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纳米生物技术
活的细胞是造化所赐的天然纳米技术。如今人工纳米技术将为这种天然纳米技术提供辅助。
纳米技术好像无处不在，然而，它的全部就是一种基于纳米尺度的技术，由于大分子就是纳米尺度，许多批评者认为它只是一个有趣的化学名词。
最先用纳米一词的人是Eric Drexler，当时他是麻省理工大学的一名工程师，并且雄心勃勃。在他1986年写作出版的一本专著中，他极力证明：将来有一天可能会构建具有自我复制功能的纳米机器，这种机器能够将原子送进分子中，从而生成新物质。
事实上活细胞已经在这样工作着。如果Drexler博士纳米机器的设想某天变为现实，它将不会利用分子大小的齿轮和飞轮，而是通过人造产品与天然纳米生物技术互相作用。
纳米医药又称纳米生物技术，是人工纳米技术与天然纳米技术的结合。细胞就像纳米机器的仓库，这个仓库由微管构成，而微管只能以纳米测量其直径。细胞的蛋白质在核糖体的纳米流水线上制造，并被另外一种叫做戈尔吉器的纳米装置包裹起来。那些蛋白质常常本身就是纳米机器———酶，可以根据细胞的需要将分子分开或将分子连接起来。同这些纳米机器相互作用的人工器件能够分析细胞的内容物，将药传送给细胞，从而杀死有害的细胞或利用功能正常的细胞像一个微型加工厂一样工作。
人造胰脏———糖尿病患者的福音
纳米生物技术的典型例子是Desai博士的人造胰脏。Desai博士在波士顿大学工作，她正在研制一种可以注入糖尿病患者体内的新药。目前病人必须注射胰岛素来控制病情，而胰岛素是在胰腺的岛细胞内生成的一种激素类蛋白质。Desai博士选择老鼠的岛细胞进行试验，这种细胞容易获得，但通常只在人体内持续几分钟就被来自免疫系统的抗体破坏。这里就涉及到纳米技术，虽然相当粗糙。Desai博士将她的老鼠胰腺细胞装进布满纳米孔的膜中，这些纳米孔的直径只有7个纳米，利用光刻技术———这种技术也应用在计算机芯片上。当血液中的葡萄糖通过纳米孔渗透进来，岛细胞会相应地释放胰岛素，7个纳米的毛细细孔足以让小分子的葡萄糖和胰岛素通过。但是相对较大的抗体分子却不能通过，因而不会毁坏胰岛细胞。
迄今为止这种技术还停留在老鼠试验阶段，被植入胶囊的糖尿病鼠在没有注射胰岛素的情况下活了好几个星期。因此这种装置有可能成为一个成功的纳米医药发明。
纳米孔胶囊也能用作传送稳定剂量的药物，这种情况下毛细孔将担当十字转门而不是看门者。由于比药物分子略大，这些细孔将控制药物分子的渗透率，从而保持细胞中的药量恒定，与胶囊内剩余的药量无关。Desai博士将这种胶囊比作一间带门的房子，门的宽度只能一次允许一人通过，房子的空置率更多地依赖于人们挤过房门有多快，而不是房间有多满。
生物探针
有些研究者正在设计能以更加复杂的方式与生物分子相作用的纳米装置。例如，纳米制造业需要设计出比现在所用的灵敏得多的控制生物试验的探针。一种方法是用半导体纳米晶体或量子点代替当前用有机色素来标记生物分子的办法。有机色素在化学上是不稳定的，因而会随着时间慢慢消失，而且用色素同时标记不同种类的分子难度较大，因为每一不同的色素必须特定波长的光照射，以便能反射足够的光进行探测。
