Forskare från Institutet för allmän fysik vid Ryska vetenskapsakademin, Institutet för bioorganisk kemi vid den ryska vetenskapsakademin och MIPT har tagit ett viktigt steg mot att skapa medicinska nanorobotar. De upptäckte ett sätt att göra det möjligt för nano- och mikropartiklar att producera logiska beräkningar med hjälp av en mängd olika biokemiska reaktioner.

Detaljer om deras forskningsprojekt ges i tidskriften Naturens nanoteknik . Det är den första experimentella publikationen av ett exklusivt ryskt team i en av de mest citerade vetenskapliga tidskrifterna på många år.

Uppsatsen bygger på idén om att använda biomolekyler. I elektroniska kretsar, till exempel, logiska anslutningar använder ström eller spänning (om det finns spänning, resultatet är 1, om det inte finns någon, det är 0). I biokemiska system, resultatet kan ett givet ämne.

Till exempel, modern bioteknik gör det möjligt att få en cell att lysa upp med olika färger eller till och med programmera den att dö, kopplar initieringen av apoptos till resultatet av binära operationer.

Många forskare tror att logiska operationer inuti celler eller i artificiella biomolekylära system är ett sätt att kontrollera biologiska processer och skapa fullfjädrade mikro- och nanorobotar, som kan, till exempel, leverera läkemedel enligt tidtabell till de vävnader där de behövs.

Beräkningar med biomolekyler inuti celler, a.k.a. biodatorer, är en mycket lovande och snabbt växande vetenskapsgren, enligt den ledande författaren av studien, Maxim Nikitin, en 2010 examen från MIPT:s institution för biologisk och medicinsk fysik. Biocomputing använder naturliga cellulära mekanismer. Det är mycket svårare, dock, att göra beräkningar utanför celler, där det inte finns några naturliga strukturer som kan hjälpa till att utföra beräkningar. Den nya studien fokuserar specifikt på extracellulär bioberäkning.

Studien banar väg för ett antal biomedicinska teknologier och skiljer sig väsentligt från tidigare arbeten inom biodatorer, som fokuserar på både utsidan och insidan av celler. Forskare från hela världen har forskat på binära operationer i DNA, RNA och proteiner i över ett decennium nu, men Maxim Nikitin var den första som föreslog och experimentellt bekräftade ett sätt att implementera alla logiska operationer med hjälp av nano- och mikropartiklar, vilket är viktigt inte bara för datoranvändning som sådan, men också för att kontrollera nanopartiklars biomedicinska beteende. I framtiden, detta kommer att möjliggöra selektiv bindning till en målcell och för att skapa en ny plattform för att analysera blod och andra biologiska material.

Prefixet "nano" i det här fallet är inte en modefluga eller en ren formalitet. En minskning av partikelstorleken leder ibland till drastiska förändringar i ett ämnes fysikaliska och kemiska egenskaper. Ju mindre storlek, desto större reaktivitet; mycket små halvledarpartiklar, till exempel, kan producera fluorescerande ljus. Det nya forskningsprojektet använde nanopartiklar (dvs. partiklar på 100 nm) och mikropartiklar (3000 nm eller 3 mikrometer).

Nanopartiklar belades med ett speciellt lager, som "upplöstes" på olika sätt när de utsattes för olika kombinationer av signaler. En signal här är interaktionen mellan nanopartiklar och ett visst ämne. Till exempel, för att implementera den logiska operationen "OCH" belades en sfärisk nanopartikel med ett lager av molekyler, som höll ett lager av sfärer med mindre diameter runt sig. Molekylerna som höll det yttre skalet var av två typer, varje typ reagerar endast på en speciell signal; vid kontakt med två olika ämnen separerade små sfärer från ytan av en nanopartikel med större diameter. Att ta bort det yttre lagret exponerade de aktiva delarna av den inre partikeln, och det kunde sedan interagera med sitt mål. Således, laget fick en signal som svar på två signaler.

För att binda nanopartiklar, forskarna valde ut antikroppar. Detta skiljer också deras projekt från ett antal tidigare studier inom biodatorer, som använde DNA eller RNA för logiska operationer. Dessa naturliga proteiner i immunsystemet har en liten aktiv region, som endast svarar på vissa molekyler; kroppen använder den höga selektiviteten hos antikroppar för att känna igen och neutralisera bakterier och andra patogener.

Att se till att kombinationen av olika typer av nanopartiklar och antikroppar gör det möjligt att implementera olika typer av logiska operationer, forskarna visade att cancerceller också kan riktas specifikt mot. Teamet fick inte bara nanopartiklar som kan binda till vissa typer av celler, men partiklar som letar efter målceller när båda två olika villkor är uppfyllda, eller när två olika molekyler är närvarande eller frånvarande. Denna extra kontroll kan komma väl till pass för mer exakt destruktion av cancerceller med minimal påverkan på friska vävnader och organ.

Maxim Nikitin sa att även om detta är ett lika stort steg mot att skapa effektiva nanobiorobotar, detta vetenskapsområde är mycket intressant och öppnar fantastiska vyer för vidare forskning, om man drar en analogi mellan de första verken i skapandet av nanobiodatorer och skapandet av de första dioderna och transistorerna, vilket resulterade i den snabba utvecklingen av datateknik.