Нанотехнологии в биологии – относительно новая область исследований, но интерес к ней стремительно растет. Какие же самые интересные примеры применения нанотехнологий в этой области?
Прогресс науки и техники часто характеризуется сосредоточением внимания на сжатии технологии во все меньшие и меньшие сущности. Компьютеры превратились из великанов, которые заполняли целые комнаты, в машины меньше рисового зерна. Во многом за нанотехнологиями будущее науки.
Что такое биотехнология: раскрытие потенциала
Что такое нанотехнологии и нанотехнологии в биологии?
Нанотехнология – это область науки, которая занимается технологиями в нанометровом масштабе. В перспективе человеческий волос может иметь ширину около 100 000 нанометров.
С момента своего основания нанотехнологии проникли в несколько сфер и нашли там применение. Это, в частности, сфера ИТ, производство энергии, медицина и биология.
Нанотехнологии в биологии – относительно новая область исследований, но интерес к ней стремительно растет. Эта дисциплина, которая также называется нанобиотехнологией, бионанотехнологией или нанобиологией, охватывает широкую сферу исследований и разработок технологий.
Одним из заметных факторов является то, что это помогает проводить биологические исследования на молекулярном и клеточном уровнях.
Применение нанотехнологий в биологии
Когда мы говорим о биологии, мы имеем в виду различные области, такие как ботаника, сельское хозяйство, медицина, производство продуктов питания и тому подобное. Наномедицина представляет особый интерес из-за потенциала нанотехнологий помочь бороться или даже вылечить болезни, которые ранее считались неизлечимыми.
Сферы применения нанотехнологий в биологии очень широки. Вот несколько особенно интересных примеров как нанотехнологии в биологии могут быть полезными.
Генотерапия и ее перспективы: презентация медицины будущего
Генная инженерия
Генная инженерия вносит изменения в организм путем добавления, удаления или редактирования гена.
Генетическое редактирование используется для устранения нежелательных характеристик человека, включая деформации и склонность к болезням, или для улучшения желаемых характеристик. Нанотехнологии открывают двери для возможностей реализации этих фантастических идей.
Генная инженерия растений: редактирование генов в растениях с применением нанотехнологий уже проводится для улучшения производства, устойчивости к болезням и эффективности потребления ресурсов.
Генная инженерия человека: эксперименты по редактированию человеческих генов также с энтузиазмом проводят исследователи. Наночастицы можно использовать, чтобы выключить или изменить определенные гены, ответственные за неблагоприятные характеристики, тем самым снижая риск заболеваний.
Недавний эксперимент показал использование наночастиц для успешного редактирования генов в печени для снижения уровня холестерина в крови. Другая команда показала, как наночастицы могут успешно выключать гены в костном мозге, что может быть полезно при лечении сердечных заболеваний или дефицита стволовых клеток.
Замена вирусных векторов: редактирование генов на основе наночастиц также может быть лучшей альтернативой дорогостоящему методу использования вирусов для этого.
Использование ДНК в нанотехнологиях. Существуют даже исследования по использованию генетического материала для создания устройств наноразмера.
Доставка лекарств
Наносистемы доставки лекарств, пожалуй, являются одним из известных применений нанотехнологий в биологии. Эти системы необходимы, поскольку подход грубой силы к доставке лекарств имеет несколько недостатков – высокие показатели побочных эффектов из-за воздействия лекарств на нежелательные части тела, а также плохую биодоступность и низкую растворимость химических компонентов.
Наночастицы можно использовать как точную и контролируемую систему доставки лекарств. Они действуют как носители и доставляют правильные дозы в нужное место, предоставляя прежде всего следующие преимущества:
- Помогает избежать введения повторных доз препарата за счет лучшего удержания и увеличения количества лекарства, поглощаемого системой.
- Наркотики также могут транспортироваться через барьеры в организме, которые естественно трудно проникнуть. Это называется эффектом повышенной проницаемости и удержания (EPR).
- Лекарства, имеющие плохую растворимость в воде, могут всасываться эффективнее при целенаправленном введении.
- Доставка лекарств исключительно к больным клеткам уменьшает или даже устраняет обратные побочные эффекты, которые препарат может иметь на здоровые органы и ткани.
Выявление, диагностика и отображение
Диагностика заболеваний на ранней стадии оказалась долговременной проблемой для исследователей. Современные диагностические методы в основном сосредоточены на выявлении биомаркеров в организме и определении взаимосвязей между ними и прогрессированием заболевания.
Чувствительность наноустройств может быть использована для высокоточных и точных диагнозов с помощью неинвазивных методов.
Такие технологии, как биоштрих-коды на основе наночастиц, можно использовать для ультрачувствительного обнаружения, что позволяет обнаруживать очень малую концентрацию компонентов, таких как белки, тем самым повышая шансы на раннее выявление и диагностику заболеваний.
Нанотехнологии также могут помочь проложить путь к персонализированной медицине, где учитываются уникальные характеристики человека для формулирования более эффективных методов лечения.
