Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Nanobioscience )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Часть серии статей о
Нанотехнологии
Воздействие и приложения
Наноматериалы
Молекулярная самосборка
Наноэлектроника
Нанометрология
Молекулярная нанотехнология

Нанобиотехнологии , Бионанотехнология и нанобиология термины , которые относятся к пересечению нанотехнологии и биологии . [1] Учитывая, что эта тема возникла совсем недавно, бионанотехнология и нанобиотехнология служат общими терминами для различных родственных 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. 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 биотехнологиями , бионанотехнология имеет множество потенциальных этических проблем. связанные с ним.

Рибосома является биологической машиной .

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 [ править ]

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 [ править ]

Кинезин, идущий по микротрубочке . Это молекулярно- биологическая машина, которая использует динамику белковых доменов на наномасштабе.

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, термодоступность и т. Д.) управление температурным режимом), биологический (например, как клетки взаимодействуют с наноматериалами, молекулярные дефекты / дефекты, биочувствительность, биологические механизмы, такие какмеханочувствительность ), нанонаука о болезнях (например, генетические заболевания, рак, отказ органов / тканей), а также вычисления (например, ДНК-вычисления ) и сельское хозяйство (целевая 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. [ 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 [ править ]

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 [ править ]

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 нанороботов, побочные эффекты химиотерапии под контролем, уменьшить и даже устранить, поэтому несколько лет с этого момента, больных раком будет предложена альтернатива для лечения этого заболевания вместо химиотерапии [ править ], который вызывает побочные эффекты, такие как выпадение волос, усталость или тошнота, убивая 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 [ править ]

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 болезней сердца человека.и проходят клинические испытания в США. 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, покрытые полимером, 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. Управление 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 ; что облегчило бы процесс оптических вычислений и помогло бы с хранением биологических материалов. ДНК (как программное обеспечениедля 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]

Бионанотехнология [ править ]

Нанотехнология ДНК - один из важных примеров бионанотехнологии. [15] Использование присущих нуклеиновым кислотам свойств, 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. that can be programmed genetically to have different properties.[16] Protein folding studies provide a third important avenue of research, but one that has been largely inhibited by our inability to predict protein folding with a sufficiently high degree of accuracy. Given the myriad uses that biological systems have for proteins, though, research into understanding protein folding is of high importance and could prove fruitful for bionanotechnology in the future.

Lipid nanotechnology is another major area of research in bionanotechnology, where physico-chemical properties of lipids such as their antifouling and self-assembly is exploited to build nanodevices with applications in medicine and engineering.[17] Lipid nanotechnology approaches can also be used to develop next-generation emulsion methods to maximize both absorption of fat-soluble nutrients and the ability to incorporate them into popular beverages.

Agriculture[edit]

In the agriculture industry, engineered nanoparticles have been serving as nano carriers, containing herbicides, chemicals, or genes, which target particular plant parts to release their content.[18][19] Previously nanocapsules containing herbicides have been reported to effectively penetrate through cuticles and tissues, allowing the slow and constant release of the active substances. Likewise, other literature describes that nano-encapsulated slow release of fertilizers has also become a trend to save fertilizer consumption and to minimize environmental pollution through precision farming. These are only a few examples from numerous research works which might open up exciting opportunities for nanobiotechnology application in agriculture. Also, application of this kind of engineered nanoparticles to plants should be considered the level of amicability before it is employed in agriculture practices. Based on a thorough literature survey, it was understood that there is only limited authentic information available to explain the biological consequence of engineered nanoparticles on treated plants. Certain reports underline the phytotoxicity of various origin of engineered nanoparticles to the plant caused by the subject of concentrations and sizes . At the same time, however, an equal number of studies were reported with a positive outcome of nanoparticles, which facilitate growth promoting nature to treat plant.[20] In particular, compared to other nanoparticles, silver and gold nanoparticles based applications elicited beneficial results on various plant species with less and/or no toxicity.[21][22] Silver nanoparticles (AgNPs) treated leaves of Asparagus showed the increased content of ascorbate and chlorophyll. Similarly, AgNPs-treated common bean and corn has increased shoot and root length, leaf surface area, chlorophyll, carbohydrate and protein contents reported earlier.[23] The gold nanoparticle has been used to induce growth and seed yield in Brassica juncea.[24]

Tools[edit]

This field relies on a variety of research methods, including experimental tools (e.g. imaging, characterization via AFM/optical tweezers etc.), x-ray diffraction based tools, synthesis via self-assembly, characterization of self-assembly (using e.g. MP-SPR, DPI, recombinant DNA methods, etc.), theory (e.g. statistical mechanics, nanomechanics, etc.), as well as computational approaches (bottom-up multi-scale simulation, supercomputing).

See also[edit]

  • Colloidal gold
  • Gold nanobeacons
  • Gold nanoparticle
  • Nanobiomechanics
  • Nanomedicine
  • Nanoparticle–biomolecule conjugate
  • Nanosubmarine
  • Nanozymes

References[edit]

