第五章_纳米技术在分子生物学中的应用(2)

STM的基本原理是量子的隧道效应，它利用金属针尖在样品的表面上进行扫描 ，通过探测固体表面原子的隧道电流来 分辨固体表面的形貌。它的缺点是观测 的样品必须有导电性。

AFM的工作原理是通过探针针尖与样品 表面轻轻接触，针尖尖端原子与样品表 面原子间存在极微弱的排斥力，使悬臂 产生微小偏转。通过检测这种微小偏转 可以获得其对应于扫描各点的位置变化 ，从而得到样品表面形貌。AFM能测量 非导电的样品，还能测出分子间的作用 力的大小。15

2. DNA合成过程、基因调控过程的STM研究

3. 质粒DNA及其与限制性内切酶相互作用的研究4. 对染色体的AFM研究

5. 对生物分子之间及分子内部的力的测量6. 生物大分子动态过程的研究

7. 生物大分子的直接操纵和改性 DNA分子是全部遗传信息的携带者，因而DNA分子操纵成为生命科学、 物理学等多学科的共同热点。

DNA操纵包括：(1)DNA链的原子力切割。利用原子力显微镜AFM在几年前已经实现了DNA分子链的原子力切割，可不受DNA序列的限制，在 任何部位进行纳米级的精确切割。(2)DNA分子链的拉

直操纵。其实现

方法很多，主要有以下三种：①静电场法。在一定强度的电场下，可拉直小片段的DNA。②激光镊子法。在DNA的两端点粘上微小的颗粒，可通 过激光镊子将其展开。③分子梳法。通过受压的液体流动产生的流体力可

将DNA链进行拉直操纵，与双色荧光标记法结合成为基因研究中的有力工具。

纳米技术在分子生物学中的应用工程1. 生物芯片技术 生物芯片是基因生物学与纳米技术相结合的产物，它不同于半导体芯 片，它是在很小的几何尺度的表面积上，装配一种或集成多种生物活 性分子，仅用微量生理或生物采样，即可同时检测和研究不同的生物 细胞、生物分子和DNA的特性，以及它们之间的相互作用，获得生命

微观活动的规律。生物芯片可以粗略地分为细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(DNA芯片)等几类，都有集成、并行和 快速检测的优点，已经成为21世纪生物医学工程的前沿科技。

细胞芯片：利用芯片表面微单元的几何尺寸和表面改性，选择和固定细胞及细胞面密度控制。通过调节细胞间距等，研究细胞分泌和胞间 通讯。此类细胞芯片还可以用作细胞分类和纯化等。

蛋白质芯片(生物分子芯片)将生物分子作为配基，以单一、或面阵

、或序列方式固定在固体芯片表面或表面微单元上。利用生物分子间的特异结合的自然属性，待测分子与配基分子在芯片表面会形成生物 分子复合物。然后，检测此复合物的存在与否，达到对蛋白质的探测

、识别和纯化的目的。

多元蛋白质芯片模型 1)在格式化的改性表面上，固定配基； 2)含配基的芯片与蛋白溶液相互作用， 蛋白特异性结合形成蛋白复合物； 3)对芯片进行检测以确定蛋白间的相互 作用。19

DNA芯片又称为寡核苷酸阵列或杂交阵列分析，它是根据DNA双螺旋原理而 发展的核酸链间分子杂交的技术。实际上，DNA芯片是一种特殊的分子操纵 ，即将DNA子片段集约固化在固体表面上以构成DNA芯片，是一种储存和处 理生命信息的新概念。它的基本结构类似于面阵型蛋白质芯片，在芯片表面 能够制备成千上万的基因单元作为配体，对待测基因进行筛选。待测基因通 过PCR扩增技术得到数量放大，再进行荧光标记，使其在筛选过程中产生可 识别的荧光发射或光谱转移。此荧光信号被荧光显微镜检出，达到基因识别 的目的。将已知的DNA和未知的核酸序列之间的一方以有序的阵列固定到载 玻片或硅片上，再与荧光标记的另一方进行杂交。当荧光标记的一方在DNA 芯片上发现互补序列时即发生杂交，杂交的结果以荧光和模式识别分析来

检 测。DNA芯片技术可以快速分析大量的基因信息，从而使生物医学工作者可 以研究并收集基因表达和变异信息。

研究蛋白相互作用的芯片 Protein G、p50 和FRB等三种蛋白分别以点状阵列固定到玻 片上。三种探针分别与三种蛋白发生特异性 相互作用。D表示无任何探针的状态。20

DNA芯片还可用于监测不同的 人体细胞和组织基因表达，以 检测癌症或其它疾病所对应的 基因的变化。随着DNA芯片及 杂交技术的发展，DNA芯片将 有可能直接应用于临床诊断， 药物开发和人类遗传诊断。

基因表达的微阵列图：以两种颜色的荧光标记来自于两种细胞的样品，杂交后，

对微阵列的每一位点进行荧光扫描。每一位点的光强度正比于它所结合的荧光cDNA的量。光强越强，样品中该基因的表达水平越高。如微阵列的位点无荧光，说明两种 细胞均不表达该基因。如某一位点显示一种荧光，说明该标记的基因只在此细胞样品 中表达。同一位点显示两种荧光，说明该基因在两种细胞样品中均表达。21

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