1、2022-8-161第五章第五章 纳米生物学纳米生物学 纳米技术向生物学研究的各个领域广泛纳米技术向生物学研究的各个领域广泛地渗透，纳米科技与分子生物学的交叉产生地渗透，纳米科技与分子生物学的交叉产生了纳米尺度上的生物学，即纳米生物学，它了纳米尺度上的生物学，即纳米生物学，它将在单分子水平探索生命运动规律。将在单分子水平探索生命运动规律。纳米生物学的标志性领域：生物计算机、纳米生物学的标志性领域：生物计算机、纳米生物机器人、生物芯片等等。纳米生物机器人、生物芯片等等。2022-8-162一斛珠一斛珠-南唐南唐 李煜李煜 词词 v晓妆初过，沉檀轻注些儿个。向人微露丁香晓妆初过，沉檀轻注些儿个。向
2、人微露丁香颗，一曲清歌，暂引樱桃破。颗，一曲清歌，暂引樱桃破。v罗袖裛残殷色可，杯深旋被香醪涴。绣床斜罗袖裛残殷色可，杯深旋被香醪涴。绣床斜凭娇无那，烂嚼红茸，笑向檀郎唾。凭娇无那，烂嚼红茸，笑向檀郎唾。v说明：前后阕共五十七字。仄韵到底说明：前后阕共五十七字。仄韵到底。2022-8-163一斛珠一斛珠v唐唐 据说为梅妃所写据说为梅妃所写v柳叶双眉久不描柳叶双眉久不描,残妆和泪污红绡。残妆和泪污红绡。v长门尽日无梳洗，何必珍珠慰寂寥长门尽日无梳洗，何必珍珠慰寂寥2022-8-164首先首先回顾一下生物学知识回顾一下生物学知识2022-8-165海克海克林奈林奈 显微镜未发明之前，传统上将生物划
3、分为动物与植物王国，显微镜未发明之前，传统上将生物划分为动物与植物王国，这是瑞典生物学家林奈这是瑞典生物学家林奈(Carl von Linne)(Carl von Linne)提出的二界分类法提出的二界分类法(two(two kingdom classification)kingdom classification)。到了。到了1818世纪显微镜发明以后，科学家发现世纪显微镜发明以后，科学家发现尚有许多低等的微生物兼具有动植物的特征，例如细菌、眼虫等尚有许多低等的微生物兼具有动植物的特征，例如细菌、眼虫等等，于是他认为以往的分类法不够恰当。等，于是他认为以往的分类法不够恰当。18661866年
4、海克年海克(Haeckel)(Haeckel)提提出了三界分类法出了三界分类法(three kingdom classification)(three kingdom classification)，将生物界分成微生，将生物界分成微生物界、植物界和动物界。物界、植物界和动物界。2022-8-166 近代又有近代又有五界分类法的五界分类法的观念，将生物观念，将生物分为原核生物分为原核生物界界(Monera)(Monera)、原生生物界原生生物界(Protista)(Protista)、真、真菌界菌界(Fungi)(Fungi)、植物界植物界(Plantae)(Plantae)和动物界和动物界(A
5、nimalia)(Animalia)。2022-8-167生命之树生命之树 2022-8-168构成生命的物质基础构成生命的物质基础v人体的基本元素人体的基本元素1111种：种：氢（氢（63%63%）、氧）、氧（25.5%25.5%）、碳（）、碳（9.5%9.5%）、氮（）、氮（1.4%1.4%）、钙、）、钙、磷、钾、硫、氯、钠、镁；另有约磷、钾、硫、氯、钠、镁；另有约2020种微量种微量元素：铁在血红蛋白、铜在血蓝蛋白、钴在元素：铁在血红蛋白、铜在血蓝蛋白、钴在维生素维生素B-12B-12、锌在、锌在DNADNA聚合酶和聚合酶和RNARNA聚合酶、聚合酶、碘在甲状腺素、钼在固氮酶和黄嘌呤氧化
6、酶、碘在甲状腺素、钼在固氮酶和黄嘌呤氧化酶、锰在光合作用中心，等等。锰在光合作用中心，等等。v水（水（6070%6070%）、无机盐。）、无机盐。2022-8-169原生物原生物的主要的主要有机物有机物组成组成糖类糖类脂类脂类蛋白质蛋白质核酸核酸2022-8-1610生物承载生命：系统是一个开放系统生物承载生命：系统是一个开放系统物质物质输运输运能量能量输运输运信息信息输运输运2022-8-1611生物进化论生物进化论2022-8-1612v查尔斯查尔斯达尔文（达尔文（Charles DarwinCharles Darwin，1809-18821809-1882）是英国著名生物）是英国著名生物
