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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ATP 223

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

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