (electron transferring system)免疫系統 (immune system)神經傳遞系統 (nervous transferring system)核酸 核酸(nucleic acid)廣泛存在所有動、植物細胞及微生物體內，並可分為核糖核酸(ribonucleic acid簡稱RNA)，和去氧核糖核酸(deoxy-ribonucleic acid簡稱DNA)。DNA是儲存、複製和傳遞遺傳信息的主要物質，而RNA有三種，分別在蛋白質合成過程中扮演重要角色，其中轉移核糖核酸(transfer RNA或tRNA)，有運送和轉移活化氨基酸(amino acids)的功能﹔信使核糖核酸(messenger RNA或mRNA)，是合成蛋白質的模板(template);核糖體的核糖核酸(ribosomal RNA或rRNA)，則是細胞合成蛋白質的主要工廠。 DNA的組成因子每一條DNA或RNA都是一個巨型分子，由數目不等的核甘酸(nucleotide)聚合而成。核甘酸是由三大部份組成，即核醣(ribose； RNA用)/去氧核醣(deoxyribose；DNA用)、磷酸根(phosphate)及包含嘧啶(pyrimidines)和嘌呤(purines)的含氮鹽基。核醣及磷酸根形成核酸的骨幹(back bone)，其中每一個核甘酸的磷酸根會接在上一個核甘酸核醣第3個碳的位置上，而含氮鹽基才是造成每個核甘酸特性不同的原因。含氮鹽基中嘧啶又有三種：胞嘧啶(cytosine)存在於DNA和RNA中，胸腺嘧啶(thymine)僅存在於DNA中，尿嘧啶(uracil) 僅存在於RNA中，嘧啶是由碳原子和氮原子組成的六邊環，不同嘧啶的差別在於連接在環上的官能基不同；嘌呤有二種：腺嘌呤(adenine)和鳥糞嘌呤(guanine)，是由一個六邊環及五邊環的組合體，在DNA和RNA中都有。各種核甘酸，以含氮鹽基第一個英文字母簡稱之，即C、T、U、A、G等。在正常情形下，A與T(或U)以二個氫鍵相互配對連結; G與C則以三個氫鍵結合，所以相同長度的DNA中若含較多GC配對時，其所需要將雙股DNA分離的能量也愈大。力場對DNA之影響從物理的角度來看，各種力場對DNA性質和性能的影響、相互作用力對DNA性質的影響、及現有的理論和模型是否足以解釋DNA分子的性質等，都是目前研究甚多的課題。由於DNA特有的雙股螺旋結構，使得其形變和彈性性質與其生物功能有直接的關係