Bionanotexnologiya. Biosensorlar va biochiplar

Nanorobotlar

Nanobotlar nima?

Maykl Krixtonning "Booty" ruhidagi nanobotlar va boshqa nanobashkali robotlarning hayoliy ixtirolari mavjud emas (hozirgacha).

Ushbu xayoliy nanobotlar bilan adashtirmaslik kerak, tibbiy nanotexnologiyalar tadqiqotchilari uchun nanorobot yoki nanobot - bu o'ziga xos xususiyatga ega bo'lgan molekulalar uchun mashhur atama bo'lib, ularga ma'lum bir vazifani bajarish uchun dasturlash imkonini beradi. Ushbu nanobotlar haqiqatdir va ular faol ravishda o'rganilmoqda va ishlab chiqilmoqda.

Doimiy ravishda ko'payib borayotgan tadqiqot guruhlari nuklein kislotalarning programlanadigan o'z-o'zini yig'ish xususiyatlaridan foydalanib, turli xil qo'llanilish uchun oqilona ishlab chiqilgan nanoformalar va nanomashinalarni yaratmoqdalar. Shuning uchun bugungi kunda nanorobotiklarning eng faol o'rganilgan yo'nalishlaridan biri DNK yig'ilishi bilan bog'liq, ayniqsa DNK origami deb nomlangan usul (batafsil ma'lumot uchun quyida ko'ring).

Nanorobotiklar

Asoslardan boshlaylik: robototexnika robotlar, to'liq avtonom elektron, elektr yoki mexanik qurilmalarning ishlab chiqarish kabi faoliyatida nazariyasi va qo'llanilishi deb ta'riflanishi mumkin.

Ushbu robotning o'lchamini bir necha milliarddan bir metrgacha kamaytiring va siz nanotexnologiya robototexnika haqida gapirasiz; nanorobotiklardan qisqa. Nanobotika sohasi bir nechta fanlarni o'z ichiga oladi, shu jumladan nanomotorlar, nanoaktuatorlar, nanosensorlar ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan nanomateriallarni ishlab chiqarish jarayonlari va nanosobatda fizikaviy modellashtirish.

Nanobotlarni boshqarish usullari, shu jumladan nanozlangan qismlarni yig'ish, biologik hujayralar yoki molekulalarni boshqarish va ushbu vazifalarni bajarish uchun ishlatiladigan robotlar turlari ham nanobotlarning tarkibiy qismini tashkil qiladi.

Masalan, tadqiqotchilar nanomotorlarning avtonom harakat traektoriyalarini an'anaviy statik optik ishlab chiqarish tizimlarini aylantiruvchi boshqariladigan sirt xususiyatlariga aylantirdilar va nanomateriallar uchun nanobot platformasiga erta yondashuvni o'rnatdilar.

O'z-o'zidan yuradigan nanolens sifatida sharsimon Janus dvigatelidan foydalangan holda nanomotor litografiyaning sxematik diagrammasi. (Rasm: Jinxing Li, Kaliforniya universiteti, San-Diego)

Nanotexnologiya robotlari odatdagi NEMS (nanoelektromekanik tizimlar) bo'lib, ular NEMSni loyihalashda hal qilinishi kerak bo'lgan barcha muhim masalalarni ko'taradi: sezgirlik, ishga tushirish, boshqarish, aloqa, fazoviy miqyosda va organik va noorganik materiallar orasidagi quvvat va o'zaro ta'sir. Biologik hujayralar bilan taqqoslanadigan kattaligi tufayli nanorobotlar atrof-muhit monitoringi yoki tibbiyot kabi sohalarda keng imkoniyatlarga ega.

Biroq, bugungi kunda tadqiqotchilar nanorobot atamasidan asosan o'ziga xos xususiyatga ega bo'lgan molekulalarni tavsiflash uchun foydalanadilar, bu ularga ma'lum bir vazifani bajarish uchun dasturlash imkonini beradi.

