Nanobiotechnologia

Nanobiotechnologia , bionanotechnologia i nanobiologia to terminy odnoszące się do skrzyżowania nanotechnologii i biologii . Biorąc pod uwagę, że temat ten pojawił się bardzo niedawno, bionanotechnologia i nanobiotechnologia służą jako ogólne pojęcia dla różnych powiązanych technologii.

Dyscyplina ta pozwala wskazać na przenikanie się badań biologicznych z różnymi dziedzinami nanotechnologii. Koncepcje, które są ulepszane przez nanobiologię , obejmują: nanourządzenia (takie jak maszyny biologiczne ), nanocząsteczki i zjawiska w nanoskali, które występują w dyscyplinie nanotechnologii. To techniczne podejście do biologii pozwala naukowcom wyobrazić sobie i stworzyć systemy, które można wykorzystać do badań biologicznych. Nanotechnologia inspirowana biologią wykorzystuje systemy biologiczne jako inspirację dla technologii, które jeszcze nie powstały. Jednak podobnie jak w przypadku nanotechnologii i biotechnologii , bionanotechnologia wiąże się z wieloma potencjalnymi problemami etycznymi .

Rybosom to biologiczna maszyna .

Najważniejsze cele często spotykane w nanobiologii obejmują stosowanie nanonarzędzi do odpowiednich problemów medycznych/biologicznych i udoskonalanie tych zastosowań. Opracowanie nowych narzędzi, takich jak nanocząsteczki peptydowe , do celów medycznych i biologicznych to kolejny główny cel nanotechnologii. Nowe nanonarzędzia są często wytwarzane poprzez udoskonalanie zastosowań nanonarzędzi, które są już używane. Obrazowanie natywnych biomolekuł , błon biologicznych i tkanek jest również głównym tematem badaczy nanobiologii. Inne tematy dotyczące nanobiologii obejmują wykorzystanie wspornika czujniki macierzowe i zastosowanie nanofotoniki do manipulowania procesami molekularnymi w żywych komórkach.

dużym zainteresowaniem cieszy się wykorzystanie mikroorganizmów do syntezy funkcjonalnych nanocząstek. Mikroorganizmy mogą zmieniać stopień utlenienia metali. Te procesy mikrobiologiczne otworzyły przed nami nowe możliwości odkrywania nowych zastosowań, na przykład biosyntezy nanomateriałów metalicznych. W przeciwieństwie do metod chemicznych i fizycznych, mikrobiologiczne procesy syntezy nanomateriałów można realizować w fazie wodnej w łagodnych i przyjaznych dla środowiska warunkach. Podejście to stało się atrakcyjnym przedmiotem obecnych badań zielonej bionanotechnologii ukierunkowanych na zrównoważony rozwój.

Terminologia

Terminy są często używane zamiennie. Kiedy jednak zamierzone jest rozróżnienie, opiera się ono na tym, czy nacisk kładzie się na zastosowanie idei biologicznych, czy też na studiowanie biologii za pomocą nanotechnologii. Bionanotechnologia ogólnie odnosi się do badania, w jaki sposób można kierować celami nanotechnologii, badając, jak działają biologiczne „maszyny” i adaptując te motywy biologiczne w celu ulepszenia istniejących nanotechnologii lub tworzenia nowych. Z drugiej strony nanobiotechnologia odnosi się do sposobów wykorzystania nanotechnologii do tworzenia urządzeń do badania systemów biologicznych.

Innymi słowy, nanobiotechnologia jest zasadniczo zminiaturyzowaną biotechnologią , podczas gdy bionanotechnologia jest specyficznym zastosowaniem nanotechnologii. Na przykład nanotechnologia DNA lub inżynieria komórkowa zostałyby sklasyfikowane jako bionanotechnologia, ponieważ obejmują pracę z biomolekułami w nanoskali. I odwrotnie, wiele nowych technologii medycznych wykorzystujących nanocząsteczki jako systemy dostarczania lub czujniki byłoby przykładami nanobiotechnologii, ponieważ obejmują one wykorzystanie nanotechnologii do realizacji celów biologii.

