纳米与生命

21世纪以来，科学的逐步融合，特别是物理学、纳米技术、生物和医学等学科的交叉融合，横跨不同的大陆，也跨越了不同的科学与文化。这种科学的融合正带来一场变革，不只是在技术领域，也涉及我们与物质世界在生理、文化和哲学层面的联系。 这本书为我们展示了物理学、生物学和纳米科学技术交叉融合的科学领域——以生命为核心的新科学。作者具备多个学科的研究背景，她将对生命的研究置于广阔的语境中，思索并探讨着快速变化的现在，也带我们想象让新技术美梦成真的光明未来。 作为普及性读物，这本书在科学性、思辨性与可读性之间达成了微妙的平衡，它言简意赅，为前沿科学进展配上令人惊叹的彩图。这本书能够为我们推开通向纳米尺度之窗，展现跨领域材料的力量，带来新视角的深入思考。

这是一本关于纳米技术及其应用的科普读物，涉及生物物理学、医学及工程科学等领域。 纳米技术是生物学与医学领域的明星，也让物理学家为之着迷，是多学科交叉融合的典型科学领域之一。一直以来，像生命的起源、生命的多样性等吸引各个领域科学家的问题，远未得到明确的解答；然而，逐渐加快的学科融合已经成为必然趋势，让我们意识到自己正处于一个拐点上：科技即将改变我们对于生命的认识，而这会带给人类更强大的治愈疾病的力量。 这本书言简意赅地讲述了生物学、医学、物理学等学科融合的历程，介绍了由此产生的新科学。作者将对生命的研究置于广阔的语境中，旨在对支配整个宇宙运行的规则有全新的理解，也展望了这种学科融合对人类的健康和生活质量的提升有怎样的深远影响。

索尼娅·孔特拉（Sonia Contera） 牛津大学物理系生物物理学教授、牛津马丁学院医用纳米科学研究中心联席主任。她的研究方向是物理学、生物学和纳米科学技术的交叉领域，具备多个学科的研究背景。

前言及致谢
绪论 科学融合于生物学，重塑健康
生物学与医学中的纳米技术
定量生物学的诞生：生命的全新物理学
生物学和医学的转变
创新材料的未来
第1章 最终，我们拥抱生物学的复杂性
分层的宇宙，分层的生命
近距离对焦生物的复杂性：还原生物
拉远镜头：解释由复杂性形成的生物学行为
利用纳米技术工具研究生物
观察进行纳米尺度行走的蛋白质
调查多尺度的细胞行为
细胞如何对机械作用力与环境做出反应？
将机械信号翻译成生物语言
用机械信号与电学信号连接不同尺度
生物电对器官活动的程序控制
分层的生物、分层的大脑以及分层的思维
接纳生物的复杂性
第2章 边制作，边学习：DNA和蛋白质纳米技术
DNA纳米技术的诞生
利用DNA创造纳米结构
DNA折纸术
DNA纳米机器人
DNA纳米技术的挑战
蛋白质纳米技术
通过生物演化优化自身的纳米结构
利用纳米技术制造仿生材料和仿生设备
未来设备：量子物理、生物学与纳米技术的相遇
第3章 医学中的纳米
药物发现简史与纳米医学的到来
抗生素耐药性与纳米技术
利用定制化蛋白质进行药物合理化设计
用于可编程化学合成的DNA纳米机器人
用于靶向输送药物的纳米技术
增强癌症免疫疗法的纳米技术
用于基因编辑与基因递送的纳米颗粒
药物与分子从聚合材料中可控释放
将应用生物响应材料的皮肤贴剂中的药物可控释放
用于改进免疫疗法的植入体
迈向超增强的免疫系统
第4章 组织与器官再生
从细胞的发现到干细胞的发现
早期的组织工程
操控干细胞的命运
用于组织工程的纳米结构材料
器官工程
三维生物打印
芯片上的器官
将生物学、物理学与数学用于工程和再生组织
第一个生物杂化的跨领域材料机器人
第5章 总之，生命改变一切
结语 生物变成物理：我们成为技术物种的时代正在来临？
科学家为新的技术文化而努力
科技与平等
创造积极技术未来的愿景
在过去的光辉中前行
译后记 人类的又一次三岔路口
注释

