分子机器人
简介
，也称纳米机器人是人类征服自然的整个宏伟蓝图中最富有想像力和创造力的部分，而且运用于医学可以用来清除肌体深处的病毒、癌细胞等，它们具有不可限量的应用前景；而分子机器人的研发已成为当今科技的前沿热点。 [1]
基本定义
“机器人”这个词的含义在辞书中可以看到，有的辞书将机器人称为“把操作和作业作为目的，能自动剪贴的机械或装置”，诸如此类，不限于所谓“人形机器人”。在广义上，能够自动进行各种各样操作的机械都可称为机器人。而所谓“分子机器人”，就是把数十个或者数百个原子组合起来制成的机器人。
研究
制造分子机器人的最初构想要回溯到1950年。美国著名物理学家理查德·费曼第一次提出，未来可以制造微小机械让其能够实施各种各样的作业。尽管费曼并没有提出分子机器人的具体概念，但是从那以后，制造分子机器人就成为人类梦寐以求的向往。
不过科学技术的发展进程并非轻而易举，不管怎么说，科学家研究的对象——分子，尺寸只有1纳米，把这个尺度上的东西组装起来其难度可想而之，而且科学家组装起来的还必须是“把操作和作业作为目的，能自动运行”的机械。比如科学家就可能制造与病毒做斗争的分子机器人，这些病毒严重威胁着人类健康。科学家可以把这种分子机器人送入人体内，剔除构成病毒的分子，或摘除病毒或对其进行摧毁。也许和“人形”丝毫不沾边，但是分子机器人给人们实至名归的印象。
组成
自然界中的
令人吃惊之处在于，它们是完全自动组装而成的，只要材料和环境条件具备，就能轻而易举地自动组装成分子机器人。现今（2009年8月）人类掌握的技术已经能够在物质的表面一个一个地移动原子，但是要利用这种技术制造分子机器人能力还有所不及。
基因结构
现今（2009年8月）的分子机器人生物技术方法不仅仅能对结构和功能进行修饰，它还能够对自然界存在的大量蛋白质进行改造。通过引入一些特定的变化来修饰一些特定的蛋白质，就可形成一个综合多种功能的蛋白质分子。最常用的方法是用DNA重组技术将表达不同多肽或蛋白质结构域的基因组合起来，形成一个携带所有基因功能的融合蛋白。只要在折叠形成活性结构的过程中这个融合蛋白内的各个功能结构域不相互阻碍，该蛋白就有可能表现出人们在设计时希望它具有的生物功能。
构建
四川大学华西临床医学院生物膜与膜蛋白实验室主任丘小庆和他领导的研究集体进行了研究，他们以数种细菌信息素、抗体模拟无核大肠菌素等为模本，构建了数种融合蛋白，这些蛋白质将搭载药剂，直接送往癌变细胞将其杀死。
为了实现建造“多结构域蛋白质分子机器”的梦想，丘小庆等所做的第一个尝试是构建由两种蛋白质片段组合而成的一个融合蛋白。通过对该融合蛋白的分子结构进行控制，让这个融合蛋白产生出所期待的、能够选择性攻击某一种细胞的靶向攻击能力。在实现了对原核细胞的攻击之后，丘小庆又开始梦想能否构建出“靶向”攻击真核细胞的有效活性物质，它们有可能发展成为一系列新型抗菌和抗肿瘤药物。
应用
截止2009年8月，分子机器人的种类是有限的。从分子机器人能够在生物体内自动生成来设想，其最初的应用似乎应是以医疗等领域为中心。比如针对病毒的分子机器人，也许可以通过研发分子钳予以实现。加工分子钳前端的部件，使它只能与特定的病毒相结合。而且，可以利用分子钳那样的分子机器人，向癌肿部位集中送达药剂等。 随着生物技术水准的迅速进步，这样的生物技术药物可能会很快地代替现有药物，为人类创造更好的福祉，可是这些构建出来的融合蛋白还远远未能表达出人们所企求的结构和功能水准——人工多结构域“蛋白质机器”所应该具有的理想境界，充其量它们只能算作是蛋白质分子机器的一个雏形。现今正有科学家试图把如此重要的机械在分子尺寸上组装起来，制造一种极其微小的装置，科学家意图使用这种装置来操控别的分子，运用于医学可以用来清除肌体深处的病毒、癌细胞等，它们具有不可限量的应用前景。
现今不少国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占分子机器人这种新科技的战略高地。《机器人时代》月刊日前指出：分子机器人潜在用途十分广泛，其中特别重要的就是应用于医疗和军事领域。 [2]
每一种新科技的出现，似乎都包涵着无限可能。用不了多久，个头只有分子大小的神奇分子机器人将源源不断地进入人类的日常生活。中国著名学者周海中教授在1990年发表的《论机器人》一文中就预言：到21世纪中叶，分子机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。
相关报道