Definicje wyliczone powyżej będą wykorzystywane za każdym razem, gdy w tym artykule dokonane zostanie rozróżnienie między nanobio i bionano. Jednak biorąc pod uwagę nakładanie się terminów we współczesnym języku, może być konieczna ocena poszczególnych technologii w celu ustalenia, który termin jest bardziej odpowiedni. W związku z tym najlepiej omawiać je równolegle.

koncepcje

Kinezyna chodząca po mikrotubuli . Jest to molekularna maszyna biologiczna , która wykorzystuje dynamikę domen białkowych w nanoskali

Większość koncepcji naukowych w bionanotechnologii wywodzi się z innych dziedzin. Zasady biochemiczne, które są wykorzystywane do zrozumienia właściwości materiałów systemów biologicznych, są kluczowe w bionanotechnologii, ponieważ te same zasady mają być wykorzystywane do tworzenia nowych technologii. Właściwości materiałów i zastosowania badane w bionauce obejmują właściwości mechaniczne (np. odkształcenie, adhezja, uszkodzenie), elektryczne/elektroniczne (np. stymulacja elektromechaniczna, kondensatory , magazynowanie energii/baterie), optyczne (np. absorpcja, luminescencja , fotochemia) ), termiczne (np. termomutowalność, zarządzanie termiczne), biologiczne (np. jak komórki wchodzą w interakcje z nanomateriałami, defekty molekularne, bioczujniki, mechanizmy biologiczne, takie jak mechanosensacja), nanonauka o chorobach (np. choroba genetyczna, rak, niewydolność narządów/tkanek ) , a także informatyka biologiczna (np. informatyka DNA ) i rolnictwo (docelowe dostarczanie pestycydów, hormonów i nawozów). Wpływ bionauki, osiągany poprzez strukturalne i mechanistyczne analizy procesów biologicznych w nanoskali, polega na ich przełożeniu na zastosowania syntetyczne i technologiczne za pośrednictwem nanotechnologii.

Nanobiotechnologia czerpie większość swoich podstaw z nanotechnologii. Większość urządzeń zaprojektowanych do zastosowań nanobiotechnologicznych opiera się bezpośrednio na innych istniejących nanotechnologiach. Nanobiotechnologia jest często używana do opisania nakładających się multidyscyplinarnych działań związanych z bioczujnikami , szczególnie tam, gdzie fotonika , chemia, biologia, biofizyka , nanomedycyna i inżynieria są zbieżne. Innym przykładem jest pomiar w biologii przy użyciu technik falowodowych, takich jak interferometria z podwójną polaryzacją .

Aplikacje

Zastosowania bionanotechnologii są niezwykle rozpowszechnione. Jeśli chodzi o to rozróżnienie, nanobiotechnologia jest znacznie bardziej powszechna, ponieważ po prostu dostarcza więcej narzędzi do badania biologii. Z drugiej strony bionanotechnologia obiecuje odtworzenie mechanizmów i ścieżek biologicznych w formie przydatnej na inne sposoby.

Nanomedycyna

Nanomedycyna to dziedzina nauk medycznych, której zastosowania są coraz większe.

Nanoboty

Dziedzina obejmuje nanoroboty i maszyny biologiczne , które stanowią bardzo przydatne narzędzie do rozwoju tej dziedziny wiedzy. W ostatnich latach naukowcy wprowadzili wiele ulepszeń w różnych urządzeniach i systemach wymaganych do opracowania funkcjonalnych nanorobotów – takich jak ruch i naprowadzanie magnetyczne. Zakłada to nowy sposób leczenia i radzenia sobie z chorobami, takimi jak rak; dzięki nanorobotom efekty uboczne chemioterapii mogłyby być kontrolowane, redukowane, a nawet eliminowane, więc za kilka lat pacjentom z rakiem można by zaproponować alternatywę leczenia takich chorób zamiast chemioterapii , który powoduje skutki wtórne, takie jak wypadanie włosów, zmęczenie lub nudności, zabijając nie tylko komórki rakowe, ale także te zdrowe. Nanoboty mogą być wykorzystywane w różnych terapiach, chirurgii, diagnostyce i obrazowaniu medycznym – na przykład poprzez ukierunkowane dostarczanie leków do mózgu (podobnie jak nanocząsteczki ) i innych miejsc. Programowalność kombinacji funkcji, takich jak „penetracja tkanek, kierowanie na miejsce, reakcja na bodźce i ładowanie ładunku” sprawia, że ​​takie nanoboty są obiecującymi kandydatami do „ medycyny precyzyjnej ”.

