纳米技术重新疾病治疗,分子技术将如何变革生命未来?

观点 | 2022-08-09| 20

21世纪也是生物革命的一个世纪。作为生物革命的一部分,人类正日益了解与我们人体和大脑有关的所有重要数据,并根据个人及社会的需要改变和强化它们。当然,想要达到改变和强化人体的效果,还需要一定的工具,是这些工具赋予了人类前所未有的能力,增强了人类躯体那些天生的、有限的能力。

其中一项重要的工具,就是当前正在高速发展的纳米技术。实际上,纳米技术在很多领域内都展现出无限的潜力,但纳米技术最重要的应用之一,还是在于对人体的改变。人体中的纳米机器与现在的大型机械和电子设备不同,它们将会具备几乎全面的生物属性,并与人体无缝结合,为疾病治疗带来全新的未来图景。

回到分子世界

众所周知,纳米,是长度单位。

举个简单的例子,4岁孩子的平均身高是1米。1米的千分之一,就是1毫米,这大概就是孩子头上一个虱子的长度。1毫米的十分之一,就是100微米,也就是1米的一万分之一大,概是就是人类头发丝的直径。

把头发的直径再除以10,就是10微米,一个普通的人类细胞的直径。这个时候,人肉眼已经难以看见。细胞的直径再除以10,就是1微米,这是大部分细菌的长度。现在,取一个细菌,把它的长度再除以1000,结果才是1纳米,相当于十亿分之一米。这就是分子大小的度量单位。

分子是原子相互结合而成的。要知道,人体的每一种疾病都是自分子始,以分子终的。有些疾病会导致分子在某一区域过度集中。如果胆固醇和斑块淤积,动脉就会变得狭窄,最终可能导致心脏病发作;或者分子在神经中集聚,造成克拉伯病,影响神经系统内的信号传输,就会出现代谢紊乱。

而这个时候,试想,如果人类能开发一种技术,能进入所有的细胞,或者到达动脉内部,消除这些有害分子,就可以治愈很多疾病。可是要达到这个目的,就需要数十亿个微型镊子,穿透人体细胞去清理数万亿个有害分子。对人类医生来说,这是不可能完成的任务,但纳米机器却有望胜任。

具体来看,对人类医生来说,如果我们要修改人体内的某个地方,比如去除动脉内的动脉粥样硬化斑块,就需要开刀,侵入人体去清除阻塞。但是,如果能人类能够控制分子,就可以直接溶解斑块,再把它移到不那么危险的地方。

如今,计算机已经可以控制我们人类周围的很多东西,但暂时还不能控制体内的分子。为了实现突破,纳米机器人顺势诞生,未来,纳米机器人将能够与生物体内分子相互作用。这些机器能够进入人体,与人体共处,还可以充当人体与这些分子间的接口。而人类需要做到的,就是给这些机器编程来指挥它们的行动。

试想,在不远的未来,纳米机器人能够在血液中携带分子,而且只有在靠近特定类型的细胞时才会释放分子,尤其是对于摧毁癌细胞来说。事实上,癌性肿瘤无非就是一群疯狂分裂扩散的细胞。如果纳米机器人能够精准杀灭这些癌细胞,也就战胜了肿瘤。

另外,大量纳米机器人还会帮人类在体内进行微小手术:切断和分解有害分子,清除坏死组织,或者将某种药物输送到有需要的特定细胞中。并且,经过适当编程的纳米机器人还可以交流,并沿着切口和伤口构建起架状结构。这些支架会帮助生物细胞正确重组,重建受损组织。这样一来,纳米机器人就能帮助身体迅速有效地恢复。

此外,纳米机器人还可以做一些基础的计算。实际上,计算机也不过是一堆以某种方式连接起来的晶体管,它们相互反应,形成有序的逻辑门,从而支持某些计算。在理论基础支持下,可以预见,未来,这些纳米机器人也可以在我们的体内穿行时,评估人体的健康状况,并计算出需在何时释放特定的药物。

纳米机器人的准备

可以说,纳米机器人能够许诺给人类的未来场景是极其美好的。每天早晨,人们可以服用一个装有纳米机器人的胶囊,它可以识别体内感染、组织损伤、机体伤病、激素失衡等情况。

这些机器人还能够执行我们设定的程序,去除体内过量的有害分子——纳米机器人会给人类带来更好的生活,并改善人类与周围世界交互的方式。而纳米机器人之所以能够许诺给人类如此美好的未来场景,离不开两方面的技术支持。

一方面,纳米机器人虽然说是机器,但由于需要植入人体,因此,纳米机器人应当由我们常见的生物材料构成的,即DNA和蛋白质,以方便人体的吸收。另一方面,纳米机器人还需要具有可编程的能力,只有让身体计算机化,治疗才可以实现精准。于是,为了实现纳米机器人的可吸收和可计算,DNA纳米机器人技术由此诞生。

