【现货速发】分子仿生

　　《分子仿生》是在综合国内外有关文献的基础上，结合作者的研究工作撰写而成。全书共分5篇：第1篇为分子仿生概述，简要介绍分子仿生的概念、研究范畴和*进展；第2篇为仿生物膜结构，介绍仿生膜、生物马达体系；第3篇为生物马达体系与合成分子机器，主要介绍分子仿生体系的设计、理论模拟及二者之间的关系，以及合成分子机器的基础理论；第4篇为仿生体系的设计与模拟，主要介绍核酸分子机器设计、药物载体设计等方面的*进展；第5篇为分子仿生的应用，简述分子仿生理念在材料制备、生物检测和医药等领域中的应用研究进展。
　　《分子仿生》为读者提供了比较前沿的化学、材料、生物和医学知识，有利于读者开阔思路，可供从事生物材料、纳米技术研究的科研人员阅读和参考，也可作为生物、化学、医学和材料等专业的研究生和大学本科高年级学生的教学参考书。

　　李峻伯　1964年12月生。吉林大学学士、硕士和博士。现为中国科学院化学研究所研究员，中国科学院胶体、界面与化学势力学重点实验室主任。曾入选中国科学院“百人计划”，获“国家杰出青年科学基金”资助，获香港“求是”杰出青年学者奖，被评为“中国科学院十大杰出青年”。