量子点纳米晶体（QDNs）能解决这些问题，这些直径只有5－10纳米的晶体有3种组分组成，它们的中心含有类似镉和硒的两串原子，这两串原子连接起来会形成一种半导体，在宽频紫外光的激发下这个半导体发射特定颜色的光。这些原子串周围环绕着一层无机物，以保护原子串。整个QDNs外面包覆一层有机物表面，可以吸附蛋白质或DNA分子。通过改变中心的原子数，QDNs能发出不同颜色的光。
即使用一个纳米晶体标记，蛋白质也能正常地与其它分子起反应，因此将含有这种标记蛋白质的细胞放在紫外光下，通过显微镜可以找到被标记的蛋白质的位置，追踪它们在细胞内的活动。加利福尼亚的量子点公司的Mitch Gave说，采用纳米晶体标记有可能同时跟踪5－10种标记物。
另外一种可能用来标记细胞内物质的树枝状分子dendrimer，尺度为2－20纳米，这种物质有许多分枝，分枝的顶端被修饰后能携带具有反应能力的化学基，或被连接到抗体、DNA片段、金属原子上，而且这些树枝状纳米分子擅长于改变它们在细胞膜内的路线。
在2001年12月的自然生物技术（Nature Biotechnology）杂志上，巴尔的摩的约翰．霍普金斯大学的Jeff Bulte和他的同事们发表文章说，被磁化标记的树枝状纳米分子可以用来跟踪被移植到活鼠脑内的干细胞。Bulte博士和他的队伍合成连有氧化铁分子的dendrimers，并将它们放进含有由干细胞培养出的脑细胞的培养液中，这一磁化dendrimers被脑细胞吸收，接着将它们注射进老鼠的脑内。运用磁共振成像来探测dendrimers中的氧化铁，研究者能够追踪被移植细胞的位置从而观察到它们何时生成大脑中的新组织。研究人员正在利用纳米生物学的思想来开发药物，这种药物专门作用于带病组织，而dendrimers特别适合于这个目的。
如果将dendrimers加以修饰使其携带五个化学功能基，它将成为一种复杂的抗癌药物。一个分支拥有一个可作用于癌细胞中受体分子的分子，第二个分支拥有一个遇到与癌相关的基因变异就会发出荧光的分子，第三个分支含有能够容易被X射线探测的金属原子或其它物质，以显示肿瘤的形状；第四个携带一种可以按需释放的药物分子，而且第五个含有只遇到死亡的癌细胞才释放的信号分子。Baker博士已经在实验中生成一种7纳米的dendrimers，它携带上述所有要素。被培养出的细胞中，带有适当受体和致癌基因变异的细胞吸收了这些dendrimers，之后立刻被毒死；而不含这种受体的细胞不受影响。现在该实验室又在试图验证dendrimers是否对活体动物有相同作用。
类似技术最终可以使C－60产生一种新的用途，目前C－60最有前途的当属一种抗艾滋病药物，这种药物由两边粘带dendrimers的C－60组成。由于dendrimers是水溶性物质，整个复合物能溶入生物溶液中，而只有C－60是不能溶解的。Wilson博士和他的研究组已经发现，这一复合物能找到称作反转录酶的病毒性酶的活性部位，这种酶对HIV的生命周期至关重要，因为它将病毒的遗传物质转译进DNA，而宿主细胞却不知情地用这种DNA制造更多的病毒，C－60药与这种酶的活性部位紧密结合，从而阻止这个过程。
这与现存的蛋白酶抑制剂类抗艾滋病药的作用方式没有大的区别，蛋白酶抑制剂类通过化学方式结合到酶的活性部位来阻止酶的活性，但是机理却完全不一样。代替化学结合，C－60药形成一个针对活性部位的机械塞子，因此它对活性部位精确化学组成的敏感性较低。C－60药具有重要意义的原因是，对蛋白激酶药产生抗性的 HIV链开始出现。对HIV而言，形成对C－60药的抗性困难得多，这是因为酶必须经受剧烈的改变才能毁坏C－60，而一点小变化就足以使现存的化学类药物效果全失。除了进化中发生这种剧烈变化的机会很小以外，病毒酶活性部位的较大变更会使病毒失去活性。
