納米技術重新疾病治療,分子技術將如何變革生命未來?

圖片來源@視覺中國文 | 觀察未來科技21世紀也是生物革命的一個世紀。作為生物革

納米技術重新疾病治療,分子技術將如何變革生命未來?

圖片來源@視覺中國

文 | 觀察未來科技

21世紀也是生物革命的一個世紀。作為生物革命的一部分,人類正日益瞭解與我們人體和大腦有關的所有重要數據,並根據個人及社會的需要改變和強化它們。當然,想要達到改變和強化人體的效果,還需要一定的工具,是這些工具賦予瞭人類前所未有的能力,增強瞭人類軀體那些天生的、有限的能力。

其中一項重要的工具,就是當前正在高速發展的納米技術。實際上,納米技術在很多領域內都展現出無限的潛力,但納米技術最重要的應用之一,還是在於對人體的改變。人體中的納米機器與現在的大型機械和電子設備不同,它們將會具備幾乎全面的生物屬性,並與人體無縫結合,為疾病治療帶來全新的未來圖景。

回到分子世界

眾所周知,納米,是長度單位。

舉個簡單的例子,4歲孩子的平均身高是1米。1米的千分之一,就是1毫米,這大概就是孩子頭上一個虱子的長度。1毫米的十分之一,就是100微米,也就是1米的一萬分之一大,概是就是人類頭發絲的直徑。

把頭發的直徑再除以10,就是10微米,一個普通的人類細胞的直徑。這個時候,人肉眼已經難以看見。細胞的直徑再除以10,就是1微米,這是大部分細菌的長度。現在,取一個細菌,把它的長度再除以1000,結果才是1納米,相當於十億分之一米。這就是分子大小的度量單位。

分子是原子相互結合而成的。要知道,人體的每一種疾病都是自分子始,以分子終的。有些疾病會導致分子在某一區域過度集中。如果膽固醇和斑塊淤積,動脈就會變得狹窄,最終可能導致心臟病發作;或者分子在神經中集聚,造成克拉伯病,影響神經系統內的信號傳輸,就會出現代謝紊亂。

而這個時候,試想,如果人類能開發一種技術,能進入所有的細胞,或者到達動脈內部,消除這些有害分子,就可以治愈很多疾病。可是要達到這個目的,就需要數十億個微型鑷子,穿透人體細胞去清理數萬億個有害分子。對人類醫生來說,這是不可能完成的任務,但納米機器卻有望勝任。

具體來看,對人類醫生來說,如果我們要修改人體內的某個地方,比如去除動脈內的動脈粥樣硬化斑塊,就需要開刀,侵入人體去清除阻塞。但是,如果能人類能夠控制分子,就可以直接溶解斑塊,再把它移到不那麼危險的地方。

如今,計算機已經可以控制我們人類周圍的很多東西,但暫時還不能控制體內的分子。為瞭實現突破,納米機器人順勢誕生,未來,納米機器人將能夠與生物體內分子相互作用。這些機器能夠進入人體,與人體共處,還可以充當人體與這些分子間的接口。而人類需要做到的,就是給這些機器編程來指揮它們的行動。

試想,在不遠的未來,納米機器人能夠在血液中攜帶分子,而且隻有在靠近特定類型的細胞時才會釋放分子,尤其是對於摧毀癌細胞來說。事實上,癌性腫瘤無非就是一群瘋狂分裂擴散的細胞。如果納米機器人能夠精準殺滅這些癌細胞,也就戰勝瞭腫瘤。

另外,大量納米機器人還會幫人類在體內進行微小手術:切斷和分解有害分子,清除壞死組織,或者將某種藥物輸送到有需要的特定細胞中。並且,經過適當編程的納米機器人還可以交流,並沿著切口和傷口構建起架狀結構。這些支架會幫助生物細胞正確重組,重建受損組織。這樣一來,納米機器人就能幫助身體迅速有效地恢復。

此外,納米機器人還可以做一些基礎的計算。實際上,計算機也不過是一堆以某種方式連接起來的晶體管,它們相互反應,形成有序的邏輯門,從而支持某些計算。在理論基礎支持下,可以預見,未來,這些納米機器人也可以在我們的體內穿行時,評估人體的健康狀況,並計算出需在何時釋放特定的藥物。

納米機器人的準備

可以說,納米機器人能夠許諾給人類的未來場景是極其美好的。每天早晨,人們可以服用一個裝有納米機器人的膠囊,它可以識別體內感染、組織損傷、機體傷病、激素失衡等情況。

這些機器人還能夠執行我們設定的程序,去除體內過量的有害分子——納米機器人會給人類帶來更好的生活,並改善人類與周圍世界交互的方式。而納米機器人之所以能夠許諾給人類如此美好的未來場景,離不開兩方面的技術支持。

一方面,納米機器人雖然說是機器,但由於需要植入人體,因此,納米機器人應當由我們常見的生物材料構成的,即DNA和蛋白質,以方便人體的吸收。另一方面,納米機器人還需要具有可編程的能力,隻有讓身體計算機化,治療才可以實現精準。於是,為瞭實現納米機器人的可吸收和可計算,DNA納米機器人技術由此誕生。

