Нанобиотехнология , бионанотехнология и нанобиология — термины, обозначающие пересечение нанотехнологий и биологии . [1] Учитывая, что эта тема возникла совсем недавно, бионанотехнология и нанобиотехнология служат общими терминами для различных связанных технологий.
Эта дисциплина помогает обозначить слияние биологических исследований с различными областями нанотехнологий. Концепции, которые расширяются с помощью нанобиологии, включают: наноустройства (такие как биологические машины ), наночастицы и наномасштабные явления, которые происходят в рамках дисциплины нанотехнологий. Этот технический подход к биологии позволяет ученым представлять и создавать системы, которые можно использовать для биологических исследований. Биологически вдохновленные нанотехнологии используют биологические системы в качестве источника вдохновения для еще не созданных технологий. [2] Однако, как и в случае с нанотехнологиями и биотехнологиями , бионанотехнология имеет множество потенциальных этических проблем, связанных с ней.
Наиболее важные задачи, которые часто встречаются в нанобиологии, включают применение наноинструментов для решения соответствующих медицинских/биологических проблем и совершенствование этих приложений. Разработка новых инструментов, таких как пептоидные нанолисты , для медицинских и биологических целей, является еще одной основной целью нанотехнологий. Новые наноинструменты часто создаются путем совершенствования применения уже используемых наноинструментов. Визуализация нативных биомолекул , биологических мембран и тканей также является важной темой для исследователей нанобиологии. Другие темы, касающиеся нанобиологии, включают использование датчиков с консольными матрицами и применение нанофотоники для управления молекулярными процессами в живых клетках. [3]
В последнее время большой интерес вызывает использование микроорганизмов для синтеза функциональных наночастиц. Микроорганизмы могут изменять степень окисления металлов. [ нужна цитата ] Эти микробные процессы открыли для нас новые возможности для изучения новых приложений, например, биосинтеза металлических наноматериалов. В отличие от химических и физических методов, микробные процессы синтеза наноматериалов могут осуществляться в водной фазе в щадящих и экологически безопасных условиях. Этот подход стал привлекательным направлением в текущих исследованиях в области зеленой бионанотехнологии в целях устойчивого развития. [4]
Эти термины часто используются как взаимозаменяемые. Однако когда проводится различие, оно основано на том, сосредоточено ли внимание на применении биологических идей или на изучении биологии с помощью нанотехнологий. Бионанотехнология обычно относится к изучению того, как можно достичь целей нанотехнологии, изучая, как работают биологические «машины», и адаптируя эти биологические мотивы для улучшения существующих нанотехнологий или создания новых. [5] [6] Нанобиотехнология, с другой стороны, относится к способам использования нанотехнологий для создания устройств для изучения биологических систем. [7]
Другими словами, нанобиотехнология — это, по сути, миниатюрная биотехнология , тогда как бионанотехнология — это специфическое применение нанотехнологии. Например, нанотехнология ДНК или клеточная инженерия могут быть классифицированы как бионанотехнологии, поскольку они предполагают работу с биомолекулами на наноуровне. И наоборот, многие новые медицинские технологии, включающие наночастицы в качестве систем доставки или датчиков, могут быть примерами нанобиотехнологии, поскольку они предполагают использование нанотехнологий для достижения целей биологии.
Определения, перечисленные выше, будут использоваться всякий раз, когда в этой статье проводится различие между нанобио и бионано. Однако, учитывая дублирование использования терминов в современном языке, возможно, потребуется оценить отдельные технологии, чтобы определить, какой термин более подходит. Поэтому их лучше всего обсуждать параллельно.
Большинство научных концепций бионанотехнологии заимствованы из других областей. Биохимические принципы, которые используются для понимания материальных свойств биологических систем, занимают центральное место в бионанотехнологии, поскольку те же самые принципы должны использоваться для создания новых технологий. Свойства материалов и их применение, изучаемые в бионауке, включают механические свойства (например, деформация, адгезия, разрушение), электрические/электронные (например, электромеханическая стимуляция, конденсаторы , накопители энергии/батареи), оптические (например, поглощение, люминесценция , фотохимия ), термические (например, термомутабельность, управление температурой), биологический (например, как клетки взаимодействуют с наноматериалами, молекулярные дефекты/дефекты, биосенсорство, биологические механизмы, такие как механоощущение ), нанонаука о заболеваниях (например, генетические заболевания, рак, отказ органов/тканей), а также биологические вычисления (например, ДНК-вычисления ) и сельское хозяйство (целевая доставка пестицидов, гормонов и удобрений ) . технологические применения посредством нанотехнологий.
