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《纳米与生命》纳米科技解码生命奥秘
铛铛铃2025-09-13【科普】480人已围观
简介
今天为你解读的书是《纳米与生命》。
先来说说书名当中的两个关键词。
首先是生命。和生命相关的研究，一直以来都是人类最关心的话题。从如何开发新的药物来治疗疾病，到怎样延长人类寿命，这些都是生命科学所要回答的问题。随着研究的深入，人们希望能从更精密、更细致的角度来理解各种生命现象。为此，我们就要依靠一门诞生不久的新学科，也就是书名中另一个关键词——纳米。
纳米本身是个长度单位，一纳米等于1/1000000000米，一根头发的直径就有6万纳米。纳米科技研究针对的主要是分子、原子这些极为微小的事物。根据学界的定义，所研究对象的尺寸在0.1 NM 到100 NM 之间，都可以算作是在纳米科技的范畴内。
那么该怎么用纳米科技来研究生命科学呢？这就是本书所关注的重点。
本书作者索尼亚·孔特，是牛津大学教授、牛津马丁学院医用纳米科学研究中心的联席主任。索尼娅一直在物理学、生物学和纳米科学的交叉领域进行研究，并常年从事面向公众的科普工作。因此从她的笔下，我们能了解到这个领域最权威、最前沿的知识。
在本书中，作者从生物分子研究、疾病治疗方法、人体健康管理等多个方面，向我们介绍了纳米科技对生命研究的影响。本次解读将把这些内容提炼为三个部分：
第一部分中，我们会谈谈为什么说纳米科技对生命研究必不可少；
第二部分将研究一些正在应用中的纳米技术；
最后一部分，我们则会通过两个具体的例子，来了解纳米科技是如何治疗疾病、提高人们生命质量的。
本书首次出版于2016年，从那时到现在，纳米科技和生命科学领域的发展取得了很多新的突破。所以在本次解读中，我们也会补充一些最新的进展。
好，就让我们跟随作者，走入这微小而神秘的纳米世界吧！
首先，要想理解生命的奥秘，作者认为必须要使用纳米科技，这主要有两方面的原因。第一点是引入纳米科技，是生命研究领域发展的必然趋势；第二点是纳米科技能成为跨学科合作的桥梁。
如果我们回顾一下生物学和医学的发展历史，会发现让这些学科进入纳米尺度，是科技发展的大势所趋。早期历史中，医生们只能观察人的心跳、体温这些特征，来形成对生命的一些粗浅理解。中世纪后，随着解剖学的兴起，带动了学者们对各个器官具体作用的研究浪潮。17世纪，荷兰人发明了显微镜，人们也就能从细胞的层面来探寻生命的各种规律了。而20世纪后期，特别是21世纪以来，借由纳米科技的助力，我们终于走进了生命科学更底层、更基本的领域，那就是生物分子的世界。
生物体内主要的分子包括脱氧核糖核酸，也就是 DNA ，还有各种各样的蛋白质等等。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。这些生物分子的尺寸都是纳米级别的，比如说 D、N、A 的直径只有2 NM ，而蛋白分子则是几纳米到几十 NM 不等。少数的蛋白分子尺寸较大，比如人体中有一种叫肌联蛋白，长度可能达到1000 NM 以上。但是我们对蛋白分子的研究，主要是去分析其中的氨基酸排列和细微的空间结构特点，仍然需要达到纳米级的分辨率和准确度。所以对于这些生物分子的研究，都落在了纳米科技的范畴。
如果能从分子的层面进行探索，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的变化。使用传统方法来开发药物，很多探索都要依靠人的经验，本质上就是一个不断试错的过程。大体的流程呢，就是先通过从自然界的动植物或者微生物中提取一些成分，或者合成一些可能有用的药品，然后让小白鼠等实验用的生物来测试，从而观察这些药物的药效和副作用。这种研究过程效率很低，而且成本极高。直到20世纪中后期，开发一款新药的周期往往要好几年，并可能花费数亿美元的前期投资。出现这个现象的原因是我们弄不清这些药物与生物体内分子的具体作用机理。我们不知道药物抵达细胞以后，怎么跟细胞表面的受体发生反应，也不知道某些分子会不会对细胞核里面的遗传物质造成影响。没办法，毕竟这些分子都太小了。
