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生物奈米世界

生物奈米世界. 奈米科技概論 奈微所碩一 王凌婷 Q26971095. outline. 生物奈米簡介 細胞 核酸 蛋白質 細胞膜 奈米粒子 病毒 炭疽孢子. 生物奈米簡介. 生物學是以分子結構學為基礎的生理功能研究。 目前彙集物理、化學、生物科學的一項新領域也產生了，稱為奈米生物技術學 。

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生物奈米世界

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Presentation Transcript

  1. 生物奈米世界 奈米科技概論 奈微所碩一 王凌婷 Q26971095

  2. outline • 生物奈米簡介 • 細胞 • 核酸 • 蛋白質 • 細胞膜 • 奈米粒子 • 病毒 • 炭疽孢子

  3. 生物奈米簡介 • 生物學是以分子結構學為基礎的生理功能研究。 • 目前彙集物理、化學、生物科學的一項新領域也產生了，稱為奈米生物技術學 。 • 這個介於生物學與奈米科學的領域反映出奈米技術與工具應用在生物研究上的重要性，例如，創造嶄新型態的生物分子應用於組織再生工程 (tissue engineering) 與細胞仿造 (cell patterning) 上，運用在診斷上的奈米與生物分子結合體，以及使用奈米材料作為藥物運送或基因治療的載體 (vector) 等。 • 美國國家奈米科技研究機構 將奈米科技定義為“ 任何物質的結構尺寸小於100 奈米者稱之＂。

  4. 生物奈米簡介 • 西元1655 年，英國科學家羅伯‧虎克 (Robert Hooke) 製造了第一部複式顯微鏡，這如同給了人們一把窺探生命奧妙的鎖鑰，儼然成為生物界一個重要的里程碑。 • 隨著科技的進步，製作光學顯微鏡的技術也越來越好，因而到了西元1838 年，植物學家雪萊登 (Schleiden) 與動物學家許旺 (Schwann)兩人共同提出了「細胞學說」，說明了在動物或植物中有核細胞 (nucleatedcell) 是其結構與功能的最小單位。至此，科學家們對於細胞生物學 (cellbiology) 的研究開始蓬勃發展，對於構成動植物細胞內的組織構造，漸漸地有了相當多的瞭解。 • 從顯微鏡來看我們的生物世界，科學家依據細胞核構造的差異，將所有生物體分為原核生物 (procaryotes) 和真核生物 (eucaryotes)兩大類；其中真菌 (fungi)、植物 (plants) 和動物 (animals) 屬於真核生物，而細菌 (bacteria) 則屬於原核生物。

  5. 組成生物體最小的單位 ── 細胞 (cell) • 原核細胞直徑大小約為0.2~5 微米(10^-6)：細菌 (bacteria) 則屬於原核生物 • 真核細胞則稍大，介於10~20 微米範圍：真菌 (fungi)、植物 (plants) 和動物 (animals) • 目前已知能獨立生活 最小的生命體，為黴漿菌 (Mycoplasma)，其大小只有0.3 微米。

  6. 探索細胞內的奈米世界 • 細胞核：去氧核醣核酸 (deoxyribonucleic acid)，簡稱DNA； • 細胞質：細胞結構 (cytoskeleton)、內質網 (endoplasmic reticulum)、核糖體 (ribosome)、高基氏體 (Golgi apparatus)、粒線體 (mitochondrion)、微粒體 (microbody, peroxisome) 及溶小體 (lysosome) 等。

  7. 細胞內的世界是如此的複雜，宛如王國一般。當國王 ( 細胞核 ) 下達命令，於是DNA 開始進行轉錄 (transcription)工作，然後命令送出細胞核之後進行轉譯 (translation) 工作，此時人民( 細胞質 ) 為了完成使命，便開始進行執行自己的任務。因此要了解細胞的世界是如何運作的，我們必須用奈米的角度去觀看其中分子的運作。

  8. 生命分子：核酸 • 核酸是以核酸為單元體所聚成的巨分子，乃細胞內分子量最巨大的功能性分子，包括DNA 及RNA ( 核醣核酸，ribonucleic acid)；其主要功能為遺傳訊息的貯存、傳遞與表現。 • 透過X 射線照射原子時所產生的繞射去了解DNA 的結構。從這些X 射線影像推測這可能是一個螺旋狀結構，進而解開了DNA 的化學結構。

