Введение
Пересечение нанотехнологий и биологии
Нанобиотехнология, бионанотехнология и нанобиология – это термины, обозначающие область пересечения нанотехнологий и биологии. Учитывая, что эта область возникла совсем недавно, бионанотехнология и нанобиотехнология служат обобщающими терминами для различных связанных технологий. Эта дисциплина отражает слияние биологических исследований с различными областями нанотехнологий. Концепции, которые расширяются благодаря нанобиологии, включают: наноустройства (такие как биологические машины), наночастицы и наномасштабные явления, возникающие в рамках нанотехнологий. Этот технологический подход к биологии позволяет ученым разрабатывать и создавать системы для биологических исследований. Биологически вдохновленные нанотехнологии используют биологические системы в качестве источника вдохновения для создания новых технологий. Однако, как и в случае с нанотехнологиями и биотехнологиями, бионанотехнология сопряжена со множеством потенциальных этических проблем. Важнейшие задачи, часто встречающиеся в нанобиологии, включают применение наноинструментов для решения актуальных медицинских и биологических проблем, а также совершенствование этих применений. Разработка новых инструментов, таких как пептоидные нанолисты, для медицинских и биологических целей – еще одна ключевая задача нанотехнологий. Новые наноинструменты часто создаются путем улучшения применения уже существующих. Визуализация нативных биомолекул, биологических мембран и тканей также является важной темой для исследователей в области нанобиологии. Другие направления исследований в нанобиологии включают использование массивов датчиков на основе консолей и применение нанофотоники для манипулирования молекулярными процессами в живых клетках. В последнее время большой интерес вызывает использование микроорганизмов для синтеза функциональных наночастиц. Микроорганизмы способны изменять степень окисления металлов. Эти микробные процессы открывают новые возможности для изучения новых применений, например, биосинтеза металлических наноматериалов. В отличие от химических и физических методов, микробные процессы синтеза наноматериалов могут осуществляться в водной среде в мягких и экологически безопасных условиях. Этот подход стал привлекательным направлением в современных исследованиях в области экологически чистой бионанотехнологии, направленной на устойчивое развитие.
Терминология
Эти термины часто используются как взаимозаменяемые. Однако, когда необходимо провести различие, оно основывается на том, делается ли акцент на применении биологических идей или на изучении биологии с использованием нанотехнологий. Бионанотехнология обычно подразумевает изучение того, как цели нанотехнологий могут быть определены, исходя из принципов работы биологических "машин", и адаптацию этих биологических мотивов для улучшения существующих нанотехнологий или создания новых. Нанобиотехнология, напротив, относится к использованию нанотехнологий для создания устройств, предназначенных для изучения биологических систем. Иными словами, нанобиотехнология – это, по сути, миниатюризированная биотехнология, в то время как бионанотехнология представляет собой конкретное применение нанотехнологий. Например, ДНК-нанотехнологии или клеточная инженерия будут классифицированы как бионанотехнологии, поскольку они связаны с работой с биомолекулами в наномасштабе. В то же время, многие новые медицинские технологии, использующие наночастицы в качестве систем доставки или сенсоров, будут являться примерами нанобиотехнологии, поскольку они предполагают использование нанотехнологий для достижения биологических целей. Приведенные выше определения будут использоваться всякий раз, когда в данной статье требуется разграничение между нанобио и бионано. Однако, учитывая перекрывающееся использование этих терминов в современной практике, для каждой отдельной технологии может потребоваться оценка, чтобы определить, какой термин наиболее уместен. В связи с этим, целесообразно рассматривать их параллельно.
