Кіріспе
Нанотехнология мен биологияның қиылысуы
Нанобиотехнология, бионанотехнология және нанобиология – нанотехнология мен биологияның қиылысуын көрсететін терминдер. Бұл сала өте жақында ғана пайда болғандықтан, бионанотехнология және нанобиотехнология әртүрлі байланысты технологияларды біріктіретін жалпы атаулар болып табылады. Бұл ғылым биологиялық зерттеулердің нанотехнологияның түрлі салаларымен үйлесуін көрсетеді. Нанобиология арқылы жақсартылатын түсініктерге мыналар жатады: наноқұрылғылар (мысалы, биологиялық машиналар), нанобөлшектер және нанотехнология шеңберінде пайда болатын наноөлшемді құбылыстар. Биологияға осы техникалық тәсіл ғалымдарға биологиялық зерттеулерде қолданылатын жүйелерді ойлап табуға және жасауға мүмкіндік береді. Биологиялық шабыттандырылған нанотехнология әлі құрылмаған технологиялар үшін биологиялық жүйелерді үлгі ретінде пайдаланады. Дегенмен, нанотехнология және биотехнология сияқты, бионанотехнология да көптеген әлеуетті этикалық мәселелермен байланысты. Нанобиологияда ең маңызды мақсаттарға тиісті медициналық/биологиялық проблемаларды шешу үшін наноқұралдарды қолдану және осы қолданыстарды жетілдіру кіреді. Медициналық және биологиялық мақсаттар үшін пептоидты наножапырақтар сияқты жаңа құралдарды әзірлеу – нанотехнологияның тағы бір маңызды міндеті. Жаңа наноқұралдар көбінесе қолданылып жүрген наноқұралдардың қолданылуын жетілдіру арқылы жасалады. Табиғи биомолекулаларды, биологиялық мембраналарды және тіндерді бейнелеу – нанобиология зерттеушілерінің маңызды тақырыбы. Нанобиологияға қатысты басқа тақырыптарға кантилеверлік сенсорлар тізімін қолдану және тірі жасушалардағы молекулалық процестерді басқару үшін нанофотониканы қолдану жатады. Соңғы кезде функционалды нанобөлшектерді синтездеу үшін микроорганизмдерді пайдалануға қызығушылық артып келеді. Микроорганизмдер металдардың тотығу күйін өзгерте алады. Бұл микробиологиялық процестер жаңа мүмкіндіктер ашады, мысалы, металл наноматериалдардың биосинтезі. Химиялық және физикалық әдістерден өзгеше, наноматериалдарды синтездеудің микробиологиялық процестері сулы ортада, жұмсақ және экологиялық тұрғыдан қауіпсіз жағдайларда жүзеге асырылуы мүмкін. Бұл тәсіл қазіргі экологиялық таза бионанотехнология зерттеулерінде тұрақты дамуға бағытталған тартымды сала болып табылады.
Терминология
Бұл терминдер көбінесе бір-бірін алмастырып қолданылады. Дегенмен, егер айырмашылық жасау қажет болса, ол биологиялық идеяларды қолдануға, немесе биологияны нанотехнология арқылы зерттеуге бағытталғандығына байланысты болады. Бионанотехнология, әдетте, нанотехнологияның мақсаттарына биологиялық "машиналардың" қалай жұмыс істейтінін зерттеу және осы биологиялық үлгілерді қолданыстағы нанотехнологияларды жақсартуға немесе жаңаларын жасауға бейімдеу арқылы қол жеткізуді зерттеуді білдіреді. Ал нанобиотехнология, керісінше, биологиялық жүйелерді зерттеу үшін құрылғылар жасау үшін нанотехнологияны қолдану жолдарын білдіреді. Яғни, нанобиотехнология – бұл, негізінен, кішірейтілген биотехнология, ал бионанотехнология – нанотехнологияның нақты бір саласы. Мысалы, ДНК нанотехнологиясы немесе жасушалық инженерия бионанотехнологияға жатқызылады, себебі олар нанодеңгейде биомолекулалармен жұмыс істеуді қамтиды. Керісінше, нанобөлшектерді жеткізу жүйелері ретінде немесе сенсорлар ретінде қолданатын көптеген жаңа медициналық технологиялар нанобиотехнологияның мысалдары болады, өйткені олар биологияның мақсаттарын ілгерілету үшін нанотехнологияны пайдалануды қамтиды. Жоғарыда келтірілген анықтамалар осы мақалада нанобио және бионано терминдерінің арасындағы айырмашылықты көрсету қажет болғанда қолданылады. Алайда, қазіргі заманғы қолданыста терминдердің өзара алмасуын ескере отырып, әрбір технологияға қай термин сәйкес келетінін анықтау үшін жеке бағалау қажет болуы мүмкін. Сондықтан, оларды бірдей қарастыру тиімді.
