納米與生命

跨越融合, 酣暢淋漓. 生物納米技術: DNA, RNA和蛋白質作爲納米構造模塊已被用於組裝設計架構超過20年. 得益於公民科學家羣體, 合成生物學與數學建模的融合, 如今能夠設計出具有進化潛力並徹底改變疫苗的類病毒結構, 組裝出難以合成的化學物質的DNA機器人, 描繪出“後演化蛋白質”, 即自然界本不存在的蛋白質, 打開了超越演化的可能性之門. 生物定量技術: 精確的數學模型可在計算機中被用來預測特定生物過程的行爲, 如此法奏效, 數學模型可逐步淘汰傳統生物學, 醫學及藥理學中的實驗試錯方法(這些實驗慢得讓人備受折磨, 成本高昂, 且如新藥的開發過程常凸顯的那樣效率低下). 研究範式更新: 儘管上一代還原論, 將生物簡化爲分子與基因, 仍在很多生物醫藥研究中流行, 但在複雜系統中, 知道構建模塊的作用機制並不足以預測系統整體的行爲, 在更大的尺度上, 構建模塊之間相互作用產生湧現 — 生命的新物理學試圖發現讓複雜生物行爲跨越尺度湧現的底層規則: 從納米(原子與分子)到微米(細胞及其亞結構)再到宏觀(組織、器官及整個多細胞生物體). 藥物發現: 很多利用高通量技術獲取基因及表觀遺傳標記與細胞中蛋白質及化學成分的細節信息, 試圖給生命算法的輸出結果進行編碼的所謂組學 — 基因組學, 轉錄組學, 代謝組學與蛋白組學, 似乎並不關心算法真實的物理學機制, 並在很大程度上忽視了湧現的原則. 儘管這些大數據方法也許已經證實了一種有用但成本高昂的可以識別出某些分子靶點的方法, 但未來的藥物設計卻需要考慮細胞和組織環境中蛋白質功能完整的物理圖景. 免疫療法: 免疫療法擺脫了基因與分子的教條, 也擺脫了根據局部計算整體的蠻力方法, 而是利用生物系統本身對抗疾病, 從而整合了所有必要的尺度. 它的成功不只孕育出更好的治療方法, 還會催生出更多生物醫學發展中必需的多尺度定量研究類型. 納米技術有助克服免疫療法現有的侷限並提升免疫系統在抗癌響應方面的穩定性, 如將納米顆粒瞄準免疫系統的樹突細胞要比瞄準癌細胞容易得多, 利用納米植入體招募並刺激免疫細胞攻擊腫瘤細胞就如同緩釋的癌症疫苗那樣有效工作. 組織工程學: 不只讓器官的修復成爲可能, 甚至是再生與替換. 可構建出人工生物組織, 在其中所有跨越不同尺度的相互作用(化學, 物理, 電子, 機械及基因各方面的)都可在受控的環境中被研究, 併爲模型的建立提供信息. 實驗級生物傳感器技術: 使對生命進程的監測達到分子精度, 用於持續監測細胞培養與構建“芯片上的器官”, 生成實時數據, 並據此創建組織的機械模型, 將分子級的進程與宏觀組織相聯繫. 人類醫學展望: 最終成爲一種能夠監控並修復我們身體的技術, 也許還能以實時及個性化的方式實現, 也許會基於複合的跨領域材料設備實現, 同時應用有機與無機的材料及原理, 從而實現實時的超增強免疫系統.

#索尼婭·孔特拉：《納米與生命》 #孫亞飛譯作 本書譯者孫亞飛博士是我中學校友，兩個月前在一次聚會中得見其人，獲贈其最新作品《你一生的化學反應》。中學時孫亞飛博士因其化學特長而免試錄取北大化學學院，後加入清華化學系獲得博士學位，現就職於中科院自然科學史研究所，著有多本科普作品及譯作。其作品《元素與人類文明》曾獲文津圖書獎。 本書是牛津大學索尼婭·孔特拉教授作品，講述了納米技術對於生命科學研究的重要性。納米是一個長度單位，1納米是十億分之一米，爲什麼納米在生命科學中這麼重要？這是因爲生命的基本單元細胞就處於納米量級，而且在此尺度下，生化反應看上去更像是一種物理過程，而且量子力學的效應已不能忽視。神祕的生命祕密也許就隱藏在納米尺度中。 本書講述了很多納米技術，如掃描隧道顯微鏡等，信息量很大，但我最感興趣的還是作者提出的一些最基本的觀點，如“湧現”。這段時間以來我常常讀到這個名詞，指的是物理學上已經接受的這樣一個概念：當系統變得非常複雜時，它們會呈現出一些無法用“組成部分相互作用”去解釋的特性，因爲它們在更大尺度的結構與特性，會由更小尺度的共同行爲湧現而成。我將之概括爲“湧現是一種宏觀自發秩序，是一種熵減現象”。生物學是最清晰的例子：如果不是這樣，納米尺度的結構件最終如何精確組裝出有意識和社會性的物種？ 本書觀點新穎，令人深受啓發，但後段講具體納米技術應用的細節太過瑣碎，令人目不暇接。總之值得推薦。