7、学家。达尔文出生于英国一个医生的世家，他的家人希望他秉学家。达尔文出生于英国一个医生的世家，他的家人希望他秉承家族的传统，从事医学事业。承家族的传统，从事医学事业。1919岁，达尔文的家人把他送到岁，达尔文的家人把他送到CambridgeCambridge去学习神学，在去学习神学，在CambridgeCambridge期间，达尔文结识了当时著期间，达尔文结识了当时著名的植物学家名的植物学家HenslowHenslow和著名地质学家和著名地质学家SedgwickSedgwick，并接受了植物，并接受了植物学和地质学研究的科学训练。学和地质学研究的科学训练。v18591859年发表了年发表了物种起
8、源物种起源一书，用大量的事实证明了生物变一书，用大量的事实证明了生物变异的普遍性、变异与遗传的关系，提出了生存竞争和自然选择异的普遍性、变异与遗传的关系，提出了生存竞争和自然选择学说，系统地论述了物种形成的机制。该书的发表标志着现代学说，系统地论述了物种形成的机制。该书的发表标志着现代生物进化理论的形成，引发了近代最重要的一次科学革命，因生物进化理论的形成，引发了近代最重要的一次科学革命，因而达尔文被称为生物进化论的奠基人。而达尔文被称为生物进化论的奠基人。John Stevens Henslow Adam Sedgwick(17851873)Charles Darwin 2022-8-161
9、3达尔文生物进化论达尔文生物进化论v达尔文的进化论已经创立达尔文的进化论已经创立140140余年了。余年了。v在其诞生之初，是作为一种假说被提出来的。除达尔文本人从对在其诞生之初，是作为一种假说被提出来的。除达尔文本人从对一些植物，动物形态的观察得出的推论外，并没有什么化石证据。一些植物，动物形态的观察得出的推论外，并没有什么化石证据。达尔文在达尔文在物种起源物种起源书中论及化石时，标题为书中论及化石时，标题为“不完美的地质不完美的地质记录记录”。他承认在当时的化石研究中并未有证据显示有物种间过。他承认在当时的化石研究中并未有证据显示有物种间过渡类型的存在，并指出这可能是最易于检验而又具有杀伤
10、力的反渡类型的存在，并指出这可能是最易于检验而又具有杀伤力的反进化论的理由。他看到了进化论的先天缺陷，并希望后人能予以进化论的理由。他看到了进化论的先天缺陷，并希望后人能予以验证。但是时至今日，进化论已成为一个公理；一个信仰；甚至验证。但是时至今日，进化论已成为一个公理；一个信仰；甚至一个宗教。一个宗教。v列宁在总结达尔文进化论的意义时说：列宁在总结达尔文进化论的意义时说：“达尔文的著作最后把上达尔文的著作最后把上帝从自然界赶走了，生物科学便站立起来了。帝从自然界赶走了，生物科学便站立起来了。”2022-8-16142022-8-1615达尔文生物进化论的主要观点达尔文生物进化论的主要观点v生
11、物具有共同的祖先；生物具有共同的祖先；v生物总是不断地发生变异，这些变异有的很明显，一生物总是不断地发生变异，这些变异有的很明显，一眼可见；有的变异十分微小，人类不易察觉；眼可见；有的变异十分微小，人类不易察觉；v自然界是最公正的裁判，它每时每刻都在审视生物界自然界是最公正的裁判，它每时每刻都在审视生物界的各种变异，的各种变异，“适者生存，优胜劣汰适者生存，优胜劣汰”；v生物普遍具有强大的生殖能力，这是自然选择的结果；生物普遍具有强大的生殖能力，这是自然选择的结果；v由于各种变异的积累，同种生物间逐渐有所不同，日由于各种变异的积累，同种生物间逐渐有所不同，日益积累，最终导致新物种的诞生。益积累
12、，最终导致新物种的诞生。2022-8-1616生物总祖论、自发变异与自然选择是达尔文进生物总祖论、自发变异与自然选择是达尔文进化论的两大主题：化论的两大主题：v自然选择说主要包括以下三个和谐统一的内容：自然选择说主要包括以下三个和谐统一的内容：（1 1）生存斗争的理论。生殖过剩与生存条件的有限这）生存斗争的理论。生殖过剩与生存条件的有限这一矛盾是地球上的物种被淘汰的外在原因之一。一矛盾是地球上的物种被淘汰的外在原因之一。（2 2）遗传性发生变异的理论。虽然变异的机制并不清）遗传性发生变异的理论。虽然变异的机制并不清楚，但普遍发生变异的事实不容否认，达尔文以此说楚，但普遍发生变异的事实不容否认，
13、达尔文以此说明物种演变的内在原因。明物种演变的内在原因。（3 3）适者生存的理论。生存条件一直在变化，如果物）适者生存的理论。生存条件一直在变化，如果物种的变异适合于变化的环境，那么就在生存斗争中取种的变异适合于变化的环境，那么就在生存斗争中取得胜利而发展；如果物种的变异不适宜于它当时生存得胜利而发展；如果物种的变异不适宜于它当时生存的条件，那么就趋于衰减或灭亡。的条件，那么就趋于衰减或灭亡。2022-8-1617综合进化论综合进化论 v在达尔文的进化论发表后，虽然大多数人接受了在达尔文的进化论发表后，虽然大多数人接受了进化思想，但对自然选择学说仍持有很大异议。进化思想，但对自然选择学说仍持有