Na poziomie klinicznym leczenie raka za pomocą nanomedycyny polegałoby na podaniu pacjentowi nanorobotów poprzez wstrzyknięcie, które będzie wyszukiwać komórki rakowe, pozostawiając zdrowe nietknięte. Pacjenci leczeni za pomocą nanomedycyny nie zauważyliby w ten sposób obecności tych nanomaszyn w sobie; jedyne, co byłoby zauważalne, to postępująca poprawa ich zdrowia. Nanobiotechnologia może być przydatna do formułowania leków.

Zaproponowano „precyzyjne antybiotyki” w celu wykorzystania mechanizmów bakteriocyny do ukierunkowanych antybiotyków.

Nanocząsteczki

Nanocząstki są już szeroko stosowane w medycynie. Jego zastosowania pokrywają się z zastosowaniami nanobotów iw niektórych przypadkach ich rozróżnienie może być trudne. Mogą być używane do diagnozowania i ukierunkowanego dostarczania leków , kapsułkowania leku. Niektórymi można manipulować za pomocą pól magnetycznych i na przykład w ten sposób osiągnięto eksperymentalnie zdalnie sterowane uwalnianie hormonów .

Przykładem zaawansowanej aplikacji będącej w fazie rozwoju są „konie trojańskie” zaprojektowane nanocząsteczki, które sprawiają, że komórki krwi zjadają – od wewnątrz – fragmenty blaszki miażdżycowej , która powoduje zawał serca i jest obecnie najczęstszą przyczyną śmierci na całym świecie .

Sztuczne komórki

Sztuczne komórki, takie jak syntetyczne krwinki czerwone, które mają wszystkie lub wiele znanych naturalnych właściwości i zdolności komórek naturalnych, mogą być wykorzystywane do ładowania ładunków funkcjonalnych, takich jak hemoglobina , leki, nanocząsteczki magnetyczne i biosensory ATP , które mogą umożliwić dodatkowe nierodzime funkcjonalności.

Inny

Wykazano, że nanowłókna, które naśladują macierz wokół komórek i zawierają cząsteczki, które zostały zaprojektowane tak, aby się poruszały, są potencjalną terapią urazów rdzenia kręgowego u myszy.

Z technicznego punktu widzenia terapię genową można również uznać za formę nanobiotechnologii lub krok w jej kierunku. Przykładem obszaru rozwoju związanego z edycją genomu, który jest wyraźniej nanobiotechnologią niż bardziej konwencjonalnymi terapiami genowymi, jest syntetyczne wytwarzanie materiałów funkcjonalnych w tkankach. Badacz zmusił C. elegans do syntezy, wytwarzania i składania materiałów bioelektronicznych w komórkach mózgowych. Umożliwiły modulację właściwości błon w określonych populacjach neuronów i manipulację zachowaniem żywych zwierząt, co może być przydatne w badaniu i leczeniu chorób takich jak m.in. stwardnienia rozsianego w swoistości i demonstruje żywotność takiego syntetycznego wytwarzania in vivo. Co więcej, takie genetycznie zmodyfikowane neurony mogą umożliwiać łączenie zewnętrznych komponentów – takich jak protezy kończyn – z nerwami.

Nanoczujniki oparte np. na nanorurkach, nanoprzewodach, wspornikach lub mikroskopii sił atomowych mogłyby znaleźć zastosowanie w urządzeniach/czujnikach diagnostycznych

Nanobiotechnologia

Nanobiotechnologię (czasami określaną jako nanobiologia) w medycynie można najlepiej opisać jako pomoc nowoczesnej medycynie w postępie od leczenia objawów do generowania lekarstw i regeneracji tkanek biologicznych .