但是有了纳米科技的帮助以后，对于这些生物分子，我们就看得见、摸得着了，也就有了深入研究的可能。进入21世纪后，药物研发的速度大幅提升。比如为了应对新冠疫情，医药公司在11个月以内就推出了首款疫苗。与之相比，20世纪60年代，科学家们研发腮腺炎疫苗耗费了4年多的时间。这种效率的提升，是因为我们对病毒的分子结构有了极为清晰的认识，也知道病毒怎样跟人体细胞发生反应，还找出了其中能起到关键作用的蛋白质分子，从而就可以对症下药，以最快的速度设计出最有效的疫苗。
生命科学研究需要纳米科技的另一个原因是，凭借纳米技术，能让其他学科的学者参与进来。生命是复杂的，对生命的探索涉及物理学、化学、生物学等等多个学科。但正所谓隔行如隔山，在纳米科学出现之前，其他学科的学者如果不了解医学或者生物学知识，很难进入到生命科学的领域。但是在最近的二三十年中，大批其他领域的学者借助纳米科技，开始了生命科学的相关研究，从跨学科的视角去攻克关于生命科学的难题。
比如，化学家们研究一些纳米尺度的小分子怎么在盐水中聚集成一个大分子。表面上看这是个化学实验，但实际上，这有可能帮助人们模拟蛋白质的形成规律，从而去解开生命诞生之谜。再比如有物理学家研究纳米尺度下某些材料的放电现象，其实就能够应用到脑电波的读取之中，从而帮助人们去理解意识的形成。又或者材料学家们开发了很多直径只有几十 NM 的小球，后来这种人造小球被证明是一种很好的微型胶囊，可以携带特定的药物来治疗癌症。甚至目前最前沿的研究领域之一——人工智能，也在借由纳米这座桥梁，走入到生命科学之中。
生物分子的变化与运行规律是十分复杂的，现在人们可以借助纳米技术，准确记录生物系统运转过程中的一些信息，包括分子的尺寸、运动速度、微观结构等等，然后把这些海量的数据输入算法，我们就能够用精确的数学模型在计算机中去模拟生物分子的一些变化。在这一领域，最激动人心的研究之一就是用人工智能来预测蛋白质结构。蛋白质是所有生物的重要组成部分，人体内的每一个细胞都充满蛋白质，而了解蛋白质的精密结构，对医药研究至关重要。近些年来，借助一些纳米技术，我们已经能够观察到一些蛋白质的精密结构了。以这些数据作为基础，2021年，谷歌旗下的人工智能公司开发出了一种算法，成功预测出35万种蛋白质的结构。我国著名学者施一公教授曾评价道，这是人类在21世纪取得的最重要的科学突破之一。
总之，以纳米科技为基础，物理学家、化学家、生物学家、计算机科学家们的研究纷纷交融在一起。
说了这么多的纳米科技，那么具体有哪些技术能够用在生命科学里呢？概括来说，目前纳米技术主要为人类提供了两种能力，它们分别是观察和操控。
首先是观察能力。要想研究某种东西，我们至少得能看见它。要想观察到纳米级别的事物，靠着普通的显微镜就没有办法了。我们常见的那种光学显微镜，放大倍数的极限是2000倍，这种分辨率用来观察细胞没有问题，但是进一步去看细胞里面的 DNA 和蛋白质这样的分子就做不到了。学者们呢，也一直想办法进行微观尺度的探索，比如有人开发了一种叫做 X 射线衍射仪的设备。这种机器有点像超大型的照相机，只不过使用的光源是 X 射线。X 射线穿过生物分子后，能在底片上形成一些斑点，通过分析这些斑点的位置和形状，科学家们能反推出生物分子的相关信息。DNA 双螺旋结构，就是使用这种设备发现的。只不过想要用 X 射线衍射仪来进行拍照，所需要的生物样品必须被制作成一种晶体，而让生物分子结晶是一项十分艰难的任务，有时甚至要花费几年的时间。人们在微观世界的观察上一直进展缓慢，直到20世纪80年代，一种划时代的工具出现了，那就是扫描隧道显微镜。
这种显微镜跟那种由几个镜头组成的显微镜并不一样，它的关键部分是一根针，特别细的针，甚至针尖只有一个原子。在运行中，这个针尖会去靠近所观察样品的表面，通过捕捉针尖上的电流变化，就能够准确分析出样品表面的形态信息，精确度能达到原子级别。借助扫描隧道显微镜，我们可以轻松地观察到纳米尺度的图像，但这种设备却不适合用在有液体参与的研究中，因为它要记录电流的变化，但在液体中无法收集电流信息。