14、很大异议。直到直到2020世纪世纪3030年代，随着居群遗传学研究的进展，年代，随着居群遗传学研究的进展，发现自然选择可以造成基因库的很大变化，这种发现自然选择可以造成基因库的很大变化，这种把现代遗传学（突变、基因漂移及基因交流）与把现代遗传学（突变、基因漂移及基因交流）与达尔文的自然选择结合起来作为进化的主要机制达尔文的自然选择结合起来作为进化的主要机制的思想被称之为的思想被称之为“综合进化论综合进化论”。2022-8-1618综合进化论综合进化论v综合进化论使自然选择学说更加精确，它更新了综合进化论使自然选择学说更加精确，它更新了自然选择学说的一些基本概念，简述如下：自然选择学说的一些基本
15、概念，简述如下：1 1、在达尔文看来，进化的改变仅仅体现在个体、在达尔文看来，进化的改变仅仅体现在个体上，综合进化论则认为，由于基因分离和重组，上，综合进化论则认为，由于基因分离和重组，有性繁殖的个体不可能使其基因型恒定地延续下有性繁殖的个体不可能使其基因型恒定地延续下去，只有交互繁殖的种群才能保持一个相对恒定去，只有交互繁殖的种群才能保持一个相对恒定的基因库。因此，进化体现在种群的遗传组成的的基因库。因此，进化体现在种群的遗传组成的改变上，不是个体在进化，而是种群在进化；改变上，不是个体在进化，而是种群在进化；2022-8-1619v2 2、在达尔文学说中，自然选择来自繁殖过剩和生存、在达尔
16、文学说中，自然选择来自繁殖过剩和生存斗争（基于繁殖过剩和生存斗争做出的一个推论），斗争（基于繁殖过剩和生存斗争做出的一个推论），而在综合进化论中，则将自然选择归结为不同基因型而在综合进化论中，则将自然选择归结为不同基因型有差异的延续。在种间或种内的生存斗争中，竞争的有差异的延续。在种间或种内的生存斗争中，竞争的胜利者被选择下来，它的基因型得以延续下去，这固胜利者被选择下来，它的基因型得以延续下去，这固然具有进化价值，但除此之外，生物之间的一切相互然具有进化价值，但除此之外，生物之间的一切相互作用，包括捕食、竞争、寄生、共生、合作等等，只作用，包括捕食、竞争、寄生、共生、合作等等，只要影响基因频
17、率和基因型频率的变化都具有进化价值。要影响基因频率和基因型频率的变化都具有进化价值。没有生存斗争，没有没有生存斗争，没有“生死存亡生死存亡”问题，单是个体的问题，单是个体的繁殖机会的差异也能造成后代遗传组成的改变，自然繁殖机会的差异也能造成后代遗传组成的改变，自然选择也在进行选择也在进行;2022-8-1620v3 3、达尔文还不能区别可遗传的变异和不遗传、达尔文还不能区别可遗传的变异和不遗传的变异，他有时还采用了后天获得性遗传的的变异，他有时还采用了后天获得性遗传的概念。综合进化论摒弃了这些过时的概念，概念。综合进化论摒弃了这些过时的概念，而将自然选择学说和门德尔理论及基因论结而将自然选择学
18、说和门德尔理论及基因论结合起来。合起来。2022-8-1621现代综合进化论的主要观点现代综合进化论的主要观点 v（1 1）基因突变、染色体畸变和通过有性杂交实）基因突变、染色体畸变和通过有性杂交实现的基因重组合是生物进化的原材料。现的基因重组合是生物进化的原材料。v（2 2）进化的基本单位是群体而不是个体；进化）进化的基本单位是群体而不是个体；进化是由于群体中基因频率发生了重大的变化。是由于群体中基因频率发生了重大的变化。v（3 3）自然选择决定进化的方向；生物对环境的）自然选择决定进化的方向；生物对环境的适应性是长期自然选择的结果。适应性是长期自然选择的结果。v（4 4）隔离导致新种的形成
19、；长期的地理隔离常）隔离导致新种的形成；长期的地理隔离常使一个种群分成许多亚种，亚种在各自不同的环使一个种群分成许多亚种，亚种在各自不同的环境条件下进一步发生变异就可能出现生殖隔离，境条件下进一步发生变异就可能出现生殖隔离，形成新种。形成新种。2022-8-1622现代综合进化论的特点：现代综合进化论的特点：v强调进化的渐进性，认为进化现象是群体现强调进化的渐进性，认为进化现象是群体现象并重新肯定了自然选择的压倒一切的重要象并重新肯定了自然选择的压倒一切的重要性。性。v现代综合进化论继承和发展了达尔文学说，现代综合进化论继承和发展了达尔文学说，能较好地解释各种进化现象，所以近半个世能较好地解释
