Нанобиотехнологии - Nanobiotechnology

Часть серия статей о
Нанотехнологии
Влияние и Приложения
Наноматериалы
Молекулярная самосборка
Наноэлектроника
Нанометрология
Молекулярная нанотехнология
  • Приложения Nuvola kalzium.svg Научный портал
  • Telecom-icon.svg Технологический портал

Нанобиотехнологии, бионанотехнология, и нанобиология термины, относящиеся к пересечению нанотехнологии и биология.[1] Учитывая, что эта тема возникла совсем недавно, бионанотехнология и нанобиотехнология служат общим термином для различных связанных технологий.

Эта дисциплина помогает указать на слияние биологических исследований с различными областями нанотехнологий. Концепции, которые расширяются благодаря нанобиология включают: наноустройства (Такие как биологические машины ), наночастицы и наноразмерные явления, которые происходят в дисциплине нанотехнологии. Такой технический подход к биологии позволяет ученым придумывать и создавать системы, которые можно использовать для биологических исследований. Биологические нанотехнологии используют биологические системы как источник вдохновения для еще не созданных технологий.[2] Однако, как и в случае с нанотехнологиями и биотехнология, бионанотехнология имеет много потенциальные этические проблемы связанные с ним.

А рибосома это биологическая машина.

Наиболее важные цели, 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 - еще одна основная цель нанотехнологий. Новые наноинструменты часто создаются путем совершенствования приложений уже используемых наноинструментов. Изображение родного биомолекулы, биологические мембраны, и ткани также являются важной темой для исследователей-нанобиологов. Другие темы, касающиеся нанобиологии, включают использование консоль матричные датчики и применение нанофотоника для управления молекулярными процессами в живых клетках.[3]

В последнее время использование микроорганизмы синтез функциональных наночастиц представляет большой интерес. 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 мягких и экологически безопасных условиях. Этот подход стал привлекательным направлением текущих исследований зеленой бионанотехнологии в целях устойчивого развития.[4]

Терминология

Эти термины часто используются как синонимы. Однако когда подразумевается различие, оно основано на том, делается ли акцент на применении биологических идей или на изучении биологии с помощью нанотехнологий. Бионанотехнология обычно относится к изучению того, как цели нанотехнологии можно направлять, 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 существенно миниатюризирована. биотехнология, тогда как бионанотехнология - это конкретное приложение нанотехнологий. Например, ДНК-нанотехнологии или клеточная инженерия была бы классифицирована как бионанотехнология, потому что она предполагает работу с биомолекулами в наномасштабе. И наоборот, многие новые медицинские технологии, включающие наночастицы в качестве систем доставки или датчиков были бы примерами нанобиотехнологии, поскольку они предполагают использование нанотехнологий для достижения целей биологии.

Перечисленные выше определения будут использоваться всякий раз, когда в этой статье проводится различие между нанобио и бионано. Однако, учитывая частичное использование терминов в современном языке, может потребоваться оценка отдельных технологий, чтобы определить, какой термин более подходит. Как таковые, их лучше всего обсуждать параллельно.

Концепции

Кинезин гуляя по микротрубочка. Это молекулярный биологическая машина который использует динамика домена белка на наномасштаб

Большинство научных концепций бионанотехнологии заимствованы из других областей. Биохимические принципы, которые используются для понимания материальных свойств биологических систем, являются центральными в бионанотехнологии, потому что те же самые принципы должны использоваться для создания новых технологий. Свойства материалов и области применения, изучаемые в бионанологии, включают механические свойства (например, деформацию, адгезию, разрушение), электрические / электронные (например, электромеханическое воздействие, конденсаторы, накопитель энергии / батареи), оптический (например, абсорбционный, свечение, фотохимия ), термический (например, терморегулируемость, терморегулирование), биологический (например, как клетки взаимодействуют с наноматериалами, молекулярные дефекты / дефекты, биочувствительность, биологические механизмы, такие как механочувствительность ), нанонауки о болезнях (например, генетическое заболевание, рак, отказ органа / ткани), а также вычисления (например, ДНК-вычисления ) и сельское хозяйство (адресная доставка пестицидов, гормонов и удобрений.[8][9][10][11] Воздействие бионанауки, достигаемое посредством структурного и механистического анализа биологических процессов в наномасштабе, является их переводом в синтетические и технологические приложения с помощью нанотехнологий.