Bu bizni nimaga olib keladi:

Tibbiyotda nanobotlar

Bugungi kunda nanobotlar haqida gap ketganda, asosan, o'z-o'zidan yuradigan nanomotorlar va bio-nano-tarkibiy qismlardan ishlab chiqarilgan boshqa biologik parchalanadigan nano-qurilmalar haqida, maqsadli joylarga mol etkazib beradigan, ya'ni kasal hujayralarga dori etkazib beradigan narsalar haqida gap boradi. Masalan, ushbu nanorobotlar molekulyar foydali yuklarni tashish va o'smaning qon bilan ta'minlanishini in situ blokirovka qilish uchun dasturlashtirilishi mumkin, bu esa to'qimalarning o'limiga va o'smalarning qisqarishiga olib kelishi mumkin.

Ferment bilan ishlaydigan nanobot: Ureaza bilan qoplangan nanotubalar ferment tarkibida karbamidni gazsimon mahsulotlarga aylantirishi sababli tarkibida karbamid bo'lgan suyuqlikda harakatlantiruvchi tizimga aylanadi. Quvurlar har doim ham ozgina assimetriyaga ega bo'lganligi sababli, reaktsiya mahsulotlari suyuqlik ichida oqim hosil qiladi, bu ularni jet kabi quvurdan chiqarib yuboradi. (Rasm: Intellektual tizimlar uchun MPI)

Ushbu faol motorli dori-darmonlarni etkazib berish an'anaviy usullarga qaraganda samarali va yaxshilangan dori-darmonlarni va'da qiladi. Oltin nanozarralar bilan to'ldirilgan sun'iy PEDOT / rux mikromotorlari sichqonlarda og'iz orqali yuborish orqali sinovdan o'tkaziladi. Ular yuqori yuk ko'tarish qobiliyatida mukammal kislotali, o'ziyurar xususiyatlarini namoyish etdilar.

Yana bir misol - qonni bakteriyalar va toksinlardan tozalaydigan uyali nanorobotlar. Tadqiqotchilar ushbu nanorobotlarni trombotsitlar va qizil qon hujayralari membranalari gibridomalari bilan tilla nanot simlarini qoplash orqali yaratdilar. Hujayra membranasining bu gibrid qoplamasi nanorobotlarning bir vaqtning o'zida ikkita turli xil hujayralar - trombotsitlar, masalan, patogenlarni bog'laydigan, masalan, bakteriyalar MRSA (Staphylococcus aureus antibiotiklarga chidamli shtammlari) va ishlab chiqarilgan toksinlarni yutadigan va zararsizlantiradigan qizil qon hujayralari sifatida ishlashiga imkon beradi. bu bakteriyalar.

UV nurlari bilan faollashtirilgan monomolekulyar suv osti nanomashinalari, DNK origami asosidagi nanorobotlar, nur bilan faollashtirilgan nanotransduserlar, magnit ko'pkomponentli nano-suzuvchi qurilmalar va boshqalar dori etkazib berishda nanorobotlardan foydalanishni taxmin qiladigan boshqa texnologik ishlanmalar.

DNK nanotexnologiyasi

Nanobotika ("DNK ketma-ketligida ishlash uchun nanorobotik qo'l") va nanofabrikatsiyada DNKdan foydalanish bo'yicha katta ishlar mavjud, masalan, Nyu-Yorkdagi Ned Seamanning ishi (masalan, qarang: "Tadqiqotchilar DNKni ketma-ket va ketma-ket qurilish missiyasi bilan yuboradilar" ) yoki "Olimlar DNK Origamidan 2-o'lchovli tuzilmalarni yaratish uchun foydalanadilar" yoki "Aylanadigan DNK nanomashinasini boshqarish uchun ishlatiladigan RNK").

DNK origami va boshqalar. A) DNK origami rivojlanishiga turtki bergan DNK oktaedri. B) 2D DNK origami (misol - tabassum). C) DNKdan bo'shliqli 3D origami shakllari, 2D origami varaqlaridan buklangan. D) Panjaralarga asoslangan uch o'lchovli origami (kvadrat va ko'plab chuqurchalar panjarasi). D) egri va bukilgan 3D origami. E) Plitkalar asosida 2D va 3D formatidagi bitta ipli yig'ish. G) DNKning ramka tuzilmalari. (© Wiley-VCH Verlag)

DNK origami nanorobot

DNKning strukturaviy nanotexnologiyasi, xususan, DNK origami deb nomlanuvchi molekulalarning o'z-o'zini yig'ish jarayoni murakkab nanosale geometrikasi, molekulyar funktsiyalarning o'ziga xos joylashuvi va dasturlashtirilgan mexanik va dinamik xususiyatlarga ega nanotexnika yaratish uchun universal yondashuvga aylandi.

