Nanobiotecnología - Nanobiotechnology

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Nanobiotecnología , bionanotecnología y nanobiología son términos que se refieren a la intersección de la nanotecnología y la biología . Dado que el tema es uno que ha surgido muy recientemente, la bionanotecnología y la nanobiotecnología sirven como términos generales para varias tecnologías relacionadas.

Esta disciplina ayuda a indicar la fusión de la investigación biológica con diversos campos de la nanotecnología. Los conceptos que se mejoran a través de la nanobiología incluyen: nanodispositivos (como máquinas biológicas ), nanopartículas y fenómenos a nanoescala que ocurren dentro de la disciplina de la nanotecnología. Este enfoque técnico de la biología permite a los científicos imaginar y crear sistemas que se pueden utilizar para la investigación biológica. La nanotecnología de inspiración biológica utiliza sistemas biológicos como inspiración para tecnologías que aún no se han creado. Sin embargo, como ocurre con la nanotecnología y la biotecnología , la bionanotecnología tiene muchos problemas éticos potenciales asociados.

Un ribosoma es una máquina biológica .

Los objetivos más importantes que se encuentran con frecuencia en la nanobiología implican la aplicación de nanoherramientas a problemas médicos / biológicos relevantes y el perfeccionamiento de estas aplicaciones. El desarrollo de nuevas herramientas, como las nanohojas peptoides , con fines médicos y biológicos, es otro objetivo primordial de la nanotecnología. Las nuevas nanherramientas se crean a menudo refinando las aplicaciones de las nanotoles que ya se están utilizando. La obtención de imágenes de biomoléculas nativas , membranas biológicas y tejidos también es un tema importante para los investigadores de nanobiología. Otros temas relacionados con la nanobiología incluyen el uso de sensores de matriz en voladizo y la aplicación de nanofotónica para manipular procesos moleculares en células vivas.

Recientemente, el uso de microorganismos para sintetizar nanopartículas funcionales ha sido de gran interés. Los microorganismos pueden cambiar el estado de oxidación de los metales. Estos procesos microbianos nos han abierto nuevas oportunidades para explorar aplicaciones novedosas, por ejemplo, la biosíntesis de nanomateriales metálicos. A diferencia de los métodos químicos y físicos, los procesos microbianos para sintetizar nanomateriales se pueden lograr en fase acuosa en condiciones suaves y ambientalmente benignas. Este enfoque se ha convertido en un enfoque atractivo en la investigación actual de bionanotecnología verde hacia el desarrollo sostenible.

Terminología

Los términos a menudo se usan indistintamente. Sin embargo, cuando se pretende hacer una distinción, se basa en si el enfoque está en la aplicación de ideas biológicas o en el estudio de la biología con nanotecnología. La bionanotecnología generalmente se refiere al estudio de cómo los objetivos de la nanotecnología pueden guiarse mediante el estudio de cómo funcionan las "máquinas" biológicas y la adaptación de estos motivos biológicos para mejorar las nanotecnologías existentes o crear otras nuevas. La nanobiotecnología, por otro lado, se refiere a las formas en que se utiliza la nanotecnología para crear dispositivos para estudiar sistemas biológicos.

En otras palabras, la nanobiotecnología es esencialmente biotecnología miniaturizada , mientras que la bionanotecnología es una aplicación específica de la nanotecnología. Por ejemplo, la nanotecnología de ADN o la ingeniería celular se clasificarían como bionanotecnología porque implican trabajar con biomoléculas a nanoescala. Por el contrario, muchas nuevas tecnologías médicas que utilizan nanopartículas como sistemas de suministro o como sensores serían ejemplos de nanobiotecnología, ya que implican el uso de la nanotecnología para promover los objetivos de la biología.