Тұжырымдамалар
Бионанотехнологиядағы ғылыми ұғымдардың көп бөлігі басқа салалардан алынған. Биологиялық жүйелердің материалдық қасиеттерін түсінуге қолданылатын биохимиялық принциптер бионанотехнологияның негізгі бөлігін құрайды, себебі дәл осы принциптер жаңа технологиялар жасау үшін қолданылады. Бионаноғылымда зерттелген материалдық қасиеттер мен қолданыстарға: механикалық қасиеттер (мысалы, деформация, жабысу, бұзу), электрлік/электрондық (мысалы, электромеханикалық стимуляция, конденсаторлар, энергия сақтау/аккумуляторлар), оптикалық (мысалы, сіңіру, люминесценция, фотохимия), термиялық (мысалы, термотүйінделу, термиялық басқару), биологиялық (мысалы, жасушалардың наноматериалдармен өзара әрекеттесуі, молекулалық кемшіліктер/дефекттер, биосенсорлау, механосезіну сияқты биологиялық механизмдер), аурудың наноғылымы (мысалы, генетикалық аурулар, қатерлі ісік, органдардың/тіндердің жұмысының бұзылуы), сондай-ақ биологиялық есептеу (мысалы, ДНК есептеу) және ауыл шаруашылығы (пестицидтердің, гормондардың және тыңайтқыштардың нақты жеткізілуі) жатады. Бионаноғылымның нәтижесі, наноөлшемде биологиялық процестердің құрылымдық және механизмдік талдауы арқылы қол жеткізіледі, оның нанотехнология арқылы синтетикалық және технологиялық қолданыстарға ауысуында көрінеді. Нанобиотехнология өз негіздерінің көп бөлігін нанотехнологиядан алады. Нанобиотехнологиялық қолдануға арналған құрылғылардың көпшілігі басқа да қолданыстағы нанотехнологияларға тікелей негізделген. Нанобиотехнология көбінесе биосенсорлармен байланысты көп салалы қызметтерді сипаттау үшін қолданылады, әсіресе фотоника, химия, биология, биофизика, наномедицина және инженерияның бірігуі кезінде. Толқын жетекшілері әдістерін қолдана отырып, мысалы, екі полярлық интерферометрия арқылы биологияда өлшеу жүргізу – тағы бір мысал.
Қолданбалар
Био-нанотехнологияның қолданылу аясы өте кең. Егер осы ерекшелік сақталса, нанобиотехнология одан көп таралған, себебі ол биологияны зерттеуге арналған көптеген құралдарды ұсынады. Ал бионанотехнология биологиялық механизмдер мен жолдарды басқа салаларда пайдалануға ыңғайлы түрде қайта жасай алу мүмкіндігін береді.
In vivo биосенсорлары
Қазіргі нанобиотехнологиялық зерттеулердің тағы бір мысалы – флуоресцентті полимерлермен қапталған наносфералар. Зерттеушілер белгілі бір молекулалармен қарымдасқанда флуоресценциясын жоятын полимерлерді жасауға ұмтылуда. Әртүрлі полимерлер әртүрлі метаболиттерді анықтауға мүмкіндік береді. Полимермен қапталған сфералар жаңа биологиялық талдаулардың құрамына кіруі мүмкін, ал бұл технология болашақта адам организміне ісіктер және басқа да денсаулық проблемаларымен байланысты метаболиттерді іздеу үшін енгізілетін бөлшектерді жасауға әкелуі мүмкін. Тағы бір мысал, басқаша көзқараспен қарастырылғанда, – наноскоптық деңгейдегі бағалау және терапия, яғни NanoBiotech Pharma компаниясы жүзеге асырып отырған нанобактерияларды (25 200 нм өлшемді) емдеу.
