Ricercatori dell'Istituto di Fisica Generale dell'Accademia Russa delle Scienze, l'Istituto di Chimica Bioorganica dell'Accademia Russa delle Scienze e il MIPT hanno compiuto un passo importante verso la creazione di nanorobot medici. Hanno scoperto un modo per consentire alle nanoparticelle e alle microparticelle di produrre calcoli logici utilizzando una varietà di reazioni biochimiche.

I dettagli del loro progetto di ricerca sono riportati nella rivista Nanotecnologia della natura . È la prima pubblicazione sperimentale di un team esclusivamente russo su una delle riviste scientifiche più citate da molti anni.

Il documento si basa sull'idea di calcolare utilizzando biomolecole. Nei circuiti elettronici, ad esempio, i connettivi logici usano corrente o tensione (se c'è tensione, il risultato è 1, se non ce n'è, è 0). Nei sistemi biochimici, il risultato può una data sostanza.

Per esempio, le moderne tecniche di bioingegneria consentono di far illuminare una cellula con colori diversi o addirittura di programmarla per morire, collegando l'inizio dell'apoptosi al risultato di operazioni binarie.

Molti scienziati ritengono che le operazioni logiche all'interno delle cellule o in sistemi biomolecolari artificiali siano un modo per controllare i processi biologici e creare micro e nano-robot a tutti gli effetti, quale può, Per esempio, consegnare i farmaci nei tempi previsti a quei tessuti dove sono necessari.

Calcoli che utilizzano biomolecole all'interno delle cellule, alias bioinformatica, sono una branca della scienza molto promettente e in rapido sviluppo, secondo l'autore principale dello studio, Maxim Nikitin, laureato nel 2010 presso il Dipartimento di Fisica Biologica e Medica del MIPT. Il bioinformatica utilizza meccanismi cellulari naturali. È molto più difficile, però, per fare calcoli fuori dalle celle, dove non ci sono strutture naturali che potrebbero aiutare a eseguire calcoli. Il nuovo studio si concentra specificamente sul biocomputing extracellulare.

Lo studio apre la strada a una serie di tecnologie biomediche e differisce significativamente dai lavori precedenti nel campo del bioinformatica, che si concentrano sia sull'esterno che sull'interno delle cellule. Scienziati di tutto il mondo hanno studiato le operazioni binarie nel DNA, RNA e proteine ​​da oltre un decennio, ma Maxim Nikitin è stato il primo a proporre e confermare sperimentalmente un modo per implementare tutte le operazioni logiche utilizzando nano e microparticelle, che è importante non solo per l'informatica in quanto tale, ma anche per controllare il comportamento biomedico delle nanoparticelle. Nel futuro, ciò consentirà il legame selettivo a una cellula bersaglio e la creazione di una nuova piattaforma per analizzare il sangue e altri materiali biologici.

Il prefisso "nano" in questo caso non è una moda passeggera o una mera formalità. Una diminuzione della dimensione delle particelle a volte porta a drastici cambiamenti nelle proprietà fisiche e chimiche di una sostanza. Più piccola è la dimensione, maggiore è la reattività; particelle di semiconduttore molto piccole, Per esempio, può produrre luce fluorescente. Il nuovo progetto di ricerca ha utilizzato nanoparticelle (cioè particelle di 100 nm) e microparticelle (3000 nm o 3 micrometri).

Le nanoparticelle sono state rivestite con uno strato speciale, che "si è disintegrato" in modi diversi quando esposto a diverse combinazioni di segnali. Un segnale qui è l'interazione delle nanoparticelle con una particolare sostanza. Per esempio, per implementare l'operazione logica "AND" una nanoparticella sferica è stata rivestita con uno strato di molecole, che conteneva uno strato di sfere di diametro minore attorno ad esso. Le molecole che tengono il guscio esterno erano di due tipi, ogni tipo reagisce solo a un segnale particolare; a contatto con due diverse sostanze piccole sfere si separano dalla superficie di una nanoparticella di diametro maggiore. La rimozione dello strato esterno ha esposto le parti attive della particella interna, ed è stato quindi in grado di interagire con il suo obiettivo. Così, il team ha ottenuto un segnale in risposta a due segnali.

Per l'incollaggio di nanoparticelle, i ricercatori hanno selezionato gli anticorpi. Ciò distingue anche il loro progetto da una serie di studi precedenti in bioinformatica, che usava DNA o RNA per operazioni logiche. Queste proteine ​​naturali del sistema immunitario hanno una piccola regione attiva, che risponde solo a determinate molecole; il corpo utilizza l'elevata selettività degli anticorpi per riconoscere e neutralizzare batteri e altri agenti patogeni.

Fare in modo che la combinazione di diversi tipi di nanoparticelle e anticorpi permetta di attuare vari tipi di operazioni logiche, i ricercatori hanno dimostrato che anche le cellule cancerose possono essere mirate in modo specifico. Il team ha ottenuto non semplicemente nanoparticelle che possono legarsi a determinati tipi di cellule, ma particelle che cercano cellule bersaglio quando sono soddisfatte entrambe le due diverse condizioni, o quando sono presenti o assenti due molecole diverse. Questo controllo aggiuntivo può tornare utile per una distruzione più accurata delle cellule tumorali con un impatto minimo su tessuti e organi sani.

Maxim Nikitin ha affermato che sebbene questo sia un passo altrettanto breve verso la creazione di nanobiorobot efficienti, questa area della scienza è molto interessante e apre grandi prospettive per ulteriori ricerche, se si traccia un'analogia tra i primi lavori nella creazione di nanobiocomputer e la creazione dei primi diodi e transistor, che ha portato al rapido sviluppo della tecnologia informatica.