前言

第1篇 分子仿生概述

第1章 分子仿生的概念和主要研究体系

1.1 生物马达蛋白组装体系

1.2 仿生膜

1.3 分子马达体系

1.4 分子仿生体系的设计与模拟

1.5 挑战与展望

第2篇 仿生物膜结构

第2章 仿生物膜界面材料

2.1 生物膜简介

2.2 表面活性剂简介

2.3 生物膜的模型和制备方法

2.4 仿生物膜界面材料应用与展望

参考文献

第3章 建立在聚联乙炔变色囊泡上的仿生膜传感器

3.1 聚联乙炔光学变化原理

3.2 聚联乙炔囊泡作为仿细胞膜传感器的光学换能器

3.3 聚联乙炔的荧光

3.4 总结与展望

参考文献

第4章 基因治疗药物仿生膜系统

4.1 基因治疗药物仿生系统的发展

4.2 基于生物体的基因治疗药物输递系统

4.3 仿生物体的基因治疗药物输递系统

4.4 未来发展趋势与展望

参考文献

第5章 仿生膜结构与药物传递

5.1 仿生物膜结构特点及作为药物传递的理论基础

5.2 微胶囊药物传递

5.3 脂质体的药物传递

5.4 聚合物胶束药物传递

参考文献

第3篇 生物马达体系与合成分子机器

第6章 ATP合酶在组装微胶囊上的重组

6.1 F0F1-ATP合酶——一种旋转分子马达

6.2 ATP合酶组装到人工载体上的仿生研究

6.3 层层组装微胶囊——智能的载体

6.4 仿生微胶囊上的ATP生物合成

6.5 总结与展望

参考文献

第7章 肌球蛋白分子马达的结构与运动机制

7.1 肌球蛋白的结构与分类

7.2 肌球蛋白的功能

7.3 肌球蛋白的运动机制

7.4 肌球蛋白的调节机制

7.5 肌球蛋白的研究展望

参考文献

第8章 基于驱动蛋白的活性仿生体系

8.1 驱动蛋白的结构与功能

8.2 基于驱动蛋白的活性仿生体系

参考文献

第9章 功能性互锁分子

9.1 分子机器及分子器件

9.2 传感器及探针

9.3 提高染料稳定性

9.4 光能捕获

9.5 催化剂

9.6 药物传输

9.7 总结与展望

参考文献

第4篇 仿生体系的设计与模拟

第10章 核酸树状分子功能体系的制备及性能

10.1 核酸树状分子功能体系的制备

10.2 核酸树状分子功能体系的应用

10.3 总结与展望

参考文献

第11章 仿生药物载体的设计、构建和应用

11.1 形态仿生

11.2 成分仿生

11.3 仿生制备

11.4 程序仿生

11.5 结语

参考文献

第12章 基于生物模板的仿生功能材料

12.1 天然纤维素简介

12.2 基于天然纤维素物质的各种纳米功能材料

12.3 总结与展望

参考文献

第13章 生物复合共轭聚合物材料的制备及应用

13.1 生物复合共轭聚合物材料的制备及性质

13.2 生物复合共轭聚合物材料的应用

13.3 总结与展望

参考文献

第5篇 分子仿生的应用

第14章 结构仿生材料在医学领域中的应用

14.1 树木年轮结构及其仿生材料在医学中的应用

14.2 贝壳珍珠层及结构仿生

14.3 蛛丝结构及其结构仿生材料

14.4 洋葱状分层结构及结构仿生

14.5 竹子的结构及其仿生材料

14.6 总结与展望

参考文献

第15章 基于DNA纳米结构的仿生生物传感器

15.1 线性单链DNA探针

15.2 二维DNA探针

15.3 三维DNA探针

15.4 DNA折纸芯片

15.5 研究展望

参考文献

第16章 生物仿生多肽及其在生物医学领域的应用

16.1 生物仿生多肽的自组装

16.2 生物仿生多肽自组装的调控

16.3 生物仿生多肽在生物医学工程领域中的应用

16.4 多肽生物仿生材料技术挑战和展望

参考文献

彩图

　　《分子仿生》是在综合国内外有关文献的基础上，结合作者的研究工作撰写而成。全书共分5篇：第1篇为分子仿生概述，简要介绍分子仿生的概念、研究范畴和*进展；第2篇为仿生物膜结构，介绍仿生膜、生物马达体系；第3篇为生物马达体系与合成分子机器，主要介绍分子仿生体系的设计、理论模拟及二者之间的关系，以及合成分子机器的基础理论；第4篇为仿生体系的设计与模拟，主要介绍核酸分子机器设计、药物载体设计等方面的*进展；第5篇为分子仿生的应用，简述分子仿生理念在材料制备、生物检测和医药等领域中的应用研究进展。

　　《分子仿生》为读者提供了比较前沿的化学、材料、生物和医学知识，有利于读者开阔思路，可供从事生物材料、纳米技术研究的科研人员阅读和参考，也可作为生物、化学、医学和材料等专业的研究生和大学本科高年级学生的教学参考书。

　　李峻伯　1964年12月生。吉林大学学士、硕士和博士。现为中国科学院化学研究所研究员，中国科学院胶体、界面与化学势力学重点实验室主任。曾入选中国科学院“百人计划”，获“国家杰出青年科学基金”资助，获香港“求是”杰出青年学者奖，被评为“中国科学院十大杰出青年”。