  9. 生命分子：核酸 • DNA ( 去氧核醣核酸 deoxyribonucleic acid) • 包括四個鹼基：A  (腺嘌呤 adenine)、T  (胸腺嘧啶thymine)、C( 胞嘧啶 cytosine) 和 G  (鳥糞嘌呤guanine) 。 • 是由兩條獨立的結構繞在一起而呈螺旋狀。 • A 一定與T 相連，而G 一定與C 相接。

  10. 生命分子：核酸 • RNA ( 核醣核酸，ribonucleic acid) • RNA 是DNA 變成蛋白質的中間物質。 • 核醣體 主要由RNA (ribosomal RNA, rRNA) 以及蛋白質所組成，大小約為30 nm 。 • 移轉RNA (transfer RNA,tRNA)：攜帶漂浮在細胞質中的特殊胺基酸至核醣體上，而參與蛋白質合成反應。 • 信使RNA (messenger RNA, mRNA)：參與蛋白質合成反應。 • RNA 分為三種，mRNA、rRNA、tRNA。當mRNA 由DNA所轉錄出來後，rRNA 與tRNA 便會依據遺傳密碼合成所要的蛋白質。

  11. 蛋白質 • 蛋白質亦是維持生命最重要的分子，說它是生物性奈米最為恰當。透過DNA 的轉錄及轉譯，蛋白質於是被製造出來 。 • 蛋白質在具備自己本身的生物活性之前最重要的一件事就是摺疊成特殊的結構。 • 一條300個胺基酸的蛋白質因為摺疊的不同而產生不同的形狀。 • 為了執行特殊的任務，蛋白質便有自己特殊的結構，依據其複雜性而有二級至四級結構的分別。

  12. 細胞膜 • 2003 年諾貝爾化學獎頒給了羅德里克‧麥金農 (Roderick Mackinnon)及彼得‧阿格雷 (Peter Agre) 兩人，向全世界宣揚他們對於生物細胞上的重要發現，分別是「離子通道 (ion channel) 機制及結構的研究」以及「水通道 (aquaporin) 的發現」。 • 離子及水通道分別為細胞膜上讓離子及水分子通透的蛋白質，這些蛋白質能夠選擇性地讓細胞內外的物質進行交換。有些通道只是進行單純的流量管制，而有些物質的進出，因為要對抗濃度上的差異( 滲透壓 )，則需要消耗能量 ( 例如鈉離子與鉀離子的交換通道，便會消耗ATP)。目前這些通道蛋白質正廣泛地被研究中，其中細部的分子機制也都已經被解開。 • 由於這些重要的研究發現，已經替生物化學、生理學以及生物物理等領域帶來重大的突破，也指引科學家對於神經疾病、肌肉與心臟疾病的新藥物設計開發走出一個新的方向，並且成為生物科技與醫學界上的另一個重要的研究領域。

  13. DNA 結構的發現突顯出兩種相當重要的生命分子 ── 核酸與蛋白質，兩者都是由簡單的次單元組成，並呈現複雜的三度空間結構，但究其根本，對兩者而言這些次單元是如何排序才是最重要的。 • 許許多多生物的基因解讀出來，包括病毒、人類的粒線體DNA 以及噬菌體 (Lambdaphage) 等，而可完全分析出來的鹼基對也越來越長，從約5000 個鹼基對至大約50,000 個鹼基對不等。 • 從90 年代開始的人類基因體計畫 (human genome project)，全世界的科學家共同為人類基因譜定序努力，西元2001 年2 月，人類基因譜已完成解碼，此項創舉為科學家們對於解開生命的秘密向前跨了一大步。

  14. 奈米粒子 • 部分生物具有生產金屬奈米粒子的能力。例如像磁性螺絲菌 (Magnetospirillum gryphiswaldanse) 便會自行生產出磁性氧化鐵奈米粒子，此種奈米粒子外圍則覆蓋著一層磷脂質和蛋白質。 • 生物為何會生產出磁性奈米粒子，與其生物習性有關，不單是微生物會製造金屬奈米粒子，候鳥、蜜蜂、鮭魚甚至人的腦部，也都發現具有奈米粒子的存在。

