Onderzoekers van het Instituut voor Algemene Natuurkunde van de Russische Academie van Wetenschappen, het Institute of Bioorganic Chemistry van de Russian Academy of Sciences en MIPT hebben een belangrijke stap gezet in de richting van het creëren van medische nanorobots. Ze ontdekten een manier om nano- en microdeeltjes logische berekeningen te laten maken met behulp van verschillende biochemische reacties.

Details van hun onderzoeksproject worden gegeven in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie . Het is de eerste experimentele publicatie in vele jaren door een exclusief Russisch team in een van de meest geciteerde wetenschappelijke tijdschriften.

Het artikel is gebaseerd op het idee van computergebruik met behulp van biomoleculen. Bij elektronische schakelingen, bijvoorbeeld, logische connectieven gebruiken stroom of spanning (als er spanning is, het resultaat is 1, als er geen is, het is 0). In biochemische systemen, het resultaat kan een bepaalde stof zijn.

Bijvoorbeeld, moderne bio-engineeringtechnieken maken het mogelijk om een ​​cel met verschillende kleuren te laten oplichten of zelfs te programmeren om te sterven, het koppelen van de initiatie van apoptose aan het resultaat van binaire operaties.

Veel wetenschappers geloven dat logische operaties in cellen of in kunstmatige biomoleculaire systemen een manier zijn om biologische processen te beheersen en volwaardige micro- en nanorobots te creëren. welke kan, bijvoorbeeld, medicijnen op schema afleveren aan die weefsels waar ze nodig zijn.

Berekeningen met behulp van biomoleculen in cellen, ook wel biocomputing genoemd, zijn een veelbelovende en zich snel ontwikkelende tak van wetenschap, volgens de hoofdauteur van de studie, Maxim Nikitin, in 2010 afgestudeerd aan de afdeling Biologische en Medische Fysica van het MIPT. Biocomputing maakt gebruik van natuurlijke cellulaire mechanismen. Het is veel moeilijker, echter, om berekeningen buiten cellen uit te voeren, waar er geen natuurlijke structuren zijn die kunnen helpen bij het uitvoeren van berekeningen. De nieuwe studie richt zich specifiek op extracellulaire biocomputing.

De studie effent de weg voor een aantal biomedische technologieën en verschilt aanzienlijk van eerdere werken op het gebied van biocomputing, die zich richten op zowel de buitenkant als de binnenkant van cellen. Wetenschappers van over de hele wereld hebben onderzoek gedaan naar binaire bewerkingen in DNA, RNA en eiwitten al meer dan een decennium, maar Maxim Nikitin was de eerste die een manier voorstelde en experimenteel bevestigde om alle logische bewerkingen te implementeren met behulp van nano- en microdeeltjes, wat niet alleen belangrijk is voor computergebruik als zodanig, maar ook voor het beheersen van het biomedische gedrag van nanodeeltjes. In de toekomst, dit zal selectieve binding aan een doelcel mogelijk maken en een nieuw platform creëren om bloed en andere biologische materialen te analyseren.

Het voorvoegsel "nano" is in dit geval geen modegril of louter een formaliteit. Een afname van de deeltjesgrootte leidt soms tot drastische veranderingen in de fysische en chemische eigenschappen van een stof. Hoe kleiner de maat, hoe groter de reactiviteit; zeer kleine halfgeleiderdeeltjes, bijvoorbeeld, kan fluorescerend licht produceren. Het nieuwe onderzoeksproject maakte gebruik van nanodeeltjes (d.w.z. deeltjes van 100 nm) en microdeeltjes (3000 nm of 3 micrometer).

Nanodeeltjes werden gecoat met een speciale laag, die op verschillende manieren "desintegreerden" bij blootstelling aan verschillende combinaties van signalen. Een signaal hierbij is de interactie van nanodeeltjes met een bepaalde stof. Bijvoorbeeld, om de logische bewerking "EN" uit te voeren, werd een bolvormig nanodeeltje bedekt met een laag moleculen, die eromheen een laag bollen met een kleinere diameter hield. De moleculen die de buitenste schil vasthielden waren van twee soorten, elk type reageert alleen op een bepaald signaal; wanneer in contact met twee verschillende stoffen kleine bolletjes gescheiden van het oppervlak van een nanodeeltje met een grotere diameter. Het verwijderen van de buitenste laag legde de actieve delen van het binnenste deeltje bloot, en het was toen in staat om te communiceren met zijn doelwit. Dus, het team kreeg één signaal in reactie op twee signalen.

Voor het binden van nanodeeltjes, de onderzoekers selecteerden antilichamen. Dit onderscheidt hun project ook van een aantal eerdere studies in biocomputing, die DNA of RNA gebruikten voor logische bewerkingen. Deze natuurlijke eiwitten van het immuunsysteem hebben een klein actief gebied, die alleen op bepaalde moleculen reageert; het lichaam gebruikt de hoge selectiviteit van antilichamen om bacteriën en andere ziekteverwekkers te herkennen en te neutraliseren.

Ervoor zorgen dat de combinatie van verschillende soorten nanodeeltjes en antilichamen het mogelijk maakt om verschillende soorten logische bewerkingen uit te voeren, de onderzoekers toonden aan dat kankercellen ook specifiek kunnen worden gericht. Het team verkreeg niet alleen nanodeeltjes die aan bepaalde soorten cellen kunnen binden, maar deeltjes die doelcellen zoeken wanneer aan beide twee verschillende voorwaarden is voldaan, of wanneer twee verschillende moleculen aanwezig of afwezig zijn. Deze extra controle kan van pas komen voor een nauwkeurigere vernietiging van kankercellen met minimale impact op gezonde weefsels en organen.

Maxim Nikitin zei dat hoewel dit een even kleine stap is in de richting van het creëren van efficiënte nanobiorobots, dit wetenschapsgebied is zeer interessant en biedt geweldige vergezichten voor verder onderzoek, als men een analogie trekt tussen de eerste werken bij de creatie van nanobiocomputers en de creatie van de eerste diodes en transistors, wat resulteerde in de snelle ontwikkeling van computertechnologie.