20、各种进化现象，所以近半个世纪以来，在进化论方面一直处于主导地位。纪以来，在进化论方面一直处于主导地位。2022-8-1623人体基本结构知识人体基本结构知识v人体骨骼人体骨骼v人体共有人体共有206206块骨骼，分为颅骨、躯干和四肢块骨骼，分为颅骨、躯干和四肢3 3个大部分。个大部分。v其中，有颅骨其中，有颅骨2929块、躯干骨块、躯干骨5151块、四股骨块、四股骨126126块。块。2022-8-1624人人体体骨骨骼骼 2022-8-1625中中华华人人体体穴穴位位示示意意图图2022-8-1626中中华华人人体体穴穴位位示示意意图图2022-8-1627中中华华人人体体穴穴位位示示意意图
21、图2022-8-1628中中华华人人体体穴穴位位示示意意图图2022-8-1629中中华华人人体体穴穴位位示示意意图图2022-8-1630中中华华人人体体穴穴位位示示意意图图2022-8-1631中中华华人人体体穴穴位位示示意意图图2022-8-1632构成生命的基本单位构成生命的基本单位-细胞细胞v细胞：细胞：英文名英文名:CELL:CELL 在文章中简称在文章中简称C C；v人体中无论是坚硬的骨，还是柔软的脑，以及人体中无论是坚硬的骨，还是柔软的脑，以及其他内脏等，都是由细胞构成的。细胞是人体其他内脏等，都是由细胞构成的。细胞是人体结构、机能和生长发育的基本单位。细胞具有结构、机能和生长
22、发育的基本单位。细胞具有物质代谢、生长、繁殖、分化、感应，衰老及物质代谢、生长、繁殖、分化、感应，衰老及死亡等特性。死亡等特性。2022-8-1633v细胞有两大类：细胞有两大类：原核细胞和真核细胞。真核原核细胞和真核细胞。真核细胞比原核细胞大，一般细胞都很微小，只细胞比原核细胞大，一般细胞都很微小，只有在显微镜下才能看清它们的面貌，约在有在显微镜下才能看清它们的面貌，约在10100m10100m。v大型动物和人的神经纤维、骨骼肌细胞长达大型动物和人的神经纤维、骨骼肌细胞长达140140毫米；但是，也有长达毫米；但是，也有长达1 1米以上的细胞。米以上的细胞。2022-8-1634细胞细胞v细
23、胞的形态和大小千差万别，它们处于不同的细胞的形态和大小千差万别，它们处于不同的位置和担负不同的功能。如游离在血液中的血位置和担负不同的功能。如游离在血液中的血细胞是圆形的，密集在一起的上皮细胞是多角细胞是圆形的，密集在一起的上皮细胞是多角形的，而神经细胞则有着多而长的突起。形的，而神经细胞则有着多而长的突起。v细胞的内部结构，由细胞膜、细胞质、细胞核细胞的内部结构，由细胞膜、细胞质、细胞核组成组成 2022-8-16352022-8-1636植物细胞和动物细胞的结构模式图植物细胞和动物细胞的结构模式图 2022-8-16372022-8-1638细胞细胞膜结膜结构示构示意图意图研究细胞膜的化学
24、组成，大都用动物细胞、红细胞、神经髓质等作为研究材料。由研究细胞膜的化学组成，大都用动物细胞、红细胞、神经髓质等作为研究材料。由于细胞膜很薄，而光学显微镜的分辨力低，因此在光学显微镜下是看不清细胞膜的，于细胞膜很薄，而光学显微镜的分辨力低，因此在光学显微镜下是看不清细胞膜的，只有在电子显微镜下才能真正看到一层厚约只有在电子显微镜下才能真正看到一层厚约8 nm8 nm的膜。通过对细胞膜的化学分析知的膜。通过对细胞膜的化学分析知道，细胞膜主要是由磷脂分子和蛋白质分子构成的，在膜的中间是磷脂双分子层，道，细胞膜主要是由磷脂分子和蛋白质分子构成的，在膜的中间是磷脂双分子层，实际上包括两层磷脂分子，这是
25、细胞膜的基本支架，由它支持着许多蛋白质分子。实际上包括两层磷脂分子，这是细胞膜的基本支架，由它支持着许多蛋白质分子。这些蛋白质分子可以分成两类。一类蛋白质分子排布在磷脂双分子层的外侧，即镶这些蛋白质分子可以分成两类。一类蛋白质分子排布在磷脂双分子层的外侧，即镶在膜的表层；另一类蛋白质分子，有的部分嵌插在膜的表层；另一类蛋白质分子，有的部分嵌插 2022-8-1639植物细胞简明示意图植物细胞简明示意图 2022-8-1640植物细胞的生长过程植物细胞的生长过程 2022-8-1641植物细胞结构图植物细胞结构图 2022-8-1642人体解剖图（正面、背面、左面、右面）人体解剖图（正面、背面、