Понятия
Большинство научных концепций в бионанотехнологиях заимствованы из других областей науки. Биохимические принципы, используемые для понимания материальных свойств биологических систем, играют центральную роль в бионанотехнологиях, поскольку те же принципы применяются для создания новых технологий. Материальные свойства и области применения, изучаемые в бионанонауке, включают механические свойства (например, деформация, адгезия, разрушение), электрические/электронные (например, электромеханическая стимуляция, конденсаторы, хранение энергии/аккумуляторы), оптические (например, поглощение, люминесценция, фотохимия), термические (например, термомутабельность, управление теплом), биологические (например, взаимодействие клеток с наноматериалами, молекулярные дефекты, биосенсорика, биологические механизмы, такие как механосенсорика), нанонауку о болезнях (например, генетические заболевания, рак, отказ органов/тканей), а также биологические вычисления (например, ДНК-вычисления) и сельское хозяйство (целевая доставка пестицидов, гормонов и удобрений). Влияние бионанонауки, достигаемое посредством структурного и механистического анализа биологических процессов в наномасштабе, заключается в их применении в синтетических и технологических областях посредством нанотехнологий. Нанобиотехнология во многом опирается на фундаментальные принципы нанотехнологий. Большинство устройств, разработанных для нанобиотехнологического применения, напрямую основаны на других существующих нанотехнологиях. Нанобиотехнология часто используется для описания пересекающихся междисциплинарных областей, связанных с биосенсорами, особенно там, где сходятся фотоника, химия, биология, биофизика, наномедицина и инженерия. Измерения в биологии с использованием волноводных технологий, таких как интерферометрия двойной поляризации, являются еще одним примером.
Приложения
Применения бионанотехнологий чрезвычайно широки. Насколько это различие применимо, нанобиотехнология встречается гораздо чаще, поскольку она просто предоставляет больше инструментов для изучения биологии. Бионанотехнология, напротив, обещает воссоздавать биологические механизмы и пути в форме, полезной для других целей.
Биосенсоры in vivo
Другой пример современных нанобиотехнологических исследований включает наносферы, покрытые флуоресцентными полимерами. Исследователи стремятся разработать полимеры, чья флуоресценция гаснет при контакте с определенными молекулами. Различные полимеры будут обнаруживать различные метаболиты. Полимерные сферы могут стать частью новых биологических тестов, а технология в перспективе может привести к созданию частиц, которые можно будет вводить в организм человека для выявления метаболитов, связанных с опухолями и другими заболеваниями. Другой пример, рассматриваемый с иной стороны, – это диагностика и терапия на наноскопическом уровне, то есть лечение нанобактерий (размером 25 200 нм), как это делает компания NanoBiotech Pharma.
Биосенсоры in vitro
"Наноантенны", изготовленные из ДНК – новый тип оптических антенн на наноуровне – могут присоединяться к белкам и генерировать сигнал посредством флуоресценции при выполнении ими своих биологических функций, особенно при их характерных конформационных изменениях. Это может найти применение в дальнейших разработках в области нанобиотехнологий, таких как различные типы наномашин, для создания новых лекарственных препаратов, для биоисследований и для открытия новых направлений в биохимии.
Энергия
Это также может быть полезно в сфере устойчивой энергетики: в 2022 году исследователи сообщили о создании 3D-печатных нано-"небоскребов" в качестве электродов – хотя и в микромасштабе, эти столбики обладали наноструктурированной пористостью благодаря использованию чернил на основе металлических наночастиц (нанотехнологии) – и содержали цианобактерии для извлечения значительно большего количества устойчивой биоэнергии из их фотосинтеза (биотехнологии), чем в более ранних исследованиях.