Нанобиотехнология заимствует большую часть своих основ из нанотехнологий. [ необходимы разъяснения ] Большинство устройств, предназначенных для нано-биотехнологического использования, напрямую основаны на других существующих нанотехнологиях. [ нужна ссылка ] Нанобиотехнология часто используется для описания перекрывающихся междисциплинарных видов деятельности, связанных с биосенсорами , особенно там, где сходятся фотоника , химия, биология, биофизика , наномедицина и инженерия. Еще одним примером являются измерения в биологии с использованием волноводных методов, таких как интерферометрия с двойной поляризацией .
Применение бионанотехнологий чрезвычайно широко распространено. Поскольку это различие сохраняется, нанобиотехнология гораздо более распространена, поскольку она просто предоставляет больше инструментов для изучения биологии. Бионанотехнология, с другой стороны, обещает воссоздать биологические механизмы и пути в форме, которая будет полезна и в других отношениях.
Наномедицина – это область медицинской науки, применение которой постоянно растет.
В эту область входят нанороботы и биологические машины , которые представляют собой очень полезный инструмент для развития этой области знаний. За последние годы исследователи внесли множество усовершенствований в различные устройства и системы, необходимые для разработки функциональных нанороботов, таких как системы движения и магнитного наведения. [12] [13] Это предполагает новый способ лечения и борьбы с такими заболеваниями, как рак; благодаря нанороботам побочные эффекты химиотерапии можно будет контролировать, уменьшать и даже устранять, поэтому через несколько лет больным раком можно будет предложить альтернативу для лечения таких заболеваний вместо химиотерапии, которая вызывает побочные эффекты, такие как выпадение волос . , усталость или тошнота убивают не только раковые клетки, но и здоровые. Наноботы могут использоваться для различных методов лечения, хирургии, диагностики и медицинской визуализации [14] – например, посредством целевой доставки лекарств в мозг (аналогично наночастицам ) и в другие места. [15] [16] [17] Возможность программирования комбинаций таких функций, как «проникновение в ткани, нацеливание на сайт, чувствительность к стимулам и загрузка груза», делает таких нанороботов перспективными кандидатами для « точной медицины ». [18]
На клиническом уровне лечение рака с помощью наномедицины будет состоять из поставки нанороботов пациенту посредством инъекции, которая будет искать раковые клетки, оставляя здоровые нетронутыми. Таким образом, пациенты, получающие лечение с помощью наномедицины, не заметят присутствия этих наномашин внутри себя; единственное, что было бы заметно, — это постепенное улучшение их здоровья. [ нужна цитата ] Нанобиотехнология может быть полезна для разработки лекарств. [ нужны разъяснения ]
В «прецизионных антибиотиках» было предложено использовать бактериоциновые механизмы для таргетных антибиотиков. [19] [20]
Наночастицы уже широко используются в медицине. Его приложения частично совпадают с приложениями наноботов, и в некоторых случаях их может быть трудно различить. Их можно использовать для диагностики и адресной доставки лекарств , инкапсулируя лекарства. [21] Некоторыми можно манипулировать с помощью магнитных полей , и, например, экспериментально таким образом было достигнуто дистанционно управляемое высвобождение гормонов . [22]
В качестве примера разрабатываемого передового приложения можно привести дизайнерские наночастицы «троянского коня», которые заставляют клетки крови разъедать – изнутри наружу – части атеросклеротических бляшек , которые вызывают сердечные приступы [23] [24] [25] и являются наиболее распространенной причиной на данный момент. смерти во всем мире . [26] [27]
Искусственные клетки, такие как синтетические эритроциты, которые обладают всеми или многими известными широкими природными свойствами и способностями естественных клеток, могут использоваться для загрузки функциональных грузов, таких как гемоглобин , лекарства, магнитные наночастицы и биосенсоры АТФ , которые могут обеспечить дополнительные ненативные клетки. функциональные возможности. [28] [29]
Было показано, что нановолокна, имитирующие матрикс вокруг клеток и содержащие молекулы, способные двигаться, могут стать потенциальным средством лечения травм спинного мозга у мышей. [30] [31] [32]
