Nanobiotecnologia - Nanobiotechnology

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Nanobiotecnologia , bionanotecnologia e nanobiologia são termos que se referem à interseção da nanotecnologia e da biologia . Dado que o assunto surgiu muito recentemente, a bionanotecnologia e a nanobiotecnologia servem como termos gerais para várias tecnologias relacionadas.

Essa disciplina ajuda a indicar a fusão da pesquisa biológica com vários campos da nanotecnologia. Os conceitos aprimorados por meio da nanobiologia incluem: nanodispositivos (como máquinas biológicas ), nanopartículas e fenômenos em nanoescala que ocorrem na disciplina de nanotecnologia. Essa abordagem técnica da biologia permite que os cientistas imaginem e criem sistemas que podem ser usados ​​para pesquisas biológicas. A nanotecnologia de inspiração biológica usa sistemas biológicos como inspiração para tecnologias ainda não criadas. No entanto, como acontece com a nanotecnologia e a biotecnologia , a bionanotecnologia tem muitos problemas éticos potenciais associados a ela.

Um ribossomo é uma máquina biológica .

Os objetivos mais importantes que são freqüentemente encontrados em nanobiologia envolvem a aplicação de nanoferramentas a problemas médicos / biológicos relevantes e o refinamento dessas aplicações. O desenvolvimento de novas ferramentas, como nanofolhas peptoides , para fins médicos e biológicos é outro objetivo principal da nanotecnologia. Muitas vezes, novas nanoferramentas são feitas refinando as aplicações das nanoferramentas que já estão sendo utilizadas. A imagem de biomoléculas nativas , membranas biológicas e tecidos também é um tópico importante para pesquisadores de nanobiologia. Outros tópicos relacionados à nanobiologia incluem o uso de sensores de matriz cantilever e a aplicação de nanofotônica para manipular processos moleculares em células vivas.

Recentemente, o uso de microrganismos para sintetizar nanopartículas funcionais tem sido de grande interesse. Os microrganismos podem alterar o estado de oxidação dos metais. Esses processos microbianos abriram novas oportunidades para explorarmos novas aplicações, por exemplo, a biossíntese de nanomateriais metálicos. Em contraste com os métodos químicos e físicos, os processos microbianos para sintetizar nanomateriais podem ser alcançados em fase aquosa sob condições amenas e ambientalmente benignas. Essa abordagem se tornou um foco atraente na pesquisa atual de bionanotecnologia verde em direção ao desenvolvimento sustentável.

Terminologia

Os termos são freqüentemente usados ​​de forma intercambiável. Quando uma distinção é pretendida, no entanto, ela se baseia em se o foco está na aplicação de ideias biológicas ou no estudo de biologia com nanotecnologia. Bionanotecnologia geralmente se refere ao estudo de como os objetivos da nanotecnologia podem ser guiados pelo estudo de como as "máquinas" biológicas funcionam e pela adaptação desses motivos biológicos para melhorar as nanotecnologias existentes ou criar novas. A nanobiotecnologia, por outro lado, refere-se às maneiras como a nanotecnologia é usada para criar dispositivos para estudar sistemas biológicos.

Em outras palavras, a nanobiotecnologia é essencialmente biotecnologia miniaturizada , enquanto a bionanotecnologia é uma aplicação específica da nanotecnologia. Por exemplo, a nanotecnologia de DNA ou engenharia celular seria classificada como bionanotecnologia porque envolve o trabalho com biomoléculas em nanoescala. Por outro lado, muitas novas tecnologias médicas envolvendo nanopartículas como sistemas de entrega ou como sensores seriam exemplos de nanobiotecnologia, uma vez que envolvem o uso da nanotecnologia para avançar os objetivos da biologia.

As definições enumeradas acima serão utilizadas sempre que uma distinção entre nanobio e bionano for feita neste artigo. No entanto, dado o uso sobreposto dos termos na linguagem moderna, tecnologias individuais podem precisar ser avaliadas para determinar qual termo é mais adequado. Como tal, é melhor discuti-los em paralelo.

Conceitos

Kinesin caminhando sobre um microtúbulo . É uma máquina de biologia molecular que usa a dinâmica do domínio da proteína em nanoescalas.

A maioria dos conceitos científicos em bionanotecnologia são derivados de outros campos. Os princípios bioquímicos usados ​​para compreender as propriedades dos materiais dos sistemas biológicos são centrais na bionanotecnologia porque esses mesmos princípios devem ser usados ​​para criar novas tecnologias. As propriedades e aplicações dos materiais estudadas em bionanociência incluem propriedades mecânicas (por exemplo, deformação, adesão, falha), elétricas / eletrônicas (por exemplo, estimulação eletromecânica, capacitores , armazenamento de energia / baterias), ópticas (por exemplo, absorção, luminescência , fotoquímica ), térmicas (por exemplo, termomutabilidade, gerenciamento térmico), biológico (por exemplo, como as células interagem com nanomateriais, falhas / defeitos moleculares, biossensorio, mecanismos biológicos como mecanossensibilização ), nanociência de doenças (por exemplo, doença genética, câncer, falha de órgão / tecido), bem como computação (por exemplo, DNA computação ) e agricultura (distribuição alvo de pesticidas, hormônios e fertilizantes. O impacto da bionanociência, alcançado por meio de análises estruturais e mecanísticas de processos biológicos em nanoescala, é sua tradução em aplicações sintéticas e tecnológicas por meio da nanotecnologia.