很快，一种叫做原子力显微镜的设备被发明了出来。这种设备的原理跟扫描隧道显微镜很像，也是靠一根锋利的针来进行纳米尺度的测量。不过原子力显微镜记录的信号是来自针尖尖端与样品表面之间微弱的作用力，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，甚至还能用来测量细胞膜表面变化等各种信息。原子力显微镜很快在生物分子的研究中大放异彩。最出名的案例之一就是用它来观测肌球蛋白的工作过程。肌是肌肉的肌，球是球体的球，肌球蛋白会以不同的形态出现在人体几乎所有细胞里，它们会参与肌肉的收缩，也负责搬运细胞周围的物料，甚至细胞分裂过程也会有它们的参与，所以这是人体中最重要的蛋白之一。肌球蛋白的样子就像是一条长了两个头的蛇，全长只有150 NM 左右。2010年，在原子力显微镜的帮助下，学者们直接记录下了肌球蛋白分子运行的动态图像。在运动中，肌球蛋白的两个头会卡在一条像是微型索道的蛋白质上，然后沿着这条索道前进，同时，肌球蛋白的尾巴则会粘附住要携带的物料，完成运输过程。整个过程中，肌球蛋白如同是一台运行在单轨铁道上的细长小车，十分有趣。
除了观察，有了纳米手段以后，我们还能进一步来操控分子。先前提到的扫描隧道显微镜和原子力显微镜，这两种设备除了用来探测分子，还能用来操控，就相当于用装备的针尖来推动或拉拽单个的分子。如果有足够的耐心，甚至可以将很多分子聚到一起，排列成你想要的样子。有人就用这些设备，通过精确排列数千个原子，创造出了一部250帧的定格动画，名字叫做《男孩和他的原子》，这是吉尼斯世界纪录认证过的世界上最小的电影。
当然，除了简单的推拉这些原子和分子，科学家们还可以用纳米级的精度制造出一些材料，而制造方法大体可以分为两类，一种叫做自上而下法，另一类叫做自下而上法。自上而下法就是把比较大的物体一点点的分割或者刻蚀，最后得到纳米级的物体。另一类自下而上法，就是创造一些特殊的实验条件，来把原子或分子组装排列成所需要的形状和尺寸。有一个有趣的例子，就是用 DNA 来折叠出我们想要的纳米物件，这种技术被叫做 DNA 折纸术。
为了理解这种技术，我们来重温一下 DNA 的构成。在 DNA 中存在四种碱基，它们分别是腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶，它们之间是两两对应的，所以我们只要排列好一条 DNA 中的这些碱基的顺序，就可以轻松地让它与另一条具有互补性的 DNA 链相结合。人们意识到，可以利用这种特性来制造一些 DNA 的小碎片，充当订书钉。这些订书钉被设计成与 DNA 长链的一些特殊部位互补，当它们结合时，这些小碎片可以把 DNA 长链中的一些位置固定住，从而把这条长链折叠成想要的形状。2006年，一位名叫罗特蒙德的学者就是用这种 DNA 订书钉，将一些 DNA 长链结合在一起，编织成了一个笑脸。这种 DNA 折纸术不断引进，现在人们甚至能用 DNA 链来编织出一个纳米级的盒子，就好像用柳条编花篮一样。更有意思的是，能够通过调控某些 DNA 链的弯折状态，控制这个纳米盒盖子的打开或关闭。
那这种小盒子可以用来干什么呢？科学家们提出一种设想，就是把生物酶分子装进去。生物酶是具有催化作用的一大类蛋白质，在食品、制药等行业都扮演着重要角色。如果能把生物酶装进这种 DNA 盒子，那么就可以通过控制盒子的开关，来精确调节生物酶的反应过程了。
总之，纳米科技让人们能够在极其微小的尺度上进行开发和创造，这其中就蕴藏着巨大的应用潜力。在接下来的第三部分中，我们就来通过药物递送和器官移植两个领域的例子，来看看纳米技术是如何改善人们的生活的。
首先是药物递送，这个领域的学者不是研究如何把药从药店送到你手上，他们要攻克的问题是怎么让药物分子抵达病变的细胞，其中纳米科技就可以大显身手，那就是用纳米颗粒来给药物分子导航。
