У меня было несколько встреч с биологом доктором. Рут Эспуни и ее исследовательская группа в последние дни предупредили меня об этой статье, которая очень хорошо объясняет липидные везикулы, которые я называю строительными площадками. Здесь я размещаю соответствующие разделы статьи и делюсь подтверждающими изображениями из моего собственного и других исследований.
У меня было несколько встреч с биологом доктором. Рут Эспуни и ее исследовательская группа в последние дни предупредили меня об этой статье, которая очень хорошо объясняет липидные везикулы, которые я называю строительны
Молекулярные роботы на основе липидных везикул
Молекулярный робот, представляющий собой систему, состоящую из одной или нескольких молекулярных машин и компьютеров, может выполнять сложные задачи во многих областях, от наномедицины до зеленых нанотехнологий. Основные части молекулярных роботов довольно последовательны от системы к системе и всегда включают в себя (i) тело для инкапсуляции молекулярных машин, (ii) датчики для захвата сигналов, (iii) компьютеры для принятия решений и (iv) исполнительные механизмы для выполнения задач. Целью данного обзора является предоставление обзора подходов и соображений по разработке молекулярных роботов. Сначала мы представляем базовые технологии, необходимые для создания основных частей молекулярных роботов, описываем недавний прогресс в достижении более высокой функциональности, а затем обсуждаем текущие проблемы и перспективы. Мы также подчеркиваем применение молекулярных роботов для обнаружения биомаркеров, связи сигналов с живыми клетками и преобразования энергии. Хотя молекулярные роботы все еще находятся в зачаточном состоянии, они, несомненно, инициируют масштабные изменения в биомедицинских и экологических технологиях в не столь отдаленном будущем.
Эта историческая перспектива отвечает на вопрос, который меня часто задают относительно того, как эта нанотехнология самосборки может быть продвинута до сих пор. Как вы можете прочитать здесь, это потому, что ученые работали над этим последние 40 лет.
За последние 40 лет эта революция привела к появлению нового поколения машин меньших размеров, расширяющих границы применения. В области органической химии о прорывном молекулярном катенане с двумя взаимосвязанными кольцами сообщил Жан-Пьер Соваж в начале 1980-х годов,1 впоследствии вдохновив других ученых на разработку машин молекулярного масштаба со сложными функциями, таких как ротаксаны2 моторы,3 и наноавтомобили.4 В 2016 году три пионера молекулярных машин были удостоены Нобелевской премии по химии, что отражает признание широкого влияния молекулярных машин.
Здесь объясняют, что эти роботы имитируют процессы природы.
Концепция молекулярных машин мотивировала исследовательскую деятельность в новой области под названием “молекулярных роботов”.5 Согласно Кембриджскому словарю, робот - это “машина, управляемая компьютером, которая используется для автоматического выполнения заданий”. Согласно этому определению, молекулярный робот - это система, состоящая из машин и компьютеров молекулярного масштаба, которые используются для автоматического выполнения задач. Живую клетку можно было бы рассматривать как одного из таких чудесных роботов, произведенных природой. Поскольку ДНК служит компьютерами для предоставления решений, а белки работают как машины для выполнения определенных функций, живая клетка выполняет сложные задачи, независимые от человеческого контроля. Взяв вдохновение из живых клеток, конечная цель области молекулярных роботов - искусственно построить автоматизированную систему, способную решать проблемы на молекулярном уровне с помощью молекулярных машин и компьютеров
Везикулярная мембрана сначала представляла собой гидрогель, затем использовали липиды.
Изображение: Везикулы в COVID19 невакцинированной крови левый верхний Увеличение 200x, правый верхний 400x. Левые нижние везикулы в инъекции Pfizer BioNTech COVID19 без крышки предметного стекла. Увеличение 2000x. Справа ниже с клевером скольжения показаны двойная стенка и микророботы внутри. Увеличение 2000х. АМ Медикал
Молекулярный робот всегда включает в себя некоторые или все из следующих элементов: корпус, датчики, компьютеры и исполнительные механизмы (Фиг. 1). Пионеры в этой области применили гидрогели в качестве тела молекулярных роботов5 однако отсутствие барьера между заделками и окружающей средой может привести к нежелательной утечке. Липидные везикулы, состоящие из липидных мембран, отделяющих внутренний просвет от внешнего раствора, представляют собой альтернативу, которая могла бы полностью решить эту проблему. Размер липидных везикул можно подобрать от нано - до микрометра в диаметре. Для молекулярных роботов везикулы микроразмера, так называемые гигантские однослойные везикулы (GUV), более желательны из-за потребности в достаточном внутреннем объеме для размещения датчиков, компьютеров и исполнительных механизмов.8,9 Молекулярным роботам требуются датчики для обнаружения сигналов в окружающей среде. Этого можно достичь с помощью ионных каналов или нанопор, которые пробивают отверстия в липидных мембранах.