Нанобиотехнология берет большую часть своих основ из нанотехнологий.[требуется разъяснение ] Большинство устройств, предназначенных для использования в нанобиотехнологиях, напрямую основаны на других существующих нанотехнологиях.[нужна цитата ] Нанобиотехнология часто используется для описания перекрывающихся междисциплинарных мероприятий, связанных с биосенсорами, особенно там, где фотоника, химия, биология, биофизика, наномедицина, и инженерное дело сходятся. Измерения в биологии с использованием волноводов, таких как двухполяризационная интерферометрия, еще один пример.

Приложения

Применение бионанотехнологий чрезвычайно широко. Поскольку это различие сохраняется, нанобиотехнология гораздо более обычна, поскольку просто предоставляет больше инструментов для изучения биологии. Бионанотехнология, с другой стороны, обещает воссоздать биологические механизмы и пути в форме, полезной для других целей.

Наномедицина

Наномедицина это область медицины, применение которой становится все шире и больше благодаря нанороботы и биологические машины, которые представляют собой очень полезный инструмент для развития этой области знаний. В последние годы исследователи внесли множество улучшений в различные устройства и системы, необходимые для разработки нанороботов. Это предполагает новый способ лечения и борьбы с такими заболеваниями, как рак; благодаря нанороботам побочные эффекты химиотерапии были под контролем, уменьшены и даже устранены, поэтому через несколько лет больным раком будет предложена альтернатива для лечения этого заболевания вместо химиотерапии.[нужна цитата ], который вызывает вторичные эффекты, такие как выпадение волос, усталость или тошнота, убивая не только раковые клетки, но и здоровые. На клиническом уровне лечение рака с помощью наномедицины будет заключаться в доставке нанороботов пациенту через инъекцию, которая будет искать раковые клетки, оставляя здоровые нетронутыми. Пациенты, которых будут лечить с помощью наномедицины, не заметят присутствия этих наномашин внутри них; единственное, что будет заметно, - это постепенное улучшение их здоровья. Нанобиотехнология очень важна для разработки лекарств. Это также очень помогает в производстве вакцин.[требуется разъяснение ]

Нанобиотехнологии

Нанобиотехнологию (иногда называемую нанобиологией) лучше всего описать как помощь современной лекарство прогресс от лечения симптомы для создания лечит и регенерирующий биологические ткани. Трое американских пациентов получили целые культивированные мочевой пузырь с помощью врачей, использующих в своей практике методы нанобиологии. Кроме того, исследования на животных показали, что матка можно выращивать вне тела, а затем помещать в него, чтобы произвести детка. Лечение стволовыми клетками использовались для лечения болезней, обнаруженных в человеческое сердце и проходят клинические испытания в США. Есть также финансирование исследований, позволяющих людям иметь новые конечности без протезирования. Искусственный белки может также стать доступным для производства без необходимости в жестких химикаты и дорогие машины. Было даже предположение, что к 2055 году компьютеры может быть сделан из биохимические вещества и органические соли.[12]

Другой пример современных нанобиотехнологических исследований - наносферы, покрытые флуоресцентными полимерами. Исследователи стремятся создать полимеры, флуоресценция которых гасится при встрече с определенными молекулами. Разные полимеры обнаруживают разные метаболиты. Сферы с полимерным покрытием могут стать частью новых биологических анализов, и когда-нибудь технология может привести к частицам, 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 нанобактерий (размером 25-200 нм), как это делается в NanoBiotech Pharma.