26、左面、右面）v人体分五大部分，即人体分五大部分，即头、胸、骨盆、上肢头、胸、骨盆、上肢（包括上臂、小臂、（包括上臂、小臂、手）、下肢（包括大手）、下肢（包括大腿、小腿、脚）。腿、小腿、脚）。v头部、胸部、骨盆部头部、胸部、骨盆部是人体中的三个主要是人体中的三个主要的体块，它们本身是的体块，它们本身是不能活动的，把这三不能活动的，把这三部分连接在一起的是部分连接在一起的是颈椎和腰椎。颈椎和腰椎。2022-8-1643人体比例简介人体比例简介v由于年龄和性别的不同，人体的比例也有所差异。由于年龄和性别的不同，人体的比例也有所差异。v以人的头长为单位，全身的长度通常为七个到七个半以人的头长为单位，全
27、身的长度通常为七个到七个半头长。颈部约为四分之一头长，胸部约为一又四分之头长。颈部约为四分之一头长，胸部约为一又四分之一头长，腰部约为四分这一头长，骨盆部约为四分之一头长，腰部约为四分这一头长，骨盆部约为四分之三头长，上肢约为三又三分之一头长，其中上臂约为三头长，上肢约为三又三分之一头长，其中上臂约为四分之三头长，上肢约为三又三分之一头长，其中上四分之三头长，上肢约为三又三分之一头长，其中上臂约为一又三分之一头长，小臂约为一又三分之一头臂约为一又三分之一头长，小臂约为一又三分之一头长，手约为三分之二头长，下肢约为四个半头长，其长，手约为三分之二头长，下肢约为四个半头长，其中大腿约为二又四分之一
28、头长，小腿至脚跟约为二又中大腿约为二又四分之一头长，小腿至脚跟约为二又四分之一头长。从头顶至骨盆下端的长度比骨盆下端四分之一头长。从头顶至骨盆下端的长度比骨盆下端至脚跟的长度约短半个头长。至脚跟的长度约短半个头长。2022-8-16442022-8-16452022-8-1646PCRPCR技术简史技术简史DNADNA的复制的复制核酸体外扩增的设想核酸体外扩增的设想聚合酶链反应的发明聚合酶链反应的发明ATCGCGATAGCGTAGCTGCGACCTAGCATCGCGATAGCGTAGCTGCGACCTAGC53TAGCGCTATCGCATCGACGCTGGATCGTAGCGCTATCGCATC
29、GACGCTGGATCG35解旋酶解旋酶解链酶解链酶DNADNA解旋解链解旋解链合成引物合成引物子链延长子链延长2022-8-1647PCRPCR扩增原理及技术概念扩增原理及技术概念 v聚合酶链式反应（聚合酶链式反应（P Polymerase olymerase C Chain hain R Reactioneaction）简）简称称PCRPCR技术技术v-一种与体内一种与体内DNADNA复制过程类似的体外扩增复制过程类似的体外扩增特异特异DNADNA片段的技术，它是在模板、四种片段的技术，它是在模板、四种dNTPsdNTPs及两种特异性引物存在的条件下耐热性及两种特异性引物存在的条件下耐热性
30、TaqETaqE的酶促聚合反应，数小时后，能将极微量的酶促聚合反应，数小时后，能将极微量的目的的目的DNADNA片段扩增数十万倍，乃至千百万倍，片段扩增数十万倍，乃至千百万倍，无须经过繁琐费时的基因克隆过程，便可获得无须经过繁琐费时的基因克隆过程，便可获得足够数量的目的足够数量的目的DNADNA片段，所以有人称之为无片段，所以有人称之为无细胞分子克隆法。细胞分子克隆法。2022-8-1648PCRPCR反应分三步：反应分三步：v(a)(a)高温变性（高温变性（denaturationdenaturation）：高温（通常）：高温（通常9494）变性双）变性双链模板链模板DNA;DNA;v(b)
31、(b)退火（退火（anneallingannealling）：当温度降低时，由于模板）：当温度降低时，由于模板DNADNA结构较引物复杂得多，而且引物大大过量，使引物在与结构较引物复杂得多，而且引物大大过量，使引物在与其互补的模板局部形成杂交双链，而模板其互补的模板局部形成杂交双链，而模板DNADNA双链之双链之间互补的机会较少间互补的机会较少;v(c)(c)延伸（延伸（extentionextention）：中温（）：中温（7272）下）下TaqETaqE沿沿5-35-3方向方向催化以引物为起点的催化以引物为起点的DNADNA链延伸反应。链延伸反应。三个步骤形成三个步骤形成一个循环，多个循环