Технически генную терапию также можно рассматривать как форму нанобиотехнологии или движение к ней. [33] Примером области разработок, связанных с редактированием генома, которая скорее является нанобиотехнологией, чем более традиционной генной терапией, является синтетическое производство функциональных материалов в тканях. Исследователь заставил червей C. elegans синтезировать, изготавливать и собирать биоэлектронные материалы в клетках своего мозга. Они позволили модулировать свойства мембран в определенных популяциях нейронов и манипулировать поведением живых животных, что может быть полезно при изучении и лечении таких заболеваний, как рассеянный склероз , в частности, и демонстрирует жизнеспособность такого синтетического производства in vivo. [34] [35] [36] Более того, такие генетически модифицированные нейроны могут позволить подключать внешние компоненты, такие как протезы конечностей, к нервам. [37]
Наносенсоры на основе, например, нанотрубок, нанопроволок, кантилеверов или атомно-силовой микроскопии могут быть применены в диагностических устройствах/сенсорах [21].
Нанобиотехнологию (иногда называемую нанобиологией) в медицине лучше всего можно охарактеризовать как помощь современной медицине в переходе от лечения симптомов к созданию лекарств и регенерации биологических тканей .
Трое американских пациентов получили целые культивированные мочевые пузыри с помощью врачей, использующих в своей практике методы нанобиологии. Кроме того, исследования на животных показали, что матку можно вырастить вне тела , а затем поместить в тело, чтобы произвести на свет ребенка . Лечение стволовыми клетками использовалось для лечения заболеваний, обнаруженных в сердце человека , и проходит клинические испытания в Соединенных Штатах. Также финансируются исследования, позволяющие людям иметь новые конечности, не прибегая к протезированию. Искусственные белки также могут стать доступными для производства без необходимости использования агрессивных химикатов и дорогостоящего оборудования. Было даже высказано предположение, что к 2055 году компьютеры могут быть изготовлены из биохимических веществ и органических солей . [38]
Другой пример текущих нанобиотехнологических исследований касается наносфер, покрытых флуоресцентными полимерами. Исследователи стремятся создать полимеры, флуоресценция которых гасится при встрече с определенными молекулами. Разные полимеры будут обнаруживать разные метаболиты. Сферы с полимерным покрытием могут стать частью новых биологических анализов, и эта технология может когда-нибудь привести к созданию частиц, которые можно будет вводить в организм человека для отслеживания метаболитов, связанных с опухолями и другими проблемами со здоровьем . Другим примером, с другой точки зрения, может быть оценка и терапия на наноскопическом уровне, то есть лечение нанобактериями (размером 25-200 нм), как это делает NanoBiotech Pharma. [ нужна цитата ]
«Наноантенны», сделанные из ДНК – новый тип наноразмерной оптической антенны – могут быть прикреплены к белкам и генерировать сигнал посредством флуоресценции , когда они выполняют свои биологические функции, в частности, при определенных конформационных изменениях . Это может быть использовано для дальнейших нанобиотехнологий, таких как различные типы наномашин, для разработки новых лекарств, для биоисследований и для новых направлений в биохимии. [39] [40]
Это также может быть полезно в устойчивой энергетике : в 2022 году исследователи сообщили о напечатанных на 3D- принтере электродах-небоскребах – хотя и микромасштабных , столбы имели наноструктуру пористости из-за напечатанных чернил из наночастиц металла – (нанотехнологии), в которых обитают цианобактерии. для извлечения значительно более устойчивой биоэнергии из фотосинтеза (биотехнологии), чем в более ранних исследованиях. [41] [42] [43] [44] [45]
