纳米与生命

跨越融合, 酣畅淋漓. 生物纳米技术: DNA, RNA和蛋白质作为纳米构造模块已被用于组装设计架构超过20年. 得益于公民科学家群体, 合成生物学与数学建模的融合, 如今能够设计出具有进化潜力并彻底改变疫苗的类病毒结构, 组装出难以合成的化学物质的DNA机器人, 描绘出“后演化蛋白质”, 即自然界本不存在的蛋白质, 打开了超越演化的可能性之门. 生物定量技术: 精确的数学模型可在计算机中被用来预测特定生物过程的行为, 如此法奏效, 数学模型可逐步淘汰传统生物学, 医学及药理学中的实验试错方法(这些实验慢得让人备受折磨, 成本高昂, 且如新药的开发过程常凸显的那样效率低下). 研究范式更新: 尽管上一代还原论, 将生物简化为分子与基因, 仍在很多生物医药研究中流行, 但在复杂系统中, 知道构建模块的作用机制并不足以预测系统整体的行为, 在更大的尺度上, 构建模块之间相互作用产生涌现 — 生命的新物理学试图发现让复杂生物行为跨越尺度涌现的底层规则: 从纳米(原子与分子)到微米(细胞及其亚结构)再到宏观(组织、器官及整个多细胞生物体). 药物发现: 很多利用高通量技术获取基因及表观遗传标记与细胞中蛋白质及化学成分的细节信息, 试图给生命算法的输出结果进行编码的所谓组学 — 基因组学, 转录组学, 代谢组学与蛋白组学, 似乎并不关心算法真实的物理学机制, 并在很大程度上忽视了涌现的原则. 尽管这些大数据方法也许已经证实了一种有用但成本高昂的可以识别出某些分子靶点的方法, 但未来的药物设计却需要考虑细胞和组织环境中蛋白质功能完整的物理图景. 免疫疗法: 免疫疗法摆脱了基因与分子的教条, 也摆脱了根据局部计算整体的蛮力方法, 而是利用生物系统本身对抗疾病, 从而整合了所有必要的尺度. 它的成功不只孕育出更好的治疗方法, 还会催生出更多生物医学发展中必需的多尺度定量研究类型. 纳米技术有助克服免疫疗法现有的局限并提升免疫系统在抗癌响应方面的稳定性, 如将纳米颗粒瞄准免疫系统的树突细胞要比瞄准癌细胞容易得多, 利用纳米植入体招募并刺激免疫细胞攻击肿瘤细胞就如同缓释的癌症疫苗那样有效工作. 组织工程学: 不只让器官的修复成为可能, 甚至是再生与替换. 可构建出人工生物组织, 在其中所有跨越不同尺度的相互作用(化学, 物理, 电子, 机械及基因各方面的)都可在受控的环境中被研究, 并为模型的建立提供信息. 实验级生物传感器技术: 使对生命进程的监测达到分子精度, 用于持续监测细胞培养与构建“芯片上的器官”, 生成实时数据, 并据此创建组织的机械模型, 将分子级的进程与宏观组织相联系. 人类医学展望: 最终成为一种能够监控并修复我们身体的技术, 也许还能以实时及个性化的方式实现, 也许会基于复合的跨领域材料设备实现, 同时应用有机与无机的材料及原理, 从而实现实时的超增强免疫系统.

#索尼娅·孔特拉：《纳米与生命》 #孙亚飞译作 本书译者孙亚飞博士是我中学校友，两个月前在一次聚会中得见其人，获赠其最新作品《你一生的化学反应》。中学时孙亚飞博士因其化学特长而免试录取北大化学学院，后加入清华化学系获得博士学位，现就职于中科院自然科学史研究所，著有多本科普作品及译作。其作品《元素与人类文明》曾获文津图书奖。 本书是牛津大学索尼娅·孔特拉教授作品，讲述了纳米技术对于生命科学研究的重要性。纳米是一个长度单位，1纳米是十亿分之一米，为什么纳米在生命科学中这么重要？这是因为生命的基本单元细胞就处于纳米量级，而且在此尺度下，生化反应看上去更像是一种物理过程，而且量子力学的效应已不能忽视。神秘的生命秘密也许就隐藏在纳米尺度中。 本书讲述了很多纳米技术，如扫描隧道显微镜等，信息量很大，但我最感兴趣的还是作者提出的一些最基本的观点，如“涌现”。这段时间以来我常常读到这个名词，指的是物理学上已经接受的这样一个概念：当系统变得非常复杂时，它们会呈现出一些无法用“组成部分相互作用”去解释的特性，因为它们在更大尺度的结构与特性，会由更小尺度的共同行为涌现而成。我将之概括为“涌现是一种宏观自发秩序，是一种熵减现象”。生物学是最清晰的例子：如果不是这样，纳米尺度的结构件最终如何精确组装出有意识和社会性的物种？ 本书观点新颖，令人深受启发，但后段讲具体纳米技术应用的细节太过琐碎，令人目不暇接。总之值得推荐。