  1. ^ Ehud Gazit, Plenty of room for biology at the bottom: An introduction to bionanotechnology. Imperial College Press, 2007, ISBN 978-1-86094-677-6
  2. ^ "Nanobiology". Nanotech-Now.com.
  3. ^ "Nanobiology". Swiss Nanoscience Institute.
  4. ^ Ng, CK; Sivakumar K; Liu X; Madhaiyan M; Ji L; Yang L; Tang C; Song H; Kjelleberg S; Cao B. (4 Feb 2013). "Influence of outer membrane c-type cytochromes on particle size and activity of extracellular nanoparticles produced by Shewanella oneidensis". Biotechnology and Bioengineering. 110 (7): 1831–7. doi:10.1002/bit.24856. PMID 23381725. S2CID 5903382.
  5. ^ Bionanotechnology - Definition, wordiQ.com
  6. ^ Nolting B, “Biophysical Nanotechnology”. In: “Methods in Modern Biophysics”, Springer, 2005, ISBN 3-540-27703-X
  7. ^ NBTC Homepage | Nanobiotechnology Center
  8. ^ GarciaAnoveros, J; Corey, DP (1997). "The molecules of mechanosensation". Annual Review of Neuroscience. 20: 567–94. doi:10.1146/annurev.neuro.20.1.567. PMID 9056725.
  9. ^ Callaway DJ, Matsui T, Weiss T, Stingaciu LR, Stanley CB, Heller WT, Bu ZM (7 April 2017). "Controllable Activation of Nanoscale Dynamics in a Disordered Protein Alters Binding Kinetics". Journal of Molecular Biology. 427 (7): 987–998. doi:10.1016/j.jmb.2017.03.003. PMC 5399307. PMID 28285124.
  10. ^ Langer, Robert (2010). "Nanotechnology in Drug Delivery and Tissue Engineering: From Discovery to Applications". Nano Lett. 10 (9): 3223–30. Bibcode:2010NanoL..10.3223S. doi:10.1021/nl102184c. PMC 2935937. PMID 20726522.
  11. ^ Thangavelu, Raja Muthuramalingam; Gunasekaran, Dharanivasan; Jesse, Michael Immanuel; s.u, Mohammed Riyaz; Sundarajan, Deepan; Krishnan, Kathiravan (2018). "Nanobiotechnology approach using plant rooting hormone synthesized silver nanoparticle as "nanobullets" for the dynamic applications in horticulture – an in vitro and ex vitro study". Arabian Journal of Chemistry. 11: 48–61. doi:10.1016/j.arabjc.2016.09.022.
  12. ^ "The future of nano-biology". ZD Net.
  13. ^ Nussinov, Ruth; Alemán, Carlos (2006). "Nanobiology: from physics and engineering to biology". Physical Biology. IOP Science. 3. doi:10.1088/1478-3975/3/1/E01.
  14. ^ "The Nanobiology Imperative". HistorianoftheFuture.com.
  15. ^ Zadegan, Reza M.; Norton, Michael L. (June 2012). "Structural DNA Nanotechnology: From Design to Applications". Int. J. Mol. Sci. 13 (6): 7149–7162. doi:10.3390/ijms13067149. PMC 3397516. PMID 22837684.
  16. ^ Nguyen, Peter; Botyanszki, Zsofia; Tay, Pei-Kun; Joshi, Neel (Sep 17, 2014). "Programmable biofilm-based materials from engineered curli nanofibres" (PDF). Nature Communications. 5: 4945. Bibcode:2014NatCo...5.4945N. doi:10.1038/ncomms5945. PMID 25229329.
  17. ^ Mashaghi S.; Jadidi T.; Koenderink G.; Mashaghi A. (2013). "Lipid Nanotechnology". Int. J. Mol. Sci. 14 (2): 4242–4282. doi:10.3390/ijms14024242. PMC 3588097. PMID 23429269.
  18. ^ Raja; et al. (2016). "Nanobiotechnological approach using plant rooting hormones synthesized silver nanoparticle as a nanobullets for the dynamic applications in horticulture -An in vitro and ex vitro study". Arabian Journal of Chemistry. 11: 48–61. doi:10.1016/j.arabjc.2016.09.022.
  19. ^ thangavelu, Raja muthuramalingam. "Effect Of Deoxycholate Capped Silver nanoparticles In Seed Dormancy Breaking Of Withania Somnifera" (PDF). Current Science. 116: 952. doi:10.18520/cs/v116/i6/952-958.
  20. ^ Raja; et al. (2016). "Nanobiotechnological approach using plant rooting hormones synthesized silver nanoparticle as a "nanobullets" for the dynamic applications in horticulture -An in vitro and ex vitro study". Arabian Journal of Chemistry. 11: 48–61. doi:10.1016/j.arabjc.2016.09.022.
  21. ^ Raja; Chandrasekar, S.; Dharanivasan, G.; Nallusamy, D.; Rajendran, N.; Kathiravan, K. (2015). "Bioactive bile salt capped silver nanoparticle activity against destructive plant pathogenic fungi through in vitro system". RSC Advances. 5 (87): 71174–71182. doi:10.1039/c5ra13306h.
  22. ^ Raqual, B.; Eudald, C.; Joan, C.; Xavier, F.; Antoni, S.; Victor, P. (2009). "Evaluation of the ecotoxicity of model nanoparticles". Chemosphere. 75 (7): 850–857. Bibcode:2009Chmsp..75..850B. doi:10.1016/j.chemosphere.2009.01.078. PMID 19264345.
  23. ^ Hediat Salama, M. H. (2012). "Effects of silver nanoparticles in some crop plants, common bean (Phaseolus vulgaris L.) and corn (Zea mays L.)". International Research Journal of Biotechnology. 3 (10): 190–197.
  24. ^ Arora, Sandeep; Sharma, Priyadarshini; Kumar, Sumit; Nayan, Rajeev; Khanna, P. K.; Zaidi, M. G. N. (2012). "Gold nanoparticles induced enhancement in growth and seed yield of Brassica juncea". Plant Growth Regul. 66 (3): 303–310. doi:10.1007/s10725-011-9649-z. S2CID 17018032.

External links[edit]

  • What is Bionanotechnology?—a video introduction to the field
  • Nanobiotechnology in Orthopaedic