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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

3.3.1 X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

5.6.2 ATP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

5.7.2 ABC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

6.4.1 ATP合成酶用作旋转马达204

6.4.2 用DNA构建分子机器206

6.5 DNA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

6.5.3 DNA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

参考文献249

索引259