Изображение: микроскопия инъекции Moderna COVID19 в Брайтфилде. Медицинский технолог, лот 042H22A, предоставлено доктором Рустом Эспуни
Вы можете увидеть эти нанопоры на изображениях выше. Для тех, кто утверждает, что мы не видим наномасштаба, позвольте мне напомнить вам, что эта технология самособирается и что мы очень хорошо видим микромасштаб. Большое исходит от маленького, и я показал, как самоповторение этих сферических роботов работает в залитой крови, вспомните эту микроскопию: (Я показал видео в этом интервью
Видеозапись вы можете увидеть в этом интервью на репортаже SGT:
КРАСНОЕ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: ОНО В НАШЕЙ КРОВИ! -- Доктор. Ана Михалча
Изображение: Бальзамированная кровь, полученная от бальзамировщика Ричарда Хиршмана умершего человека, показывает самовоспроизводящиеся везикулы, содержащие микророботов. Увеличение 400x AM Медицинский
Нанопоры могут действовать как сигнальный фильтр, избирательно транспортируя молекулярные сигналы в зависимости от их размера или заряда. Как только сигналы транспортируются, их можно обрабатывать и транслировать с помощью молекулярного вычислительного оборудования. ДНК-вычисления, впервые разработанные Л. Адлеман в 1994 году, в последние десятилетия он превратился в компьютеры, применимые в молекулярных роботах, благодаря их способности выполнять несколько параллельных вычислений. Альтернативным выбором для вычислительного оборудования является бесклеточный синтез белка (CFPS), обеспечивающий вывод белков in vitro в ответ на ввод ДНК. Актуаторы для молекулярных роботов, к которым относятся наноструктуры ДНК, пептиды, и белки, преобразуйте сигналы для достижения физических движений, таких как деформация или движение.
Объяснен механизм движителя и двигателей.
Хотя в базовой технологии был достигнут постоянный прогресс, исследования прототипирования молекулярных роботов не имеют долгой истории. В 2014 году Нисимура и др. включили CFPS в GUV, а затем в присутствии аминокислот в качестве выходного сигнала провели синтез GFP. В 2017 году Сато и др. разработанные GUV, оснащенные исполнительными механизмами, содержащими муфты ДНК и двигатели микротрубочек. После применения светового облучения сцепление включалось, и форма графических фургонов последовательно менялась. Эти новаторские исследования открывают четкий путь к молекулярным роботам со все более сложными функциями.
Следует отметить, что молекулярные роботы иногда делятся родственными технологиями с областью искусственных клеток. Цель создания искусственных клеток - имитировать функцию живых клеток, в то время как молекулярные роботы придают большое значение разработке инженерных приложений, которые могут помочь людям выполнять задачи в микро- или наноразмерах. Таким образом, существует стремление создать молекулярных роботов с функциями, превосходящими функции живых клеток
Объясняются дополнительные строительные блоки. Обратите внимание, что используются липидные мембраны, полимеры, гидрогели и органические материалы, такие как ДНК. Не поэтому ли во флаконах в сочетании со строительными блоками нанотехнологий была обнаружена ДНК?
Молекулярные роботы обычно требуют инкапсуляции внутри отсека, который действует как граница, отделяя внутреннюю часть от внешней среды. На сегодняшний день используются различные типы компартментов, включая липидные мембраны гидрогели, блок-сополимеры, капли ДНК, и коацерваты, каждый из них предлагает различные преимущества и ограничения. Некоторые исследователи исследовали формирование гибридного шасси путем объединения различных типов отсеков, используя преимущества, связанные с каждой составной частью. Например, системы коацервата или ДНК/гидрогеля, взаимодействующие с липидными мембранами, можно комбинировать для повышения функциональности.
Среди этих типов компартментов липидные везикулы наиболее часто используются по нескольким причинам. Во-первых, они биомиметичны, очень напоминают биологические мембраны с химической и морфологической точки зрения. Эта характеристика позволяет легко внедрять мембраносвязанные молекулярные механизмы, включая мембранные белки, нанопоры и рецепторы, тем самым придавая мембранам определенные функциональные возможности. Например, контролируемый поток молекул груза в ответ на раздражители, которые можно использовать для опосредования ответов в живых клетках.