In vitro биосенсорлары
ДНҚ-дан жасалған "наноантенналар" – наноөлшемді оптикалық антеннаның жаңа түрі – ақуыздарға қосылып, олар биологиялық функцияларын орындағанда, әсіресе олардың ерекше конформациялық өзгерістері кезінде флуоресценция арқылы сигнал бере алады. Бұл, әртүрлі типтегі наномашиналар сияқты, нанобиотехнологияны одан әрі дамытуға, жаңа дәрілерді жасауға, биологиялық зерттеулер жүргізуге және биохимияда жаңа мүмкіндіктер ашуға пайдаланылуы мүмкін.
Энергия
Ол тұрақты энергия саласында да пайдалы болуы мүмкін: 2022 жылы зерттеушілер 3D-басылған нано "қала" электроды туралы хабарлады – шағын болғанымен, бұл тіректерде металл нанобөлшектерінен жасалған сыяның нәтижесінде наносаңылаулы құрылым пайда болды (нанотехнология) – және олар цианобактерияларды фотосинтез арқылы (биотехнология) бұрынғы зерттеулерге қарағанда әлдеқайда көп тұрақты биоэнергия өндіру үшін пайдалануға мүмкіндік береді.
Нанобиология
Нанобиология әлі бастапқы сатысында болғанымен, болашақта нанобиологияға негізделген көптеген үміткер әдістер бар. Биологиялық жүйелер өздерінен-өзді нано масштабты; табиғатқа ұқсас биомакромолекулалар мен молекулалық машиналарды жасау үшін наноғылым биологиямен үйлесуі керек. Молекулалардан құралған құрылғылар мен процестерді бақылау және имитациялау – нанобиотехнологияның біріккен салалары үшін зор мәселе. Барлық тірі жандар, адамдар да оның ішінде, нанофабрикалар деп санауға болады. Табиғи эволюция миллиондаған жылдар бойына нанобиологияның «табиғи» формасын жетілдіріп келген. XXI ғасырда адамдар нанобиологияны жасанды түрде пайдалану технологиясын дамытты. Бұл процесті «органикалық пен синтетикалықтың бірігуі» деп сипаттаған дұрыс. Тірі нейрондардың колониясы биочип құрылғысында бірігіп өмір сүре алады, бұл туралы Солтүстік Техас университетінің ғалымы Гунтер Гросс зерттеулерінде айтылған. Өзін-өзі құрастыратын нанотүтіктер құрылымдық жүйе ретінде қолданылуы мүмкін. Олар родопсинмен бірге жиналады, бұл оптикалық есептеу процесін жеңілдетіп, биологиялық материалдарды сақтауға көмектеседі. ДНК (барлық тірі нәрселер үшін бағдарламалық жасақтама ретінде) молекулалық есептеудің логикалық компоненті ретінде құрылымдық протеомиялық жүйе ретінде пайдаланылуы мүмкін. Нью-Йорк университетінің зерттеушісі Нед Симан және басқа ғалымдар бір-біріне ұқсас концепцияларды зерттеп жатыр.
Нанобиотехнологиядан айырмашылығы
Жалпы алғанда, бионанотехнология нанобиотехнологиядан биологиялық материалдар/компоненттерді пайдаланатын нанотехнология ретінде ерекшеленеді – қағида бойынша немесе балама ретінде ол абиотикалық компоненттерді де қолдана алады. Ол медицинада (негізінен биологиялық организмдермен байланысты) аз роль атқарады. Бионанотехнология бірегей наноөлшемді құрылымдар мен түрлі қолданыстар үшін табиғи немесе биомиметикалық жүйелерді немесе элементтерді пайдаланады, бұл қолданыстар көбінесе биологиялық емес және биологиямен тікелей байланысты болмауы мүмкін. Ал нанобиотехнология нанометрлік өлшемге дейін кішірейтілген биотехнологияны қолданады немесе биологиялық жүйелерге наномолекулаларды енгізеді. Болашақта екі сала да бірігуі мүмкін.