Las definiciones enumeradas anteriormente se utilizarán siempre que se haga una distinción entre nanobio y bionano en este artículo. Sin embargo, dado el uso superpuesto de los términos en el lenguaje moderno, es posible que sea necesario evaluar las tecnologías individuales para determinar qué término es más adecuado. Como tales, es mejor discutirlos en paralelo.

Conceptos

Kinesin caminando sobre un microtúbulo . Es una máquina de biología molecular que utiliza la dinámica de dominio de proteínas en nanoescalas.

La mayoría de los conceptos científicos en bionanotecnología se derivan de otros campos. Los principios bioquímicos que se utilizan para comprender las propiedades materiales de los sistemas biológicos son fundamentales en la bionanotecnología porque esos mismos principios se utilizarán para crear nuevas tecnologías. Las propiedades y aplicaciones de los materiales estudiados en bionanociencia incluyen propiedades mecánicas (por ejemplo, deformación, adhesión, falla), eléctricas / electrónicas (por ejemplo, estimulación electromecánica, condensadores , almacenamiento de energía / baterías), ópticas (por ejemplo, absorción, luminiscencia , fotoquímica ), térmicas (por ejemplo, termomutabilidad, gestión térmica), (por ejemplo, cómo las células biológicas interactúan con los nanomateriales, defectos moleculares / defectos, biosensores, mecanismos biológicos tales como mechanosensation ), nanociencia de la enfermedad (por ejemplo, enfermedad, cáncer, órgano / fracaso tejido genético), así como de computación (por ejemplo, DNA informática ) y agricultura (entrega objetivo de plaguicidas, hormonas y fertilizantes. El impacto de la bionanociencia, logrado a través de análisis estructurales y mecanicistas de procesos biológicos a nanoescala, es su traducción en aplicaciones sintéticas y tecnológicas a través de la nanotecnología.

La nanobiotecnología toma la mayor parte de sus fundamentos de la nanotecnología. La mayoría de los dispositivos diseñados para uso nanobiotecnológico se basan directamente en otras nanotecnologías existentes. La nanobiotecnología se usa a menudo para describir las actividades multidisciplinarias superpuestas asociadas con los biosensores, particularmente donde convergen la fotónica , la química, la biología, la biofísica , la nanomedicina y la ingeniería. La medición en biología utilizando técnicas de guía de ondas, como la interferometría de polarización dual , es otro ejemplo.

Aplicaciones

Las aplicaciones de la bionanotecnología están muy extendidas. En la medida en que se mantenga la distinción, la nanobiotecnología es mucho más común porque simplemente proporciona más herramientas para el estudio de la biología. La bionanotecnología, por otro lado, promete recrear mecanismos y vías biológicos en una forma que sea útil de otras formas.

Nanomedicina

La nanomedicina es un campo de la ciencia médica cuyas aplicaciones están aumentando cada vez más gracias a los nanorobots y las máquinas biológicas , que constituyen una herramienta muy útil para desarrollar esta área del conocimiento. En los últimos años, los investigadores han realizado muchas mejoras en los diferentes dispositivos y sistemas necesarios para desarrollar nanorobots. Esto supone una nueva forma de tratar y afrontar enfermedades como el cáncer; Gracias a los nanorobots se han controlado, reducido e incluso eliminado los efectos secundarios de la quimioterapia, por lo que dentro de unos años se ofrecerá a los pacientes oncológicos una alternativa para tratar esta enfermedad en lugar de la quimioterapia, que provoca efectos secundarios como caída del cabello, fatiga o náuseas. matando no solo las células cancerosas sino también las sanas. A nivel clínico, el tratamiento del cáncer con nanomedicina consistirá en el suministro de nanorobots al paciente mediante una inyección que buscará células cancerosas dejando intactas las sanas. Los pacientes que serán tratados con nanomedicina no notarán la presencia de estas nanomáquinas en su interior; lo único que se va a notar es la mejora progresiva de su salud. La nanobiotecnología es muy importante para la formulación de medicamentos. También ayuda mucho en la fabricación de vacunas.