Olimlar allaqachon DNK origami texnologiyasidan viruslar va hujayra organoidlari miqyosidagi konstruktsiyalarni loyihalashtirish va qurish uchun foydalanmoqdalar.

Birinchi bosqichda olimlar DNK origami texnikasi yordamida V shaklidagi qurilish bloklarini hosil qiladilar. Ochilish burchagi bilan belgilanadigan ma'lum miqdordagi qurilish bloklari o'zlarini vitesga yig'ishadi. Uchinchi bosqichda ushbu viteslar virusli kapsidlar kattaligidagi naychalarni hosil qiladi. (Rasm: Xendrik Dits, Myunxen Texnik Universiteti)

DNK origami - bu ananaviy yapon san'atiga o'xshash dizayn texnikasi yoki nanotexnologiya tadqiqotchilari tomonidan turli xil nanokomponentlar biriktirilishi mumkin bo'lgan programlanadigan teshikli taxtaga o'xshash narsalarga katlama uchun nanotexnologiyalar tomonidan qo'llaniladigan qog'ozni dekorativ yoki majoziy shakllarga katlama texnikasi.

Ushbu DNK-birikmalar o'zboshimchalik bilan shakl va naqshning murakkab nanostrukturalarini <100 nm miqyosda pastdan tepaga qadar yaratishga imkon beradi.

Fantastik hikoyalar va filmlarga kelsak: nanobotlar hali yo'q va bo'lmaydi. Mumkin bo'lgan kelajakdagi molekulyar uskunalar uchun echilishi kerak bo'lgan asosiy muammolardan biri bu kerakli vazifani bajarish uchun bir vaqtning o'zida bir nechta molekulyar o'lchamdagi mashinalarni boshqarish vazifasi.

So'nggi bir necha yil ichida oddiy nanosiqali dvigatellar tatbiq etilgan, ammo bular nanobashkada o'z tarkibiy qismlarining jismoniy harakatini yaratishdan boshqa hech narsa qilmaydigan tizimlardir.

Haqiqiy nanorobotni yaratish uchun - nanobashkada ishlab chiqarish kabi ishlarni bajarish uchun to'liq avtonom elektron, elektr yoki mexanik moslama - ko'plab yutuqlarga erishish kerak bo'ladi (fonda o'qing: Bo'shliqni unutmang - Nanotexnologiya robototexnika va laboratoriya haqiqati).

Ulardan biri bu juda ko'p sonli moslamalarni boshqarish muammosi, ya'ni ushbu mashinalarning "miyasini" qanday yaratish va dasturlash. Yana bir muammo - ma'lum vaqt ichida cheklangan vazifani ozroq yoki ozroq avtonom tarzda bajarishi uchun dasturlash mumkin bo'lgan mashinalarning aniqroq (ammo hanuzgacha) kontseptsiyasidan ilmiy fantastika (sun'iy intellekt) uslubidagi "o'ylaydigan" robotlar tushunchasini ajratish. ... vaqt.

Ushbu vazifalar nano o'lchamdagi tarkibiy qismlardan tortib tanadagi tibbiy muolajalarni bajarishga qadar bo'lishi mumkin. Nano o'lchovli uskunalar uchun bu nano o'lchamdagi boshqaruv bloklarini, ya'ni kompyuterlarni talab qiladi. Yaponiyadagi tadqiqotchilar allaqachon o'z-o'zini tashkil etuvchi molekulyar birikmani 16-bitli parallel ishlov berish bilan namoyish etishdi, bu bizni bunday nanosiqli protsessor yaratishga bir qadam yaqinlashtiradi.