据英国《新科学家》杂志报道，英国和日本化学家联手开发了一批分子机器人，可以探测活细胞未知的化学环境，并将探测结果发送回来。
科学家表示，此分子机器人能将细胞膜的2种不同化学特性的测量结果加密成光信号传送回来，科学家对此进行解密后就能得到实际结果。其中一种测量结果通过光强度加密，另一种通过光的波长或颜色来加密。这些测量结果可以帮助生物化学家探知细胞如何产生能量以及信号是如何在神经细胞中传递的机理。
负责此项开发的英国贝尔法斯特女王大学普纳桑拉·德·西尔瓦说：“纳米装置及其绘制纳米空间的应用已经首次从科幻变成了科学实验。”
此分子机器人具有分子敏感性，对2种化学环境的特性非常敏感。细胞中首个变量是质子-氢离子的浓缩程度，绘制这一变化状况很重要，因为细胞利用不同梯度浓度的质子浓缩来贮存和产生能量。第二个变量是极性大小，由一些分子来调控这些电极的负电荷的分配。而细胞通过这些电极来给细胞膜定型，并将分子聚集一起或彼此分开。
此新型分子探测器是由质子敏感片段连在一个极性敏感的荧光片段构成的。当质子接收器发现氢离子时，它会释放能量，使荧光片段发光。周围的质子越多，发出的光就越多。然而，由于发光的荧光片段对极性的变化很敏感，发出光的波长加密这些分子周围的极性，因此细胞环境的极性越大，光波长就越长。
研究人员开发了18种不同版本的这种分子探测器，并在人造细胞是进行了测试。不同版本的分子探测器有不同的亲水性和疏水性，这意味着它们会自然地移动到细胞膜周围的不同位置。通过监测发出光的强度和波长，研究人员能够绘制细胞膜周围电化学环境的详细图示。德·西尔瓦说：“这是首次看到细胞膜附近的质子分配被如此详细地绘制出来。”此工作在分子传感器的设计上是一项重大突破，意大利科学家表示。
相关报道
纳米级分子机器是人类征服自然的整个宏伟蓝图中最富有想像力和创造力的部分。 为了实现建造“多结构域蛋白质分子机器”的梦想，四川大学华西临床医学院生物膜与膜蛋白实验室主任丘小庆和他领导的研究集体进行了为期10年的研究，他们以数种细菌信息素、抗体模拟无核大肠菌素等为模本，构建了数种融合蛋白（抗菌多肽和免疫毒素）。它们均特异性地攻击了选定的靶细菌或靶细胞，其杀伤效力远远高于现有抗菌素和免疫毒素，而毒副作用却远低于现有抗菌素和免疫毒素。
目前，科学家试图在分子尺寸上组装一种极其微小的装置，其在医学上应用前景广阔 ■===将新闻进行到底=== 8月中旬正是巴蜀大地还未脱离溽暑和大雨反复煎熬的时节，丘小庆博士仍在他的实验室中为圆满完成“蛋白质分子机器”的构思埋头苦干。 作为四川大学华西临床医学院生物膜与膜蛋白实验室主任，他充满信心地告诉记者，需要对蛋白质进行加工和改造使之成为满足人类需要的纳米级分子机器，这是人类征服自然的整个宏伟蓝图中最富有想像力和创造力的部分。 那么“分子机器”，也有人称之为“分子机器人”，它们究竟是怎样一种机械，它们的构造如何，它们又是由哪些部件组成的呢？
——解读分子机器——
自然界到处都有分子机器人
正确地说“分子机器人在自然界并不罕见”。比如就拿我们人类的身体来说，由于分子生物学的进展，我们发现人体是微小的精密机械的组合体。DNA（脱氧核糖核酸）上记录了遗传信息的复制和蛋白质的合成。肌肉的张弛、神经网络的信息传输等，在人类所有生命活动中，如果从分子水平上观察，就可以看到正在运行的微小精密机械。 自然界中的分子机器人令人吃惊之处在于，它们是完全自动组装而成的，只要材料和环境条件具备，就能轻而易举地自动组装成分子机器人。目前人类掌握的技术已经能够在物质的表面一个一个地移动原子，但是要利用这种技术制造分子机器人能力还有所不及。
“分子机器人”制造绝非轻而易举
制造分子机器人的最初构想要回溯到1950年。美国著名物理学家理查德·费曼（1918—1988）第一次提出，未来可以制造微小机械让其能够实施各种各样的作业。尽管费曼并没有提出分子机器人的具体概念，但是从那以后，制造分子机器人就成为人类梦寐以求的向往。不过科学技术的发展进程并非轻而易举，不管怎么说，科学家研究的对象——分子，尺寸只有1纳米，把这个尺度上的东西组装起来其难度可想而之，而且科学家组装起来的还必须是“把操作和作业作为目的，能自动运行”的机械。 要人工制造分子机器人其捷径仍然是模仿生物体中的分子机器人，但是正如前面谈到的，生物的“分子机器人是自动组装而成的”，个中机理科学家还没有完全弄清楚，研制过程中可能就会误入歧途。
——最新研究进展——
利用DNA技术对基因进行组合
