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回到分子世界的人类,将如何重写疾病治疗?
观察未来科技
>《待分类》
2022.08.09 陕西
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文
/
观察未来科技
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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