　　第1篇 分子仿生概述
　　第1 章 分子仿生的概念和主要研究体系
　　在生物体与生命过程中，生物分子通过不同层次的自组装，由微观到宏观，自发地形成了复杂且精确的多级结构体系，实现了各种特异性的生物功能。分子仿生是以人工合成分子或生物基元为研究对象，在分子水平上组装或制备结构与功能仿生的新材料与新系统，研究与模拟生物体中蛋白的结构与功能、生物膜的选择性、通透性、生物分子或其类似物的检测和合成等。分子仿生可以模拟生物体实现多功能的集成与关联，制备智能材料或分子机器，也可以仿生实现生物相容和生物功能，制备生物医用材料与器件，为现代材料科学，特别是生物新材料的发展提供了无限的创新发展空间。
　　研究人员正利用分子仿生的思路和理念，构筑具有特定物理、化学性质和生物功能组装体，并探索其在新型功能材料、超分子药物载体、生物界面和组织工程等方面的应用。同时，生物启发的材料和体系、自适应性材料、纳米材料、层次结构材料、三维复合材料和绿色材料等将成为未来先进技术发展所关注的焦点。分子仿生的理念和思路是近年来国际科技界普遍关注的一个前沿热点，也将在探索生物世界奥秘、新材料合成和新型功能器件研制等方面发挥重要作用。
　　1.1  生物马达蛋白组装体系
　　仿生体系的分子组装是化学、物理学、生物学和材料学等交叉领域的一个研究热点，以模拟自然现象或生物体结构和功能为基础，用分子自组装的手段构建仿生或生物启发的纳米结构化材料是其主要研究方向之一。从生物体结构与功能的关系、仿生体系的分子组装方法学和仿生材料应用研究等方面系统论述了分子仿生学科的基本研究内容和主要科学问题。通过在纳米与微米尺度实现分子和超分子的组装与复合，有望在模拟蛋白和分子反应器、新型免疫的微体系――病毒与疫苗、医用仿生表面与界面设计、结构仿生材料、胶囊智能微体系与人工细胞等方面取得突破。
　　自然界中生命组织中存在的各种组装体及其结构与功能的关系为研究人员在新型结构功能材料的设计和构造中提供了绝佳的范例和素材，也为科研人员解决新材料发展所存在的问题（如材料的老化、修复和再生）提供了新的契机。分子仿生（molecularbiomimetics）就是开展这方面研究的重要手段。事实上，学习生物体的结构、功能和特性，结合分子自组装的技术手段不仅能改善现有材料的设计和性能，而且能够突破某些传统观念，一方面有助于更好地理解和模拟生物超分子体系，另一方面有助于构建新型的多功能纳米复合材料。这也就是说，分子仿生不仅仅限于对生命体系的简单复制或模仿，随着现代生物学的发展，科学家们可以直接应用生命单元自身去构造各种纳米杂化材料，这样可以避免仿生学中的很多制造方面的难题。
　　目前已知活细胞有几百种不同种类的分子马达，而每一种马达对应某种特定的功能。然而，在分子尺度上生物分子马达是非常复杂的集合体，它们中大多数的结构和运动机理仍然不清楚。这些蛋白质在细胞的生命活动中扮演着重要角色，它们通过在外界刺激下产生的响应性机械运动调控着特定的生命功能。生物分子马达是被储存在细胞内的能量驱动的，两类重要的细胞能量存储单元是腺苷三磷酸（adenosine5′?triphosphate，ATP）或鸟苷三磷酸（GTP）以及跨膜电化学梯度。生物分子马达主要包括线性马达和旋转马达两大类型，其中线性马达有驱动蛋白（kinesin）、动力蛋白（dynein）、肌球蛋白（myosin）和RNA 聚合酶等，而旋转马达主要是ATP 合酶马达和细菌鞭毛马达。肌球蛋白、驱动蛋白、动力蛋白和ATP合酶等分子马达都大量存在于活细胞中。肌球蛋白马达驱动着肌肉的收缩，而驱动蛋白或动力蛋白马达则可将囊泡从细胞的一端传送到另一端。所有这些线性马达发生运动所消耗的能量都来自于通用“燃料”分子腺苷三磷酸（ATP）水解所产生的生物能。F0F1?ATP 合酶（F0 F1?ATP synthase 或F0 F1 ?ATPase）就负责生命体系中ATP分子的催化合成。它们广泛存在于线粒体、叶绿体和原核细胞的细胞膜中，在那里它们将跨膜的电化学质子梯度转化为ADP ― P共价键（即合成ATP分子）。现代生物技术与纳米科学的发展与交叉融合已经为设计新型杂化功能材料提供了可能。在构筑新型杂化功能材料过程中遇到的一个主要挑战在于如何将天然的分子机器（如马达蛋白）集成到活性仿生体系中。
　　与原核细胞相比，真核细胞有庞大的体积和复杂的胞内系统。真核细胞胞内的物质转运不仅仅依赖于非特异性扩散，更依靠于主动运输。真核细胞的细胞骨架（cytoskeleton）系统是胞内运输的主要通路。在细胞骨架上运输物质的运载工具被称为分子马达蛋白（molecularmotor protein） 。按照蛋白结构，分子马达蛋白可分为3类：肌球蛋白（myosin）、驱动蛋白（kinesin）和动力蛋白（dynein）。驱动蛋白和动力蛋白在微管（microtubule）上运动，而肌球蛋白是在由肌动蛋白（actin）组成的微丝上运动的。这些分子马达的共同特征是具有将ATP水解释放的化学能转化为机械能，沿着轨道（微管或微丝）运动的能力。肌球蛋白的分布广泛，含量丰富，在许多生命活动中起着关键作用，如肌肉收缩、细胞内各种细胞器和mRNA的转运、细胞分裂过程中中心体的分裂和姐妹染色体的分离等。近年来，随着生物信息学、生物化学、生物物理学发展，特别是纳米技术手段的进步，对肌球蛋白分子马达又有了新的认识。