Нанотехнологии также находят применение в нейронауке, и возможно неинвазивно отобразить детальную работу мозга до такой степени, которая никогда еще не была достигнута.
Секвенирование ДНК в реальном времени также может быть вскоре возможным с помощью нанотехнологий, с новой технологией, называемой секвенированием нанопор.
Лечение рака
Многие варианты лечения рака, которому способствуют наночастицы, являются расширением упомянутых выше возможностей по целевой доставки лекарств, ранней диагностики, картирования и маркировки опухолей и тому подобное.
Химиотерапия может быть направлена и предоставлена только на раковые клетки, тем самым резко повышая эффективность лечения и уменьшая побочные эффекты, связанные с ней.
Недавно ученые провели успешные эксперименты, чтобы показать, что уровень выживаемости при раке кишечника может быть улучшен с помощью такой целенаправленной химиотерапии.
Использование нанотехнологий для проведения иммунотерапии также оказалось успешным у пациентов. Увеличение лучевой терапии, а также генетические модификации для предотвращения рака также являются одними из направлений, которые исследуются.
Нанотехнологии можно использовать для более точной диагностики рака на ранних стадиях, что имеет решающее значение для повышения уровня выживаемости. Новые молекулярные контрастные вещества и другие материалы, использующие нанотехнологии, делают это возможным, а также дают возможность непрерывного мониторинга лечения и картографирования прогресса.
Недавняя разработка даже успешно производила золото внутри раковых клеток. Нам это может показаться странным, но исследователи определили возможные новаторские клинические применения для этого.
Нанотехнологии в биологии: сельское хозяйство
Нанотехнологии могут использоваться и используются многими способами для улучшения сельскохозяйственного производства.
Пестициды и удобрения: нанотехнологии были исследованы как средство поощрения устойчивых форм сельского хозяйства. Было обнаружено, что пестициды и удобрения на основе наноформирований имеют незначительную токсичность или вообще не имеют токсичности, а также улучшают результаты урожайности.
Нанофунгициды и наноинсектициды также имеют значительный потенциал. Системы доставки, основанные на нанотехнологиях, также оказались полезными, уменьшая отходы.
Обнаружение: было обнаружено, что наночастицы полезны для обнаружения токсинов в почве, а также для обнаружения и диагностики болезней сельскохозяйственных культур.
Генная инженерия растений: индивидуальные преимущества, такие как лучший урожай, могут быть вызваны сельскохозяйственными культурами с помощью генной инженерии, как указано выше.
Выявление патогенов: чувствительность наноустройств может быть использована для быстрого, экономического и эффективного выявления фитопатогенов, тем самым уменьшая вероятность масштабного уничтожения посевов.
Животноводство: нанотехнологии используются для лучших результатов разведения, мониторинга и улучшения здоровья животных, а также для лучшего производства.
Переработка пищевых продуктов: с помощью нанотехнологий можно разработать лучшие упаковочные материалы, которые имеют антимикробные и другие качества.
Наномедицина против COVID-19
Исследователи со всего мира круглосуточно работают над предотвращением и контролем пандемии коронавируса, и нанотехнологии играют важную роль.
Разработка вакцины: вакцины на основе мРНК Pfizer можно использовать на основе наночастиц. Наночастицы могут нацеливаться на клетки, являющиеся частью иммунной системы, для лучшей доставки.
Лечение: существует большой потенциал использования нанотехнологий для повышения эффективности лечения COVID-19. Изготовление наночастиц с желаемыми характеристиками может привести к лечению с меньшей токсичностью, а следовательно, с меньшими неблагоприятными эффектами и более быстрыми результатами.
Диагностика: наночастицы можно использовать для эффективной диагностики COVID-19 без использования дорогостоящего оборудования.
Все еще проводятся исследования по полной реализации возможного вклада нанотехнологий в борьбу с COVID-19, но, безусловно, потенциал стоит внимания.
Нанотехнологии в биологии: будущее
Нанотехнологии вполне могут быть ответом на все, начиная от лечения рака и заканчивая раскрытием и манипулированием секретами генома, но впереди еще долгий путь, прежде чем его потенциал будет полностью реализован. Широкое использование нанотехнологий в биологии означало бы выяснить, как преодолеть несколько барьеров.
Одним из них является отсутствие экономичного метода крупномасштабного производства наночастиц и материалов, что существенно ограничивает сферу применения нанотехнологий. Другой заключается в том, что, как и любая новая технология, которая влияет на здоровье и жизнь людей, необходимо провести тщательное тестирование, прежде чем начать реальную работу.
Существуют этические проблемы, связанные с нанотехнологиями, такие как отсутствие понимания возможной токсичности и экологические проблемы наноматериалов. С распространением нанотехнологий в аграрном секторе также существует потенциал крупномасштабной потери рабочих мест. Потенциал нанотехнологий для генной инженерии также создает этические дилеммы.
Для преодоления этих проблем потребуется время, но мы можем быть уверены в том, что нанореволюция продолжается, и ее невозможно остановить.
Источник: www.analyticssteps.com/