32、组成一个循环，多个循环组成PCRPCR反应。反应。v(d)-(g)(d)-(g)每一个循环的产物可以作为下一循环的模板，数每一个循环的产物可以作为下一循环的模板，数小时之后，介于两引物之间的特异小时之后，介于两引物之间的特异DNADNA片段得到大量片段得到大量扩增，数量可达到扩增，数量可达到10671067拷贝。拷贝。2022-8-1649PCRPCR技术简史技术简史DNADNA的复制的复制核酸体外扩增的设想核酸体外扩增的设想聚合酶链反应的发明聚合酶链反应的发明ATCGCGATAGCGTAGCTGCGACCTAGC53TAGCGCTATCGCATCGACGCTGGATCG35DNADNA解旋解
33、链解旋解链合成引物合成引物子链延长子链延长GGAUCG5AUCGCG5引物酶引物酶引物酶引物酶RNARNA引物引物RNARNA引物引物2022-8-1650PCRPCR技术简史技术简史DNADNA的复制的复制核酸体外扩增的设想核酸体外扩增的设想聚合酶链反应的发明聚合酶链反应的发明ATCGCGATAGCGTAGCTGCGACCTAGC53TAGCGCTATCGCATCGACGCTGGATCG35DNADNA解旋解链解旋解链合成引物合成引物子链延长GGAUCG5AUCGCG5TAGCGCTATCGCATCGACGCT3ATAGCGTAGCTGCGAGGATCG3DNADNA聚合酶聚合酶DNADNA
34、聚合酶聚合酶2022-8-1651PCR技术简史DNADNA的复制的复制核酸体外扩增的设想核酸体外扩增的设想聚合酶链反应的发明聚合酶链反应的发明v19711971年，年，KhoranaKhorana提出：经过提出：经过DNADNA变变性，与合适引物杂交，用性，与合适引物杂交，用DNADNA聚合聚合酶延伸引物，并不断重复该过程便酶延伸引物，并不断重复该过程便可克隆可克隆tRNAtRNA基因。基因。v但由于测序和引物合成的困难，以但由于测序和引物合成的困难，以及及7070年代基因工程技术的发明使克年代基因工程技术的发明使克隆基因成为可能，所以，隆基因成为可能，所以，KhoranaKhorana的的
35、设想被人们遗忘了设想被人们遗忘了2022-8-1652PCRPCR技术简史技术简史DNADNA的复制的复制核酸体外扩增的设想核酸体外扩增的设想聚合酶链反应的发明聚合酶链反应的发明v19851985年，美国年，美国PE-CetusPE-Cetus公司的公司的MullisMullis等人发明了聚等人发明了聚合酶链反应（合酶链反应（PCRPCR）v基本原理是在试管中模拟细胞内的基本原理是在试管中模拟细胞内的DNADNA复制复制v最初采用最初采用E-coli DNAE-coli DNA聚合酶进行聚合酶进行PCRPCR，由于该酶，由于该酶不耐热，使这一过程耗时，费力，且易出错不耐热，使这一过程耗时，费力
36、，且易出错v耐热耐热DNADNA聚合酶的应用使得聚合酶的应用使得PCRPCR能高效率的进行，能高效率的进行，随后随后PE-CetusPE-Cetus公司推出了第一台公司推出了第一台PCRPCR自动化热循自动化热循环仪环仪v19931993年，年，MullisMullis等因此项技术获诺贝尔化学奖等因此项技术获诺贝尔化学奖2022-8-1653 2022-8-16542022-8-1655人类染色体端粒人类染色体端粒DNADNA的荧光原位杂交照片的荧光原位杂交照片 2022-8-1656SensoQuest LabCyclerSensoQuest LabCycler系列系列PCRPCR仪仪v精确
37、性：精确性：Sensoquest LabcyclerSensoquest Labcycler独特的独特的分区域控温，采用分区域控温，采用6 6个最先进的个最先进的PeltierPeltier元件和元件和6 6个温度传感器使整个个温度传感器使整个加热模块具有极其出色的温度均一性加热模块具有极其出色的温度均一性和温度精确性，保证结果的可靠性和和温度精确性，保证结果的可靠性和重复性。重复性。v可靠性：可靠性：纯金属化设计，精确和高质纯金属化设计，精确和高质量制作工艺使量制作工艺使LabcyclerLabcycler的使用结果更的使用结果更可靠、经久耐用可靠、经久耐用v灵活性：灵活性：可以更换的加热模
38、块系统，满足您不同的实验需求。有可以更换的加热模块系统，满足您不同的实验需求。有多种不同格式各的加热模块可供选择。多种不同格式各的加热模块可供选择。WindowsWindows图文界面，超大图文界面，超大触摸显示屏，编程简单快捷。触摸显示屏，编程简单快捷。v创新性：创新性：远瞻性的设计和技术，系统软件的可升级性；使远瞻性的设计和技术，系统软件的可升级性；使LabcyclerLabcycler更能适应未来科技的发展。更能适应未来科技的发展。2022-8-1657纳米生物学的具体研究内容纳米生物学的具体研究内容v 纳米生物学的设想，是在纳米尺度上应用生物学原纳米生物学的设想，是在纳米尺度上应用生物