纳米是一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米。纳米科技研究的是分子、原子这类微小的事物。为了更深入地理解各种生命现象，人类需要依靠纳米科技。 在本书中，牛津大学的索尼娅·孔特拉教授论述了纳米科技对于生命领域研究的重要性，并且介绍了相关的具体技术与应用实例。 纳米科技的重要性 要想理解生命的奥秘，必须要使用纳米科技。 首先，引入纳米科技是生命研究领域发展的必然趋势。 随着生物学和医学的发展，人们对生命的研究逐渐深入。从器官到细胞，相关研究的对象也越来越小。现如今，我们终于走进了生物分子的世界。生物体内主要的分子包括脱氧核糖核酸（DNA）、蛋白质等。当前所形成的科学共识就是，人类的生老病死都离不开这些生物分子的相互作用，而这些生物分子的尺寸都是纳米级别的。 如果能从分子层面进行探索，就能极大地促进人们对生命科学的理解。最典型的例子，就是在药物研发领域今非昔比的变化。使用传统方法来开发药物，很多探索都要依靠经验和不断试错，因为研究者无法解析药物与生物体内分子的相互作用。但是，有了纳米科技的帮助后，就可以深入研究这些分子的运行机理，从而提升药物研发的速度。比如，为了应对新冠疫情，医药公司在11个月内就推出了首款疫苗。 此外，纳米技术让跨学科合作成为可能。 对生命的探索涉及物理学、化学、生物学等等多个学科。在最近的二三十年中，大批其他领域的学者们借助纳米科技，开始了生命科学的相关研究，从各自学科的视角去攻克关于生命科学的难题。比如，依靠纳米技术准确记录生物系统运转过程中的数据，以此为基础，使用算法模拟生物分子的变化，从而实现用人工智能来预测蛋白质结构的重大突破。 纳米科技的技术能力 纳米科技的相关技术为人类提供了“观察”和“操控”生物分子的能力。 要想观察到纳米级别的事物，靠光学显微镜无能为力。为此，研究者们开发了一系列新型设备。其中，最具代表性的是首创于20世纪80年代的扫描隧道显微镜。这种设备的关键部分是一根特别细的针，针尖只有一个原子。在运行中，针尖会去靠近样品，通过捕捉针尖上的电流变化，来分析样品表面的形态信息，精确度能达到原子级别。但是这种设备不适合用在有液体参与的研究中。 随后，原子力显微镜被发明了出来。这种设备也是靠锋利的针来进行测量，但记录的信号是来自针尖与样品表面之间作用力。通过测量这个力的大小，来推算样品表面的起伏和形状。因此，原子力显微镜可以直接用来观察液体中的分子，并很快在生物领域的研究中大放异彩。科学家们使用这种设备成功揭示了肌球蛋白的工作原理。 有了纳米手段后，我们还能进一步来操控分子。比如，可以使用扫描隧道显微镜和原子力显微镜这两种设备的针尖，来推动或拉拽单个的分子。 此外，科学家们还可以用纳米级的精度制造材料。具体的制造方法可以分为两类。一类叫做“自上而下法”，是把很大的物体逐渐分割刻蚀，最后得到纳米级的物体。另一类叫做“自下而上法”，是通过创造特殊的实验条件，让原子或分子组装成所需要的形状和尺寸。 在自下而上法中，有一个有趣的例子，叫做DNA折纸术。通过制造一些DNA的小碎片，充当“订书钉”，可以把DNA长链中的一些位置固定住，从而把这条DNA长链折叠成想要的形状。借由这种DNA折纸术制造出来的纳米盒子，就可以在药物研发、食品生产等方面发挥作用。 纳米科技的实际应用 在药物递送和器官移植等领域，纳米技术的应用有望帮助人们治疗疾病、提高生活质量。 在肿瘤化疗中，为了让足够的药物抵达到肿瘤部位，患者不得不服用很高的药物剂量，这对身体中的正常细胞会造成伤害，从而产生严重副作用。 为了让药物分子直接抵达肿瘤细胞，可以借助于纳米颗粒的“高渗透长滞留效应（EPR）”。这种效应是指，因为肿瘤周围的血管存在缺陷，所以纳米颗粒特别会在这片区域聚集。 利用EPR效应，科学家们可制造出一些容易聚集在肿瘤周围的纳米颗粒，并在这些颗粒的内部或尾部装载上特定的化疗药物分子。经过这种设计，纳米颗粒就像是导航仪，而药物分子就是一颗子弹。这种具有导航功能的“神奇子弹”就可以精确地抵达目标肿瘤，而不会被身体其他部位所吸收。 另一个纳米科技的应用实例是在器官移植领域。 为了增加器官的供应，最有前景的方案是在体外培养器官。在真实的器官中，细胞们依托于一种纳米级的网络支架，从而排列成复杂的三维结构，而这种网络支架叫做细胞外基质。要想在体外培养器官，必须能模拟出所对应的网络支架。 在人工支架的制作中，纳米科技可以发挥重要作用。为了测量生物体中支架的详细参数，可以应用原子力显微镜等设备，精准测出细胞和对应网络支架的相关信息。以这些实测数据为基础，科学家们还能在纳米级的精度上对人工支架的结构进行控制。比如，使用一种名为“静电纺丝”的技术，将直径只有几十纳米的聚合纤维纺织成指定的网络，从而作为细胞生长的支架。 对于培养结构极为复杂的内脏器官，还需要借助更前沿的纳米科技。比如，在2019年，来自以色列的研究团队使用来自病人自身的细胞作为原料，用3D打印的方法直接做出了一颗心脏，一时间引起了巨大轰动。 在对生命的探索中，纳米科技会扮演越来越重要的角色。而且，纳米不是科学的边界，人类肯定会走入更微观、更神秘的世界中去，以更透彻地理解生命、解开生命之谜。

