◇◇新语丝(www.xys.org)(xys.dxiong.com)(xys1.dyndns.org)(xys888.dyndns.org)◇◇ (发表于《南方周末》2002年8月1日) 世界上最小的管道连接纳米技术和生物技术 ·方舟子· 曾经有一段时间,在中国市场上突然出现了大量的“纳米”产品:纳米 水、纳米油、纳米洗衣机、纳米冰箱、纳米衣服、纳米领带……“纳米”这 个长度单位(米的十亿分之一)成了妇孺皆知的时髦名词。人人都知道纳米 技术是最先进的技术,但很少有人确切地知道其含义,更很少有人听说即使 在纳米技术最发达的美国,纳米产品也还处于实验室开发阶段,并未到满大 街叫卖的程度。在经过众多专家的澄清后,中国这股领先世界的“纳米热” 很快就降温了,再叫卖纳米产品已有骗子之嫌。但这并不意味着纳米技术都 是骗人的东西。真正的纳米技术——建造纳米尺度的微小器件——有着迷人 的前景。例如,将纳米技术应用于生物技术,有可能带来生物医学研究的革 命。 我们体内每个细胞都有着相同的基因组。从理论上说,一个细胞里的DNA 分子,就包含了我们需要知道的所有遗传信息。但是目前我们没法直接分析 单个DNA分子,而必须先将DNA分子分离、克隆、扩增。只有在获得同一种DNA 分子的大量拷贝后,我们才能对它进行分析、测序。最常见的一种分析 技术是电泳技术。DNA分子带有电荷,因此它们会在电场中移动,DNA分子越 大,就移动得越慢,反之就越快。利用这种特性,可以了解DNA分子的特性, 进而可以读出DNA的序列。目前用的电泳技术是凝胶电泳,将DNA扩增后,加 到用琼脂等凝胶做成的槽中,再在凝胶的两端加上电场。这些步骤既费时间 又费金钱。能不能从一个细胞中取出DNA分子后,就直接进行电泳? DNA分子是双螺旋结构,其直径大约是2纳米。这就要求我们必须制造出 纳米尺度的管道,供单个DNA分子移动,才能直接追踪单个DNA分子。世界上 有多个实验室在试图制造出这种纳米管道。最近,美国普林斯顿大学纳米结 构实验室在《应用物理通讯》和《自然》杂志上发表论文,宣布他们制造出 了世界上最小的管道,直径小至10纳米,可以用于分析单个DNA分子。人的 头发的直径大约是100微米,也就是说,在1根头发上,可以刻上1万个这样 的管道。 他们采用的是一种叫做“纳米印记刻板法”的技术。这项技术是该实验 室主任、华裔科学家周郁教授发明的。它先用激光技术在一个原始模板上划 出无数细小管道。然后用类似于印刷刻板的方法,以这个原始模板复制出许 多相同的模板,这些模板上的管道再被印到石英或硅芯片上。在一个四英寸 的芯片上可以形成50万个小槽,每条小槽的直径在50-100纳米。但是这个 直径对DNA来说仍然显得太宽了。在该实验室做博士后研究的曹涵博士想到了 一种巧妙的简单办法进一步使小槽变窄。他往槽中倒二氧化硅。如果在倒的 时候选好角度,在小槽的两壁,上面部分将比下面部分厚,形成了一个拱顶, 把槽封闭起来,这样小槽就变成了管道,不仅直径减少到10纳米,与DNA分 子直径大小相当,而且由于是密封的,管中的液体在电泳时不会很快蒸发掉, 可以保证电泳的顺利进行。如果没有液体做载体,DNA是无法移动的。 在制造出这些微细管道后,曹涵往管道中加入用荧光标记的DNA分子, 进行电泳,然后用光学显微镜观测、拍摄这些DNA的移动情况。用这种技术, 可以直接、快速地检测基因突变和基因测序。遗传信息是用四种碱基做为字 母纪录的,在DNA分子上做直线排列。如果把一个人体细胞中的DNA分子拉直, 长达1米。打个比方,我们的遗传奥秘,就纪录在一条宽2纳米,长1米的数据 带上。DNA分子是一种很“粘”的分子,在自然状态下会卷成一团,难以直接 读出它所携带的遗传信息,而必须把它拉直。如果能让DNA分子通过与其直径 大小差不多的管道,就能够把它拉直、阅读了。据估计,在几年内,采用纳米 技术,用不了一个小时就可以测完人体基因组的全部序列,而用现有的技术, 测了十几年还没测完。 这个项目的负责人周郁教授于1978年本科毕业于中国科技大学物理系, 1986年在麻省理工学院获得博士学位。《应用物理通讯》论文的第一作者曹 涵于1985年也毕业于中国科技大学,不过是毕业自生物系;1998年在美国特 拉华大学获得分子细胞生物学博士学位。也许很少有人想到学生物出身的人 也在从事纳米技术开发。纳米技术其实是一个交叉领域,需要来自不同学科 的研究者的共同努力。不仅纳米技术能应用于生物技术,生物技术也能反过 来应用于纳米技术。纳米技术的最终目的是制造分子机器,而生物体内的生 物大分子实际上就是一台台值得仿造的分子机器,最了解这些分子机器的是 生物学家。真正的纳米技术要比那些“伪纳米”产品所描绘的要复杂得多, 也美妙得多。 ◇◇新语丝(www.xys.org)(xys.dxiong.com)(xys1.dyndns.org)(xys888.dyndns.org)◇◇