生物传感器让“分子机器”由概念转变为实用

分子机器不仅可以实现宏观机器常有的功能,还因为其极为微小的尺寸特征,在微观世界里发挥着无可比拟的作用。

  自从2016年,瑞典皇家科学院5日宣布,将诺贝尔化学奖授予让·皮埃尔·索瓦日、弗雷泽·斯托达特、伯纳德·费林加三位科学家,以表彰他们在分子机器设计与合成领域的贡献后,“分子机器”这一词汇就逐渐出现,并让不少国家纷纷制定“分子机器”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。那么这究竟是一种怎样的机器呢?


分子机器示意图

什么是“分子机器”?

  分子机器,指由分子尺度的物质构成、能行使某种加工功能的机器,其构件主要是蛋白质等生物分子。因其尺寸多为纳米级,又称生物纳米机器,具有小尺寸、多样性、自指导、有机组成、自组装、准确高效、分子柔性、自适应、仅依靠化学能或热能驱动、分子调剂等其他人造机器难以比拟的性能,因此研究生物纳米机器具有重大意义。它可以促进生物学发现,深入认识蛋白质分子机器机制,开发生物分子机器和促进仿生学发展。

  中国科学院院士田禾介绍,分子机器是模拟和参照宏观机器进行制造的,但是是在分子的层面上。宏观机器由机器的元件组装,分子机器则类似于将各个分子单元组装在一起,在电能、化学能或是光能等外界的刺激下,使其开始运作,从而实现分子机器的运转。

  分子机器不仅可以实现宏观机器常有的功能,还因为其极为微小的尺寸特征,在微观世界里发挥着无可比拟的作用。田禾表示,近年来,全世界研究分子机器的专家、学者很多,但大多偏向于基础研究。“现在很多人在做相关研究,有人研究分子机器如何应用于生物体的模拟,有人研究如何把它变成单分子的器件、电信号等,不过实际上这些研究基本上还处于基础的连接层面,并未真正地发展到实际应用阶段。”田禾说,分子机器具有良好的识别和定向转移作用,科学家们正在不断探索,将分子机器更好地转化应用,造福百姓生活。

  虽然分子机器目前还处在发展的初级阶段,但是科研人员正在不懈挖掘这一技术的潜力,并预测其有能力成为真正改变人们现实生活的应用。就像蒸汽机和灯泡的出现一样,或许当初谁也不曾想到它们会对未来产生如此深远的影响。也许等将来分子机器成熟了,人类也可以制作一种分子机器人,它的大小和病毒差不多,可以帮助医生找到一些特定的细胞,把生病的细胞替换成健康的细胞,从而实现人类基因治疗的宿愿。不过这些目前还只是美好的设想,想要变为现实还需要科学家们不断努力。

生物传感器让“分子机器”成真

        传感器专家网消息,近日,首个以诺贝尔奖得主命名的研究机构——费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心近日传出好消息:中心成员、华东理工大学教授朱为宏设计出“精灵”生物传感器,这是一种高稳定性的分子荧光染料,能够精确、高灵敏、高分辨地获取来自分子的信息,可以对肿瘤分子等标记物精确检测,从而实现精准医疗。这意味着,诺贝尔奖的“分子机器”已经由概念转变为实用,逐渐成为医学重器。


“精灵”生物传感器让“分子机器”成真

  据介绍,联合中心研制的分子荧光染料已经应对多种疾病。首先开发了具有简单、快速、高效、原位直接检测人体血清中α-酮戊二酸浓度的试剂盒。

  代谢物小分子α-酮戊二酸是体内代谢途径中最重要的氮素运载体之一,其浓度变化与众多疾病密切相关,如非酒精性脂肪肝和急性髓细胞白血病等。但由于α-酮戊二酸分子量小、无明显的紫外吸收,并且它的羟基和羧基官能团广泛存在于人体内的氨基酸中,其直接检测非常困难。朱为宏教授课题组发展了具有自主知识产权的新型染料母体,创新发展了具有简单、快速、高效、原位直接检测人体血清和活细胞中α-酮戊二酸浓度变化的分子荧光探针。应用他们开发的分子探针试剂盒,无需对血清进行任何预处理可直接检测人血清中α-酮戊二酸的浓度变化,实现快速、微量血定量、智慧型精准即时检测。

  其次,可激活的荧光点亮实现阿尔茨海默症斑块的原位、高保真成像。大脑中β-淀粉样蛋白(Aβ)斑块的形成和沉积,在阿尔茨海默症的神经病理学中扮演着极为重要的角色,被认为是该疾病早期诊断和治疗的重要病理学标志。朱为宏教授发展了具有自主知识产权的喹啉腈母体新型染料,可迅速对脑部Aβ斑块超灵敏和高保真的原位成像,为快速筛选老年痴呆症药物提供了一种非常有前景的研究工具。


  此项研究还具有“智能”识别过程实现定量检测,避免复杂生理环境的干扰实现准确诊疗:生物传感器的性能提升不仅体现在检测领域,在诊疗领域方面采用“保险箱”的多重保护策略,基于序列响应型逻辑门的设计,提供对生物环境多样性和复杂性的双通道可视化反馈,并通过精确的靶向能力和可编程的药物释放,显著提高了肿瘤的治疗效率。

  显然,“分子机器”展示的这种无创化、小型化和高效的体外分子诊断技术,将对诊断准确性和疾病的预防具有极其重要的意义。

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