納米是一種長度單位，一納米等于十億分之一米,。納米科技研究的是分子,、原子這類微小的事物。為了更深入地理解各種生命現(xiàn)象,，人類需要依靠納米科技,。

在本書中，牛津大學(xué)的索尼婭·孔特拉教授論述了納米科技對于生命領(lǐng)域研究的重要性,，并且介紹了相關(guān)的具體技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例,。

納米科技的重要性

要想理解生命的奧秘，必須要使用納米科技,。

首先,，引入納米科技是生命研究領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。

隨著生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展,，人們對生命的研究逐漸深入,。從器官到細(xì)胞，相關(guān)研究的對象也越來越小?，F(xiàn)如今,，我們終于走進(jìn)了生物分子的世界。生物體內(nèi)主要的分子包括脫氧核糖核酸（DNA）,、蛋白質(zhì)等,。當(dāng)前所形成的科學(xué)共識就是，人類的生老病死都離不開這些生物分子的相互作用,，而這些生物分子的尺寸都是納米級別的,。

如果能從分子層面進(jìn)行探索，就能極大地促進(jìn)人們對生命科學(xué)的理解,。最典型的例子,，就是在藥物研發(fā)領(lǐng)域今非昔比的變化,。使用傳統(tǒng)方法來開發(fā)藥物，很多探索都要依靠經(jīng)驗(yàn)和不斷試錯,，因?yàn)檠芯空邿o法解析藥物與生物體內(nèi)分子的相互作用,。但是，有了納米科技的幫助后,，就可以深入研究這些分子的運(yùn)行機(jī)理,，從而提升藥物研發(fā)的速度。比如,，為了應(yīng)對新冠疫情,，醫(yī)藥公司在11個月內(nèi)就推出了首款疫苗。

此外,，納米技術(shù)讓跨學(xué)科合作成為可能,。

對生命的探索涉及物理學(xué)、化學(xué),、生物學(xué)等等多個學(xué)科,。在最近的二三十年中，大批其他領(lǐng)域的學(xué)者們借助納米科技,，開始了生命科學(xué)的相關(guān)研究，從各自學(xué)科的視角去攻克關(guān)于生命科學(xué)的難題,。比如,，依靠納米技術(shù)準(zhǔn)確記錄生物系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ),，使用算法模擬生物分子的變化,，從而實(shí)現(xiàn)用人工智能來預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的重大突破。

納米科技的技術(shù)能力

納米科技的相關(guān)技術(shù)為人類提供了“觀察”和“操控”生物分子的能力,。

要想觀察到納米級別的事物,，靠光學(xué)顯微鏡無能為力。為此,，研究者們開發(fā)了一系列新型設(shè)備,。其中，最具代表性的是首創(chuàng)于20世紀(jì)80年代的掃描隧道顯微鏡,。這種設(shè)備的關(guān)鍵部分是一根特別細(xì)的針,，針尖只有一個原子。在運(yùn)行中,，針尖會去靠近樣品,，通過捕捉針尖上的電流變化，來分析樣品表面的形態(tài)信息,，精確度能達(dá)到原子級別,。但是這種設(shè)備不適合用在有液體參與的研究中,。

隨后，原子力顯微鏡被發(fā)明了出來,。這種設(shè)備也是靠鋒利的針來進(jìn)行測量,，但記錄的信號是來自針尖與樣品表面之間作用力。通過測量這個力的大小,，來推算樣品表面的起伏和形狀,。因此，原子力顯微鏡可以直接用來觀察液體中的分子,，并很快在生物領(lǐng)域的研究中大放異彩,。科學(xué)家們使用這種設(shè)備成功揭示了肌球蛋白的工作原理,。

有了納米手段后,，我們還能進(jìn)一步來操控分子。比如,，可以使用掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡這兩種設(shè)備的針尖,，來推動或拉拽單個的分子。

此外,，科學(xué)家們還可以用納米級的精度制造材料,。具體的制造方法可以分為兩類。一類叫做“自上而下法”,，是把很大的物體逐漸分割刻蝕,，最后得到納米級的物體。另一類叫做“自下而上法”,，是通過創(chuàng)造特殊的實(shí)驗(yàn)條件,，讓原子或分子組裝成所需要的形狀和尺寸。

在自下而上法中,，有一個有趣的例子,，叫做DNA折紙術(shù)。通過制造一些DNA的小碎片,，充當(dāng)“訂書釘”,，可以把DNA長鏈中的一些位置固定住，從而把這條DNA長鏈折疊成想要的形狀,。借由這種DNA折紙術(shù)制造出來的納米盒子,，就可以在藥物研發(fā)、食品生產(chǎn)等方面發(fā)揮作用,。

納米科技的實(shí)際應(yīng)用

在藥物遞送和器官移植等領(lǐng)域,，納米技術(shù)的應(yīng)用有望幫助人們治療疾病、提高生活質(zhì)量,。

在腫瘤化療中,，為了讓足夠的藥物抵達(dá)到腫瘤部位,，患者不得不服用很高的藥物劑量，這對身體中的正常細(xì)胞會造成傷害,，從而產(chǎn)生嚴(yán)重副作用,。

為了讓藥物分子直接抵達(dá)腫瘤細(xì)胞，可以借助于納米顆粒的“高滲透長滯留效應(yīng)（EPR）”,。這種效應(yīng)是指,，因?yàn)槟[瘤周圍的血管存在缺陷，所以納米顆粒特別會在這片區(qū)域聚集,。

利用EPR效應(yīng),，科學(xué)家們可制造出一些容易聚集在腫瘤周圍的納米顆粒，并在這些顆粒的內(nèi)部或尾部裝載上特定的化療藥物分子,。經(jīng)過這種設(shè)計,，納米顆粒就像是導(dǎo)航儀，而藥物分子就是一顆子彈,。這種具有導(dǎo)航功能的“神奇子彈”就可以精確地抵達(dá)目標(biāo)腫瘤,，而不會被身體其他部位所吸收。

另一個納米科技的應(yīng)用實(shí)例是在器官移植領(lǐng)域,。

為了增加器官的供應(yīng),，最有前景的方案是在體外培養(yǎng)器官。在真實(shí)的器官中,，細(xì)胞們依托于一種納米級的網(wǎng)絡(luò)支架,，從而排列成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，而這種網(wǎng)絡(luò)支架叫做細(xì)胞外基質(zhì),。要想在體外培養(yǎng)器官，必須能模擬出所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)支架,。

在人工支架的制作中,，納米科技可以發(fā)揮重要作用。為了測量生物體中支架的詳細(xì)參數(shù),，可以應(yīng)用原子力顯微鏡等設(shè)備,，精準(zhǔn)測出細(xì)胞和對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)支架的相關(guān)信息。以這些實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),，科學(xué)家們還能在納米級的精度上對人工支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制,。比如，使用一種名為“靜電紡絲”的技術(shù),，將直徑只有幾十納米的聚合纖維紡織成指定的網(wǎng)絡(luò),，從而作為細(xì)胞生長的支架。

對于培養(yǎng)結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜的內(nèi)臟器官,，還需要借助更前沿的納米科技,。比如,，在2019年，來自以色列的研究團(tuán)隊使用來自病人自身的細(xì)胞作為原料,，用3D打印的方法直接做出了一顆心臟,，一時間引起了巨大轟動。

在對生命的探索中,，納米科技會扮演越來越重要的角色,。而且，納米不是科學(xué)的邊界,，人類肯定會走入更微觀,、更神秘的世界中去，以更透徹地理解生命,、解開生命之謎,。