Хотя нанобиология находится в зачаточном состоянии, существует множество многообещающих методов, которые в будущем будут опираться на нанобиологию. Биологические системы по своей природе являются наноразмерными; нанонаука должна слиться с биологией, чтобы биомакромолекулы и молекулярные машины, похожие на природу. Управление и имитация устройств и процессов, построенных из молекул, - это огромная проблема, с которой сталкиваются конвергентные дисциплины нанобиотехнологии.[13] Все живое, в том числе люди, можно считать нанофундаменты. Естественная эволюция оптимизировала «естественную» форму нанобиологии за миллионы лет. В 21 веке люди разработали технологию искусственного использования нанобиологии. Этот процесс лучше всего описать как «органическое слияние с синтетическим». Колонии живых нейроны могут жить вместе на биочип устройство; согласно исследованию доктора Гюнтера Гросса из Университет Северного Техаса. Самособирающиеся нанотрубки могут использоваться в качестве структурной системы. Они будут составлены вместе с родопсины; которые упростят процесс оптических вычислений и помогут с хранением биологических материалов. ДНК (как программного обеспечения для всего живого) может использоваться как структурная протеомная система - логический компонент для молекулярных вычислений. Нед Симан - исследователь Нью-Йоркский университет - вместе с другими исследователями в настоящее время исследуют схожие друг с другом концепции.[14]

Бионанотехнологии

ДНК-нанотехнологии один из важных примеров бионанотехнологий.[15] Использование неотъемлемых свойств нуклеиновые кислоты подобно ДНК Создание полезных материалов - перспективное направление современных исследований. Еще одна важная область исследований связана с использованием мембрана свойства для создания синтетических мембран. Белки, которые самостоятельно собрать для создания функциональных материалов может быть использован как новый подход для крупномасштабного производства программируемых наноматериалов. Одним из примеров является разработка амилоиды содержится в бактериальном биопленки как спроектировано наноматериалы которые могут быть генетически запрограммированы на обладание различными свойствами.[16] Сворачивание белков Исследования предоставляют третье важное направление исследований, но оно в значительной степени сдерживается нашей неспособностью предсказать сворачивание белка с достаточно высокой степенью точности. Тем не менее, учитывая бесчисленное множество применений белков в биологических системах, исследования по пониманию фолдинга белков имеют большое значение и могут оказаться плодотворными для бионанотехнологий в будущем.

Липидная нанотехнология - еще одна важная область исследований в бионанотехнологии, где физико-химические свойства липидов, такие как их защита от обрастания и самосборка, используются для создания наноустройств, применяемых в медицине и технике.[17] Подходы липидных нанотехнологий также могут быть использованы для разработки методов эмульсии следующего поколения для максимального увеличения абсорбции жирорастворимых питательных веществ и способности включить их в популярные напитки.

сельское хозяйство

Применение нанотехнологий в биотехнологии не оставляет равнодушным ни одной области, не тронутой революционными научными инновациями в области здоровья человека; сельское хозяйство не исключение. В основном наноматериалы различают по происхождению: природные, случайные и искусственно созданные наночастицы. Среди них инженерные наночастицы привлекли широкое внимание во всех областях науки, включая медицину, материалы и сельскохозяйственные технологии со значительным социально-экономическим ростом. В сельскохозяйственной отрасли созданные наночастицы служат наноносителями, содержащими гербициды, химические вещества или гены. , которые нацелены на определенные части растений, чтобы выпустить их содержимое.[18][19] 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 медленное высвобождение удобрений в нанокапсулах также стало тенденцией к сокращению потребления удобрений и минимизации загрязнения окружающей среды посредством точного земледелия. Это лишь несколько примеров из многочисленных исследовательских работ, которые могут открыть захватывающие возможности для применения нанобиотехнологий в сельском хозяйстве. Кроме того, нанесение такого рода наночастиц на растения следует рассматривать как уровень дружелюбия, прежде чем применять их в сельском хозяйстве. Основываясь на тщательном обзоре литературы, стало понятно, что существует лишь ограниченная достоверная информация, доступная для объяснения биологических последствий создания наночастиц для обработанных растений. В некоторых отчетах подчеркивается фитотоксичность разработанных наночастиц различного происхождения для растений, вызванная концентрацией и размером. В то же время, однако, было сообщено о таком же количестве исследований с положительным результатом применения наночастиц, которые способствуют росту растений, способствующих росту.[20] В частности, по сравнению с другими наночастицами, применения на основе наночастиц серебра и золота показали положительные результаты на различных видах растений с меньшей токсичностью и / или без нее.[21][22] Листья спаржи, обработанные наночастицами серебра (AgNPs), показали повышенное содержание аскорбата и хлорофилла. Точно так же фасоль и кукуруза, обработанные AgNP, имеют увеличенную длину побегов и корней, площадь поверхности листьев, содержание хлорофилла, углеводов и белков, о которых сообщалось ранее.[23] Золотая наночастица использовалась для стимулирования роста и урожайности семян Brassica juncea.[24]

