Нанобиотехнологии , Бионанотехнология и нанобиология термины , которые относятся к пересечению нанотехнологии и биологии . [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. Понятия, которые расширяются с помощью нанобиологии, включают: наноустройства (например, биологические машины ), наночастицы и наноразмерные явления, которые происходят в дисциплине нанотехнологий. Этот технический подход к биологии позволяет ученым придумывать и создавать системы, которые можно использовать для биологических исследований. Биологически вдохновленные нанотехнологии используют биологические системы как источник вдохновения для еще не созданных технологий. [2] Однако, как и в случае с нанотехнологиями и биотехнологиями , бионанотехнология имеет множество потенциальных этических проблем. связанные с ним.
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. Визуализация природных биомолекул , биологических мембран и тканей также является важной темой для исследователей-нанобиологов. Другие темы, касающиеся нанобиологии, включают использование сенсоров с консольной решеткой 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. [ необходима 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 безвредных 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 могут определяться путем изучения того, как работают биологические «машины», и адаптации этих биологических мотивов 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 конкретное приложение нанотехнологии. Например, ДНК-нанотехнология или клеточная инженерия могут быть классифицированы как бионанотехнологии, потому что они включают работу с биомолекулами в наномасштабе. И наоборот, многие новые медицинские технологии, использующие наночастицы в качестве систем доставки или датчиков, могут быть 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. Поэтому их лучше обсуждать параллельно.
Концепции
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 бионанауке, включают механические свойства (например, деформацию, адгезию, разрушение), электрические / электронные (например, электромеханическое воздействие, конденсаторы , аккумуляторы энергии / батареи), оптические (например, поглощение, люминесценция , фотохимия ), термические (например, терморегулируемость, управление температурным режимом), биологический (например, как клетки взаимодействуют с наноматериалами, молекулярные дефекты / дефекты, биочувствительность, биологические механизмы, такие как механочувствительность ), нанонаука о болезнях (например, генетическое заболевание, рак, отказ органа / ткани), а также компьютерные (например, ДНК вычислительной техники ) и сельском хозяйстве (целевая доставка пестицидов, гормонов и удобрений. [8] [9] [10] [11] Влияние бионанауки, достигаемое посредством структурного и механистического анализа биологических процессов на наномасштабе, заключается в их переводе в синтетические и технологические приложения через нанотехнологии.
Нанобиотехнология берет большую часть своих основ из нанотехнологий. [ требуется разъяснение ] Большинство устройств, предназначенных для использования в нанобиотехнологиях, напрямую основаны на других существующих нанотехнологиях. [ необходима цитата ] Нанобиотехнология часто используется для описания перекрывающихся междисциплинарных видов деятельности, связанных с биосенсорами, особенно там , где сходятся фотоника , химия, биология, биофизика , наномедицина и инженерия. Другим примером являются измерения в биологии с использованием методов волновода, таких как интерферометрия с двойной поляризацией .
Приложения
Применение бионанотехнологий чрезвычайно широко. 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, полезной для других целей.
Наномедицина
Наномедицина - это область медицины, область применения которой все шире и шире применяется благодаря нанороботам и биологическим машинам , 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 наноробот, побочные эффекты химиотерапии под контроль, уменьшить и даже устранить, поэтому несколько лет с этим момента, больной раком будет предложены альтернатива для лечения этого заболевания вместо химиотерапии [ править ] , что приводит к побочным эффектам , таким как выпадение волос , усталость или тошнота убивают не только раковые, но и здоровые клетки. На клиническом уровне лечение рака с помощью наномедицины будет заключаться в поставке пациенту нанороботов с помощью инъекции, которая будет искать раковые клетки, оставляя здоровые нетронутыми. Пациенты, которых будут лечить с помощью наномедицины, не заметят присутствия этих наномашин внутри себя; 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
Нанобиотехнология (иногда называемая нанобиологией) лучше всего описывается как помощь современной медицине в переходе от лечения симптомов к выработке лекарств и регенерации биологических тканей . Трое американских пациентов получили целые культуральные 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 внутрь тела, чтобы произвести на свет ребенка . Лечение стволовыми клетками использовалось для лечения заболеваний, которые обнаруживаются в сердце человека и проходят клинические испытания в Соединенных Штатах. Также есть финансирование для исследований, позволяющих людям иметь новые конечности, не прибегая к протезам. Искусственные белки также могут стать доступными для производства без использования агрессивных химикатов и дорогостоящего оборудования. Было даже предположение, что к 2055 году компьютеры могут быть сделаны из биохимических веществ и органических солей . [12]