在介绍具体技术前，咱们先来看看病人平时在吃药的时候会存在什么问题。假设一位病人有炎症，需要吃一片消炎药，在他用水冲服下这片药以后，药物会先进入肠胃，随后被分解，药物中的有效成分经过血液循环抵达炎症部位。然而在这个过程中，药物中的很大一部分会被身体其他器官吸收，最终这片药里面只有一小部分药物分子真正发挥了作用。所以在日常服药的时候，为了让药物达到足够的治疗效果，病人需要吃下远超过实际需求的药量。对于普通用药，这个问题倒还并不凸显，但是对于一些极端情况，这种过量用药就可能危及健康了。最典型的案例就是肿瘤化疗。化疗药物的主要作用就是把病变的细胞杀死，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剂量，但是这些多余药物分子对正常的细胞同样有致命威胁，所以肿瘤化疗过程相当折磨人，常常会引起疼痛、腹泻、脱发等一系列副作用，甚至还会造成器官受损等严重后果。
那么我们能不能让化疗药物直接抵达肿瘤，而不被身体的其他细胞所吸收呢？可以，不过这需要借助于纳米颗粒的一种独特性质。1986年，一位日本学者发现了一种现象，那就是纳米颗粒特别容易在肿瘤周围聚集。这是因为肿瘤为了能够得到足够的养分生长，周围往往会形成更为密集的血管网络，而这些血管大多不太正常，比如这种血管的管壁上会有很多的缺陷，细胞排列也不密集。而当纳米颗粒在血液中运动的时候，就很容易在这种有缺陷的血管处聚集。咱们可以这么想想啊，平常的血管是一条平坦大道，而这些肿瘤周围的血管呢，就是坑坑洼洼的土路，纳米颗粒就好比是一辆辆小车，它们很容易就卡在这些土路上。这种现象后来被称为高渗透长滞留效应，英文简称叫做 EPR 。正是利用 EPR 效应，科学家们能让药物分子准确地送到肿瘤的位置。具体操作是先制造出一些特殊的纳米颗粒，这些颗粒的尺寸和形状经过精心设计，特别容易发生 EPR 效应，也就是能够很快在肿瘤周围聚集，而在这些颗粒的内部或尾部，又可以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，而不会被身体的其他部位所吸收。
当然，这其中也存在很大的困难，比如每一种器官的肿瘤都有各自的特点，它们周围形成的血管网络也各不相同，针对不同的肿瘤，需要纳米颗粒具有不同的尺寸、形状和化学特性，这些都要在纳米尺度上进行调控，那可是头发丝的1/60000，可以想象，这将是极具挑战性的工作。好在越来越多的学者投入到相关研究之中，纳米工程师们也有了足够的数据积累，对于控制纳米颗粒的生长，已经逐渐得心应手，药物递送的效率和准确性也在渐渐提高。现如今，已经有不少初创企业开始了相关的商业化探索。
对于对肿瘤的精准治疗，还有很多别的思路，比如肿瘤细胞和正常细胞的 DNA 有一些差异，而有一类叫做靶向药的药物，就能够识别肿瘤细胞的独特基因，进入体内以后，只有碰到携带这种基因的细胞，才会发挥药效。这种药物的设计，也离不开纳米科技对生物分子结构的精准探测。
另一个纳米科技的应用实例是在器官移植领域，具体来说，科学家们正在利用纳米技术帮助人们在体外生长出合适的器官。在生活中，人们总是要面对这样和那样的风险，交通事故、意外伤害或者受伤、感染后造成截肢等等。所以，修复因为疾病或外伤造成的器官损伤，一直是医学上迫切想要攻克的难题。无论是皮肤重度烧伤，还是内脏的严重坏死，对于重大损伤的器官，目前最有效的治疗手段还是移植一个新的。而在器官移植中，面临的核心问题就是缺少器官。根据世界卫生组织统计，全球范围内需要进行器官移植的病人与所捐献人体器官数量的比例是20比一，也就是说，20名病人中只有一个人能幸运地等到可供移植的器官。如果再考虑排异反应等其他问题，真正器官移植成功的人类可能会更少。这种供需极度不平衡，甚至催生出了一些令人发指的器官交易黑市。