  15. 病毒 • 病毒是最小的感染原 ( 直徑約20~300 nm)，通常只含有一種核酸物質 (DNA 或RNA) 作為它的遺傳物質，然而核酸是包含在一層蛋白或脂蛋白保護性外殼中，這整個感染單位，稱為病毒顆粒 (virion)。 • 病毒是介於生命與非生命之間的一種物質形式，病毒存在於環境之中，游離於細胞之外時，不能複製，不表現生命特性，只以一種有機物的物質形式存在。 • 病毒進入細胞之後，它可以利用細胞資源，使其聽從病毒生命活動需要，表現它的生命形式。在病毒增殖複製的期間，大量病毒的遺傳物質和所蛋白質被產生，進一步完成組裝，形成一完整病毒，再由宿主細胞中釋放出來，繼續感染其他細胞，以增殖擴大其子代。

  16. 病 毒 (virus) • 病毒的大小：最大的病毒 ( 天花病毒，直徑約300 nm) • 病毒的構造： • 核酸分子(DNA 或RNA)與少量的蛋白質 • 核鞘 (capsid) 蛋白外殼 • 外層脂質外膜 (envelope)，簡單的無此構造

  17. 病 毒 (virus) • 病毒對物理及化學作用的反應。 • 高溫抵抗力較弱，加熱至50 ~ 60°C 30 分鐘可破壞其感染力，但亦有例外，如B 型肝炎病毒，在100°C 時尚可存活數分鐘。 • 病毒通常在pH5~9 為穩定，但有些病毒卻在酸性環境下生存，如小兒麻痺病毒；紫外線、X 光和高能量粒子都可破壞病毒，所需劑量依病毒而有異。

  18. 病毒的分類 • 動物病毒：  • DNA 病毒 • RNA 病毒 • 植物病毒

  19. 病毒的傳播 動物病毒： • 直接侵入動物暴露在外面的黏膜組織，透過污染水等方式，都能直接從各種黏膜侵入生物體（例如呼吸道黏膜、消化道黏膜、眼睛黏膜等）。 • 還有不少病毒由節肢動物特別是蚊和蜱類 (tick) 傳播的（如登革病毒、腦炎病毒、黃熱病毒）。 • 動物病毒還可透過血液、交配等方式傳播（如在世界範圍流行的愛滋病）。

  20. 病毒的傳播 植物病毒： • 以透過植物的傷口、昆蟲、螨類 (mite)、線蟲、土壤真菌、種子以及農事操作等。 • 的傳播媒介應屬昆蟲和蟎類。 • 並非所有昆蟲傳播的植物病毒都能在昆蟲體內繁殖，而是存在於昆蟲的口器。

  21. 普恩蛋白 (Prion) • 一種比病毒還小的普恩蛋白 。 • 正常的普恩蛋白normal brain protein 雖然無害，若蛋白質結構改變，成為變異性普恩蛋白abnormal isoform brain protein 。 • 它是羊搔癢症 (scrapie)，它也可能是克雅二氏病 (Creutzfeldt-Jacob disease, CJD) 的病原。

  22. 病毒的運用 • 發展疫苗：構築類病毒體 (virus-like particle, VLP)、四價人類乳突病毒疫苗 (quadrivalent human papillomavirus vaccine)、HIV 的疫苗（對抗AIDS）。 • 攜帶基因的載體 (vector)：基因治療 (gene therapy)。

  23. 奈米生物武器 ── 炭疽孢子 • 炭疽病的傳播透過其內孢子(endospore)，內孢子體積微小 (500 nm~2000 nm)，覆有夾膜，就相當於被子植物的種子。 • 可以以休眠的方式潛伏在土壤裡達數十年之久。 • 當孢子進入動物體，其夾膜可在適當的環境下裂開，接著孢子便開始發芽變成桿狀細胞，開始繁殖而製造毒素。 • 當被感染的動物死亡，炭疽桿菌進行芽胞生殖產生孢子，隨屍體體液滲入土壤中而再度休眠。 • 炭疽孢子傳染給人類一不同種類的炭疽桿菌透過三種途徑：皮膚接觸(cutaneous)、腸胃道接觸 (gastrointestinal) 以及呼吸吸入 (inhalational)。

  24. 結論 • 沒有人可以預期奈米生物技術在不久的將來能為人類帶來多少實質的產物，不過就如同分子生物學一般，奈米生物技術也很快的被證明非常具有應用價值且潛力無窮。

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