Nanobiotecnología

La nanobiotecnología (a veces denominada nanobiología) se describe mejor como ayudar a la medicina moderna a progresar desde el tratamiento de los síntomas hasta la generación de curas y la regeneración de tejidos biológicos . Tres pacientes estadounidenses han recibido vejigas enteras cultivadas con la ayuda de médicos que utilizan técnicas de nanobiología en su práctica. Además, se ha demostrado en estudios con animales que un útero puede crecer fuera del cuerpo y luego colocarse en el cuerpo para producir un bebé . Los tratamientos con células madre se han utilizado para corregir enfermedades que se encuentran en el corazón humano y se encuentran en ensayos clínicos en los Estados Unidos. También se financian investigaciones que permitan a las personas tener nuevas extremidades sin tener que recurrir a prótesis. Las proteínas artificiales también podrían estar disponibles para fabricar sin la necesidad de productos químicos agresivos y máquinas costosas. Incluso se ha conjeturado que para el año 2055, las computadoras pueden estar hechas de bioquímicos y sales orgánicas .

Otro ejemplo de la investigación nanobiotecnológica actual involucra nanoesferas recubiertas con polímeros fluorescentes. Los investigadores buscan diseñar polímeros cuya fluorescencia se apague cuando se encuentran con moléculas específicas. Diferentes polímeros detectarían diferentes metabolitos. Las esferas recubiertas de polímero podrían convertirse en parte de nuevos ensayos biológicos, y la tecnología podría conducir algún día a partículas que podrían introducirse en el cuerpo humano para rastrear metabolitos asociados con tumores y otros problemas de salud. Otro ejemplo, desde una perspectiva diferente, sería la evaluación y la terapia a nivel nanoscópico, es decir, el tratamiento de Nanobacterias (de 25 a 200 nm de tamaño) como lo hace NanoBiotech Pharma.

Si bien la nanobiología está en su infancia, existen muchos métodos prometedores que se basarán en la nanobiología en el futuro. Los sistemas biológicos son inherentemente nanoescalares; la nanociencia debe fusionarse con la biología para producir biomacromoléculas y máquinas moleculares que sean similares a la naturaleza. Controlar e imitar los dispositivos y procesos que se construyen a partir de moléculas es un desafío tremendo para las disciplinas convergentes de la nanobiotecnología. Todos los seres vivos, incluidos los humanos , pueden considerarse nanofundidores . La evolución natural ha optimizado la forma "natural" de nanobiología durante millones de años. En el siglo XXI, los humanos han desarrollado la tecnología para aprovechar artificialmente la nanobiología. Este proceso se describe mejor como "fusión orgánica con sintética". Las colonias de neuronas vivas pueden vivir juntas en un dispositivo de biochip ; según una investigación del Dr. Gunther Gross de la Universidad del Norte de Texas . Los nanotubos autoensamblables tienen la capacidad de utilizarse como sistema estructural. Estarían compuestos junto con rodopsinas ; lo que facilitaría el proceso de computación óptica y ayudaría con el almacenamiento de materiales biológicos. El ADN (como software para todos los seres vivos) se puede utilizar como un sistema proteómico estructural, un componente lógico para la computación molecular. Ned Seeman, un investigador de la Universidad de Nueva York , junto con otros investigadores actualmente están investigando conceptos que son similares entre sí.

