Nanobiotechnology - Nanobiotechnology

Del av en serie artikler om
Nanoteknologi
Effekt og applikasjoner
Nanomaterialer
Molekylær selvmontering
Nanoelektronikk
Nanometrologi
Molekylær nanoteknologi

Nanobioteknologi , bionanoteknologi og nanobiologi er begreper som refererer til skjæringspunktet mellom nanoteknologi og biologi . Gitt at emnet er et som først har dukket opp veldig nylig, fungerer bionanoteknologi og nanobioteknologi som teppe for forskjellige relaterte teknologier.

Denne disiplinen hjelper til med å indikere sammenslåing av biologisk forskning med ulike felt innen nanoteknologi. Konsepter som forbedres gjennom nanobiologi inkluderer: nanomeenheter (som biologiske maskiner ), nanopartikler og nanoskala fenomener som forekommer innenfor fagområdet nanoteknologi. Denne tekniske tilnærmingen til biologi tillater forskere å forestille seg og lage systemer som kan brukes til biologisk forskning. Biologisk inspirert nanoteknologi bruker biologiske systemer som inspirasjon for teknologier som ennå ikke er skapt. Som med nanoteknologi og bioteknologi , har bionanoteknologi imidlertid mange potensielle etiske problemer knyttet til den.

Et ribosom er en biologisk maskin .

De viktigste målene som ofte finnes i nanobiologi innebærer å bruke nanotooler på relevante medisinske / biologiske problemer og foredle disse applikasjonene. Å utvikle nye verktøy, som peptoid nanosheets , for medisinske og biologiske formål er et annet hovedmål i nanoteknologi. Nye nanotools blir ofte laget ved å raffinere applikasjonene til nanotools som allerede er i bruk. Bildebehandling av innfødte biomolekyler , biologiske membraner og vev er også et hovedtema for nanobiologiforskere. Andre emner som gjelder nanobiologi inkluderer bruk av cantilever array sensorer og anvendelse av nanofotonikk for å manipulere molekylære prosesser i levende celler.

Nylig har bruken av mikroorganismer for å syntetisere funksjonelle nanopartikler vært av stor interesse. Mikroorganismer kan endre oksidasjonstilstanden til metaller. Disse mikrobielle prosessene har åpnet nye muligheter for oss å utforske nye applikasjoner, for eksempel biosyntese av metall-nanomaterialer. I motsetning til kjemiske og fysiske metoder kan mikrobielle prosesser for syntetisering av nanomaterialer oppnås i vandig fase under milde og miljøvennlige forhold. Denne tilnærmingen har blitt et attraktivt fokus i dagens grønne bionanoteknologiforskning mot bærekraftig utvikling.

Terminologi

Begrepene brukes ofte om hverandre. Når et skille er ment, er det imidlertid basert på om fokuset er på å anvende biologiske ideer eller på å studere biologi med nanoteknologi. Bionanoteknologi refererer generelt til studiet av hvordan målene med nanoteknologi kan styres ved å studere hvordan biologiske "maskiner" fungerer og tilpasse disse biologiske motivene til å forbedre eksisterende nanoteknologi eller skape nye. Nanobioteknologi refererer derimot til måtene nanoteknologi brukes til å lage enheter for å studere biologiske systemer.

Med andre ord er nanobioteknologi i hovedsak miniatyrisert bioteknologi , mens bionanoteknologi er en spesifikk anvendelse av nanoteknologi. For eksempel vil DNA-nanoteknologi eller mobilteknikk bli klassifisert som bionanoteknologi fordi de involverer arbeid med biomolekyler på nanoskalaen. Motsatt ville mange nye medisinske teknologier som involverer nanopartikler som leveringssystemer eller som sensorer være eksempler på nanobioteknologi siden de involverer bruk av nanoteknologi for å fremme biologiske mål.

Definisjonene som er oppsatt ovenfor, vil bli brukt når det skilles mellom nanobio og bionano i denne artikkelen. Men gitt den overlappende bruken av begrepene i moderne språk, kan det hende at man må evaluere individuelle teknologier for å avgjøre hvilket begrep som er mer passende. Som sådan blir de best diskutert parallelt.

Begreper

Kinesin går på en mikrotubuli . Det er en molekylærbiologisk maskin som bruker proteindomenedynamikk på nanoskala

De fleste av de vitenskapelige begrepene innen bionanoteknologi er hentet fra andre felt. Biokjemiske prinsipper som brukes til å forstå de biologiske systemers materielle egenskaper er sentrale i bionanoteknologi fordi de samme prinsippene skal brukes til å skape nye teknologier. Materialegenskaper og anvendelser studert i bionanovitenskap inkluderer mekaniske egenskaper (f.eks. Deformasjon, vedheft, svikt), elektrisk / elektronisk (f.eks. Elektromekanisk stimulering, kondensatorer , energilagring / batterier), optisk (f.eks. Absorpsjon, luminescens , fotokjemi ), termisk (f.eks. Termomutabilitet, termisk styring), biologisk (f.eks. hvordan celler samhandler med nanomaterialer, molekylære mangler / defekter, biosensing, biologiske mekanismer som mekanosensasjon ), sykdoms nanovitenskap (f.eks. genetisk sykdom, kreft, organ / vevsvikt), samt databehandling (f.eks. DNA databehandling ) og landbruk (mållevering av plantevernmidler, hormoner og gjødsel. Virkningen av bionanovitenskap, oppnådd gjennom strukturelle og mekanistiske analyser av biologiske prosesser i nanoskala, er deres oversettelse til syntetiske og teknologiske anvendelser gjennom nanoteknologi.