Trzech amerykańskich pacjentów otrzymało hodowane całe pęcherze z pomocą lekarzy stosujących w swojej praktyce techniki nanobiologiczne. W badaniach na zwierzętach wykazano również, że macica może wyrosnąć poza organizmem , a następnie zostać umieszczona w ciele w celu wytworzenia dziecka . Leczenie komórkami macierzystymi stosowano do leczenia chorób, które występują w ludzkim sercu i są w badaniach klinicznych w Stanach Zjednoczonych. Istnieją również fundusze na badania nad umożliwieniem ludziom posiadania nowych kończyn bez konieczności uciekania się do protez. Sztuczne białka mogą również stać się dostępne do produkcji bez użycia ostrych chemikaliów i drogich maszyn. Przypuszczano nawet, że do roku 2055 komputery mogą powstać z biochemikaliów i soli organicznych .

Bioczujniki in vivo

Innym przykładem aktualnych badań nanobiotechnologicznych są nanosfery pokryte polimerami fluorescencyjnymi. Naukowcy dążą do zaprojektowania polimerów, których fluorescencja zostaje wygaszona w kontakcie z określonymi cząsteczkami. Różne polimery wykrywałyby różne metabolity. Kule pokryte polimerem mogą stać się częścią nowych testów biologicznych, a technologia może pewnego dnia doprowadzić do cząstek, które można by wprowadzić do ludzkiego ciała w celu wyśledzenia metabolitów związanych z nowotworami i innymi problemami zdrowotnymi . Innym przykładem, z innej perspektywy, byłaby ocena i terapia na poziomie nanoskopowym, czyli leczenie nanobakterii (o wielkości 25-200 nm), tak jak robi to NanoBiotech Pharma.

Bioczujniki in vitro

„Nanoanteny” wykonane z DNA – nowy typ anteny optycznej w skali nano – mogą być przyłączane do białek i wytwarzać sygnał poprzez fluorescencję , gdy spełniają one swoje funkcje biologiczne, w szczególności w przypadku ich wyraźnych zmian konformacyjnych . Można to wykorzystać w dalszej nanobiotechnologii, takiej jak różne typy nanomaszyn, do opracowywania nowych leków, do badań biologicznych i do nowych dróg w biochemii.

Energia

Może być również przydatny w zrównoważonej energii : w 2022 r. naukowcy zgłosili wydrukowane w 3D nanoelektrody „drapaczy chmur” - choć w skali mikro , filary miały nanoporowatości dzięki drukowanym atramentom nanocząstek metalu - (nanotechnologia), w których znajdują się cyjanobakterie do pozyskiwania znacznie bardziej zrównoważonej bioenergii z ich fotosyntezy (biotechnologia) niż we wcześniejszych badaniach.

Nanobiologia

Chociaż nanobiologia jest w powijakach, istnieje wiele obiecujących metod, które w przyszłości mogą opierać się na nanobiologii. Systemy biologiczne mają z natury skalę nano; nanonauka musi łączyć się z biologią, aby dostarczać biomakromolekuły i maszyny molekularne, które są podobne do natury. Kontrolowanie i naśladowanie urządzeń i procesów zbudowanych z molekuł to ogromne wyzwanie dla zbiegających się dyscyplin nanobiotechnologii. Wszystkie żywe istoty, w tym ludzi , można uznać za nanoodlewnie . Naturalna ewolucja optymalizowała „naturalną” formę nanobiologii przez miliony lat. W XXI wieku ludzie opracowali technologię sztucznego wykorzystania nanobiologii. Ten proces najlepiej opisać jako „łączenie organiczne z syntetycznym”. Kolonie żywych neuronów mogą żyć razem na biochipie ; według badań dr Gunthera Grossa z University of North Texas . Samoorganizujące się nanorurki mogą być wykorzystywane jako system strukturalny. Byłyby komponowane razem z rodopsynami ; co ułatwiłoby proces obliczeń optycznych i pomogłoby w przechowywaniu materiałów biologicznych. DNA (jako oprogramowanie dla wszystkich żywych istot) może być wykorzystywane jako strukturalny system proteomiczny – logiczny składnik obliczeń molekularnych. Ned Seeman – badacz z New York University – wraz z innymi badaczami bada obecnie koncepcje, które są do siebie podobne.

