Beregninger med smarte partikler i nanoskala

Forskere fra Institut for Generel Fysik ved Det Russiske Videnskabsakademi, Institut for Bioorganisk Kemi ved Det Russiske Videnskabsakademi og MIPT har taget et vigtigt skridt hen imod at skabe medicinske nanorobotter. De opdagede en måde at gøre det muligt for nano- og mikropartikler at producere logiske beregninger ved hjælp af en række biokemiske reaktioner.

Detaljer om deres forskningsprojekt er givet i tidsskriftet Natur nanoteknologi . Det er den første eksperimentelle publikation af et udelukkende russisk hold i et af de mest citerede videnskabelige magasiner i mange år.

Papiret trækker på ideen om at computere ved hjælp af biomolekyler. I elektroniske kredsløb, for eksempel, logiske forbindelser bruger strøm eller spænding (hvis der er spænding, resultatet er 1, hvis der ikke er nogen, det er 0). I biokemiske systemer, resultatet kan et givet stof.

For eksempel, moderne bioteknologiske teknikker gør det muligt at få en celle til at lyse med forskellige farver eller endda programmere den til at dø, forbinder initieringen af ​​apoptose med resultatet af binære operationer.

Mange forskere mener, at logiske operationer inde i celler eller i kunstige biomolekylære systemer er en måde at kontrollere biologiske processer og skabe fuldgyldige mikro- og nano-robotter, der kan, for eksempel, levere lægemidler efter tidsplan til de væv, hvor de er nødvendige.

Beregninger ved hjælp af biomolekyler inde i celler, a.k.a. biocomputing, er en meget lovende og hurtigt udviklende gren af ​​videnskaben, ifølge den førende forfatter af undersøgelsen, Maxim Nikitin, en 2010 kandidat fra MIPT's Institut for Biologisk og Medicinsk Fysik. Biocomputing bruger naturlige cellulære mekanismer. Det er langt sværere, imidlertid, at lave beregninger uden for celler, hvor der ikke er naturlige strukturer, der kan hjælpe med at udføre beregninger. Den nye undersøgelse fokuserer specifikt på ekstracellulær biocomputing.

Undersøgelsen baner vejen for en række biomedicinske teknologier og adskiller sig væsentligt fra tidligere værker inden for biocomputing, som fokuserer på både ydersiden og indersiden af ​​celler. Forskere fra hele kloden har forsket i binære operationer i DNA, RNA og proteiner i over et årti nu, men Maxim Nikitin var den første til at foreslå og eksperimentelt bekræfte en måde at implementere alle logiske operationer ved hjælp af nano- og mikropartikler, hvilket ikke kun er vigtigt for databehandling som sådan, men også til at kontrollere nanopartiklers biomedicinske adfærd. I fremtiden, dette vil give mulighed for selektiv binding til en målcelle og for at skabe en ny platform til at analysere blod og andre biologiske materialer.

Præfikset "nano" i dette tilfælde er ikke en modefænomen eller en ren formalitet. Et fald i partikelstørrelsen fører nogle gange til drastiske ændringer i et stofs fysiske og kemiske egenskaber. Jo mindre størrelse, jo større reaktivitet; meget små halvlederpartikler, for eksempel, kan producere fluorescerende lys. Det nye forskningsprojekt brugte nanopartikler (dvs. partikler på 100 nm) og mikropartikler (3000 nm eller 3 mikrometer).

Nanopartikler blev belagt med et specielt lag, som "opløste" på forskellige måder, når de blev udsat for forskellige kombinationer af signaler. Et signal her er vekselvirkningen mellem nanopartikler og et bestemt stof. For eksempel, for at implementere den logiske operation "OG" blev en sfærisk nanopartikel belagt med et lag af molekyler, som holdt et lag af kugler med en mindre diameter omkring sig. Molekylerne, der holdt den ydre skal, var af to typer, hver type reagerer kun på et bestemt signal; når de er i kontakt med to forskellige stoffer, adskilles små kugler fra overfladen af ​​en nanopartikel med en større diameter. Fjernelse af det ydre lag eksponerede de aktive dele af den indre partikel, og det var derefter i stand til at interagere med sit mål. Dermed, holdet opnåede et signal som svar på to signaler.

Til binding af nanopartikler, forskerne udvalgte antistoffer. Dette adskiller også deres projekt fra en række tidligere studier i biocomputing, som brugte DNA eller RNA til logiske operationer. Disse naturlige proteiner i immunsystemet har en lille aktiv region, som kun reagerer på visse molekyler; kroppen bruger antistoffernes høje selektivitet til at genkende og neutralisere bakterier og andre patogener.

At sikre, at kombinationen af ​​forskellige typer nanopartikler og antistoffer gør det muligt at implementere forskellige former for logiske operationer, forskerne viste, at kræftceller også kan målrettes specifikt. Holdet opnåede ikke blot nanopartikler, der kan binde sig til visse typer celler, men partikler, der leder efter målceller, når begge to forskellige betingelser er opfyldt, eller når to forskellige molekyler er til stede eller fraværende. Denne ekstra kontrol kan være nyttig for mere nøjagtig ødelæggelse af kræftceller med minimal indvirkning på sunde væv og organer.

Maxim Nikitin sagde, at selvom dette er lige så stor et skridt i retning af at skabe effektive nanobiorobotter, dette videnskabsområde er meget interessant og åbner store udsigter for yderligere forskning, hvis man drager en analogi mellem de første værker i skabelsen af ​​nanobiocomputere og skabelsen af ​​de første dioder og transistorer, hvilket resulterede i den hastige udvikling af computerteknologi.