Nanobiotechnology tar det meste av grunnleggende fra nanoteknologi. De fleste av enhetene designet for nano-bioteknologisk bruk er direkte basert på andre eksisterende nanoteknologier. Nanobioteknologi brukes ofte til å beskrive de overlappende tverrfaglige aktivitetene knyttet til biosensorer, spesielt der fotonikk , kjemi, biologi, biofysikk , nanomedisin og ingeniørfag samles. Måling i biologi ved hjelp av bølgelederteknikker, for eksempel dobbeltpolarisasjonsinterferometri , er et annet eksempel.

applikasjoner

Anvendelser av bionanoteknologi er ekstremt utbredt. I den grad skillet gjelder, er nanobioteknologi mye mer vanlig ved at det ganske enkelt gir flere verktøy for studiet av biologi. Bionanoteknologi, derimot, lover å gjenskape biologiske mekanismer og veier i en form som er nyttig på andre måter.

Nanomedisin

Nanomedisin er et felt innen medisinsk vitenskap hvis anvendelser øker mer og mer takket være nanoroboter og biologiske maskiner , som utgjør et veldig nyttig verktøy for å utvikle dette kunnskapsområdet. I løpet av de siste årene har forskere gjort mange forbedringer i de forskjellige enhetene og systemene som kreves for å utvikle nanoroboter. Dette antar en ny måte å behandle og håndtere sykdommer som kreft på; takket være nanoroboter er bivirkninger av cellegiftbehandling kontrollert, redusert og til og med eliminert, så noen år fra nå vil kreftpasienter få tilbud om et alternativ til å behandle denne sykdommen i stedet for cellegift, noe som gir sekundære effekter som hårtap, tretthet eller kvalme dreper ikke bare kreftceller, men også de sunne. På et klinisk nivå vil kreftbehandling med nanomedisin bestå av tilførsel av nanoroboter til pasienten gjennom en injeksjon som vil søke etter kreftceller mens de friske blir uberørt. Pasienter som vil bli behandlet med nanomedisin, vil ikke merke tilstedeværelsen av disse nanomaskinene i dem. det eneste som kommer til å bli merkbart er den gradvise forbedringen av helsen deres. Nanobioteknologi er ganske viktig for medisinformulering. Det hjelper mye i å lage vaksiner også.

Nanobiotechnology

Nanobioteknologi (noen ganger referert til som nanobiologi) beskrives best som å hjelpe moderne medisin med å utvikle seg fra å behandle symptomer til å generere kurer og regenerere biologisk vev . Tre amerikanske pasienter har mottatt helkulturerte blærer ved hjelp av leger som bruker nanobiologiske teknikker i sin praksis. Det har også blitt demonstrert i dyreforsøk at en livmor kan dyrkes utenfor kroppen og deretter plasseres i kroppen for å produsere en baby . Stamcellebehandlinger har blitt brukt til å fikse sykdommer som finnes i menneskets hjerte og som er i kliniske studier i USA. Det er også midler til forskning for å la folk få nye lemmer uten å måtte ty til protese. Kunstige proteiner kan også bli tilgjengelige for produksjon uten behov for sterke kjemikalier og dyre maskiner. Det er til og med blitt antatt at datamaskiner kan være laget av biokjemiske stoffer og organiske salter innen 2055 .

Et annet eksempel på nåværende nanobioteknisk forskning involverer nanosfærer belagt med fluorescerende polymerer. Forskere søker å designe polymerer hvis fluorescens slukkes når de møter spesifikke molekyler. Ulike polymerer vil oppdage forskjellige metabolitter. De polymerbelagte kulene kan bli en del av nye biologiske analyser, og teknologien kan en dag føre til partikler som kan introduseres i menneskekroppen for å spore metabolitter assosiert med svulster og andre helseproblemer. Et annet eksempel, fra et annet perspektiv, vil være evaluering og terapi på nanoskopisk nivå, dvs. behandling av nanobakterier (25-200 nm størrelse) slik NanoBiotech Pharma gjør.