Нанобиологическая
Хотя нанобиология находится в зачаточном состоянии, существует множество перспективных методов, которые могут быть основаны на нанобиологии в будущем. Биологические системы по своей природе наноразмерны; нанонаука должна объединиться с биологией для создания биомакромолекул и молекулярных машин, подобных тем, что существуют в природе. Контроль и имитация устройств и процессов, созданных из молекул, – это огромный вызов для развивающихся дисциплин нанобиотехнологии. Все живые организмы, включая человека, можно рассматривать как нанофабрики. Естественная эволюция оптимизировала "естественную" форму нанобиологии на протяжении миллионов лет. В XXI веке человечество разработало технологии для искусственного использования нанобиологии. Этот процесс лучше всего описывается как "органическое слияние с синтетическим". Колонии живых нейронов могут сосуществовать на биочипе, согласно исследованиям Гюнтера Гросса из Университета Северного Техаса. Самосборные нанотрубки могут быть использованы в качестве структурной системы, объединяясь с родопсинами, что облегчит процесс оптических вычислений и поможет в хранении биологических материалов. ДНК (как программное обеспечение для всех живых организмов) может быть использована как структурная протеомическая система – логический элемент для молекулярных вычислений. Нед Симан, исследователь из Нью-Йоркского университета, и другие ученые в настоящее время изучают схожие концепции.
Отличие от нанобиотехнологии
В целом, бионанотехнологии отличаются от нанобиотехнологии тем, что подразумевают использование нанотехнологий с применением биологических материалов или компонентов – в то время как нанобиотехнологии могут использовать как биологические, так и абиотические компоненты. Бионанотехнологии играют меньшую роль в медицине (которая связана с изучением биологических организмов). Они используют природные или биомиметические системы и элементы для создания уникальных наноструктур и разнообразных применений, которые не обязательно ориентированы на биологию, а не только на биологические приложения. В отличие от этого, нанобиотехнология предполагает миниатюризацию биотехнологий до нанометрового масштаба или включение наномолекул в биологические системы. В будущем обе эти области могут быть объединены.
ДНК
Нанотехнология ДНК — один из важных примеров бионанотехнологии. Использование присущих нуклеиновым кислотам, таким как ДНК, свойств для создания полезных материалов или устройств – например, биосенсоров – является перспективным направлением современных исследований. Хранение цифровых данных в ДНК в основном относится к использованию синтезированных, но в остальном обычных цепей ДНК для хранения цифровой информации, что может быть полезно, например, для высокоплотного долговременного хранения данных, к которым не требуется частый доступ и запись, в качестве альтернативы 5D оптическому хранению данных или в сочетании с другими нанобиотехнологиями.
Материалы мембран
Еще одна важная область исследований связана с использованием свойств мембран для создания синтетических мембран. Белки, способные к самосборке с образованием функциональных материалов, могут быть использованы как новый подход к крупномасштабному производству программируемых наноматериалов. Примером является разработка амилоидов, встречающихся в бактериальных биопленках, в качестве сконструированных наноматериалов, которые можно генетически запрограммировать для придания им различных свойств.
Липидная нанотехнология
Липидная нанотехнология – еще одна важная область исследований в бионанотехнологии, где физико-химические свойства липидов, такие как их антиадгезионные свойства и способность к самосборке, используются для создания наноустройств с применением в медицине и инженерии. Подходы липидной нанотехнологии также могут быть использованы для разработки эмульсионных технологий нового поколения, позволяющих максимизировать как всасывание жирорастворимых питательных веществ, так и возможность их включения в популярные напитки.
Вычислительные технологии
"Мемристоры", изготовленные из белковых нанопроводов бактерии Geobacter sulfurreducens, функционирующие при существенно более низких напряжениях, чем ранее описанные, могут позволить создать искусственные нейроны, работающие на уровнях напряжения биологических потенциалов действия. Нанопроволоки обладают рядом преимуществ по сравнению с кремниевыми нанопроволоками, а мемристоры могут быть использованы для непосредственной обработки биосенсорных сигналов, в нейроморфных вычислениях (см. также: компьютер на биологических элементах) и/или для прямой коммуникации с биологическими нейронами.
Другое
Исследования свертывания белков предоставляют третий важный путь для исследований, но он в значительной степени затруднен нашей неспособностью предсказывать свертывание белков с достаточной точностью. Однако, учитывая множество функций, которые белки выполняют в биологических системах, исследования, направленные на понимание свертывания белков, имеют большое значение и могут оказаться плодотворными для бионанотехнологий в будущем.