纳米管药将取代抗生素
Reza Ghadiri，一位化学家，最近发现了另外一种让人惊异的潜在纳米药。他发现一种全新的纳米管药，这种药可以杀死细菌，即使细菌已经对传统抗生素形成抗性。Ghadiri博士发现如果将含8个氨基酸的环放在细胞膜附近，它们将自我复制并进入那些细胞膜的管道中。这些管道大约直径为3纳米、长6纳米，这足够形成细胞膜的细孔，结果细胞的许多重要组分流失从而导致细胞死亡。
为了把他的氨基酸环制成有效的杀菌剂，Ghadiri博士必须让它们进入危险细菌的细胞膜内。他将组成管道的氨基酸侧链拧成环状，这些侧链是一些对管道不重要的原子团，但是可以改变管道与外界的作用方式。
细胞膜由脂类分子组成，但有机体之间的细胞膜脂质是不同的，特别是，细菌的细胞膜不同于人类的。通过检测出氨基酸的不同连接，Ghadiri博士发现了几个含8个氨基酸的氨基酸环，这些氨基酸环对一种常见病菌葡萄状球菌的抗生素链特别有效。接着他使一些老鼠感染上致命水平的葡萄状球菌，并向不同的老鼠组注射不同剂量的氨基酸环，对照组（没有被注射氨基酸链）死亡，被注射的老鼠继续存活。Ghadiri博士说这些环不到一个小时就能发挥作用。
理论上讲，细菌最终还是能形成对这种纳米管药物的抗性。但是，由于构建它们的方法简单化、模型化，它们的组成很容易改变，因此，随着靶细菌的进化，药物能相应地得以修饰。相反，能找到一般抗生素的有效替代物非常困难，所以，许多药物公司对Ghadiri博士的工作表示有兴趣，尽管这种药进入临床试验阶段还需要等待好几年。
活的细胞是造化所赐的天然纳米技术。如今人工纳米技术将为这种天然纳米技术提供辅助。
纳米技术好像无处不在，然而，它的全部就是一种基于纳米尺度的技术，由于大分子就是纳米尺度，许多批评者认为它只是一个有趣的化学名词。
最先用纳米一词的人是Eric Drexler，当时他是麻省理工大学的一名工程师，并且雄心勃勃。在他1986年写作出版的一本专著中，他极力证明：将来有一天可能会构建具有自我复制功能的纳米机器，这种机器能够将原子送进分子中，从而生成新物质。
事实上活细胞已经在这样工作着。如果Drexler博士纳米机器的设想某天变为现实，它将不会利用分子大小的齿轮和飞轮，而是通过人造产品与天然纳米生物技术互相作用。
纳米医药又称纳米生物技术，是人工纳米技术与天然纳米技术的结合。细胞就像纳米机器的仓库，这个仓库由微管构成，而微管只能以纳米测量其直径。细胞的蛋白质在核糖体的纳米流水线上制造，并被另外一种叫做戈尔吉器的纳米装置包裹起来。那些蛋白质常常本身就是纳米机器———酶，可以根据细胞的需要将分子分开或将分子连接起来。同这些纳米机器相互作用的人工器件能够分析细胞的内容物，将药传送给细胞，从而杀死有害的细胞或利用功能正常的细胞像一个微型加工厂一样工作。
人造胰脏———糖尿病患者的福音