Другой пример современных нанобиотехнологических исследований - наносферы, покрытые флуоресцентными полимерами. Исследователи стремятся создать полимеры, флуоресценция которых гасится, когда они сталкиваются с определенными молекулами. Разные полимеры обнаруживают разные метаболиты. Сферы с полимерным покрытием могут стать частью новых биологических анализов, а технология может когда-нибудь привести к частицам, которые могут быть введены в организм человека для отслеживания метаболитов, связанных с опухолями и другими проблемами со здоровьем. Другой пример, с другой точки зрения, - это 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 создать биомакромолекулы и молекулярные машины, похожие на природу. Контроль и имитация устройств и процессов, построенных из молекул, - это огромная проблема, с которой сталкиваются конвергентные дисциплины нанобиотехнологии. [13] Все живые существа, включая человека , можно рассматривать как 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 нейронов могут жить вместе на устройстве биочипа ; согласно исследованию доктора Гюнтера Гросса из Университета Северного Техаса . Самособирающиеся нанотрубки могут использоваться в качестве структурной системы. Они будут составлены вместе с родопсинами ; которые упростят процесс оптических вычислений и помогут с хранением биологических материалов. ДНК (как программное обеспечение для всего живого) может использоваться как структурная протеомная система - логический компонент для молекулярных вычислений. Нед Симан - исследователь из Нью-Йоркского университета - вместе с другими исследователями в настоящее время исследует концепции, которые похожи друг на друга. [14]
Бионанотехнологии
Нанотехнология ДНК - один из важных примеров бионанотехнологии. [15] Использование неотъемлемых свойств нуклеиновых кислот, таких как ДНК, для создания полезных материалов - многообещающая область современных исследований. Другая важная область исследований включает использование свойств мембран для создания синтетических мембран. Белки, которые самостоятельно собираются для создания функциональных материалов, могут быть использованы в качестве нового подхода для крупномасштабного производства программируемых наноматериалов. Одним из примеров является разработка амилоидов, обнаруженных в бактериальных биопленках, в виде инженерных наноматериалов, которые могут быть генетически запрограммированы на получение различных свойств. [16] Исследования сворачивания белков представляют собой третье важное направление исследований, но оно в значительной степени сдерживается нашей неспособностью предсказать сворачивание белков 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 противообрастание 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, чтобы максимально увеличить как абсорбцию жирорастворимых питательных веществ, так и способность включать их в популярные напитки .
сельское хозяйство
В сельском хозяйстве созданные наночастицы служат наноносителями, содержащими гербициды, химические вещества или гены, которые нацелены на определенные части растений, чтобы высвободить 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 инженерных наночастиц на растения следует рассматривать как уровень дружелюбия, прежде чем применять их в сельском хозяйстве. Основываясь на тщательном обзоре литературы, было понятно, что существует лишь ограниченная достоверная информация, доступная для объяснения биологических последствий создания наночастиц на обработанных растениях. 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 при лечении растений. [20] В частности, по сравнению с другими наночастицами, применение наночастиц серебра и золота принесло положительные результаты на различные виды растений с меньшей токсичностью и / или без нее. [21] [22] Листья спаржи, обработанные наночастицами серебра (AgNP), 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] Золотые наночастицы использовались для стимулирования роста и сбора семян Brassica juncea. [24]
Инструменты
В этой области используются различные методы исследования, включая экспериментальные инструменты (например, получение изображений, определение характеристик с помощью АСМ / оптического пинцета и т. Д.), Инструменты на основе дифракции рентгеновских лучей , синтез посредством самосборки, определение характеристик самосборки (например, с использованием MP- SPR , DPI , методы рекомбинантной ДНК и т. Д.), Теории (например, статистическая механика , наномеханика и т. Д.), А также вычислительные подходы (восходящее многомасштабное моделирование , суперкомпьютерные вычисления ).
Смотрите также
- Коллоидное золото
- Золотые наномаяки
- Золотая наночастица
- Нанобиомеханика
- Наномедицина
- Конъюгат наночастиц и биомолекулы
- Наноподводная лодка
- Нанозимы
Рекомендации
- ^ Эхуд Газит, Много места для биологии внизу: Введение в бионанотехнологию. Imperial College Press, 2007, ISBN 978-1-86094-677-6
- ^ «Нанобиология» . Nanotech-Now.com.
- ^ «Нанобиология» . Швейцарский институт нанонауки.
- ^ 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». Биотехнология и биоинженерия . 110 (7): 1831–7. DOI : 10.1002 / bit.24856 . PMID 23381725 . S2CID 5903382 .