Инструменты

В этой области используются различные методы исследования, в том числе экспериментальные инструменты (например, визуализация, характеристика с помощью AFM / оптический пинцет и др.), дифракция рентгеновских лучей инструменты на основе, синтез посредством самосборки, характеристика самосборки (например, с использованием МП-СПР, DPI, рекомбинантная ДНК методы и т. д.), теория (например, статистическая механика, наномеханика и др.), а также вычислительные подходы (восходящий многомасштабный симуляция, суперкомпьютеры ).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Эхуд Газит, Внизу много места для биологии: Введение в бионанотехнологию. Imperial College Press, 2007 г., ISBN  978-1-86094-677-6
  2. ^ «Нанобиология». Nanotech-Now.com.
  3. ^ «Нанобиология». Швейцарский институт нанонауки.
  4. ^ Ng, CK; Сивакумар К; Лю X; Madhaiyan M; Ji L; Ян Л; Тан С; Песня H; Kjelleberg S; Цао Б. (4 февраля 2013 г.). «Влияние цитохромов c-типа внешней мембраны на размер частиц и активность внеклеточных наночастиц, продуцируемых Shewanella oneidensis». Биотехнологии и биоинженерия. 110 (7): 1831–7. Дои:10.1002 / бит.24856. PMID  23381725. S2CID  5903382.
  5. ^ Бионанотехнология - Определение, wordiQ.com
  6. ^ Нолтинг Б., «Биофизические нанотехнологии». В: «Методы современной биофизики», Springer, 2005, ISBN  3-540-27703-X
  7. ^ Домашняя страница NBTC | Центр нанобиотехнологий
  8. ^ GarciaAnoveros, J; Кори, Д.П. (1997). «Молекулы механочувствительности». Ежегодный обзор нейробиологии. 20: 567–94. Дои:10.1146 / annurev.neuro.20.1.567. PMID  9056725.
  9. ^ Callaway DJ, Matsui T, Weiss T., Stingaciu LR, Stanley CB, Heller W.T., Bu ZM (7 апреля 2017 г.). «Контролируемая активация наноразмерной динамики в неупорядоченном белке изменяет кинетику связывания». Журнал молекулярной биологии. 427 (7): 987–998. Дои:10.1016 / j.jmb.2017.03.003. ЧВК  5399307. PMID  28285124.
  10. ^ Лангер, Роберт (2010). «Нанотехнологии в доставке лекарств и тканевой инженерии: от открытий до приложений». Nano Lett. 10 (9): 3223–30. Bibcode:2010NanoL..10.3223S. Дои:10.1021 / nl102184c. ЧВК  2935937. PMID  20726522.
  11. ^ Тангавелу, Раджа Мутурамалингам; Гунасекаран, Дхаранивасан; Джесси, Майкл Иммануэль; s.u, Мохаммед Рияз; Сундараджан, Дипан; Кришнан, Катираван (2018). «Нанобиотехнологический подход с использованием синтезированных гормоном корней растений наночастиц серебра в качестве« нанопуляций »для динамического применения в садоводстве - исследование in vitro и ex vitro». Арабский химический журнал. 11: 48–61. Дои:10.1016 / j.arabjc.2016.09.022.
  12. ^ «Будущее нанобиологии». ZD Net.
  13. ^ Нусинов, Рут; Алеман, Карлос (2006). «Нанобиология: от физики и инженерии до биологии». Физическая биология. IOP Science. 3. Дои:10.1088 / 1478-3975 / 3/1 / E01.
