生物纳米技术：来自自然的启示

第1章探索纳米技术1
11生物技术和两周革命3
12从生物技术到生物纳米技术3
13什么是生物纳米技术5

第2章生物纳米机器在活动7
21陌生的生物纳米机器世界8
211纳米水平可忽略重力和惯性力8
212纳米机器的原子粒度9
213热运动是纳米水平上的一种重要作用力9
214生物纳米机器需要水环境10
22现代生物材料11
221大部分天然生物纳米机器由蛋白质组成12
222核酸携带信息18
223脂质用于细胞基础结构19
224多糖用于专门的结构功能21
23进化遗产22
231进化对天然生物分子性质的重要限制25
24天然生物纳米机器举例25

第3章生物分子设计和生物技术35
31重组DNA技术36
311利用商业化酶对DNA进行操作38
312定点突变使基因组发生特异性改变42
313具有两种功能的融合蛋白43
32单克隆抗体45
33生物分子结构的测定47
331X射线晶体衍射法对原子结构的分析47
332可以使用核磁共振光谱仪导出原子结构50
333电子显微镜表征分子形态50
334原子力显微镜探测生物分子表面53
34制作分子模型54
341应用计算机图形学观测生物纳米机器54
342利用计算机建模预测生物分子的结构和功能56
343蛋白质折叠问题56
344分子对接模拟（Docking Simulations）预测生物分子间的相互
作用模式58
345计算机辅助分子设计开发新功能60

第4章生物纳米技术的结构原理61
41设计用于特定环境的天然生物纳米机器61
42构建纳米机器的分级策略62
43原料：生物分子的结构和稳定性64
431由共价键连接的原子组成分子66
432在近距离作用的分散力和排斥力67
433氢键提供稳定性和专一性69
434带电原子间形成静电相互作用70
435疏水效应稳定水中的生物分子72
44蛋白质的折叠74
441并非所有的蛋白质都采用稳定结构74
442球蛋白有分级结构75
443稳定的球状结构需要组合设计策略77
444分子伴侣为折叠提供最理想的环境79
445刚性可使蛋白质在高温下更加稳定79
446很多蛋白质利用无序性81
45自组装83
451对称性允许具有确定大小的稳定复合体进行自组装84
452准对称用来构建对理想对称而言过大的组装体 90
453拥挤的条件促进自组装92
46自组织93
461脂质自组织形成双分子层93
462脂质双分子层是流动的95
463蛋白质可以按照脂质双分子层的自组织方式设计95
47分子识别97
471分子识别的Crane原则97
472原子数目限制结合部位公差102
48柔性103
481生物分子在各个水平上表现柔性104
482柔性为生物纳米机器设计带来了很大的挑战106

第5章生物纳米技术的功能原理107
51信息驱动的纳米装配107
511核酸携带遗传信息108
512核糖体合成蛋白质111
513信息以紧凑的形式存储114
52能量学115
521利用载体分子来传递化学能115
522专门的小分子捕获光能118
523蛋白质途径传递单一电子118
524在DNA中已经观察到电传导和电荷转移123
525跨越细胞膜的电化学梯度124
53化学转化125
531酶降低化学反应熵130
532酶创造一个使过渡态分子稳定的环境130
533酶借助化学工具完成反应131
54调节133
541变构运动可调节蛋白质活性133
542共价修饰调节蛋白质的作用134
55生物材料138
551亚基的螺旋装配形成原纤维和细纤丝138
552纤维成分构建微观基础结构141
553矿物质与生物材料结合满足特殊用途144
554弹性蛋白利用无序链147
555细胞制造的特殊和普通的黏合剂149
56生物分子马达151
561以ATP作为动力的直线马达151
562ATP合成酶和鞭毛马达是旋转马达155
563布朗棘轮校正随机热运动161
57跨膜物质运输163
571钾通道利用选择透性163
572ABC转运蛋白利用“滚翻”机制进行跨膜运输165
573细菌视红紫质利用光抽吸质子167
58生物分子传感169
581嗅觉和味觉检测特定分子169
582通过监测视黄醛中的光敏运动来感测光170
583机械感受器感受跨膜运动170
584细菌通过校正随机运动感测化学梯度172
59自复制173
591细胞是自发的自复制体173
592细胞的基本设计由进化过程确定175
510机器态生物纳米技术176
5101肌肉肌原纤维节177
5102神经179

第6章当今生物纳米技术181
61基本能力181
611简化天然蛋白质181
612从零开始设计蛋白质183
613蛋白质可以由非天然氨基酸构成185
614肽核酸为DNA和RNA提供稳定的选择性187
62今天的纳米医学188
621计算机辅助药物设计已经产生有效的抗艾滋病药物190
622免疫毒素是目标细胞的杀手191
623脂质体运输药物192
624人造血可以挽救生命193
625基因治疗纠正基因缺陷195
626通用医学走向个人化医学196
63各种水平的自组装197
631自组装的DNA支架已经构建197
632环肽形成纳米管199
633融合蛋白自组装成伸展结构200
634小的有机分子自组装成大的结构200
635大的物体可以自组装202
64利用分子马达204
641ATP合成酶用作旋转马达204
642用DNA构建分子机器206
65DNA计算机207
651第一个DNA计算机解决货郎担问题209
652用DNA计算机解决可满足性问题210
653DNA制造图灵机211
66利用生物学选择进行分子设计211
661抗体可以转变成酶212
662利用噬菌体展示库筛选肽215
663可以选出具有新功能的核酸216
664功能性生物纳米机器令人吃惊地普遍存在219
67人造生命220
671通过出芽繁殖人工原细胞220
672自复制分子是一个难以捉摸的目标222
673通过人工光合作用利用脂质体合成ATP223
674只用一个遗传蓝图构建脊髓灰质炎病毒224
68杂交分子226
681利用DNA构建纳米金属导线226
682利用DNA形成金纳米颗粒的规则聚集227
683机械DNA杠杆228
684利用生物矿化作用229
69生物传感器230
691抗体广泛地用作生物传感器230
692生物传感器检测葡萄糖水平来控制糖尿病231
693设计纳米孔检测特定的DNA序列232

第7章生物纳米技术的未来235
71生物纳米技术的时间表236
72分子纳米技术的启示237
73三个实例研究239
731实例研究一：合成纳米管239
732实例研究二：普通纳米尺寸的装配体242
733实例研究三：纳米监测244
74伦理因素246
741尊重生命247
742潜在的危险247
743最后的思考248