Bionanotecnología

La nanotecnología de ADN es un ejemplo importante de bionanotecnología. La utilización de las propiedades inherentes de los ácidos nucleicos como el ADN para crear materiales útiles es un área prometedora de la investigación moderna. Otra área importante de investigación consiste en aprovechar las propiedades de las membranas para generar membranas sintéticas. Las proteínas que se autoensamblan para generar materiales funcionales podrían usarse como un enfoque novedoso para la producción a gran escala de nanomateriales programables. Un ejemplo es el desarrollo de amiloides que se encuentran en biopelículas bacterianas como nanomateriales modificados que pueden programarse genéticamente para tener diferentes propiedades. Los estudios de plegamiento de proteínas proporcionan una tercera vía importante de investigación, pero que ha sido inhibida en gran medida por nuestra incapacidad para predecir el plegamiento de proteínas con un grado de precisión suficientemente alto. Sin embargo, dada la miríada de usos que los sistemas biológicos tienen para las proteínas, la investigación para comprender el plegamiento de proteínas es de gran importancia y podría resultar fructífera para la bionanotecnología en el futuro.

La nanotecnología lipídica es otra área importante de investigación en bionanotecnología, donde las propiedades físico-químicas de los lípidos, como su antiincrustante y su autoensamblaje, se explotan para construir nanodispositivos con aplicaciones en medicina e ingeniería. Los enfoques de nanotecnología de lípidos también se pueden utilizar para desarrollar métodos de emulsión de próxima generación para maximizar tanto la absorción de nutrientes solubles en grasa como la capacidad de incorporarlos en bebidas populares .

Agricultura

En la industria agrícola, las nanopartículas diseñadas han estado sirviendo como nanoportadores, que contienen herbicidas, químicos o genes, que se dirigen a partes particulares de la planta para liberar su contenido. Anteriormente, se ha informado que las nanocápsulas que contienen herbicidas penetran eficazmente a través de las cutículas y los tejidos, lo que permite la liberación lenta y constante de las sustancias activas. Asimismo, otra literatura describe que la liberación lenta de fertilizantes nanoencapsulados también se ha convertido en una tendencia para ahorrar el consumo de fertilizantes y minimizar la contaminación ambiental a través de la agricultura de precisión. Estos son solo algunos ejemplos de numerosos trabajos de investigación que podrían abrir interesantes oportunidades para la aplicación de la nanobiotecnología en la agricultura. Además, la aplicación de este tipo de nanopartículas artificiales a las plantas debe considerarse el nivel de amistad antes de que se emplee en las prácticas agrícolas. Sobre la base de un estudio exhaustivo de la literatura, se entendió que solo hay información auténtica limitada disponible para explicar la consecuencia biológica de las nanopartículas diseñadas en plantas tratadas. Ciertos informes subrayan la fitotoxicidad de diversos orígenes de nanopartículas modificadas para la planta causada por el tema de concentraciones y tamaños. Al mismo tiempo, sin embargo, se informó un número igual de estudios con un resultado positivo de nanopartículas, que facilitan la naturaleza promotora del crecimiento para tratar la planta. En particular, en comparación con otras nanopartículas, las aplicaciones basadas en nanopartículas de plata y oro obtuvieron resultados beneficiosos en varias especies de plantas con menos y / o ninguna toxicidad. Las hojas de espárragos tratadas con nanopartículas de plata (AgNP) mostraron un mayor contenido de ascorbato y clorofila. De manera similar, el frijol común y el maíz tratados con AgNPs han aumentado la longitud de los brotes y las raíces, el área de la superficie de las hojas, los contenidos de clorofila, carbohidratos y proteínas, como se informó anteriormente. La nanopartícula de oro se ha utilizado para inducir el crecimiento y la producción de semillas en Brassica juncea.

Herramientas

Este campo se basa en una variedad de métodos de investigación, incluidas herramientas experimentales (por ejemplo, imágenes, caracterización mediante AFM / pinzas ópticas, etc.), herramientas basadas en difracción de rayos X , síntesis mediante autoensamblaje, caracterización de autoensamblaje (utilizando, por ejemplo, MP- SPR , DPI , métodos de ADN recombinante , etc.), teoría (por ejemplo , mecánica estadística , nanomecánica, etc.), así como enfoques computacionales ( simulación ascendente de múltiples escalas , supercomputación ).

Ver también

Referencias

enlaces externos