Обратите внимание, что эти везикулы могут самособираться или разрушаться в тканеподобных структурах - в зависимости от внешних раздражителей. Это согласуется с тем, что мы наблюдали во флаконах с COVID19 в отношении нанотехнологий самосборки и крови. Пожалуйста, вспомните превосходные видео доктора Дэвида Никсона о сборке и разборке микрочипов - вы можете увидеть процесс, обсуждаемый здесь доктором. Никсон, доктор. Шимон Яновиц, инженер Мэтт Тейлор и я. Наноботы, Процесс создания микрочипов в инъекциях C19, новые идеи по сбросу
Кроме того, липидные везикулы химически инертны и высокоэффективны в разделении крупных заряженных молекул из окружающей среды, создавая химически отличную внутреннюю среду. Эта функция позволяет исследователям использовать разнообразие липидных строительных блоков, как синтетических, так и биологических, для создания функциональных мембран с разнообразным поведением. Примеры включают мембраны, способные самособираться в тканеподобные структуры мембраны, которые могут разбираться и собираться заново в ответ на физико-химические сигналы для перетасовки материала между ними, и мембраны, которые высвобождают груз, вызванный светом, колебаниями температуры, магнитными полями или биомаркерами. Такая универсальность открывает, среди прочего, захватывающие возможности для молекулярной робототехники и систем адресной доставки лекарств.
Изображения: везикулы самособирают нити 200х, везикулы заполнены микроботами 400х, везикулы строя хвост нити 100х. АМ Медикал
Везикулы можно классифицировать в первую очередь по их размеру и ламеллярности. GUV имеют диаметр примерно 2 мкм и выше (что делает их везикулами размером с клетку), включающими одну липидную мембрану (в отличие от многослойных луковичных структур, известных как многослойные везикулы). Другие типы везикул включают маленькие и большие однослойные везикулы, которые попадают в субмикронный диапазон размеров, а также многовезикулярные везикулы (мультисомы). Кроме того, были интригующие примеры гибридных структур, в которых везикулы разных типов собираются в более сложные с архитектурной точки зрения конструкции, такие как вложенная или слоистая геометрия. Схема различных архитектур, с помощью которых теперь можно создавать микрофлюидные методы и принципы биомембранной инженерии, показана на рис. 2
Изображение: Невакцинированная кровь от COVID19 разных людей, подвергшихся пролитию. Левая верхняя ткань типа 200x, левый нижний бислой COVID19 Pfizer BioNTech 2000x, нижний средний вложенный 2000x, правый вложенный и многокамерный 400x. Невакцинированная кровь COVID19. АМ Медикал
Датчики молекулярных роботов
В живых клетках мембранные рецепторы, транспортеры и ионные каналы работают как датчики, помогая клеткам реагировать на химические и физические раздражители. Такие функциональные возможности также использовались для реализации сенсорных возможностей молекулярных роботов. В частности, было показано, что нанопоры, образующие стабильные наноразмерные отверстия через липидные мембраны, опосредуют транспорт крупных молекул, позволяя их обнаруживать молекулярным роботам.7 Открытие и закрытие нанопор (затвора) можно регулировать с помощью стимулов окружающей среды (например, pH, свет, температура, осмотическое давление), что еще больше расширяет сенсорные возможности молекулярных роботов. Для сборки нанопор, включая белки, использовались различные материалы60 пептиды,61 ДНК,11 и синтетические материалы.62 В текущем разделе мы в основном сосредоточимся на характеристиках, различиях и недавнем прогрессе сборки нанопор с использованием различных строительных материалов, а также опишем некоторые уникальные подходы, которые вводят мембранные рецепторы в GUV.
Внутри этих везикул существует множество различных транспортных каналов, обеспечивающих пропускную способность информации, и свет является одним из триггеров. Это означает, что молекулярный роботизированный компьютер собирает и обрабатывает информацию, когда мы видим излучение света.
Отношение к внешним раздражителям является еще одной важной функцией синтетических каналов и обеспечит возможность дистанционного управления молекулярными роботами. Свет является одним из наиболее широко используемых стимулов благодаря высокой биосовместимости и простоте пространственно-временного контроля. До сих пор были разработаны светочувствительные синтетические каналы, которые необратимо и обратимо фотоконтролируются, а недавние исследования сосредоточены преимущественно на обратимом фотоконтроле.
Я обсуждал, как процесс самосборки технологии управляется светоизлучающими микророботами/структурами, подобными квантовым точкам. Здесь вы можете увидеть множество различных цветных световых излучений.