　　在真核生物细胞内，分子马达蛋白通过精细地协调完成各种物质的转运和分选。作为真核生物细胞中3类马达蛋白之一，肌球蛋白家族成员众多，功能广泛。
　　目前仅对少数几种肌球蛋白进行了较为深入的研究，对大多数肌球蛋白的结构与功能认识还很肤浅。此外，细胞内物质转运依赖于多种类型的分子马达的协同，目前对多马达转运系统的研究还刚刚起步。研究肌球蛋白的结构、功能和调节机制不仅有助于揭示蛋白质的运动机理，深入认识生命活动的本质，为治疗分子马达相关疾病提供理论支撑，还可以从生命体内这个精巧的“马达”分子的运动模式得到启发，从新的角度去认识和利用生物体内能量的转化规则，为分子仿生学的研究提供新的启发和思路。
　　1.2  仿 生 膜
　　生物膜是细胞膜和细胞内各种细胞器膜的统称，其化学组成主要为蛋白质、脂类（大部分为磷脂，其次是胆固醇）和多糖，生物膜起着分隔细胞和细胞器的作用，是参与能量转化和细胞内通信的重要部位。生物膜不但有很高的选择性和透过量，也能进行各种催化反应和转换功能。因此，生物膜的仿生对于更好地解释生物科学问题和解决医学难题具有重要的意义。
　　仿生膜是在充分认识和了解天然生物膜的基础上，通过物理、化学手段制备结构和功能与生物膜相似的人工膜，它的研究涉及包括分子生物学、细胞生物学、生物化学和材料化学在内的多种学科，是一个多学科交叉的前沿领域。仿生膜为生物膜的离体研究提供了简化模型，有利于搞清楚生物膜各个组分独立的功能，进一步揭示天然生物膜的奥秘，更加充分地了解和掌握其生命机理，同时对解决医学、农业以及工业上的一些实际问题也有重要的指导意义。目前生物膜研究领域主要面临几个问题：①生物膜结构尚未完全清楚；② 物理模型不完备；③ 在体内原位实时研究困难。
　　生物传感器是将待检测的生物信号转化为电信号等可检测信号的一种装置，由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等）及信号放大装置构成。
　　作为一种交叉学科发展起来的高新技术，生物传感器具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低等一系列优点，被广泛应用到国民经济的各个部门，如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面。将仿生膜应用到传感器领域，可以有效地模拟监测细胞膜的选择性运输、选择性识别和信息传递等一系列重要的过程，从而有利于进一步了解和控制细胞活动和生命机理。
　　仿生膜的研究即是在充分了解和认识生物膜的组成、结构和功能，尤其是磷脂、脂质体和蛋白及其结合体的结构和功能的基础上，在分子水平上设计与制造出与其组成或结构相似的仿生膜体系，模仿生物膜的信息传输和识别功能。仿生膜研究已构筑多种具有仿生物膜结构的功能材料。在这类具有仿生结构的体系中，对脂质体的研究为广泛，其具有的内部空腔可用来装载药物或基因等物质。利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，可以将荷载物质送入细胞内部。此外，层层自组装中空微胶囊及仿病毒包膜结构的聚合物胶束也是仿生物膜组装结构的研究重点。这些仿生膜中空结构的潜在应用之一是作为药物载体，但在应用上这些体系却常存在稳定性的限制。在现阶段，要实现人工完全复制生物膜的目标尚不现实。
　　然而，可以通过对天然生物膜进行研究，充分了解其结构特征与生命功能，设计与制备与其相似的仿生膜，甚至开发出具有与生物膜不同性能的膜材料。生物膜的结构研究对药物的增溶、促渗和控释起决定性作用。药物分子的溶解与渗透是一对永恒的矛盾，通过对生物膜结构的模拟，可以研究药物如何能够穿透生物膜壁垒到达病灶，从而大大提高药效和减少副作用。
　　仿生膜结构材料的可控制备依然面临着诸多挑战，例如，尺寸和均一性的控制、仿生膜的结构模拟、更复杂的仿生膜及其功能的设计与调控、规模化制备技术和装备以及仿生膜的实际应用等。将膜乳化技术和仿生膜技术相结合的思路的优势在于，颗粒粒径均一可控、颗粒稳定、乳化条件温和，从而利于包埋活性物质，且易于规模放大。仿生膜的可控制备目前还停留在试验阶段，开发新型的规模化制备技术和装备并终实现产业化，将成为未来的发展方向之一。
　　1.3  分子马达体系