为了增加器官的供应，最有前景的方法是在体外培养人体器官。如果这一技术能够完美实现，那么以后给病人进行器官移植，可能就好像给汽车换一个零件一样简单。但是在体外培养器官极具挑战性，其中的主要难点之一就是怎么营造出适合细胞生长的环境。要想长出一个功能完好的器官，并不是给对应的细胞提供点营养成分就行了。在真实的人体器官中，细胞们会以非常复杂的三维结构进行排列，在这种三维结构中，存在着一种纳米级的网络支架，这种网络支架叫做细胞外基质。我们可以把这种细胞外基质想象成一种脚手架，然后细胞会在这种脚手架中的网格中生长、填充，最终形成具有特定功能的组织或器官。细胞外基质的成分比较简单，主要是蛋白质和糖类，咱们常听到的胶原蛋白就是细胞外基质的一种成分，但是这些细胞外基质所形成的支架结构却十分复杂，每种器官中的网络支架都有着各自独特的特点，这些支架呢，有的比较软，有的比较硬，有的网络空隙比较大，有的比较小。要想在体外培养器官，必须能模拟出所对应的网络支架，为此需要完成两步挑战，第一步是测量出生物体器官中支架的详细参数，第二步是在体外准确制造出具有同样参数的人工支架。而在这两步中，纳米技术都扮演着重要角色。
首先是支架的参数测量。在没有纳米技术之前，想要在活体组织中进行探测困难重重，更别提是在细胞外基质这种极为微观的尺度上了。但是用上原子力显微镜，就能够精准测出细胞和对应网络支架的一系列参数信息，包括弹性、粘度、孔隙率等等。有了这些数据，科学家们就能够做到心中有数，明确了想要生长特定的器官，该设计什么样的人工支架了。
为了制造出特定的人工支架，也要用上纳米技术。想要准确模拟细胞外基质网络，就必须在纳米级的精度上对人工支架的结构进行控制。现如今已经有好几种纳米技术可以用来制造这些人工支架了。比如说有一种名为静电纺丝的技术，可以将直径只有几十 NM 的聚合纤维纺织成指定的网络，整个过程就好像在编织一张纳米级的渔网。再有，人们可以控制一种叫做羟基磷灰石材料的生长，将它们变成纳米多孔的结构，这种材料和这种多孔结构特别适合作为骨头的生长机体，而羟基磷灰石具有很好的生物兼容性，也就是说把它植入人体不会出现严重的排异反应。
随着相关研究的逐渐展开，科学家们取得了大量突破，像是皮肤、软骨这些相对简单的组织或器官，已经能够进行大量培养了。但是在人造器官领域中，更具挑战也更具有价值的是肾脏、肝脏和心脏等这些内脏器官，它们往往具有极为庞杂的血管分布和特别丰富的组织细节，所以单凭构建人工支架的方法来培养内脏器官，相关的研究进展一直比较缓慢。
为了能够在体外制造这些器官，纳米科学家们提出了一个疯狂的方案，那就是用3 D 打印的方法直接打印出一个器官。普通的打印机是用墨水在纸张上进行平面打印，而3 D 打印机是把原料一层层的叠加起来，从而让我们在立体空间中直接打印出需要的形状。近些年来，3 D 打印的应用越来越广，常用来被打印一些塑料玩具或者是金属零部件。在2019年，来自以色列特拉维夫大学的研究团队使用来自病人自身细胞作为原料，用3 D 打印的方法直接做出了一颗心脏，一时间引起巨大的轰动。在实验中，科学家们先是用病人的干细胞诱导培养出足够数量的心肌细胞和内皮细胞，其中心肌细胞作为心脏的主体，而内皮细胞用来构成血管。随后再把胶原蛋白和糖蛋白等细胞外基质加工成一种凝胶的状态，如果说所培养的细胞是盖房子的砖头，那么这些细胞外基质凝胶就好像是把砖头粘在一起的水泥，这些都是3 D 打印的原料。与此同时，还要通过电脑算法建立一个心脏的数字模型，这个模型的精确要求很高，甚至要准确描绘出毛细血管的分布样貌。随后使用数字模型作为指导，利用一种特殊的生物打印机进行打印，才能得到这颗打印心脏。虽然这颗心只有2.5 cm ，和兔子心脏的尺寸差不多，但它完全由细胞、血管、心室和心房构成。更妙的是，打印的原料完全来自患者本人，这样一来，就避免了器官移植中难缠的排异反应了。
当然，3 D 打印器官距离实际的应用还有很远的距离，毕竟能打印出来只是第一步，把打印器官放到体内正常工作，还要面对更为艰巨的挑战。
对于生命的研究越发深入，我们就越发感叹于它的神奇。从肉眼能看到各种组织和器官，到微米级别的细胞，再到纳米尺度的蛋白质和遗传物质，生命呈现出多层次的复杂与美妙。在未来的探索中，纳米科技一定会扮演越来越重要的角色。而纳米不是科学的边界，人类会走入更微观、更神秘的世界中去，更透彻地去理解生命，解开生命之谜。
好，《纳米与生命》这本书就为您解读到这儿。听书笔记在音频下方，我们下期再见。
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