納米是一種長度單位，一納米等於十億分之一米。納米科技研究的是分子、原子這類微小的事物。爲了更深入地理解各種生命現象，人類需要依靠納米科技。 在本書中，牛津大學的索尼婭·孔特拉教授論述了納米科技對於生命領域研究的重要性，並且介紹了相關的具體技術與應用實例。 納米科技的重要性 要想理解生命的奧祕，必須要使用納米科技。 首先，引入納米科技是生命研究領域發展的必然趨勢。 隨着生物學和醫學的發展，人們對生命的研究逐漸深入。從器官到細胞，相關研究的對象也越來越小。現如今，我們終於走進了生物分子的世界。生物體內主要的分子包括脫氧核糖核酸（DNA）、蛋白質等。當前所形成的科學共識就是，人類的生老病死都離不開這些生物分子的相互作用，而這些生物分子的尺寸都是納米級別的。 如果能從分子層面進行探索，就能極大地促進人們對生命科學的理解。最典型的例子，就是在藥物研發領域今非昔比的變化。使用傳統方法來開發藥物，很多探索都要依靠經驗和不斷試錯，因爲研究者無法解析藥物與生物體內分子的相互作用。但是，有了納米科技的幫助後，就可以深入研究這些分子的運行機理，從而提升藥物研發的速度。比如，爲了應對新冠疫情，醫藥公司在11個月內就推出了首款疫苗。 此外，納米技術讓跨學科合作成爲可能。 對生命的探索涉及物理學、化學、生物學等等多個學科。在最近的二三十年中，大批其他領域的學者們藉助納米科技，開始了生命科學的相關研究，從各自學科的視角去攻克關於生命科學的難題。比如，依靠納米技術準確記錄生物系統運轉過程中的數據，以此爲基礎，使用算法模擬生物分子的變化，從而實現用人工智能來預測蛋白質結構的重大突破。 納米科技的技術能力 納米科技的相關技術爲人類提供了“觀察”和“操控”生物分子的能力。 要想觀察到納米級別的事物，靠光學顯微鏡無能爲力。爲此，研究者們開發了一系列新型設備。其中，最具代表性的是首創於20世紀80年代的掃描隧道顯微鏡。這種設備的關鍵部分是一根特別細的針，針尖只有一個原子。在運行中，針尖會去靠近樣品，通過捕捉針尖上的電流變化，來分析樣品表面的形態信息，精確度能達到原子級別。但是這種設備不適合用在有液體參與的研究中。 隨後，原子力顯微鏡被髮明瞭出來。這種設備也是靠鋒利的針來進行測量，但記錄的信號是來自針尖與樣品表面之間作用力。通過測量這個力的大小，來推算樣品表面的起伏和形狀。因此，原子力顯微鏡可以直接用來觀察液體中的分子，並很快在生物領域的研究中大放異彩。科學家們使用這種設備成功揭示了肌球蛋白的工作原理。 有了納米手段後，我們還能進一步來操控分子。比如，可以使用掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡這兩種設備的針尖，來推動或拉拽單個的分子。 此外，科學家們還可以用納米級的精度製造材料。具體的製造方法可以分爲兩類。一類叫做“自上而下法”，是把很大的物體逐漸分割刻蝕，最後得到納米級的物體。另一類叫做“自下而上法”，是通過創造特殊的實驗條件，讓原子或分子組裝成所需要的形狀和尺寸。 在自下而上法中，有一個有趣的例子，叫做DNA摺紙術。通過製造一些DNA的小碎片，充當“訂書釘”，可以把DNA長鏈中的一些位置固定住，從而把這條DNA長鏈摺疊成想要的形狀。藉由這種DNA摺紙術製造出來的納米盒子，就可以在藥物研發、食品生產等方面發揮作用。 納米科技的實際應用 在藥物遞送和器官移植等領域，納米技術的應用有望幫助人們治療疾病、提高生活質量。 在腫瘤化療中，爲了讓足夠的藥物抵達到腫瘤部位，患者不得不服用很高的藥物劑量，這對身體中的正常細胞會造成傷害，從而產生嚴重副作用。 爲了讓藥物分子直接抵達腫瘤細胞，可以藉助於納米顆粒的“高滲透長滯留效應（EPR）”。這種效應是指，因爲腫瘤周圍的血管存在缺陷，所以納米顆粒特別會在這片區域聚集。 利用EPR效應，科學家們可製造出一些容易聚集在腫瘤周圍的納米顆粒，並在這些顆粒的內部或尾部裝載上特定的化療藥物分子。經過這種設計，納米顆粒就像是導航儀，而藥物分子就是一顆子彈。這種具有導航功能的“神奇子彈”就可以精確地抵達目標腫瘤，而不會被身體其他部位所吸收。 另一個納米科技的應用實例是在器官移植領域。 爲了增加器官的供應，最有前景的方案是在體外培養器官。在真實的器官中，細胞們依託於一種納米級的網絡支架，從而排列成複雜的三維結構，而這種網絡支架叫做細胞外基質。要想在體外培養器官，必須能模擬出所對應的網絡支架。 在人工支架的製作中，納米科技可以發揮重要作用。爲了測量生物體中支架的詳細參數，可以應用原子力顯微鏡等設備，精準測出細胞和對應網絡支架的相關信息。以這些實測數據爲基礎，科學家們還能在納米級的精度上對人工支架的結構進行控制。比如，使用一種名爲“靜電紡絲”的技術，將直徑只有幾十納米的聚合纖維紡織成指定的網絡，從而作爲細胞生長的支架。 對於培養結構極爲複雜的內臟器官，還需要藉助更前沿的納米科技。比如，在2019年，來自以色列的研究團隊使用來自病人自身的細胞作爲原料，用3D打印的方法直接做出了一顆心臟，一時間引起了巨大轟動。 在對生命的探索中，納米科技會扮演越來越重要的角色。而且，納米不是科學的邊界，人類肯定會走入更微觀、更神祕的世界中去，以更透徹地理解生命、解開生命之謎。