Bionanotechnologia

Odróżnienie od nanobiotechnologii

Ogólnie rzecz biorąc, bionanotechnologię można odróżnić od nanobiotechnologii tym, że odnosi się do nanotechnologii, która wykorzystuje materiały/komponenty biologiczne – zasadniczo mogłaby lub alternatywnie wykorzystuje komponenty abiotyczne. Odgrywa mniejszą rolę w medycynie (która zajmuje się organizmami biologicznymi). Wykorzystuje naturalne lub biomimetyczne systemy lub elementy do unikalnych struktur w nanoskali i różnych zastosowań, które mogą nie być kierunkowo związane z biologią, a nie głównie z zastosowaniami biologicznymi. Natomiast nanobiotechnologia wykorzystuje biotechnologię zminiaturyzowaną do rozmiaru nanometra lub włącza nanocząsteczki do systemów biologicznych. W niektórych przyszłych zastosowaniach obie dziedziny mogą zostać połączone.

DNA

Nanotechnologia DNA jest jednym z ważnych przykładów bionanotechnologii. Wykorzystanie nieodłącznych właściwości kwasów nukleinowych , takich jak DNA, do tworzenia użytecznych materiałów lub urządzeń – takich jak bioczujniki – jest obiecującym obszarem współczesnych badań.

Cyfrowe przechowywanie danych DNA odnosi się głównie do wykorzystania zsyntetyzowanych, ale poza tym konwencjonalnych nici DNA do przechowywania danych cyfrowych, które mogą być przydatne np. do długoterminowego przechowywania danych o dużej gęstości , do których nie uzyskuje się często dostępu i nie zapisuje ich jako alternatywy dla 5D optycznego przechowywania danych lub do użytku w połączeniu z innymi nanobiotechnologiami.

Materiały membranowe

Innym ważnym obszarem badań jest wykorzystanie właściwości membran do generowania membran syntetycznych. Białka, które samoorganizują się w celu wytworzenia materiałów funkcjonalnych, można wykorzystać jako nowatorskie podejście do wielkoskalowej produkcji programowalnych nanomateriałów. Jednym z przykładów jest rozwój amyloidów znajdujących się w biofilmach bakteryjnych jako nanomateriałów inżynieryjnych , które można zaprogramować genetycznie, aby miały różne właściwości.

Nanotechnologia lipidów

Nanotechnologia lipidów to kolejny ważny obszar badań bionanotechnologii, w którym właściwości fizykochemiczne lipidów, takie jak ich właściwości przeciwporostowe i samoorganizacja, są wykorzystywane do budowy nanourządzeń o zastosowaniach w medycynie i inżynierii. Podejścia nanotechnologii lipidów można również wykorzystać do opracowania metod emulsji nowej generacji, aby zmaksymalizować zarówno wchłanianie składników odżywczych rozpuszczalnych w tłuszczach, jak i możliwość włączenia ich do popularnych napojów.

Przetwarzanie danych

„ Memrystory ” wytwarzane z nanodrutów białkowych bakterii Geobacter sulfurreducens , które działają przy znacznie niższych napięciach niż wcześniej opisane, mogą pozwolić na budowę sztucznych neuronów, które działają przy napięciach o biologicznych potencjałach czynnościowych . Nanoprzewody mają szereg zalet w porównaniu z nanoprzewodami krzemowymi, a memrystory mogą być wykorzystywane do bezpośredniego przetwarzania sygnałów bioczujnikowych , do obliczeń neuromorficznych (patrz też: komputer wetware ) i/lub bezpośrednia komunikacja z biologicznymi neuronami .

Inny

fałdowania białek zapewniają trzecią ważną ścieżkę badań, ale taką, która została w dużej mierze zahamowana przez naszą niezdolność do przewidywania fałdowania białek z wystarczająco wysokim stopniem dokładności. Jednak biorąc pod uwagę niezliczone zastosowania białek w systemach biologicznych, badania nad zrozumieniem fałdowania białek mają ogromne znaczenie i mogą okazać się owocne dla bionanotechnologii w przyszłości.