Mens nanobiologi er i sin spede begynnelse, er det mange lovende metoder som vil stole på nanobiologi i fremtiden. Biologiske systemer er iboende nano i skala; nanovitenskap må fusjonere med biologi for å levere biomakromolekyler og molekylære maskiner som ligner på naturen. Å kontrollere og etterligne enhetene og prosessene som er konstruert fra molekyler er en enorm utfordring å møte for de sammenfallende fagene innen nanobioteknologi. Alle levende ting, inkludert mennesker , kan betraktes som nanostiftere . Naturlig evolusjon har optimalisert den "naturlige" formen for nanobiologi gjennom millioner av år. I det 21. århundre har mennesker utviklet teknologien for å kunstig utnytte nanobiologi. Denne prosessen beskrives best som "organisk sammensmelting med syntetisk." Kolonier av levende nevroner kan leve sammen på en biochip- enhet; ifølge forskning fra Dr. Gunther Gross ved University of North Texas . Selvmonterende nanorør har evnen til å brukes som et strukturelt system. De ville være sammensatt sammen med rodopsiner ; som vil lette den optiske databehandling og hjelpe til med lagring av biologiske materialer. DNA (som programvare for alle levende ting) kan brukes som et strukturelt proteomisk system - en logisk komponent for molekylær databehandling. Ned Seeman - en forsker ved New York University - sammen med andre forskere forsker for tiden på konsepter som ligner på hverandre.

Bionanoteknologi

DNA-nanoteknologi er et viktig eksempel på bionanoteknologi. Bruk av de iboende egenskapene til nukleinsyrer som DNA for å skape nyttige materialer er et lovende område for moderne forskning. Et annet viktig forskningsområde innebærer å utnytte membranegenskapene for å generere syntetiske membraner. Proteiner som selvmonteres for å generere funksjonelle materialer, kan brukes som en ny tilnærming for storskala produksjon av programmerbare nanomaterialer. Et eksempel er utviklingen av amyloider som finnes i bakterielle biofilmer som konstruerte nanomaterialer som kan programmeres genetisk til å ha forskjellige egenskaper. Proteinfoldingsstudier gir en tredje viktig vei for forskning, men en som i stor grad har blitt hemmet av vår manglende evne til å forutsi proteinfolding med tilstrekkelig høy grad av nøyaktighet. Gitt de utallige bruksområdene som biologiske systemer har for proteiner, er imidlertid forskning om forståelse av proteinfolding av høy betydning og kan vise seg fruktbar for bionanoteknologi i fremtiden.

Lipidnanoteknologi er et annet viktig forskningsområde innen bionanoteknologi, hvor fysikalsk-kjemiske egenskaper til lipider som bunnstoff og selvmontering blir utnyttet til å bygge nanodeenheter med applikasjoner innen medisin og ingeniørfag. Lipid nanoteknologi tilnærminger kan også brukes til å utvikle neste generasjons emulsjonsmetoder for å maksimere både absorpsjon av fettløselige næringsstoffer og evnen til å innlemme dem i populære drikker .

Jordbruk

I landbruksindustrien har konstruerte nanopartikler tjent som nano-bærere, som inneholder herbicider, kjemikalier eller gener, som retter seg mot bestemte plantedeler for å frigjøre innholdet. Tidligere er det rapportert at nanokapsler som inneholder herbicider effektivt trenger inn i neglebånd og vev, noe som tillater langsom og konstant frigjøring av de aktive stoffene. Likeledes beskriver annen litteratur at nanokapslet langsom frigjøring av gjødsel også har blitt en trend for å spare gjødselforbruk og for å minimere miljøforurensning gjennom presisjonsbruk. Dette er bare noen få eksempler fra en rekke forskningsarbeider som kan åpne for spennende muligheter for nanobioteknologisk anvendelse i landbruket. Bruk av denne typen konstruerte nanopartikler på planter bør også betraktes som minnelighetsnivået før den brukes i landbrukspraksis. Basert på en grundig litteraturundersøkelse, ble det forstått at det bare er begrenset autentisk informasjon tilgjengelig for å forklare den biologiske konsekvensen av konstruerte nanopartikler på behandlede planter. Enkelte rapporter understreker fytotoksisiteten til forskjellige opprinnelse av konstruerte nanopartikler til planten forårsaket av gjenstand for konsentrasjoner og størrelser. På samme tid ble det imidlertid rapportert om like mange studier med et positivt resultat av nanopartikler, som letter vekstfremmende natur for å behandle planter. Spesielt sammenlignet med andre nanopartikler, fremkalte sølv- og gullbaserte applikasjoner gunstige resultater på forskjellige plantearter med mindre og / eller ingen toksisitet. Sølv nanopartikler (AgNPs) behandlede blader av asparges viste det økte innholdet av askorbat og klorofyll. Tilsvarende har AgNPs-behandlet vanlig bønne og mais økt skudd- og rotlengde, bladoverflate, klorofyll, karbohydrat og proteininnhold rapportert tidligere. Gullnanopartikkelen har blitt brukt til å indusere vekst og frøutbytte i Brassica juncea.

Verktøy

Dette feltet er avhengig av en rekke forskningsmetoder, inkludert eksperimentelle verktøy (f.eks. Bildebehandling, karakterisering via AFM / optisk pinsett etc.), røntgendiffraksjonsbaserte verktøy, syntese via selvmontering, karakterisering av selvmontering (ved bruk av f.eks. MP- SPR , DPI , rekombinante DNA- metoder, etc.), teori (f.eks. Statistisk mekanikk , nanomekanikk, etc.), samt beregningsmetoder (bottom-up multi-scale simulation , supercomputing ).

Se også

Referanser

Eksterne linker