对于分子组成的机器，丘小庆教授说，只要具备足够的想像力，那么“人工多结构域蛋白质机器”的制造对任何人几乎都是唾手可得的。目前的生物技术方法不仅仅能对结构和功能进行修饰，它还能够对自然界存在的大量蛋白质进行改造。通过引入一些特定的变化来修饰一些特定的蛋白质，就可形成一个综合多种功能的蛋白质分子。目前最常用的方法是用DNA重组技术将表达不同多肽或蛋白质结构域的基因组合起来，形成一个携带所有基因功能的融合蛋白。只要在折叠形成活性结构的过程中这个融合蛋白内的各个功能结构域不相互阻碍，该蛋白就有可能表现出我们在设计时希望它具有的生物功能。
已经构建出数种融合蛋白
为了实现建造“多结构域蛋白质分子机器”的梦想，丘小庆等所做的第一个尝试是构建由两种蛋白质片段组合而成的一个融合蛋白。通过对该融合蛋白的分子结构进行控制，让这个融合蛋白产生出所期待的、能够选择性攻击某一种细胞的靶向攻 击能力。在实现了对原核细胞的攻击之后，丘小庆又开始梦想能否构建出“靶向”攻击真核细胞的有效活性物质。 经过为期10年的研究，丘小庆教授和他领导的研究集体以数种细菌信息素、抗体模拟无核大肠菌素等为模本，构建了数种融合蛋白（抗菌多肽和免疫毒素）。它们均特异性地攻击了选定的靶细菌或靶细胞，其杀伤效力远远高于现有抗菌素和免疫毒素，而毒副作用却远低于现有抗菌素和免疫毒素。它们有可能发展成为一系列新型抗菌和抗肿瘤药物。
——重要应用前景——
可向病变部位集中运送药剂
目前，分子机器人的种类是有限的，不过我们可以考虑将来如何利用它们。 从分子机器人能够在生物体内自动生成来设想，其最初的应用似乎应是以医疗等领域为中心。比如针对病毒的分子机器人，也许可以通过研发分子钳予以实现。加工分子钳前端的部件，使它只能与特定的病毒相结合。而且，可以利用分子钳那样的分子机器人，向癌肿部位集中送达药剂等。 丘小庆认为，随着生物技术水准的迅速进步，这样的生物技术药物可能会很快地代替现有药物，为人类创造更好的福祉，可是这些构建出来的融合蛋白还远远未能表达出我们所企求的结构和功能水准——人工多结构域“蛋白质机器”所应该具有的理想境界，充其量它们只能算作是蛋白质分子机器的一个雏形。目前，正有科学家试图把如此重要的机械在分子尺寸上组装起来，制造一种极其微小的装置，科学家意图使用这种装置来操控别的分子，运用于医学可以用来清除肌体深处的病毒、癌细胞等，它们具有不可限量的应用前景。
分子机器人究竟是什么？
“机器人”这个词的含义在辞书中可以看到，有的辞书将机器人称为“把操作和作业作为目的，能自动运行的机械或装置”，诸如此类，不限于所谓“人形机器人”。在广义上，能够自动进行各种各样操作的机械都可称为机器人。而所谓“分子机器人”，望文生义当然是在分子尺寸上制造的机器人。大致说来，分子尺寸的机器人，其长短大小仅相当于1纳米左右，而1纳米是1米的十亿分之一，也就是其尺寸是1毫米的千分之一的千分之一。原子的大小大约在0．1纳米左右，分子机器人当然就是把数十个或者数百个原子组合起来制成的机器人。 如果能使用如此微小的分子尺寸的机械，随意支配或者加工其他分子的话，那就是一件令科学家十分称心的事了，比如科学家就可能制造与病毒做斗争的分子机器人，这些病毒严重威胁着人类健康。科学家可以把这种分子机器人送入人体内，剔除构成病毒的分子，或摘除病毒或对其进行摧毁。也许和“人形”丝毫不沾边，但是分子机器人给我们实至名归的印象。
科学家制造出超微机器人“腿脚”由DNA构成
据俄罗斯《纽带》网报道，英国牛津大学的一个研究小组制造出了一款分子级的超微型机器人——它的“手脚”皆由DNA细丝构成，具有独立行动的能力。 生物学家们很久以前便已发现，分子能够沿着某些特定的细胞内部结构运动。科学家们曾尝试着采用人工方法制造出类似的分子运输结构，但此前还从未有人制造出过能够与自然状态下分子功能类似的人造产品。牛津大学的研究人员指出，他们最新制造出的这款“分子机器”的性能在很多方面都超越了先前的产品。据介绍，这部分子级机器人由两条相互连接的“腿”构成，而这两条“腿”则由DNA片段制成。分子机器人的两条“腿”能够附着在特定的DNA序列上并沿着它缓慢地移动。 这种超微型机器人的运动能量来自一些游离于周围体液中的专门分子。据悉，当机器人的“腿”接触DNA表面后，便能够帮助机器人从那些特殊的分子处获得能量补充。 不过，这种分子机器人还存在着一些缺陷：它的“腿”在行进时有可能会失控，从而阻碍其行进的更远。目前，研究人员正在试图克服这一缺陷。科学家们希望，今后类似的更为完善的机器人将能够在微型工厂和车间中担负其物资运输的任务。 [3]
视频
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