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纳米机器技术是一项正在涌现的新技术,其核心原件是纳米尺度的化学或生物超分子。该技术的发展理念是利用物理手段操纵纳米机器的行为,从而遥控生物体内的生化过程。近日,日本产业技术综合研究生的Eijiro Miyako教授团队研制出一种超分子纳米机器,这是一种碳纳米管(CNTs)和脂质体的超分子杂化体,利用生物素-生物素结合蛋白之间的相互作用以及自组装技术合成而成。该CNT-脂质体纳米杂化体具有良好的生物兼容性,能很好地穿透细胞。除此之外,该超分子杂化体还具有以下显著的功能:
(1)该杂化体具有强大的光热转换能力。这种能力由罗丹明B的荧光猝灭实验得到了验证。罗丹明B是一种具有荧光的人工合成染料,在周围环境温度升高的情况下其荧光会被淬灭。将罗丹明B置于纳米杂化体的溶液中并用近红外激光照射时,观察到了其荧光淬灭;而在纳米杂化体不存在条件下用同样功率的激光单独照射罗丹明B时,则未观察到荧光淬灭,表明温度没有变化。
(2)通过激光照射控制超分子杂化体的底物释放和酶促反应。研究者此前发现纳米脂质体在温度高于42oC时结构会产生破损,而纳米杂化体优越的光热转化性能能够实现这一温度控制。研究者将二-β-D-吡喃半乳糖苷包裹在纳米杂化体中,并将其注入大肠杆菌体内。当采用近红外激光照射时,二-β-D-吡喃半乳糖苷被释放并与β-半乳糖苷酶反应,导致荧光增强,且荧光增强的强度与激光照射的强度成正比。以上实验结果表明,利用激光激发的纳米杂化体能够远程控制生物体内的酶促反应。
(3)通过激光-超分子杂化体系统远程控制线虫的运动。当线虫的动力感觉神经元受到物理刺激时,就会产生向前运动。阿米洛利是一种钠离子通道阻断剂,能够阻断线虫的动力感觉神经元使其停止运动。研究者将阿米洛利封装在纳米杂化体中,并通过显微注射使其进入线虫体内。当使用激光照射激发线虫尾部的动力感觉神经元时,线虫产生了前驱运动;但当照射持续进行,线虫的前驱运动逐渐变缓,最后完全停止。而不包裹阿米洛利的杂化体或是用单纯的脂质体包裹阿米洛利注入线虫体内时,线虫在激光照射下会一直运动而不会停止。由此可见,杂化体包裹的阿米洛利在激光照射条件下被释放,并阻断了线虫动力感觉神经元的钠离子通道。
上述研究成果被发表在《德国应用化学》杂志上,其最大的突破之处在于利用物理手段(激光)控制“寄生”在生物体内的纳米机器,首次实现了对生命体的“活体在线控制”。这项技术有广泛的应用前景,如可视器官、辅助听力、热传感、靶向药物载体等等。