纳米生物技术的典型例子是Desai博士的人造胰脏。Desai博士在波士顿大学工作，她正在研制一种可以注入糖尿病患者体内的新药。目前病人必须注射胰岛素来控制病情，而胰岛素是在胰腺的岛细胞内生成的一种激素类蛋白质。Desai博士选择老鼠的岛细胞进行试验，这种细胞容易获得，但通常只在人体内持续几分钟就被来自免疫系统的抗体破坏。这里就涉及到纳米技术，虽然相当粗糙。Desai博士将她的老鼠胰腺细胞装进布满纳米孔的膜中，这些纳米孔的直径只有7个纳米，利用光刻技术———这种技术也应用在计算机芯片上。当血液中的葡萄糖通过纳米孔渗透进来，岛细胞会相应地释放胰岛素，7个纳米的毛细细孔足以让小分子的葡萄糖和胰岛素通过。但是相对较大的抗体分子却不能通过，因而不会毁坏胰岛细胞。
迄今为止这种技术还停留在老鼠试验阶段，被植入胶囊的糖尿病鼠在没有注射胰岛素的情况下活了好几个星期。因此这种装置有可能成为一个成功的纳米医药发明。
纳米孔胶囊也能用作传送稳定剂量的药物，这种情况下毛细孔将担当十字转门而不是看门者。由于比药物分子略大，这些细孔将控制药物分子的渗透率，从而保持细胞中的药量恒定，与胶囊内剩余的药量无关。Desai博士将这种胶囊比作一间带门的房子，门的宽度只能一次允许一人通过，房子的空置率更多地依赖于人们挤过房门有多快，而不是房间有多满。
生物探针
有些研究者正在设计能以更加复杂的方式与生物分子相作用的纳米装置。例如，纳米制造业需要设计出比现在所用的灵敏得多的控制生物试验的探针。一种方法是用半导体纳米晶体或量子点代替当前用有机色素来标记生物分子的办法。有机色素在化学上是不稳定的，因而会随着时间慢慢消失，而且用色素同时标记不同种类的分子难度较大，因为每一不同的色素必须特定波长的光照射，以便能反射足够的光进行探测。
量子点纳米晶体（QDNs）能解决这些问题，这些直径只有5－10纳米的晶体有3种组分组成，它们的中心含有类似镉和硒的两串原子，这两串原子连接起来会形成一种半导体，在宽频紫外光的激发下这个半导体发射特定颜色的光。这些原子串周围环绕着一层无机物，以保护原子串。整个QDNs外面包覆一层有机物表面，可以吸附蛋白质或DNA分子。通过改变中心的原子数，QDNs能发出不同颜色的光。
即使用一个纳米晶体标记，蛋白质也能正常地与其它分子起反应，因此将含有这种标记蛋白质的细胞放在紫外光下，通过显微镜可以找到被标记的蛋白质的位置，追踪它们在细胞内的活动。加利福尼亚的量子点公司的Mitch Gave说，采用纳米晶体标记有可能同时跟踪5－10种标记物。
另外一种可能用来标记细胞内物质的树枝状分子dendrimer，尺度为2－20纳米，这种物质有许多分枝，分枝的顶端被修饰后能携带具有反应能力的化学基，或被连接到抗体、DNA片段、金属原子上，而且这些树枝状纳米分子擅长于改变它们在细胞膜内的路线。
在2001年12月的自然生物技术（Nature Biotechnology）杂志上，巴尔的摩的约翰．霍普金斯大学的Jeff Bulte和他的同事们发表文章说，被磁化标记的树枝状纳米分子可以用来跟踪被移植到活鼠脑内的干细胞。Bulte博士和他的队伍合成连有氧化铁分子的dendrimers，并将它们放进含有由干细胞培养出的脑细胞的培养液中，这一磁化dendrimers被脑细胞吸收，接着将它们注射进老鼠的脑内。运用磁共振成像来探测dendrimers中的氧化铁，研究者能够追踪被移植细胞的位置从而观察到它们何时生成大脑中的新组织。研究人员正在利用纳米生物学的思想来开发药物，这种药物专门作用于带病组织，而dendrimers特别适合于这个目的。