A nanobiotecnologia obtém a maior parte de seus fundamentos da nanotecnologia. A maioria dos dispositivos projetados para uso nano-biotecnológico é diretamente baseada em outras nanotecnologias existentes. A nanobiotecnologia é frequentemente usada para descrever as atividades multidisciplinares sobrepostas associadas aos biossensores, particularmente onde a fotônica , a química, a biologia, a biofísica , a nanomedicina e a engenharia convergem. A medição em biologia usando técnicas de guia de onda, como interferometria de polarização dupla , é outro exemplo.

Formulários

As aplicações da bionanotecnologia são extremamente difundidas. Até onde a distinção se mantém, a nanobiotecnologia é muito mais comum porque simplesmente fornece mais ferramentas para o estudo da biologia. A bionanotecnologia, por outro lado, promete recriar mecanismos e vias biológicas de uma forma útil de outras maneiras.

Nanomedicina

A nanomedicina é um campo da ciência médica cujas aplicações estão cada vez mais crescentes graças aos nanorrobôs e às máquinas biológicas , que constituem uma ferramenta muito útil para o desenvolvimento desta área do conhecimento. Nos últimos anos, os pesquisadores fizeram muitas melhorias nos diferentes dispositivos e sistemas necessários para desenvolver nanorrobôs. Isso supõe uma nova forma de tratar e lidar com doenças como o câncer; graças aos nanorrobôs, os efeitos colaterais da quimioterapia foram controlados, reduzidos e até mesmo eliminados, portanto, daqui a alguns anos, os pacientes com câncer terão uma alternativa para tratar esta doença em vez da quimioterapia, que causa efeitos secundários como queda de cabelo, fadiga ou náuseas matando não apenas as células cancerosas, mas também as saudáveis. Em nível clínico, o tratamento do câncer com nanomedicina consistirá no fornecimento de nanorrobôs ao paciente por meio de uma injeção que buscará as células cancerosas, deixando intocadas as saudáveis. Pacientes que serão tratados com nanomedicina não perceberão a presença dessas nanomáquinas em seu interior; a única coisa que vai se notar é a melhora progressiva de sua saúde. A nanobiotecnologia é muito importante para a formulação de medicamentos. Também ajuda muito na preparação de vacinas.

Nanobiotecnologia

A nanobiotecnologia (às vezes chamada de nanobiologia) é melhor descrita como ajudando a medicina moderna a progredir do tratamento dos sintomas para a geração de curas e regeneração de tecidos biológicos . Três pacientes americanos receberam cultura de bexigas inteiras com a ajuda de médicos que usam técnicas de nanobiologia em sua prática. Além disso, foi demonstrado em estudos com animais que um útero pode crescer fora do corpo e depois ser colocado no corpo para produzir um bebê . Tratamentos com células-tronco têm sido usados ​​para corrigir doenças que são encontradas no coração humano e estão em testes clínicos nos Estados Unidos. Também há financiamento para pesquisas que permitem que as pessoas tenham novos membros sem ter que recorrer a próteses. Proteínas artificiais também podem ser disponibilizadas para fabricação sem a necessidade de produtos químicos agressivos e máquinas caras. Chegou-se mesmo a supor que, no ano 2055, os computadores podem ser feitos de produtos bioquímicos e sais orgânicos .

Outro exemplo de pesquisa nanobiotecnológica atual envolve nanoesferas revestidas com polímeros fluorescentes. Os pesquisadores estão procurando desenvolver polímeros cuja fluorescência seja extinta quando eles encontram moléculas específicas. Polímeros diferentes detectariam metabólitos diferentes. As esferas revestidas com polímero podem se tornar parte de novos ensaios biológicos, e a tecnologia pode algum dia levar a partículas que podem ser introduzidas no corpo humano para rastrear metabólitos associados a tumores e outros problemas de saúde. Outro exemplo, de uma perspectiva diferente, seria a avaliação e terapia em nível nanoscópico, ou seja, o tratamento de Nanobactérias (tamanho 25-200 nm) feito pela NanoBiotech Pharma.