ДНҚ
ДНҚ нанотехнологиясы – бионанотехнологияның маңызды мысалының бірі. ДНҚ сияқты нуклеин қышқылдарының ішкі қасиеттерін пайдаланып, пайдалы материалдар немесе биосенсорлар сияқты құрылғылар жасау – қазіргі заманғы ғылыми зерттеулердің үміт беретін саласы. ДНҚ цифрлық деректерді сақтау көбінесе синтезделген, бірақ дәстүрлі ДНҚ тізбектерін цифрлық деректерді сақтау үшін пайдалануды білдіреді, бұл мысалы, жиі қол жеткіліп, жазылмайтын жоғары тығыздықты ұзақ мерзімді деректерді сақтау үшін 5D оптикалық деректерді сақтауға балама ретінде немесе басқа нанобиотехнологиялармен бірге қолдануға пайдалы болуы мүмкін.
Мембраналық материалдар
Тағы бір маңызды зерттеу саласы – синтетикалық мембраналар жасау үшін мембрана қасиеттерін пайдалану болып табылады. Өздігінен құралатын және функционалды материалдар құрайтын ақуыздар, бағдарламаланатын наноматериалдарды үлкен көлемде өндірудің жаңа әдісі ретінде қолданылуы мүмкін. Мысалы, бактериялық биоқабықшаларда кездесетін амилоидтардың жасалуы – бұл әртүрлі қасиеттерге ие болу үшін генетикалық тұрғыдан бағдарламаланатын инженерлік наноматериалдар болып табылады.
Липидтік нанотехнология
Липидтік нанотехнология – бионанотехнологияның тағы бір маңызды зерттеу саласы болып табылады, онда липидтердің физикалық-химиялық қасиеттері, мысалы, олардың биожұқпау қабілеті және өздігінен жиналуы медицина және инженерия салаларында қолданылатын наноқұрылғыларды құру үшін пайдаланылады. Липидтік нанотехнология әдістерін майда еритін дәрумендердің сіңірілуін максималдау және оларды танымал сусындарға енгізу қабілетін арттыру үшін жаңа буын эмульсиялық әдістерді әзірлеу үшін де қолдануға болады.
Есептеу
"Мемристорлар" Geobacter sulfurreducens бактериясының ақуыздық наножіптерінен жасалған, бұрын сипатталғандарға қарағанда едәуір төмен кернеуде жұмыс істейді. Олар биологиялық әрекет потенциалдарының кернеуінде жұмыс істейтін жасанды нейрондарды құруға мүмкіндік береді. Наножіптер кремнийлік наножіптерге қарағанда бірнеше артықшылықтарға ие, ал мемристорларды биосенсорлық сигналдарды тікелей өңдеу, нейроморфты есептеу (сондай-ақ: "ылғалды" компьютер) және/немесе биологиялық нейрондармен тікелей байланыс үшін қолдануға болады.
Басқа
Ақуыздың бүктелуін зерттеу зерттеудің үшінші маңызды бағытын ұсынады, бірақ бұл сала ақуыздың бүктелуін жеткілікті дәлдікпен болжау мүмкіндігіміздің болмауынан көптеген кедергілерге тап болды. Дегенмен, биологиялық жүйелердің ақуыздарды сан алуан мақсаттарда пайдалануын ескерсек, ақуыздың бүктелуін түсінуге бағытталған зерттеулер өте маңызды және болашақта бионанотехнология үшін пайдалы нәтижелер беріп қана қоймай, жемісті де болуы мүмкін.