Сельское хозяйство
В сельскохозяйственной отрасли искусственно созданные наночастицы используются в качестве наноносителей, содержащих гербициды, химические вещества или гены, которые направлены на определенные части растений для высвобождения их содержимого. Ранее сообщалось, что нанокапсулы, содержащие гербициды, эффективно проникают через кутикулы и ткани, обеспечивая медленное и постоянное высвобождение активных веществ. Также в литературе описано, что наноинкапсулированное медленное высвобождение удобрений становится тенденцией для экономии потребления удобрений и минимизации загрязнения окружающей среды посредством точного земледелия. Это лишь несколько примеров из множества исследований, которые могут открыть захватывающие возможности для применения нанобиотехнологий в сельском хозяйстве. Кроме того, перед применением таких искусственно созданных наночастиц к растениям необходимо оценить их совместимость с растениями. На основе тщательного анализа литературы установлено, что существует ограниченное количество достоверной информации, объясняющей биологические последствия воздействия искусственно созданных наночастиц на обработанные растения. Некоторые отчеты подчеркивают фитотоксичность искусственно созданных наночастиц различного происхождения, вызванную их концентрацией и размером. Однако, равноценное количество исследований показало положительное влияние наночастиц, стимулирующих рост растений. В частности, по сравнению с другими наночастицами, применение на основе наночастиц серебра и золота дало благоприятные результаты для различных видов растений с низкой или отсутствующей токсичностью. Листья спаржи, обработанные наночастицами серебра (AgNPs), показали повышенное содержание аскорбата и хлорофилла. Аналогично, обработка обыкновенной фасоли и кукурузы AgNPs привела к увеличению длины побегов и корней, площади поверхности листьев, содержания хлорофилла, углеводов и белков, о чем сообщалось ранее. Наночастицы золота использовались для стимуляции роста и урожайности семян Brassica juncea.
Инструменты
Эта область опирается на разнообразные исследовательские методы, включая экспериментальные инструменты (например, визуализация, характеристика с помощью АФМ/оптических пинцетов и т.д.), методы, основанные на рентгеновской дифракции, синтез посредством самосборки, характеристику самосборки (например, с использованием MP-SPR, DPI, методов рекомбинантной ДНК и т.д.), теоретические подходы (например, статистическая механика, наномеханика и т.д.), а также вычислительные методы (многомасштабное моделирование снизу вверх, суперкомпьютерное моделирование).
Управление рисками
По состоянию на 2009 год риски, связанные с нанобиотехнологиями, были недостаточно изучены, и в США не было достигнуто единого национального консенсуса относительно принципов регулирования в этой области. Например, нанобиотехнологии могут оказывать трудноконтролируемое воздействие на окружающую среду, экосистемы и здоровье человека. Наночастицы на основе металлов, используемые в биомедицинских целях, представляют большой интерес для различных применений благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам, позволяющим им воздействовать на клеточные процессы на биологическом уровне. Высокое отношение площади поверхности к объему у наночастиц на основе металлов делает их реакционноспособными или каталитическими. В силу своего малого размера они с большей вероятностью способны проникать через биологические барьеры, такие как клеточные мембраны, и вызывать клеточную дисфункцию в живых организмах. Действительно, высокая токсичность некоторых переходных металлов может затруднить использование смешанных оксидных наночастиц в биомедицине. Это вызывает неблагоприятные эффекты в организмах, такие как окислительный стресс, стимуляция образования активных форм кислорода, нарушение функции митохондрий и изменение клеточных функций, в некоторых случаях приводящее к летальному исходу. Бонин отмечает, что "нанотехнология – это не конкретная, определенная и однородная сущность, а совокупность разнообразных возможностей и применений", и что исследования и разработки в области нанобиотехнологий, как и многие другие области, подвержены проблемам двойного назначения.