跨学科书籍，联系了物理和医学科研。 打开了一个全新的世界，在医学科研领域不停研究的分子和基因，套路化的研究模式，不过在一个森林中迷失。 物理的特性在生命活动中起到了什么样的作用，会不会有石破天惊的效果，交叉碰撞了这么多年，到现在也没有一个“涌现”时刻，虽然我们还是怀着初恋般的热情不断探索。 整体感觉挺酷的，用药，再生等诸多方面，物理特性加入到生命科学之中。

作者非常博学，清晰的介绍了材料与生物结合发展的前世今生，并且列举了大量的科技前沿例子，不论是否是生物科研工作者都能全面的了解这个领域的过去、现在，并能跟随作者一起憧憬一个更美好的未来。

有几个深刻印象：1、物理学对生物学的作用不可忽视，但在人类发现基因后，一度认为基因代码决定一切，而忽视力 温度 电的作用。2、来到微观世界，要回答生命之谜，至今仍任重道远。未来也充满期待。3、基因组学的作用被夸大，蛋白质的价值被低估，这是一种意识里的决定论，却把复杂问题简单化。4、递送难题，正说明了简单逻辑的胜利无法应对人体的复杂。 很好的一本书，帮助了解现代生物。

生物变成物理：我们成为技术物种的时代正在来临？生物学融入物理王国，是我们作为人类而言视角的重新定位，并促使我们正视生存的意义以及我们与宇宙自身运行规律的关系。科学家在这些路径上为追求新的科学目标而努力的过程中，通过以新的方式与社会产生互动，共同努力创建并解读这个初生的新世界。一种超增强的新精英人类，用生物技术和纳米技术实现了对人类未来和生命本身无可置疑的操控。

内容很新，学到了许多与生命有关的前沿知识

看完其他人的评价我们真的看的是一本书吗？一无所获看不懂

什么是纳米技术？纳米技术能为我们人类带来什么？我喜欢这本书，它告诉我们什么是“科技改变生活，科技改变未来。”