     在生物学中会这样，至少有一部分原因是，科学的发展史和促使科学可能出现的工具是平行的。知识必须等待技术的发展，从而得以研究生物学中每一个连续的尺度。据我们所知，宇宙(实际上是演化)向我们的眼睛隐藏了让人类可能出现的关键尺度：纳米尺度。 演化并没有给人类带来可以看到纳米尺度的视觉，却给了我们不屈不挠的驱动力发明出仪器，通过对其更深入的观察，寻找对于我们所处环境更多的理解。对生物而言，“拉近视角”起始于17世纪时光学显微镜的发明，这让科学家能够观察到植物与动物由几十微米尺寸(通常如此)的单元构成，罗伯特·胡克将这些单元称为“细胞”。 通过更近距离的观察找出细胞的构成，这一进程非常缓慢，因为下一个与此相关的尺寸真的非常之小：纳米。最终，在19世纪上半叶，化学家揭示了生命中纳米尺度构造模块的存在：蛋白质。到1900年，蛋白质由更小单元构成的概念已经被接受。这种单元被称之为氨基酸，并且构成蛋白质的所有20种必需氨基酸都已经被识别。此后不久，X射线被发现，还有能够产生射线的必要技术，让人类有可能制造出已知不错大的结构分析工具之一：X射线衍射。 X射线的波长非常短，因此它可以被原子衍射，形成三维图案(例如，氯化钠，也就是食盐这样自然形成的晶体)。通过对晶体衍射出的有序图案进行数学分析，有可能绘制出晶体内原子的排列方式。X射线可以揭示出物质原子结构的这种能力，革新了我们对于无生命材料的理解，以及对那些生物物质的及时理解。 对生物分子的X射线衍射图案进行分析非常具有挑战性，因为它们具有复杂的几何构造。此外，这一技术首先需要分子排列成很完美的三维结构(例如晶体)，但是生物分子并不会轻易地“委屈”自己整齐排列。事实上，制备出生物分子的晶体，是现代科学中最不容易做好的实验之一，涉及很多有内在关联的变量——很难进行单独优化。不管怎么说，在20世纪中叶，科学家还是利用他们的X射线衍射仪，提取到了第一幅生物分子的结构图，在那之后，数千种蛋白质和其他一些生物分子都被成功地制成晶体，并由X射线进行分析，这要感谢全世界范围内功能越来越强大的X射线同步加速器装置。 在20世纪50年代，化学领域的新技术、光学显微镜以及X射线衍射技术共同发挥了强大的作用，让人们越发意识到生命的巨大复杂性。数以百万计的分子错综复杂地组织起来，被塞入细胞之中：蛋白质、脂肪、糖、核酸(DNA与RNA)、离子和水。这些分子的协同作用，以及它们对于细胞器与细胞区室的组装，几乎难以通过智力去想象，当然也就超过当时任何严格定量分析的能力了。 不过，科学家毫不气馁，开始识别、分类并绘制出细胞纳米组件的结构与相互作用，于是分子细胞生物学领域诞生了。与此同时，随着基因遗传基础图谱的确立，最初一批基因科学家的工作也展开了，到了20世纪50年代早期，他们后续的科学发现表明DNA是携带这些基因的分子。 发现DNA的结构是一个开拓性的时刻。1953年，剑桥大学的詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克，借助x射线衍射实验的数据，还有伦敦国王学院的罗莎琳德·富兰克林及其学生雷蒙德·戈斯林与莫里斯·威尔金斯进行的分析，完成了这一发现。DNA结构如何被发现的完整故事早已被揭示，并且成为现代科学中的性别政治戏剧性事件之一，而它的余波似乎永远不会停止。10DNA分子“扭曲之梯”结构的视觉形象，还有它的四个密码子——腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤与胸腺嘧啶(简写为A、C、G、T)——作为双螺旋结构的“横档”，成为该结构研究的很好，赋予基因物理学的实体。 P26-28