Rolnictwo

W rolnictwie opracowane nanocząstki służą jako nanonośniki zawierające herbicydy, chemikalia lub geny, które celują w określone części roślin w celu uwolnienia ich zawartości.

Wcześniej informowano, że nanokapsułki zawierające herbicydy skutecznie przenikają przez naskórek i tkanki, umożliwiając powolne i stałe uwalnianie substancji czynnych. Podobnie inna literatura opisuje, że powolne uwalnianie nawozów w nanokapsułkach stało się również trendem w oszczędzaniu zużycia nawozów i minimalizowaniu zanieczyszczenia środowiska poprzez precyzję rolnictwo. To tylko kilka przykładów z licznych prac badawczych, które mogą otworzyć ekscytujące możliwości zastosowania nanobiotechnologii w rolnictwie. Ponadto zastosowanie tego rodzaju nanocząsteczek do roślin należy uznać za poziom ugodowości przed zastosowaniem ich w praktykach rolniczych. Na podstawie dokładnego przeglądu literatury uznano, że dostępne są tylko ograniczone autentyczne informacje wyjaśniające biologiczne konsekwencje nanocząsteczek na potraktowane rośliny. Niektóre doniesienia podkreślają fitotoksyczność różnego pochodzenia nanocząstek modyfikowanych dla roślin spowodowaną przedmiotem stężeń i rozmiarów. Jednocześnie jednak zgłoszono taką samą liczbę badań z pozytywnym wynikiem nanocząstek, które ułatwiają naturę promującą wzrost w leczeniu roślin. W szczególności, w porównaniu z innymi nanocząstkami, zastosowania oparte na nanocząstkach srebra i złota przyniosły korzystne wyniki w przypadku różnych gatunków roślin przy mniejszej toksyczności lub jej braku. Liście szparagów potraktowane nanocząstkami srebra (AgNPs) wykazały zwiększoną zawartość askorbinianu i chlorofilu. Podobnie fasola zwyczajna i kukurydza traktowane AgNPs zwiększyły długość pędów i korzeni, powierzchnię liści, zawartość chlorofilu, węglowodanów i białek, o których informowano wcześniej. Nanocząsteczka złota została wykorzystana do wywołania wzrostu i plonowania nasion Brassica juncea.

Narzędzia

Dziedzina ta opiera się na różnorodnych metodach badawczych, w tym narzędziach eksperymentalnych ( np . SPR , DPI , metody rekombinacji DNA itp.), teoria (np. mechanika statystyczna , nanomechanika itp.), a także podejścia obliczeniowe (oddolna symulacja wieloskalowa , superkomputery ).

Zarządzanie ryzykiem

Dalsze informacje: Poprawka technologiczna § Obawy i Różnicowy rozwój technologiczny

Od 2009 r. zagrożenia związane z nanobiotechnologiami są słabo poznane, aw Stanach Zjednoczonych nie ma solidnego krajowego konsensusu co do tego, jakiego rodzaju zasad polityki regulacyjnej należy przestrzegać. Na przykład nanobiotechnologie mogą mieć trudny do kontrolowania wpływ na środowisko lub ekosystemy i zdrowie ludzi.

Bonin zauważa, że ​​„nanotechnologia nie jest określoną, jednorodną jednostką, ale zbiorem różnorodnych możliwości i zastosowań” oraz że badania i rozwój nanobiotechnologii są - jako jedna z wielu dziedzin - dotknięte problemami podwójnego zastosowania .

Zobacz też

• Biomimikra
• Złoto koloidalne
• Edycja genomu ( bakterie , ( mikro-borgi ))
• Nanocząsteczka złota
• Nanobiomechanika
• Koniugat nanocząstka-biomolekuła
• Nanookręt podwodny
• Nanozymy

Linki zewnętrzne

• Co to jest bionanotechnologia? — wprowadzenie wideo do dziedziny
• Nanobiotechnologia w ortopedii