如果将dendrimers加以修饰使其携带五个化学功能基，它将成为一种复杂的抗癌药物。一个分支拥有一个可作用于癌细胞中受体分子的分子，第二个分支拥有一个遇到与癌相关的基因变异就会发出荧光的分子，第三个分支含有能够容易被X射线探测的金属原子或其它物质，以显示肿瘤的形状；第四个携带一种可以按需释放的药物分子，而且第五个含有只遇到死亡的癌细胞才释放的信号分子。Baker博士已经在实验中生成一种7纳米的dendrimers，它携带上述所有要素。被培养出的细胞中，带有适当受体和致癌基因变异的细胞吸收了这些dendrimers，之后立刻被毒死；而不含这种受体的细胞不受影响。现在该实验室又在试图验证dendrimers是否对活体动物有相同作用。
类似技术最终可以使C－60产生一种新的用途，目前C－60最有前途的当属一种抗艾滋病药物，这种药物由两边粘带dendrimers的C－60组成。由于dendrimers是水溶性物质，整个复合物能溶入生物溶液中，而只有C－60是不能溶解的。Wilson博士和他的研究组已经发现，这一复合物能找到称作反转录酶的病毒性酶的活性部位，这种酶对HIV的生命周期至关重要，因为它将病毒的遗传物质转译进DNA，而宿主细胞却不知情地用这种DNA制造更多的病毒，C－60药与这种酶的活性部位紧密结合，从而阻止这个过程。
这与现存的蛋白酶抑制剂类抗艾滋病药的作用方式没有大的区别，蛋白酶抑制剂类通过化学方式结合到酶的活性部位来阻止酶的活性，但是机理却完全不一样。代替化学结合，C－60药形成一个针对活性部位的机械塞子，因此它对活性部位精确化学组成的敏感性较低。C－60药具有重要意义的原因是，对蛋白激酶药产生抗性的 HIV链开始出现。对HIV而言，形成对C－60药的抗性困难得多，这是因为酶必须经受剧烈的改变才能毁坏C－60，而一点小变化就足以使现存的化学类药物效果全失。除了进化中发生这种剧烈变化的机会很小以外，病毒酶活性部位的较大变更会使病毒失去活性。
纳米管药将取代抗生素
Reza Ghadiri，一位化学家，最近发现了另外一种让人惊异的潜在纳米药。他发现一种全新的纳米管药，这种药可以杀死细菌，即使细菌已经对传统抗生素形成抗性。Ghadiri博士发现如果将含8个氨基酸的环放在细胞膜附近，它们将自我复制并进入那些细胞膜的管道中。这些管道大约直径为3纳米、长6纳米，这足够形成细胞膜的细孔，结果细胞的许多重要组分流失从而导致细胞死亡。
为了把他的氨基酸环制成有效的杀菌剂，Ghadiri博士必须让它们进入危险细菌的细胞膜内。他将组成管道的氨基酸侧链拧成环状，这些侧链是一些对管道不重要的原子团，但是可以改变管道与外界的作用方式。
细胞膜由脂类分子组成，但有机体之间的细胞膜脂质是不同的，特别是，细菌的细胞膜不同于人类的。通过检测出氨基酸的不同连接，Ghadiri博士发现了几个含8个氨基酸的氨基酸环，这些氨基酸环对一种常见病菌葡萄状球菌的抗生素链特别有效。接着他使一些老鼠感染上致命水平的葡萄状球菌，并向不同的老鼠组注射不同剂量的氨基酸环，对照组（没有被注射氨基酸链）死亡，被注射的老鼠继续存活。Ghadiri博士说这些环不到一个小时就能发挥作用。
理论上讲，细菌最终还是能形成对这种纳米管药物的抗性。但是，由于构建它们的方法简单化、模型化，它们的组成很容易改变，因此，随着靶细菌的进化，药物能相应地得以修饰。相反，能找到一般抗生素的有效替代物非常困难，所以，许多药物公司对Ghadiri博士的工作表示有兴趣，尽管这种药进入临床试验阶段还需要等待好几年。