Хотя нанобиология находится в зачаточном состоянии, существует множество многообещающих методов, которые могут опираться на нанобиологию в будущем. Биологические системы по своей сути являются наномасштабами; нанонаука должна объединиться с биологией, чтобы создать биомакромолекулы и молекулярные машины, аналогичные природным. Контроль и имитация устройств и процессов, построенных из молекул, является огромной проблемой для конвергентных дисциплин нанобиотехнологии. [46] Все живые существа, включая людей , можно считать нанофабриками . Естественная эволюция оптимизировала «естественную» форму нанобиологии за миллионы лет. В XXI веке люди разработали технологию искусственного использования нанобиологии. Этот процесс лучше всего описать как «органическое слияние с синтетическим». Колонии живых нейронов могут жить вместе на биочипе ; Согласно исследованию Гюнтера Гросса из Университета Северного Техаса . Самособирающиеся нанотрубки могут использоваться в качестве структурной системы. Они будут состоять вместе с родопсинами ; что облегчит процесс оптических вычислений и поможет в хранении биологических материалов. ДНК (как программное обеспечение для всех живых существ) может использоваться как структурная протеомная система – логический компонент молекулярных вычислений. Нед Симан – исследователь из Нью-Йоркского университета – вместе с другими исследователями в настоящее время исследует концепции, похожие друг на друга. [47]
В широком смысле бионанотехнологию можно отличить от нанобиотехнологии тем, что она относится к нанотехнологиям, в которых используются биологические материалы/компоненты – в принципе они могут использовать или альтернативно используют абиотические компоненты. В медицине (которая занимается биологическими организмами) он играет меньшую роль. Он использует природные или биомиметические системы или элементы для создания уникальных наноразмерных структур и различных приложений, которые могут быть не связаны непосредственно с биологией, а не в основном с биологическими приложениями. Напротив, нанобиотехнология использует биотехнологию, миниатюризированную до нанометрового размера, или включает наномолекулы в биологические системы. В некоторых будущих приложениях оба поля могут быть объединены. [48] [49] [50] [ необходимы дополнительные ссылки ]
Нанотехнология ДНК является одним из важных примеров бионанотехнологии. [51] Использование свойств нуклеиновых кислот, таких как ДНК, для создания полезных материалов или устройств, таких как биосенсоры [52] , является многообещающей областью современных исследований.
Хранение цифровых данных ДНК в основном относится к использованию синтезированных, но в остальном обычных цепочек ДНК для хранения цифровых данных, что может быть полезно, например, для долговременного хранения данных с высокой плотностью [53] , к которым не часто осуществляется доступ и запись в качестве альтернатива 5D-оптическому хранению данных или для использования в сочетании с другими нанобиотехнологиями.
Другая важная область исследований связана с использованием свойств мембран для создания синтетических мембран. Белки, которые самособираются с образованием функциональных материалов, могут быть использованы в качестве нового подхода к крупномасштабному производству программируемых наноматериалов. Одним из примеров является разработка амилоидов , обнаруженных в бактериальных биопленках , в виде искусственных наноматериалов , которые можно генетически запрограммировать на получение различных свойств. [54]
Липидная нанотехнология — еще одна важная область исследований в области бионанотехнологии, где физико-химические свойства липидов, такие как их противообрастающие свойства и самосборка, используются для создания наноустройств, которые можно найти в медицине и технике. [55] Липидные нанотехнологии также могут быть использованы для разработки методов эмульсий следующего поколения, позволяющих максимизировать как поглощение жирорастворимых питательных веществ, так и возможность включения их в популярные напитки. [56]
« Мемристоры », изготовленные из белковых нанопроволок бактерии Geobacter serreducens , функционирующих при значительно более низких напряжениях, чем описанные ранее, могут позволить создать искусственные нейроны, функционирующие при напряжениях биологических потенциалов действия . Нанопроволоки имеют ряд преимуществ перед кремниевыми нанопроволоками, а мемристоры могут использоваться для непосредственной обработки биосенсорных сигналов , для нейроморфных вычислений (см. также: компьютер с программным обеспечением ) и/или прямой связи с биологическими нейронами . [57] [58] [59]
Исследования сворачивания белков представляют собой третье важное направление исследований, но оно в значительной степени сдерживается нашей неспособностью предсказать сворачивание белка с достаточно высокой степенью точности. Однако, учитывая множество применений белков в биологических системах, исследования по пониманию сворачивания белков имеют большое значение и могут оказаться плодотворными для бионанотехнологии в будущем. [ нужна цитата ]