具體來看,在兩條互補的DNA單鏈靠得很近時,DNA雙螺旋結構就會自然形成。這是因為,構成DNA的4種堿基(腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶)可以分為兩個互補的堿基對:A和T結合(且僅與T結合),而G與C結合;用生物學的書寫方式表達就是A≡T,G≡C。脫氧核糖核苷酸的互補性,賦予瞭DNA分子在形成雙螺旋結構之外,成為可編程構建材料的可能性。

原則上,科學傢們可以通過設計並合成DNA鏈搭建出任意模板,其中的核苷酸被精心定位,因此它們能夠與另一鏈段上與它們互補的堿基結合,創造出能夠被折疊成特殊形態的納米結構。除瞭互補性以外,DNA還有個關鍵特性——在相對較長的時間裡,可以在結構上保持穩定和剛性。

另外,由於納米的尺度微小,因而很難采用機械操作。如果沒有最先進的顯微鏡,甚至都看不見它們,而DNA折紙術則為此帶來瞭突破——人們意識到可以利用DNA的小碎片充當“訂書釘”,從而穩定地折疊DNA長鏈。

保羅·羅特蒙德在2006年證明,借助計算機程序設計的DNA短鏈“訂書釘”,可以將一些DNA長鏈結合在一起,使其能夠自組裝成任意形狀,這樣一來,任意形狀都可以由長鏈DNA折疊而成。這些“訂書釘”被設計成與長鏈DNA的一些特殊部位互補;當它們結合時,可以引導折疊的進程。

此外,DNA陣列還被組裝到人造的脂質膜上,這讓它們有潛力構建出小區室以及更高階的結構。基於此,將DNA結構附著到活體生物的膜上,就可以被用作細胞上的把手,遠程調控細胞功能。“DNA折紙術”的優勢在於,設計與構建都很簡單,也很便宜,因為原始的DNA不需要再被合成。

穩健的DNA結構不再搖搖晃晃,這一結構的發現才終於讓構建納米機械設備——具備可控運動能力的納米機器人成為可能。在1999年,第一臺DNA納米機器人就已經被制造出來瞭,第一臺納米機器人是納米步行者,靈感來自馬達蛋白的跨步行為,比如肌球蛋白行走動作。

讓身體可計算

如今,在各類生物科技的變革下,人體越來越成為一個充滿計算元素的系統。實際上,一直以來,都有科學傢稱,每個身體細胞都是一臺裝有小型計算機的機器。肌肉細胞、神經細胞和肝細胞等都接受細胞核DNA的指令,而細胞核DNA就像一臺微型生物計算機。

也就是說,如果我們能控制細胞內的計算過程,或者至少能控制執行的指令,那人類的身體對我們而言,就會像陶藝傢手中的黏土。我們就能指導肌肉細胞的生長和繁殖而不消耗體力,讓骨骼組織以同樣的速度持續產生新細胞來避免骨質疏松癥,或者讓頭皮上的毛囊再長出頭發。

而這些,都將是生物納米機器能夠到達的未來——將來,納米機器人就能像真正的微型計算機一樣工作,成為DNA計算機。

實際上,1998年,以色列魏茨曼科學研究所的埃胡德·夏皮羅(Ehud Shapiro)提出這個概念時,當時,大多數的人們還並不認可要把DNA當作一種編程語言和計算元素來使用。彼時,夏皮羅還介紹瞭一種假想的機械圖靈機,並表示,在此基礎上,可以創建分子圖靈機。

如今,事實已經證明,用DNA制造分子計算機並非不可能。比如,哈佛大學的研究人員已經證明瞭一種能將大量信息壓縮到生物介質中的新方法,在1克DNA中壓縮700太字節的信息。

這麼多的信息相當於100萬張CD,或者233個容量為3000千兆字節的硬盤,總重約150公斤一項研究表明,如果改變基因代碼某些區域的狀態來代表1和0,模擬計算機比特,就有可能把DNA變成真正的計算機。這種計算機可以判斷一個細胞是否有癌變特性。如果有,就將其殺死。當然,或許人們可能還要很久才能造出一臺萬能的DNA計算機,但這並不妨礙人們為此而努力。

當然,隨著納米機器人到來的,除瞭美好前景,更有潛藏的風險與挑戰,其中最重要的一點,就是對納米機器人的控制。無疑,納米機器人是極具顛覆性的發明,而這種發明必須有一個緊急按鈕,可以關閉,並把它從人們身體上移走。要確保這些機器不能復制,也不能在人與人之間傳播。

對人類來說,要掌控這些能夠自我復制的機器並不是一件簡單的事情。如果失控,這些機器就可能會被釋放到環境中,而人類卻無法把它們都關閉。這也就是為什麼科學傢們現在正在研究各種開關,植入細菌或其他生物機器中,以便這些機器在跑進外界環境一定時間後自毀。

毫無疑問,生物機器將在未來幾十年幫助人類應對各種各樣的疾病。它們會比目前任何一種藥物都有效,而且副作用更小。它們可能會讓數十億人的生命延長許多年,還能拯救很多人的生命。

但這還隻是一個小小的預言,更大的預言,是人類即將走向一個增強的世界,未來的人類將是升級版的人類,而升級版的人類也必將面臨我們今天所不曾想到的挑戰。(本文首發鈦媒體APP)

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