Embora a nanobiologia esteja em sua infância, existem muitos métodos promissores que dependerão da nanobiologia no futuro. Os sistemas biológicos são inerentemente em escala nano; a nanociência deve se fundir com a biologia para fornecer biomacromoléculas e máquinas moleculares semelhantes à natureza. Controlar e imitar os dispositivos e processos que são construídos a partir de moléculas é um enorme desafio a ser enfrentado pelas disciplinas convergentes da nanobiotecnologia. Todas as coisas vivas, incluindo humanos , podem ser consideradas nanofoundries . A evolução natural otimizou a forma "natural" da nanobiologia ao longo de milhões de anos. No século 21, os humanos desenvolveram a tecnologia para explorar artificialmente a nanobiologia. Esse processo é melhor descrito como "fusão orgânica com sintética". Colônias de neurônios vivos podem viver juntas em um dispositivo biochip ; de acordo com pesquisa do Dr. Gunther Gross da University of North Texas . Nanotubos de automontagem têm a capacidade de ser usados ​​como um sistema estrutural. Eles seriam compostos junto com rodopsinas ; o que facilitaria o processo de computação óptica e ajudaria no armazenamento de materiais biológicos. O DNA (como o software para todos os seres vivos) pode ser usado como um sistema proteômico estrutural - um componente lógico para a computação molecular. Ned Seeman - um pesquisador da Universidade de Nova York - junto com outros pesquisadores estão atualmente pesquisando conceitos que são semelhantes entre si.

Bionanotecnologia

A nanotecnologia de DNA é um exemplo importante de bionanotecnologia. A utilização das propriedades inerentes dos ácidos nucléicos como o DNA para criar materiais úteis é uma área promissora da pesquisa moderna. Outra área importante de pesquisa envolve o aproveitamento das propriedades da membrana para gerar membranas sintéticas. Proteínas que se automontam para gerar materiais funcionais podem ser usadas como uma nova abordagem para a produção em grande escala de nanomateriais programáveis. Um exemplo é o desenvolvimento de amilóides encontrados em biofilmes bacterianos como nanomateriais projetados que podem ser programados geneticamente para ter propriedades diferentes. Os estudos de enovelamento de proteínas fornecem uma terceira via importante de pesquisa, mas que tem sido amplamente inibida por nossa incapacidade de prever o enovelamento de proteínas com um grau suficientemente alto de precisão. Dada a miríade de usos que os sistemas biológicos têm para as proteínas, no entanto, a pesquisa para compreender o enovelamento de proteínas é de grande importância e pode ser frutífera para a bionanotecnologia no futuro.

A nanotecnologia lipídica é outra área importante de pesquisa em bionanotecnologia, onde as propriedades físico-químicas dos lipídios, como seu anti-incrustante e automontagem, são exploradas para construir nanodispositivos com aplicações em medicina e engenharia. Abordagens de nanotecnologia lipídica também podem ser usadas para desenvolver métodos de emulsão de próxima geração para maximizar a absorção de nutrientes solúveis em gordura e a capacidade de incorporá-los em bebidas populares .

Agricultura

Na indústria agrícola, as nanopartículas projetadas têm servido como nano-portadores, contendo herbicidas, produtos químicos ou genes, que visam partes específicas da planta para liberar seu conteúdo. Anteriormente, foi relatado que nanocápsulas contendo herbicidas penetram com eficácia através das cutículas e tecidos, permitindo a liberação lenta e constante das substâncias ativas. Da mesma forma, outra literatura descreve que a liberação lenta nanoencapsulada de fertilizantes também se tornou uma tendência para economizar o consumo de fertilizantes e minimizar a poluição ambiental por meio da agricultura de precisão. Estes são apenas alguns exemplos de numerosos trabalhos de pesquisa que podem abrir oportunidades estimulantes para a aplicação da nanobiotecnologia na agricultura. Além disso, a aplicação deste tipo de nanopartículas projetadas em plantas deve ser considerada o nível de amizade antes de ser empregada em práticas agrícolas. Com base em uma pesquisa bibliográfica completa, entendeu-se que há apenas informações autênticas limitadas disponíveis para explicar a consequência biológica de nanopartículas projetadas em plantas tratadas. Certos relatórios sublinham a fitotoxicidade de várias origens de nanopartículas projetadas para a planta, causada pelo sujeito de concentrações e tamanhos. Ao mesmo tempo, no entanto, um número igual de estudos foi relatado com um resultado positivo de nanopartículas, que facilitam o crescimento promovendo a natureza para o tratamento de plantas. Em particular, em comparação com outras nanopartículas, aplicações baseadas em nanopartículas de prata e ouro elicitaram resultados benéficos em várias espécies de plantas com menos e / ou nenhuma toxicidade. Folhas de Espargos tratadas com nanopartículas de prata (AgNPs) apresentaram maior teor de ascorbato e clorofila. Da mesma forma, o feijão comum e o milho tratados com AgNPs aumentaram o comprimento da parte aérea e da raiz, a área de superfície da folha, clorofila, carboidratos e proteínas relatados anteriormente. A nanopartícula de ouro tem sido usada para induzir o crescimento e a produção de sementes em Brassica juncea.

Ferramentas

Este campo depende de uma variedade de métodos de pesquisa, incluindo ferramentas experimentais (por exemplo, imagem, caracterização via AFM / pinças ópticas etc.), ferramentas baseadas em difração de raios-X , síntese via automontagem, caracterização de automontagem (usando, por exemplo, MP- SPR , DPI , métodos de DNA recombinante , etc.), teoria (por exemplo , mecânica estatística , nanomecânica, etc.), bem como abordagens computacionais ( simulação de escala múltipla de baixo para cima , supercomputação ).

Veja também

Referências

links externos