　　生物大分子在受到外界刺激时能够产生的二级结构变化是生命活动赖以存在的基础，利用生命系统中存在的生物大分子二级结构的应激改变构建可以活动的纳米器件是生物纳米技术研究的追求目标之一，对我们了解生命的奥秘、构建生物传感器以及仿生纳米器件的研究都有重要意义。基于链交换反应、离子、pH改变、酶等作用驱动的核酸纳米机器，验证了其做功能力，实现了智能表面的构建、智能响应性材料的制备等。核酸分子马达未来的热点应该是定量研究核酸分子马达的做功过程，揭示纳米尺度下的能量转化规律，制备出生物医用领域中的智能材料，同时为研究蛋白质分子内及分子间相互作用提供工具。
　　树状大分子（dendrimer）是近年来蓬勃发展的一类具有特殊结构与性能的新型有机化合物。高代数树状大分子具有非常规整的三维球形结构，其表面含有大量功能基团、内部具有可调的空腔，是构建分子仿生体系的理想分子基块。脱氧核糖核酸（DNA）作为一类结构精美的生物大分子，不仅在分子生物学和遗传学领域扮演着无可替代的角色，而且越来越受到化学家和材料学家的青睐。DNA具有可编程性、二级结构的多样性、物理化学性质稳定性等特点，已经成为材料领域的一颗明星。目前，人们利用碱基的精确配对和序列可编程的特性，可以将设计好的DNA序列编织成一维线段、二维网格乃至三维的多面体结构。显然，将树状大分子和DNA这两类具有特殊拓扑结构的精美分子基块有机地结合起来，必将产生功能更丰富的超分子及材料构筑基元，将成为纳米功能材料、生物医学等领域的新增长点，为功能化分子仿生体系的设计提供全新的分子平台。
　　合成分子机器是一种纳米尺度的结构体，构建分子器件是当前国际学术前沿与热点之一。李峻柏指出，发展新型的具有高速响应速度的固态分子机器器件以及分子机器组装手段，对分子机器的功能化，乃至实现其在分子器件领域的运用具有重大而深远的意义。
　　一方面，生物传感器设计与开发涉及很多基本科学问题，为基础研究提供了许多源头创新思路。另一方面，生物传感器可能对临床检测、遗传分析、环境检测、生物反恐和国家安全防御等多个领域产生重要影响。尽管生物传感器的发展非常迅速，然而如果我们回到生物体来看现有的生物传感技术，就很容易发现这些人工的生物传感器件在识别能力、灵敏度、特异性等各方面都远远逊色于生物体内的天然传感器（“分子机器”）。这就促使我们向生物体学习，用“多元、多功能、协同”的理念构建类似于“分子机器”的生物检测器件。
　　1.4  分子仿生体系的设计与模拟
　　药物载体的设计与构建在现代药物制剂的研发中占有举足轻重的地位。药物载体的基本功能是将药物成分与复杂的机体环境隔离开来，避免药物活性的损失和毒副作用的产生。而通过对载体的基质成分和物理结构的调节，还可以预先设定药物进入机体后释放的时间、方式和速率。利用药物载体对机体特定组织器官或者细胞类型的生物亲和性，能够使药物随载体一起输送到机体的靶向位点，实现精确给药，如此不仅可以极大地提升药物的生物利用度，还可以显著降低因药物施用造成的系统毒性。此外，选择适当的药物载体可以拓展药物的给药途径，使得给药操作在临床上更易实施和为患者所接受。
　　随着纳米科学和材料科学的迅速发展，研究人员已经有能力根据特定药物的给药需求，来设计各种具有独特功能的药物载体。如通过选用合适的基质材料和进行表面修饰，可以使载体获得亲水性表面性质，改善其系统循环。由此实现的药物长效缓释可以使血药浓度长期稳定在目标水平，有望在各种慢性病（如糖尿病）的治疗中避免因频繁注射给药给患者造成的痛苦。其次，药物载体可以通过靶向分子的嫁接获得靶向特定细胞或组织的能力。利用这种靶向定位能力，药物载体可以携带药物精确地到达病灶部位，这方面的研究有望在癌症治疗等领域实现革命性的突破。另外，利用迅速发展的纳米技术，研究人员还可以将特殊的磁、光、热等功能成分引入药物载体当中。这些功能化的载体不仅能够利用对外部光、电、磁信号的响应限度地发挥药物靶向递送能力，还可以将诊断与治疗结合，或者实现化疗与磁疗、热疗等物理性治疗手段的结合，获得的治疗效果。
　　然而，随着对包括药物载体在内的微纳米材料与生物机体相互作用的基础研究的深入，研究人员开始认识到药物载体的尺寸大小、机械性质和表面结构等各种细微因素对药物的免疫清除、系统循环以及细胞摄取等过程有非常深刻的影响，具有决定终药物治疗效果的重要性。相关的研究一方面为药物载体的设计提供了更具科学性的理论依据，但另一方面也意味着研发人员不得不考虑越来越多的因素，极大地增加了研发新型药物制剂载体的挑战性。除此以外，尽管复杂的设计使得前期的研发成本不断增加，但由于生物机体的复杂性，经过精心设计的药物制剂在终临床试验中的表现往往与前期体外试验的结果存在较大差异。因此，许多在前期研发过程中表现出巨大潜力的药物制剂在经过临床试验后却不得不宣告失败。这种情况无疑进一步增加了新药开发的风险性，极大地延缓人类攻克病魔的脚步。
　　受自然界各种生物近乎完美的功能、结构的启示，人们已经通过仿生技术在生物学研究和工程技术实践之间架起了一座桥梁，并由此构建出许多具有优异性能的仿生功能材料和仿生功能结构。随着近年来的不断发展，医药制