蛋白质丝线的启示

Inspiration for protein silk threads

都世民

摘要：本文通过纳米线与蛋白质丝线，联想到细胞内的连接关系，对中国科协提出的20个难题中的一个，也就是细胞器之间的相互作用。对此提出疑问和思考。

关键词：纳米线，蛋白质丝线，细胞器，科协难题，生物电子

引言

笔者近期阅读了“国防生物与医学领域科技发展报告”(2017)/世界国防科技年度发展报告［1］。在2017年，生物电子发展动态部分的第1项，生物电子材料与元器件。文中指出：

2017年1月份，美国马萨诸塞州诸塞大学阿姆斯特分校微生物学家研究发现，细菌能够产生一种新型的天然蛋白质丝线。在自然条件下，细菌可以使蛋白丝线与其他微生物矿物质进行电的连接。这种电的连接与细胞器之间相互作用有无关系？

纳米线［2，3］

应当指出的是，这个研究项目是由美国海军研究办公室资助微生物纳米线电子材料研发提出的。可是研究对象却是微生物细菌之类，与过去的纳米材料的研究有所不同。

1）什么是纳米线？

纳米线可以被定义为一种具有在横向上被限制在100纳米以下（纵向没有限制）的一维结构。悬置纳米线指纳米线在真空条件下末端被固定。典型的纳米线的纵横比在1000以上，因此它们通常被称为一维材料。

2）纳米线分类

根据组成材料的不同，纳米线可分为不同的类型，包括金属纳米线，半导体纳米线和绝缘体纳米线。

3）纳米线制作

均在实验室中生产，截至2014年尚未在自然界中发现。纳米线可以由悬置法、沉积法或者元素合成法制得。悬置纳米线可以通过对粗线的化学刻蚀得来，也可以用高能粒子（原子或分子）轰击粗线产生。实验室中生长的纳米线分为两种，分别为垂直于基底平面的纳米线和平行于基底平面的纳米线。生产纳米线的硅和氧在地壳层是最常见的可持续和廉价利用的元素。

4）可能应用前景

· 实验表明纳米线可以被用于下一代计算设备，例如：通过对纳米线掺杂，并对纳米线交叉可以制作逻辑门。

· 在小尺度下，才具备的性质使得纳米线被广泛应用于新兴的领域，例如纳电机系统（NEMS纳机电系统）。

蛋白质丝线的启示

1）蛋白质丝线超高导电性能原因何在？

文［1］指出：洛维利的实验室一直使用硫还原地杆菌来研究纳米线，一开始研究蛋白质丝线时，发现其他地杆菌物种蛋白质丝线广泛存在导电性能。例如，金属还原地杆菌产生的纳米线的导电性能，比硫还原的地杆菌产生的纳米线的导电性能要高5000倍。

这么高的导电性能是怎么回事呢？研究人员将金属还原地杆菌的纳米线的超高导电性能归因于其更大丰度的芳香族氨基酸，芳香族氨基酸(AAA)是一类含有芳香环的α -氨基酸，包括苯丙氨酸 (Phe)、酪氨酸(Tyr)和色氨酸(Trp)，其中苯丙氨酸和色氨酸是人体的所需氨基酸。紧密堆积的芳香环似乎是微生物超高导电性能的关键。也就是说，芳香环越多，电子就能够更好地沿着蛋白质丝线转移。这里所说的芳香环似乎成了电子的转移通道，至于电子的转移方向取决于什么？文中并没有讨论。

金属还原地杆菌的纳米线的超高导电性能远比人工纳米线的导电性能好，而且无毒。

2）蛋白质为什么导电？

蛋白质是每个细胞的组成部分，通常被认为是一团惰性的有机物。它们不导电。文［1，6］指出：2017年11月，亚利桑纳州立大学，发现了一种特殊的，可以导电的蛋白质。

最初，Stuart Lindsay和他的研究团队在研究过程中发现，当粘蛋白的整合蛋白领域alphaVbeta3连接在两个电极之间时，呈现出“非常高的电子传导率”。此后的几年里，研究团队一直试图寻找这种现象的解释，比如电子跳跃，电子可以在原子之间的距离上跳跃。但他们没有找到相应的解释

后来，Stuart Lindsay发现匈牙利洛拉尔德大学理论生物物理学家Gabor Vattay的研究成果，他基于量子力学提出一个想法，即蛋白质在导电和绝缘之间处于一种特殊的状态。

Vattay说，“电流波动”可以使蛋白质成为导体或绝缘体，这似乎与Stuart Lindsay和他的同事在测试中发现的情况相符。

“电流波动”产生原因，文中没有讨论。细胞的排列，与细胞的极性有没有关联？过去已经进行过讨论。细胞的极性与蛋白质导电有没有关系？

随后，在Vattay和一些超级计算机建模的帮助下，研究人员能够将他们的alphaVbeta3蛋白质区域与量子临界状态相匹配。而在进一步的实验中，科学家们利用一个更精细的装置，创造出一种装置，可以开关蛋白质的导电性。