- ^ Бионанотехнология - Определение , wordiQ.com
- ^ Нолтинг Б., «Биофизические нанотехнологии». В: «Методы современной биофизики», Springer, 2005, ISBN 3-540-27703-X
- ^ Домашняя страница NBTC | Центр нанобиотехнологий
- ^ Гарсия Ановерос, Дж; Кори, Д.П. (1997). «Молекулы механочувствительности». Ежегодный обзор неврологии . 20 : 567–94. DOI : 10.1146 / annurev.neuro.20.1.567 . PMID 9056725 .
- ^ Callaway DJ, Matsui T., Weiss T., Stingaciu LR, Stanley CB, Heller W.T., Bu ZM (7 апреля 2017 г.). «Управляемая активация наноразмерной динамики в неупорядоченном белке изменяет кинетику связывания» . Журнал молекулярной биологии . 427 (7): 987–998. DOI : 10.1016 / j.jmb.2017.03.003 . PMC 5399307 . PMID 28285124 .
- ^ Лангер, Роберт (2010). «Нанотехнологии в доставке лекарств и тканевой инженерии: от открытий до приложений» . Nano Lett . 10 (9): 3223–30. Bibcode : 2010NanoL..10.3223S . DOI : 10.1021 / nl102184c . PMC 2935937 . PMID 20726522 .
- ^ Тангавелу, Раджа Мутурамалингам; Гунасекаран, Дхаранивасан; Джесси, Майкл Иммануил; вс, 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. DOI : 10.1016 / j.arabjc.2016.09.022 .
- ^ «Будущее нанобиологии» . ZD Net.
- ^ Нусинов, Рут; Алеман, Карлос (2006). «Нанобиология: от физики и инженерии до биологии» . Физическая биология . IOP Science. 3 . DOI : 10.1088 / 1478-3975 / 3/1 / Е01 .
- ^ «Императив нанобиологии» . HistorianoftheFuture.com.
- ^ Задеган, Реза М .; Нортон, Майкл Л. (июнь 2012 г.). «Структурная нанотехнология ДНК: от дизайна к применению» . Int. J. Mol. Sci . 13 (6): 7149–7162. DOI : 10.3390 / ijms13067149 . PMC 3397516 . PMID 22837684 .
- ^ 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 : 2014NatCo ... 5.4945N . DOI : 10.1038 / ncomms5945 . PMID 25229329 .
- ^ Машаги С .; Джадиди Т .; Koenderink G .; Машаги А. (2013). «Липидная нанотехнология» . Int. J. Mol. Sci . 14 (2): 4242–4282. DOI : 10.3390 / ijms14024242 . PMC 3588097 . PMID 23429269 .
- ^ 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. DOI : 10.1016 / j.arabjc.2016.09.022 .
- ^ тхангавелу, Раджа мутурамалингам. "Эффект наночастиц серебра, закрытых дезоксихолатом, на нарушение покоя семян Withania Somnifera" (PDF) . Современная наука . 116 : 952. DOI : 10,18520 / CS / V116 / i6 / 952-958 .
- ^ Раджа; и другие. (2016). «Нанобиотехнологический подход с использованием гормонов укоренения растений позволил синтезировать наночастицы серебра в качестве« нанопуляций »для динамического применения в садоводстве - исследования in vitro и ex vitro» . Арабский химический журнал . 11 : 48–61. DOI : 10.1016 / j.arabjc.2016.09.022 .
- ^ Раджа; Chandrasekar, S .; Dharanivasan, 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. DOI : 10.1039 / c5ra13306h .
- ^ Raqual, B .; Eudald, C .; Joan, C .; Xavier, F .; Антони, С .; Виктор, П. (2009). «Оценка экотоксичности модельных наночастиц» . Chemosphere . 75 (7): 850–857. Bibcode : 2009Chmsp..75..850B . DOI : 10.1016 / j.chemosphere.2009.01.078 . PMID 19264345 .
- ^ Хедиат Салама, MH (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.
- ^ Арора, Сандип; Шарма, Приядаршини; Кумар, Сумит; Наян, Раджив; Ханна, ПК; Заиди, MGN (2012). «Наночастицы золота вызвали усиление роста и урожайности семян Brassica juncea». Регул роста растений . 66 (3): 303–310. DOI : 10.1007 / s10725-011-9649-Z . S2CID 17018032 .
Внешние ссылки
- Что такое бионанотехнология? —Видео-введение в поле
- Нанобиотехнологии в ортопедии