跨學科書籍，聯繫了物理和醫學科研。 打開了一個全新的世界，在醫學科研領域不停研究的分子和基因，套路化的研究模式，不過在一個森林中迷失。 物理的特性在生命活動中起到了什麼樣的作用，會不會有石破天驚的效果，交叉碰撞了這麼多年，到現在也沒有一個“湧現”時刻，雖然我們還是懷着初戀般的熱情不斷探索。 整體感覺挺酷的，用藥，再生等諸多方面，物理特性加入到生命科學之中。

作者非常博學，清晰的介紹了材料與生物結合發展的前世今生，並且列舉了大量的科技前沿例子，不論是否是生物科研工作者都能全面的瞭解這個領域的過去、現在，並能跟隨作者一起憧憬一個更美好的未來。

有幾個深刻印象：1、物理學對生物學的作用不可忽視，但在人類發現基因後，一度認爲基因代碼決定一切，而忽視力 溫度 電的作用。2、來到微觀世界，要回答生命之謎，至今仍任重道遠。未來也充滿期待。3、基因組學的作用被誇大，蛋白質的價值被低估，這是一種意識裏的決定論，卻把複雜問題簡單化。4、遞送難題，正說明了簡單邏輯的勝利無法應對人體的複雜。 很好的一本書，幫助瞭解現代生物。

生物變成物理：我們成爲技術物種的時代正在來臨？生物學融入物理王國，是我們作爲人類而言視角的重新定位，並促使我們正視生存的意義以及我們與宇宙自身運行規律的關係。科學家在這些路徑上爲追求新的科學目標而努力的過程中，通過以新的方式與社會產生互動，共同努力創建並解讀這個初生的新世界。一種超增強的新精英人類，用生物技術和納米技術實現了對人類未來和生命本身無可置疑的操控。

內容很新，學到了許多與生命有關的前沿知識

看完其他人的評價我們真的看的是一本書嗎？一無所獲看不懂

什麼是納米技術？納米技術能爲我們人類帶來什麼？我喜歡這本書，它告訴我們什麼是“科技改變生活，科技改變未來。”