  14. ^ «Императив нанобиологии». HistorianoftheFuture.com.
  15. ^ Задеган, Реза М .; Нортон, Майкл Л. (июнь 2012 г.). «Структурная нанотехнология ДНК: от дизайна к применению». Int. J. Mol. Наука. 13 (6): 7149–7162. Дои:10.3390 / ijms13067149. ЧВК  3397516. PMID  22837684.
  16. ^ Нгуен, Питер; Ботянский, Жофия; Тай, Пей-Кун; Джоши, Нил (17 сентября 2014 г.). «Программируемые материалы на основе биопленок из искусственных крученых нановолокон» (PDF). Nature Communications. 5: 4945. Bibcode:2014 НатКо ... 5.4945N. Дои:10.1038 / ncomms5945. PMID  25229329.
  17. ^ Машаги С .; Джадиди Т .; Koenderink G .; Машаги А. (2013). «Липидная нанотехнология». Int. J. Mol. Наука. 14 (2): 4242–4282. Дои:10.3390 / ijms14024242. ЧВК  3588097. PMID  23429269.
  18. ^ Раджа; и другие. (2016). «Нанобиотехнологический подход с использованием гормонов укоренения растений позволил синтезировать наночастицы серебра в виде нанопуляций для динамического применения в садоводстве - исследование in vitro и ex vitro». Арабский химический журнал. 11: 48–61. Дои:10.1016 / j.arabjc.2016.09.022.
  19. ^ тхангавелу, Раджа мутурамалингам. «Действие наночастиц серебра, закрытых дезоксихолатом, на нарушение покоя семян Withania Somnifera» (PDF). Текущая наука. 116: 952. Дои:10.18520 / CS / v116 / i6 / 952-958.
  20. ^ Раджа; и другие. (2016). «Нанобиотехнологический подход с использованием гормонов укоренения растений позволил синтезировать наночастицы серебра в качестве« нанопуляций »для динамического применения в садоводстве - исследование in vitro и ex vitro». Арабский химический журнал. 11: 48–61. Дои:10.1016 / j.arabjc.2016.09.022.
  21. ^ Раджа; Chandrasekar, S .; Дхаранивасан, G .; Nallusamy, D .; Rajendran, N .; Катираван, К. (2015). «Биоактивная соль желчных кислот ограничивает активность наночастиц серебра против деструктивных патогенных грибов растений через систему in vitro». RSC Advances. 5 (87): 71174–71182. Дои:10.1039 / c5ra13306h.
  22. ^ Raqual, B .; Eudald, C .; Joan, C .; Xavier, F .; Антони, С .; Виктор, П. (2009). «Оценка экотоксичности модельных наночастиц». Атмосфера. 75 (7): 850–857. Bibcode:2009Чмсп..75..850Б. Дои:10.1016 / j.chemosphere.2009.01.078. PMID  19264345.
  23. ^ Хедиат Салама, М. Х. (2012). «Влияние наночастиц серебра на некоторые культурные растения, фасоль обыкновенную (Phaseolus vulgaris L.) и кукурузу (Zea mays L.)». Международный исследовательский журнал биотехнологии. 3 (10): 190–197.
  24. ^ Арора, Сандип; Шарма, Приядаршини; Кумар, Сумит; Наян, Раджив; Khanna, P.K .; Заиди, М. Г. Н. (2012). «Наночастицы золота вызвали усиление роста и урожайности семян Brassica juncea». Регулятор роста растений. 66 (3): 303–310. Дои:10.1007 / s10725-011-9649-z. S2CID  17018032.

внешняя ссылка