Ауыл шаруашылығы
Ауыл шаруашылығы саласында инженерлік нанобөлшектер нанотасымалдаушылар ретінде қолданылады, олар гербицидтер, химиялық заттар немесе гендерді қамтиды және белгілі бір өсімдік бөліктерін нысанаға алып, олардың құрамын шығаруға мүмкіндік береді. Бұрын гербицидтерді қамтитын нанокапсулалардың өсімдік қабықшалары мен тіндері арқылы тиімді өтуі және белсенді заттардың баяу және тұрақты босатылуын қамтамасыз етуі туралы хабарланған. Сондай-ақ, басқа әдебиеттерде нанокапсулаланған тыңайтқыштардың баяу шығарылуы тыңайтқыш тұтынуды үнемдеу және дәлдік шаруашылығы арқылы қоршаған ортаның ластануын азайту арқасында кең таралғандығы айтылады. Бұл нанобиотехнологияны ауыл шаруашылығында қолданудың қызықты мүмкіндіктерін ашатын көптеген зерттеу жұмыстарының тек бірнеше мысалы ғана. Сонымен қатар, осы типтегі инженерлік нанобөлшектерді өсімдіктерге қолданар алдында, олардың өсімдіктермен үйлесімділік деңгейін бағау қажет. Әдебиетті жан-жақты зерттеу нәтижесінде инженерлік нанобөлшектердің өңделген өсімдіктерге тигізетін биологиялық салдары туралы нақты ақпараттың шектеулі екені анықталды. Кейбір есептерде нанобөлшектердің концентрациясы мен мөлшеріне байланысты әртүрлі шығу тегіндегі инженерлік нанобөлшектердің өсімдіктерге зиянды әсері туралы мәліметтер келтірілген. Алайда, осыған қарамастан, нанобөлшектердің өсімдіктердің өсуін жақсартуға бағытталған оң нәтижелерін көрсететін көптеген зерттеулер де бар. Атап айтқанда, күміс және алтын нанобөлшектеріне негіделген қолданулар басқа нанобөлшектермен салыстырғанда түрлі өсімдік түрлеріне аз және/немесе ешқандай уыттылықсыз пайдалы нәтижелер берді. Күміс нанобөлшектерімен (AgNPs) өңделген аспаржа жапырақтарында аскорбат және хлорофиллдің мөлшері артқан. Сонымен қатар, AgNP-мен өңделген қара бұршақ пен жүгеріде сабақ және тамырдың ұзындығы, жапырақ бетінің ауданы, хлорофилл, көмірсулар және ақуыздың жоғарыда аталған көрсеткіштерінің артуы байқалды. Алтын нанобөлшектері Brassica juncea өсімін және тұқым өнімділігін арттыру үшін қолданылған.
Құралдар
Бұл салада әртүрлі зерттеу әдістері қолданылады, оның ішінде тәжірибелік құралдар (мысалы, бейнелеу, AFM/оптикалық пинцет сияқты құралдар арқылы сипаттау және т.б.), рентгендік дифракцияға негізделген құралдар, өздігінен жиналу арқылы синтез, өздігінен жиналуды сипаттау (мысалы, MP SPR, DPI, рекомбинантты ДНҚ әдістері және т.б.), теория (мысалы, статистикалық механика, наномеханика және т.б.), сондай-ақ есептеу тәсілдері (төменнен жоғарыға қарай көп деңгейлі модельдеу, суперкомпьютерлік есептеулер).
Тәуекелдерді басқару
2009 жылға қарай нанобиотехнологиялардың тәуекелдері толыққанды түсініксіз болып қалады және АҚШ-та қандай реттеуші саясат принциптерін ұстанған жөн екені бойынша нақты ұлттық келісім жоқ. Мысалы, нанобиотехнологиялар қоршаған ортаға, экожүйелерге және адам денсаулығына бақылаусыз әсер етуі мүмкін. Биомедициналық мақсаттар үшін қолданылатын металл негізді нанобөлшектер, ерекше физикалық-химиялық қасиеттерінің арқасында түрлі салаларда өте құнды, оларға биологиялық деңгейде жасуша процестеріне әсер етуге мүмкіндік береді. Металл негізді нанобөлшектердің жоғары бет-көлем арақатынасы оларды реактивті немесе катализдік етеді. Олардың кіші өлшемділігіне байланысты, олар жасуша мембраналары сияқты биологиялық тосқауылдарды жеңіп өтіп, тірі организмдерде жасуша дисфункциясын тудыруы мүмкін. Шындығында, кейбір ауыспалы металдардың жоғары уыттылығы биомедициналық қолдануда аралас оксидті нанобөлшектерді пайдалануды қиындатуы мүмкін. Бұл организмдерге зиянды әсер етеді, тотығу стресін тудырады, еркін радикалдардың (ROS) пайда болуын күшейтеді, митохондриялық бұзылыстарға және жасуша функцияларының өзгеруіне себеп болады, кейбір жағдайларда өлімге алып келеді. Бонин атап көрсетеді: "Нанотехнология – бұл нақты, біртекті бірлік емес, әртүрлі мүмкіндіктер мен қолданбалардың жиынтығы", ал нанобиотехнологияны зерттеу және дамыту – көптеген салалардың бірі ретінде, екі мақсатта қолданылуы мүмкін мәселелерге ұшырайды.