В сельском хозяйстве сконструированные наночастицы служат наноносителями, содержащими гербициды, химические вещества или гены, которые нацелены на определенные части растений для высвобождения их содержимого. [60] [61]
Ранее сообщалось, что нанокапсулы, содержащие гербициды, эффективно проникают через кутикулу и ткани, обеспечивая медленное и постоянное высвобождение активных веществ. Аналогичным образом, в другой литературе описывается, что наноинкапсулированные удобрения с медленным высвобождением также стали тенденцией к экономии потребления удобрений и минимизации загрязнения окружающей среды посредством точного земледелия. Это лишь несколько примеров из многочисленных исследовательских работ, которые могут открыть широкие возможности для применения нанобиотехнологий в сельском хозяйстве. Кроме того, применение такого рода инженерных наночастиц к растениям следует рассматривать как уровень дружелюбия, прежде чем они будут использоваться в сельскохозяйственной практике. На основании тщательного обзора литературы стало понятно, что имеется лишь ограниченная достоверная информация, объясняющая биологические последствия применения сконструированных наночастиц на обработанных растениях. В некоторых сообщениях подчеркивается фитотоксичность сконструированных наночастиц различного происхождения для растений, обусловленная концентрациями и размерами. В то же время, однако, было зарегистрировано такое же количество исследований с положительным результатом использования наночастиц, которые способствуют естественному росту растений для лечения растений. [62] В частности, по сравнению с другими наночастицами, применение наночастиц серебра и золота дало положительные результаты для различных видов растений с меньшей токсичностью и/или без нее. [63] [64] Обработанные наночастицами серебра (AgNP) листья спаржи показали повышенное содержание аскорбата и хлорофилла. Аналогичным образом, обработанные AgNPs фасоль и кукуруза имеют увеличенную длину побегов и корней, площадь поверхности листьев, содержание хлорофилла, углеводов и белков, о которых сообщалось ранее. [65] Наночастицы золота использовались для стимуляции роста и урожайности семян Brassica juncea. [66]
Эта область опирается на различные методы исследования, включая экспериментальные инструменты (например, визуализацию, определение характеристик с помощью АСМ / оптического пинцета и т. д.), инструменты на основе дифракции рентгеновских лучей , синтез посредством самосборки, характеристику самосборки (с использованием, например, MP- SPR , DPI , методы рекомбинантной ДНК и т. д.), теория (например, статистическая механика , наномеханика и т. д.), а также вычислительные подходы (многомасштабное моделирование «снизу вверх» , суперкомпьютеры ).
По состоянию на 2009 год риски нанобиотехнологий плохо изучены, и в США нет твердого национального консенсуса относительно того, каким принципам регуляторной политики следует следовать. [33] Например, нанобиотехнологии могут иметь трудноконтролируемые последствия для окружающей среды или экосистем и здоровья человека. Наночастицы на основе металлов, используемые в биомедицинских целях, чрезвычайно привлекательны для различных применений благодаря своим отличительным физико-химическим характеристикам, позволяющим им влиять на клеточные процессы на биологическом уровне. Тот факт, что наночастицы на основе металлов имеют высокое соотношение поверхности к объему, делает их реактивными или каталитическими. Из-за своего небольшого размера они с большей вероятностью смогут проникать через биологические барьеры, такие как клеточные мембраны, и вызывать клеточную дисфункцию в живых организмах. Действительно, высокая токсичность некоторых переходных металлов может затруднить использование НЧ смешанных оксидов в биомедицинских целях. Он вызывает неблагоприятное воздействие на организмы, вызывая окислительный стресс, стимулируя образование АФК, митохондриальные нарушения и модуляцию клеточных функций, что в некоторых случаях приводит к летальному исходу. [67]
Бонин отмечает, что «нанотехнология - это не конкретная определенная однородная сущность, а совокупность разнообразных возможностей и приложений» и что исследования и разработки нанобиотехнологий - как одна из многих областей - подвержены проблемам двойного назначения . [68]