39、学原理，发现新现象，研制可编程的理，发现新现象，研制可编程的分子机器人分子机器人，也称，也称纳米机器人。涉及的内容可归纳为以下三个方面：纳米机器人。涉及的内容可归纳为以下三个方面：在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系。功能的联系。在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用扫描隧扫描隧道显微镜道显微镜获取获取细胞膜细胞膜和细胞表面的结构信息等。和细胞表面的结构信息等。纳米机器人的研制纳米机器人的研制 2022-8-1658第一节第一节 纳米医学纳米医学v所谓纳米医学，就是利用分子器具和人体分所谓纳米医学，就是
40、利用分子器具和人体分子的知识，进行诊断、治疗和预防疾病与创子的知识，进行诊断、治疗和预防疾病与创伤，减轻疼痛，促进和保持健康的科学和技伤，减轻疼痛，促进和保持健康的科学和技术。术。v采用分子机械系统来处理医疗问题，并用分采用分子机械系统来处理医疗问题，并用分子的知识在分子水平上维持人体的健康。子的知识在分子水平上维持人体的健康。v纳米医学的主要技术基础是纳米技术，并且纳米医学的主要技术基础是纳米技术，并且是纳米技术和分子操作技术。是纳米技术和分子操作技术。2022-8-1659一、纳米技术与临床医学一、纳米技术与临床医学v纳米药品：纳米药品：纳米抗菌药品、糖尿病纳米治疗纳米抗菌药品、糖尿病纳米
41、治疗药物；药物；v疾病治疗：疾病治疗：器官移植、基因治疗、用于治疗器官移植、基因治疗、用于治疗的纳米机器人、肿瘤治疗；的纳米机器人、肿瘤治疗；v纳米技术与诊断：纳米技术与诊断：影像学诊断、植入传感器影像学诊断、植入传感器诊断、实验室诊断、癌症的早期诊断、遗传诊断、实验室诊断、癌症的早期诊断、遗传病诊断、病理诊断。病诊断、病理诊断。2022-8-1660二、纳米医用材料纳米医用材料v生物材料已是大家熟知的内容，例如：用于制衣、皮生物材料已是大家熟知的内容，例如：用于制衣、皮带的动物皮革是生物材料；用于镶牙和制作隐形眼睛带的动物皮革是生物材料；用于镶牙和制作隐形眼睛的材料，尽管不是生物制品，但是被
42、用于生物体内，的材料，尽管不是生物制品，但是被用于生物体内，也可以归于生物材料。也可以归于生物材料。v纳米生物材料也可以分为两类：纳米生物材料也可以分为两类：一种是适合于生物体一种是适合于生物体内应用的纳米材料，它本身即可以是具有生物活性的，内应用的纳米材料，它本身即可以是具有生物活性的，也可以不具有生物活性，而仅仅易于被生物体接受，也可以不具有生物活性，而仅仅易于被生物体接受，而不引起不良反应；另一类是利用生物分子的特性而而不引起不良反应；另一类是利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料，它们可能不再被用于生物体，发展的新型纳米材料，它们可能不再被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造活的电
43、线而被用于其它纳米技术或微制造活的电线 v组织工程中的纳米生物材料组织工程中的纳米生物材料 2022-8-1661清华大学研制的纳米人工骨已被植入人体清华大学研制的纳米人工骨已被植入人体 v由清华大学研制的纳米人工骨目前已被成功植入由清华大学研制的纳米人工骨目前已被成功植入2626名脊腰椎病或骨折患者体内，其中，名脊腰椎病或骨折患者体内，其中，2020名患者康复名患者康复出院。昨天下午，又一位患者在东直门医院骨科接出院。昨天下午，又一位患者在东直门医院骨科接受人工骨植入手术。新型人工纳米骨可治疗人类骨受人工骨植入手术。新型人工纳米骨可治疗人类骨缺损缺损 。（。（20052005年）年）2022
44、-8-1662纳米纳米技术技术在解在解剖学剖学中的中的应用应用2022-8-1663v利用利用“自组装自组装”和和“层层组层层组装装”技术在仿生膜的分子组技术在仿生膜的分子组装方面曾取得阶段成果装方面曾取得阶段成果(Angew.Chem.Int.Ed.40(Angew.Chem.Int.Ed.40(2001)891(2001)891；Chem.Eur.J.,9 Chem.Eur.J.,9(2003)2589(2003)2589；Soft Matter 1 Soft Matter 1(2005)259;Biomacromolecules(2005)259;Biomacromolecules 7(