Изображение: Невакцинированная кровь от COVID19 разных людей, подвергшихся пролитию. Рой левых микророботов 400х, левый микроробот, излучающий синий свет 2000х,
Компьютеры молекулярных роботов
Молекулярные роботы идут рука об руку с биологическими компьютерами, где биологические компьютеры берут доступные входные данные и преобразуют их в соответствующие выходные данные. Благодаря достижениям в области синтетической химии и биологии молекулы биологического происхождения, такие как ДНК и белки, стали легко доступны, что привело к разработке биологических компьютеров, таких как вычислительные системы ДНК и CFPS
Здесь объясняется, что это настоящий компьютер, плавающий в наших телах, который может вычислять вычисления на замечательных скоростях.
ДНК-вычисления
Благодаря замечательной программируемости молекулярного поведения ДНК, основанной на зависящей от последовательности гибридизации, ферментативных реакциях и реакциях смещения цепи, ДНК-вычисления стали многообещающим кандидатом для вычислительного механизма молекулярных роботов. Возникновение ДНК-вычислений можно проследить до новаторской работы Адлемана: массово-параллельных вычислений с использованием ДНК, созданной искусственно с помощью последовательностей. Он закодировал узлы и пути в задаче гамильтонова пути на различные оцДНК, чтобы выполнить параллельное исследование правильного гамильтонова пути на основе гибридизации. Используя самосборку ДНК, эта методология позволила выполнять крупномасштабные вычисления с низким энергопотреблением. Помимо последующей реализации математических вычислений (задача о выполнимости, задача о максимальной клике,и т.д.), Бененсон и др. сконструированные конечные автоматы на основе ДНК с двумя состояниями с использованием запрограммированной ДНК, липких/тупых концов, рестрикционной нуклеазы и лигазы (Рис.8(а)). Два состояния в автоматах работают со скоростью 109 переходов в секунду с учетом входных данных, являясь прототипом самого маленького биокомпьютера как сертифицировано Книгой рекордов Гиннеса. Развитие вычислений ДНК, возникшее на основе вышеупомянутых систем обработки одной информации, в последнее время перешло к мультиплексной обработке информации.
ДНК-нанотехнологии
ДНК-нанотехнологии позволяют изысканно контролировать структуру самоорганизующихся макромолекулярных и наномасштабных мотивов. Однако наноустройства ДНК далеки от статики и созданы для реконфигурации, изменения формы и движения в ответ на широкий спектр стимулов. Из новаторских примеров ДНК-пинцета и уокерс, к кривошипам и суставам оригами, продемонстрированным группой Кастро, к биоинспирированным роторам, построенным группами Дитца и Зиммеля, ДНК-наномашины и наноактуаторы продемонстрировали беспрецедентную способность контролировать различные типы движения на наноуровне. Более того, эти наноустройства могут приводиться в действие посредством множества различных стимулов, связанных со смещением цепи к виду и концентрации катионов, к изменениям pH, световое воздействие, и ферментативное действие.
Как обсуждалось в разделе, посвященном нанопорам ДНК, наноструктуры ДНК могут быть механически связаны с липидными мембранами с использованием липофильных якорей, обычно холестерина или токоферола. Это соединение открывает огромные возможности для разработки как морфологии, так и динамических реакций микророботов на основе GUV и искусственных клеток с помощью мембранно-закрепленных устройств ДНК, которые имитируют функции мембранных белков.
Мембранная адгезия является одной из наиболее основных функций, опосредованных рецепторами клеточной поверхности, лежащей в основе множества биологических процессов, включая подвижность, образование тканей, механосенсорство и эндоцитоз. Используя селективность взаимодействий спаривания оснований, синтетические линкеры ДНК, закрепленные на мембране, использовались для индукции и программирования адгезии между липидными мембранами (Рис.10(а)), начиная с основополагающих работ Хёёка и коллег, Боксер и коллеги и Билз, и Вандерлик (Рис.10(б)). Паролини и др. затем продемонстрировали опосредованную ДНК сборку термочувствительных синтетических тканей и, используя реакции обмена пальцев ног, установили контроль над кинетикой образования тканей.
Резюме:
Кажется правдой то, что я говорил все это время: интерфейс мозгового компьютера или синтетическое биологическое слияние человечества с машинами уже произошло непроизвольно с этой самораспространяющейся самособирающейся нанотехнологией. Многие другие ученые по всему миру нашли точно то же самое, что я показал в крови и во флаконах. Если биологическое оружие COVID19 было развернуто по всему миру и ученые по всему миру подтверждают выводы друг друга об этой технологии - кажется разумным обратить внимание и продолжить исследование.
Конечно, существует большое совпадение между тем, что мы видим, и тем, что описывает научная литература. Эти “строительных зон”, как я их называю, представляют собой полнофункциональных биокомпьютеризированных роботов, способных к самосборке, зондированию, вычислениям, тканевой инженерии, обработке информации и движению.
Комментариев нет:
Отправить комментарий