具体来看,在两条互补的DNA单链靠得很近时,DNA双螺旋结构就会自然形成。这是因为,构成DNA的4种碱基(腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶)可以分为两个互补的碱基对:A和T结合(且仅与T结合),而G与C结合;用生物学的书写方式表达就是A≡T,G≡C。脱氧核糖核苷酸的互补性,赋予了DNA分子在形成双螺旋结构之外,成为可编程构建材料的可能性。

原则上,科学家们可以通过设计并合成DNA链搭建出任意模板,其中的核苷酸被精心定位,因此它们能够与另一链段上与它们互补的碱基结合,创造出能够被折叠成特殊形态的纳米结构。除了互补性以外,DNA还有个关键特性——在相对较长的时间里,可以在结构上保持稳定和刚性。

另外,由于纳米的尺度微小,因而很难采用机械操作。如果没有最先进的显微镜,甚至都看不见它们,而DNA折纸术则为此带来了突破——人们意识到可以利用DNA的小碎片充当“订书钉”,从而稳定地折叠DNA长链。

保罗·罗特蒙德在2006年证明,借助计算机程序设计的DNA短链“订书钉”,可以将一些DNA长链结合在一起,使其能够自组装成任意形状,这样一来,任意形状都可以由长链DNA折叠而成。这些“订书钉”被设计成与长链DNA的一些特殊部位互补;当它们结合时,可以引导折叠的进程。

此外,DNA阵列还被组装到人造的脂质膜上,这让它们有潜力构建出小区室以及更高阶的结构。基于此,将DNA结构附着到活体生物的膜上,就可以被用作细胞上的把手,远程调控细胞功能。“DNA折纸术”的优势在于,设计与构建都很简单,也很便宜,因为原始的DNA不需要再被合成。

稳健的DNA结构不再摇摇晃晃,这一结构的发现才终于让构建纳米机械设备——具备可控运动能力的纳米机器人成为可能。在1999年,第一台DNA纳米机器人就已经被制造出来了,第一台纳米机器人是纳米步行者,灵感来自马达蛋白的跨步行为,比如肌球蛋白行走动作。

让身体可计算

如今,在各类生物科技的变革下,人体越来越成为一个充满计算元素的系统。实际上,一直以来,都有科学家称,每个身体细胞都是一台装有小型计算机的机器。肌肉细胞、神经细胞和肝细胞等都接受细胞核DNA的指令,而细胞核DNA就像一台微型生物计算机。

也就是说,如果我们能控制细胞内的计算过程,或者至少能控制执行的指令,那人类的身体对我们而言,就会像陶艺家手中的黏土。我们就能指导肌肉细胞的生长和繁殖而不消耗体力,让骨骼组织以同样的速度持续产生新细胞来避免骨质疏松症,或者让头皮上的毛囊再长出头发。

而这些,都将是生物纳米机器能够到达的未来——将来,纳米机器人就能像真正的微型计算机一样工作,成为DNA计算机。

实际上,1998年,以色列魏茨曼科学研究所的埃胡德·夏皮罗(Ehud Shapiro)提出这个概念时,当时,大多数的人们还并不认可要把DNA当作一种编程语言和计算元素来使用。彼时,夏皮罗还介绍了一种假想的机械图灵机,并表示,在此基础上,可以创建分子图灵机。

如今,事实已经证明,用DNA制造分子计算机并非不可能。比如,哈佛大学的研究人员已经证明了一种能将大量信息压缩到生物介质中的新方法,在1克DNA中压缩700太字节的信息。

这么多的信息相当于100万张CD,或者233个容量为3000千兆字节的硬盘,总重约150公斤一项研究表明,如果改变基因代码某些区域的状态来代表1和0,模拟计算机比特,就有可能把DNA变成真正的计算机。这种计算机可以判断一个细胞是否有癌变特性。如果有,就将其杀死。当然,或许人们可能还要很久才能造出一台万能的DNA计算机,但这并不妨碍人们为此而努力。

当然,随着纳米机器人到来的,除了美好前景,更有潜藏的风险与挑战,其中最重要的一点,就是对纳米机器人的控制。无疑,纳米机器人是极具颠覆性的发明,而这种发明必须有一个紧急按钮,可以关闭,并把它从人们身体上移走。要确保这些机器不能复制,也不能在人与人之间传播。

对人类来说,要掌控这些能够自我复制的机器并不是一件简单的事情。如果失控,这些机器就可能会被释放到环境中,而人类却无法把它们都关闭。这也就是为什么科学家们现在正在研究各种开关,植入细菌或其他生物机器中,以便这些机器在跑进外界环境一定时间后自毁。

毫无疑问,生物机器将在未来几十年帮助人类应对各种各样的疾病。它们会比目前任何一种药物都有效,而且副作用更小。它们可能会让数十亿人的生命延长许多年,还能拯救很多人的生命。

但这还只是一个小小的预言,更大的预言,是人类即将走向一个增强的世界,未来的人类将是升级版的人类,而升级版的人类也必将面临我们今天所不曾想到的挑战。

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