45、2006)580)7(2006)580)；Biochem.Biochem.Biophys.Res.Comm.354 Biophys.Res.Comm.354(2007)357(2007)357。v他们利用分子组装的方法和分子仿生的概念，在流体表面或生他们利用分子组装的方法和分子仿生的概念，在流体表面或生物基质中，进行仿生物膜结构的有序组装，通过对组装膜的结物基质中，进行仿生物膜结构的有序组装，通过对组装膜的结构与功能进行调控，使组装体系在某种程度上具有生物膜的功构与功能进行调控，使组装体系在某种程度上具有生物膜的功能。这些组装的仿生体系在作药物和基因的输送与可控释放方能。这些组装的仿生体系在作
46、药物和基因的输送与可控释放方面有潜在的应用前景面有潜在的应用前景(Chem.Eur.J.,10(2004)5848(Chem.Eur.J.,10(2004)5848；Biomaterials Biomaterials 28(2007)308328(2007)3083；Angew.Chem.Int.Ed.46(2007)2431)Angew.Chem.Int.Ed.46(2007)2431)。2022-8-1664韩国造出微型机器人韩国造出微型机器人 可钻入动脉清除阻塞物可钻入动脉清除阻塞物 20072007年年1010月月v韩国科学家研制出韩国科学家研制出一种小到能从血管一种小到能从血管中通过
47、的微型机器中通过的微型机器人。这种机器人的人。这种机器人的尺寸不及一毫米，尺寸不及一毫米，像螃蟹一样用六只像螃蟹一样用六只足行走。科学家设足行走。科学家设计它的目的是，利计它的目的是，利用它清理阻塞的动用它清理阻塞的动脉。脉。v资料图片：一种能钻入血管资料图片：一种能钻入血管的机器人想象图的机器人想象图 2022-8-1665PNASPNAS：科学家揭开纳米世界的生命进化基础过程科学家揭开纳米世界的生命进化基础过程 v纳米尺度的分子纳米尺度的分子“格格子子”会根据尺寸自我会根据尺寸自我选择，在铜表面找到选择，在铜表面找到合适的位置。合适的位置。v德国科学家在纳米尺度上的一项德国科学家在纳米尺度
48、上的一项最新观察研究，验证了生命进化最新观察研究，验证了生命进化的基础性的一步，即分子的自动的基础性的一步，即分子的自动组装和自我选择（组装和自我选择（self selectionself selection）。）。相关论文发表在近期的美国相关论文发表在近期的美国国国家科学院院刊家科学院院刊（PNASPNAS）上。）上。v该实验简单说来，就是让多种不该实验简单说来，就是让多种不同的平面分子结构在内嵌指令同的平面分子结构在内嵌指令（built-in instructionsbuilt-in instructions）的作用下）的作用下激活，并在母板表面寻找自己适激活，并在母板表面寻找自己适合的位
49、置。其间，这些分子会表合的位置。其间，这些分子会表现出自我选择现出自我选择那些处在错误那些处在错误位置的分子会为正确的分子让出位置的分子会为正确的分子让出位置。而分子的这种特性，也是位置。而分子的这种特性，也是无生命的分子可以最终成为生命无生命的分子可以最终成为生命体的基础。体的基础。2022-8-1666三、医用纳米机器和纳米机器人三、医用纳米机器和纳米机器人v纳米机器人由纳米传感器、纳米处理器与纳纳米机器人由纳米传感器、纳米处理器与纳米执行器等组成；米执行器等组成；v纳米传感器探测疾病的性质和位置；纳米处纳米传感器探测疾病的性质和位置；纳米处理器考虑采用什么措施治疗；纳米执行器去理器考虑采
50、用什么措施治疗；纳米执行器去治疗疾病。治疗疾病。2022-8-1667三、医用纳米机器和纳米机器人三、医用纳米机器和纳米机器人“纳米机器人纳米机器人”的研制属于分子的研制属于分子仿生学仿生学的范畴，它根据分子水平的生物学的范畴，它根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件功能分子器件”。纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。2022-8-166