3）中国科协最近发布20大科技难题中就有：细胞器之间的相互作用。［4］

·过去一直认为，细胞之间的信号传导，是组织器官功能实现的重要基础，这主要是由突厥释放化学信息物质传递。［1］

·  2017年2月，美国国防高级研究计划局（DARPA）宣布启动RadioBio研究项目。研究目的是：试图探索细胞内和细胞之间是否存在电磁传输和接收，为研究未来电磁环境下的新型通讯系统奠定研究基础。

· 不知道科协提出的20个大科技难题，“对细胞器之间的相互作用”，有没有电磁传输的问题？

· 如果从“细胞器”词条的解释看，这里面没有电磁传输问题［5］。要不要研究这方面问题，笔者认为有讨论的必要。

· 内质网是由膜连接而成的网状结构，单层膜是细胞内蛋白质加工，以及脂质合成的“车间”。在电镜下可以看到内质网是一种复杂的内膜结构，它是由单层膜围成的扁平囊状的腔或管组成，这些管腔彼此之间以及与核被膜之间是相连通的。

内质网的连接有没有电的连接？有没有电磁连接？难道只有膜之间的连接吗？膜之间的连接肉眼可见，而其他连接肉眼不可见，研究人员的思维如何脱离肉眼可见的思维模式？如果不脱离这一种思维模式，细胞器之间的相互作用能搞清楚吗？

不难看出上述问题是相互关联的，中国科协提出了20个难题中的一个问题：细胞器之间的相互作用包含不包含上面讨论的问题？笔者提出这个问题，向有关部门请教。

·童勤业教授在文［7］中对脑科学研究中的若干关键问题进行了整理和归纳，问题之6

在脑中神经结构性回路与神经信息回路是否是分开的吗？

 人的“思维活动”是如何产生的？是大量神经元产生同步、自组织、涌现形成的还是少量神经元就行？ 脑内信息的流动与电子电路一样吗？整个脑所有神经元是一起来处理信息吗？结构性回路与信息回路是同一回路吗？

童勤业教授提出的上述问题，与细胞内的相互作用以及与细胞之间的相互作用，是分不开的。在电子学科，研制一个系统，是将结构与电气分开，有各自的设计图纸和设计说明书，不能混为一谈。如今对细胞的内部结构研究比较多，但是对细胞内部的电的连接和电磁传输的连接研究比较少。电子学与生物学不完全一样，因为细胞有新生、衰老、死亡、再生自噬等诸多变化。电子学的基本组成单元有环境适应要求，有老化问题，但没有再生、自噬、死亡细胞的去向等复杂问题。电子学的研究思维，是由个体到组件、模块、分系统、总系统，这样一个构建过程。生物学的研究思维，有自上而下或自下而上的两种研究方式，

最大的区别，电子学是在宏观领域，而生物学是在微观领域。两者的能源是不相同的。如今的电子学研究，已经小型化、微型化、纳米化，两者有共性，也有特点。而共性又不是等同。

不同器官的细胞结构及其内部的连接不会相同，例如视网膜上的细胞，视錐细胞与视杆细胞、水平细胞、双极细胞，他们的形状大小，内部结构是不一样的，如果将每一种细胞分别放在两电极之间，测量他们的电传导率，其结果能相同吗？他们在光的照射下，不同偏振的光，不同波长的光，他们所产生的感应电流应该是不相同的，其原因是什么？他们所呈现的电的特性，有没有三种状态？即导电、半导体和绝缘。这些问题，要不要更深入的研究？

不同的人触电以后，有的人会死亡，有的人就不会，还可以把自己身体当成烤箱。这两种人，他们的细胞及其回路会相同吗？原因是什么？是否应该研究？追逐国际研究热点是需要的，但是不宜过多，否则就变成了跟风研究。中医的经络问题，是一个肉眼看不见的问题，有不少专家学者进行过探讨，但始终没有解决，这个问题与暗物质有没有关联？针灸离不开经络，不同的医生，针灸的结果是不相同的，如今中医医生，不是都能够针灸，大多数都是把脉，而过去，中医医生都会针灸，因此经络问题应该放在日程上，进行广泛深入的研究，传承中国文化。

关于细胞之间及其群体的相互作用，将在下面的博文中继续讨论。

参考文献

［1］国防生物与医学领域科技发展报告(2017)/世界国防科技年度发展报告，军事科学院军事医学研究院卫生勤务与血液研究所， 王东根、贾向志、王磊主编，国防工业出版社出版，2018年4月。

［2］纳米线，来源：百度百科词条。

https://baike.baidu.com/item/纳米线/10675683?fr=aladdin

［3］纳米科学：合成纳米结构纳米线的新技术!来源：百度百科，2019年1月9日 。

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1622142318525963361&wfr=spider&for=pc

［4］孙自法，中国科协发布20大科技难题 暗物质探测等入选， 来源：中国新闻网 发布时间：2019/6/30。

http:/http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/6/427892.shtm

［5］细胞器，来源：百度百科词条。

https://baike.baidu.com/item/细胞器/602110?fr=aladdin

本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目 审核 。

［6］新研究：科学家发现一种可以导电的蛋白质，来源：威鋒网，2017-11-1 。 作者：叫我知心哥哥 。

 https://www.ithome.com/html/discovery/332622.htm

［7］童勤业，脑科学研究中必须考虑的若干关键问题， 来源：科学网，2019-6-1 05:07 。

本文来自童勤业科学网博客。
链接地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-261566-1182360.html