Investigadores del Instituto de Física General de la Academia de Ciencias de Rusia, el Instituto de Química Bioorgánica de la Academia de Ciencias de Rusia y el MIPT han dado un paso importante hacia la creación de nanorobots médicos. Descubrieron una forma de permitir que las nanopartículas y micropartículas produzcan cálculos lógicos utilizando una variedad de reacciones bioquímicas.

Los detalles de su proyecto de investigación se dan en la revista. Nanotecnología de la naturaleza . Es la primera publicación experimental de un equipo exclusivamente ruso en una de las revistas científicas más citadas en muchos años.

El artículo se basa en la idea de calcular utilizando biomoléculas. En circuitos electrónicos, por ejemplo, Los conectores lógicos usan corriente o voltaje (si hay voltaje, el resultado es 1, si no hay ninguno, es 0). En los sistemas bioquímicos, el resultado puede ser una sustancia determinada.

Por ejemplo, Las técnicas modernas de bioingeniería permiten hacer que una célula se ilumine con diferentes colores o incluso programarla para que muera. vinculando el inicio de la apoptosis al resultado de operaciones binarias.

Muchos científicos creen que las operaciones lógicas dentro de las células o en sistemas biomoleculares artificiales son una forma de controlar los procesos biológicos y crear micro y nano-robots completos. que puede, por ejemplo, entregar los medicamentos a tiempo en los tejidos donde se necesitan.

Cálculos utilizando biomoléculas dentro de las células, también conocido como biocomputación, son una rama de la ciencia muy prometedora y de rápido desarrollo, según el autor principal del estudio, Maxim Nikitin, Graduado en 2010 del Departamento de Física Médica y Biológica del MIPT. La biocomputación utiliza mecanismos celulares naturales. Es mucho más difícil sin embargo, hacer cálculos fuera de las celdas, donde no existen estructuras naturales que puedan ayudar a realizar los cálculos. El nuevo estudio se centra específicamente en la biocomputación extracelular.

El estudio allana el camino para una serie de tecnologías biomédicas y difiere significativamente de trabajos anteriores en biocomputación. que se centran tanto en el exterior como en el interior de las células. Científicos de todo el mundo han estado investigando operaciones binarias en el ADN, ARN y proteínas desde hace más de una década, pero Maxim Nikitin fue el primero en proponer y confirmar experimentalmente una forma de implementar todas las operaciones lógicas utilizando nanopartículas y micropartículas, que es importante no solo para la informática como tal, pero también para controlar el comportamiento biomédico de nanopartículas. En el futuro, esto permitirá la unión selectiva a una célula diana y la creación de una nueva plataforma para analizar sangre y otros materiales biológicos.

El prefijo "nano" en este caso no es una moda pasajera ni una mera formalidad. Una disminución en el tamaño de las partículas a veces conduce a cambios drásticos en las propiedades físicas y químicas de una sustancia. Cuanto menor sea el tamaño, cuanto mayor sea la reactividad; partículas semiconductoras muy pequeñas, por ejemplo, puede producir luz fluorescente. El nuevo proyecto de investigación utilizó nanopartículas (es decir, partículas de 100 nm) y micropartículas (3000 nm o 3 micrómetros).

Las nanopartículas se recubrieron con una capa especial, que "se desintegró" de diferentes maneras cuando se exponen a diferentes combinaciones de señales. Una señal aquí es la interacción de nanopartículas con una sustancia en particular. Por ejemplo, para implementar la operación lógica "Y", se recubrió una nanopartícula esférica con una capa de moléculas, que sostenía una capa de esferas de menor diámetro a su alrededor. Las moléculas que sostienen la capa exterior eran de dos tipos, cada tipo reacciona solo a una señal particular; cuando entran en contacto con dos sustancias diferentes, pequeñas esferas se separan de la superficie de una nanopartícula de mayor diámetro. La eliminación de la capa exterior expuso las partes activas de la partícula interior, y luego pudo interactuar con su objetivo. Por lo tanto, el equipo obtuvo una señal en respuesta a dos señales.

Para unir nanopartículas, los investigadores seleccionaron anticuerpos. Esto también distingue su proyecto de una serie de estudios previos en biocomputación, que usaba ADN o ARN para operaciones lógicas. Estas proteínas naturales del sistema inmunológico tienen una pequeña región activa, que responde solo a ciertas moléculas; el cuerpo utiliza la alta selectividad de los anticuerpos para reconocer y neutralizar bacterias y otros patógenos.

Asegurándose de que la combinación de diferentes tipos de nanopartículas y anticuerpos permita implementar varios tipos de operaciones lógicas, los investigadores demostraron que las células cancerosas también se pueden atacar específicamente. El equipo obtuvo no solo nanopartículas que pueden unirse a ciertos tipos de células, pero partículas que buscan células objetivo cuando se cumplen dos condiciones diferentes, o cuando dos moléculas diferentes están presentes o ausentes. Este control adicional puede resultar útil para una destrucción más precisa de las células cancerosas con un impacto mínimo en los tejidos y órganos sanos.

Maxim Nikitin dijo que aunque este es un paso más hacia la creación de nanobiorobots eficientes, esta área de la ciencia es muy interesante y abre grandes perspectivas para futuras investigaciones, si se hace una analogía entre los primeros trabajos en la creación de nanobiocomputadoras y la creación de los primeros diodos y transistores, lo que resultó en el rápido desarrollo de la tecnología informática.