ナノバイオテクノロジー

ナノバイオテクノロジー、バイオナノテクノロジー、ナノバイオロジーは、ナノテクノロジーと生物学の交わりを指す用語です。^{[ 1 ]}この分野はごく最近になって登場したばかりなので、バイオナノテクノロジーとナノバイオテクノロジーは、さまざまな関連技術を包括する用語として使われています。

この分野は、生物学研究とナノテクノロジーのさまざまな分野の融合を示すのに役立ちます。ナノバイオロジーによって強化される概念には、ナノデバイス（生物学的機械など）、ナノ粒子、ナノテクノロジーの分野で発生するナノスケールの現象などがあります。生物学へのこの技術的アプローチにより、科学者は生物学的研究に使用できるシステムを想像し、作成することができます。生物に着想を得たナノテクノロジーは、まだ作成されていないテクノロジーのインスピレーションとして生物システムを使用します。^{[ 2 ]}しかし、ナノテクノロジーやバイオテクノロジーと同様に、バイオナノテクノロジーには多くの潜在的な倫理的問題が伴います。

ナノバイオロジーでよく見られる最も重要な目標は、ナノツールを関連する医学的/生物学的問題に適用し、これらの応用を改良することです。ペプトイドナノシートなどの新しいツールを医学的および生物学的目的のために開発することも、ナノテクノロジーのもう1つの主要な目標です。新しいナノツールは、すでに使用されているナノツールの応用を改良することによって作られることがよくあります。生体分子、生体膜、および組織のイメージングも、ナノバイオロジー研究者にとって主要なトピックです。ナノバイオロジーに関するその他のトピックには、カンチレバーアレイセンサーの使用と、生細胞内の分子プロセスを操作するためのナノフォトニクスの応用が含まれます。^{[ 3 ]}

近年、微生物を用いた機能性ナノ粒子の合成が大きな注目を集めている。微生物は金属の酸化状態を変化させることができる。これらの微生物プロセスは、例えば金属ナノ材料の生合成など、新たな応用分野を探求する新たな機会を私たちにもたらした。化学的および物理的方法とは対照的に、ナノ材料を合成するための微生物プロセスは、穏やかで環境に優しい条件下で水溶液中で実現できる。このアプローチは、持続可能な開発に向けた現在のグリーンバイオナノテクノロジー研究において魅力的な焦点となっている。^{[ 4 ]}

これらの用語はしばしば同義語として使われます。しかし、区別を意図する場合は、生物学的アイデアの応用に重点を置くか、ナノテクノロジーを用いて生物学を研究するかによって区別されます。バイオナノテクノロジーは一般的に、生物学的「機械」の働きを研究し、これらの生物学的モチーフを既存のナノテクノロジーの改良や新規のナノテクノロジーの創出に応用することによって、ナノテクノロジーの目標をどのように導くことができるかを研究することを指します。^{[ 5 ] [ 6 ]}一方、ナノバイオテクノロジーは、ナノテクノロジーを使用して生物システムを研究するためのデバイスを作成する方法を指します。^{[ 7 ]}

言い換えれば、ナノバイオテクノロジーは本質的にバイオテクノロジーを小型化したものであり、バイオナノテクノロジーはナノテクノロジーの特定の応用分野である。例えば、DNAナノテクノロジーや細胞工学は、ナノスケールで生体分子を扱うため、バイオナノテクノロジーに分類される。逆に、ナノ粒子を送達システムやセンサーとして利用する多くの新しい医療技術は、ナノテクノロジーを用いて生物学の目標を推進するものであるため、ナノバイオテクノロジーの例となる。

本稿では、ナノバイオとバイオナノを区別する際には、上記の定義を用いる。ただし、現代ではこれらの用語が重複して用いられているため、個々の技術を評価してどちらの用語がより適切かを判断する必要があるかもしれない。そのため、両者を並行して論じるのが最善である。

バイオナノテクノロジーにおける科学的概念のほとんどは、他の分野から派生したものである。生物システムの物質特性を理解するために用いられる生化学的原理は、バイオナノテクノロジーにおいて中心的な役割を果たす。なぜなら、これらの原理は新たな技術を生み出すために利用されるからである。バイオナノサイエンスで研究されている材料特性と応用には、機械的特性（変形、接着、破壊など）、電気/電子（電気機械的刺激、コンデンサ、エネルギー貯蔵/電池など）、光学的特性（吸収、発光、光化学など）、熱的特性（熱変性、熱管理など）、生物学的特性（細胞がナノ材料とどのように相互作用するか、分子欠陥、バイオセンシング、機械感覚などの生物学的メカニズムなど）、疾患のナノサイエンス（遺伝性疾患、癌、臓器/組織不全など）、生物学的コンピューティング（DNAコンピューティングなど）、農業（農薬、ホルモン、肥料の標的送達）などがあります。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}ナノスケールでの生物学的プロセスの構造的およびメカニズム的分析によって達成されるバイオナノサイエンスの影響は、ナノテクノロジーによる合成および技術的応用への変換です。

ナノバイオテクノロジーは、その基礎のほとんどをナノテクノロジーから得ています。ナノバイオテクノロジー用途向けに設計されたデバイスのほとんどは、既存の他のナノテクノロジーを直接ベースとしています。ナノバイオテクノロジーは、特にフォトニクス、化学、生物学、生物物理学、ナノ医療、工学が融合するバイオセンサーに関連する、重複する学際的な活動を説明するためによく用いられます。二重偏光干渉法などの導波路技術を用いた生物学における測定も、その一例です。

バイオナノテクノロジーの応用範囲は非常に広い。両者の区別が成り立つとすれば、ナノバイオテクノロジーは生物学研究のためのツールをより多く提供するという点で、はるかに普及していると言えるだろう。一方、バイオナノテクノロジーは、生物学的メカニズムや経路を、他の用途に役立つ形で再現することを約束するものである。

この分野は、実験ツール（イメージング、AFM /光ピンセットによる特性評価など）、X線回折に基づくツール、自己組織化による合成、自己組織化の特性評価（MP-SPR、DPI、組換えDNA法などを使用）、理論（統計力学、ナノ力学など）、計算アプローチ（ボトムアップマルチスケールシミュレーション、スーパーコンピューティング）など、さまざまな研究手法に依存しています。

2009年現在、ナノバイオテクノロジーのリスクは十分に理解されておらず、米国ではどのような規制政策原則に従うべきかについて確固たる国家的な合意はありません。^{[ 32 ]}例えば、ナノバイオテクノロジーは環境や生態系、人間の健康に制御困難な影響を与える可能性があります。生物医学的展望で使用される金属ベースのナノ粒子は、その独特な物理化学的特性により、さまざまな用途で非常に魅力的であり、生物学的レベルで細胞プロセスに影響を与えることができます。金属ベースのナノ粒子は表面積対体積比が高いため、反応性または触媒性があります。サイズが小さいため、細胞膜などの生物学的障壁を透過しやすく、生体内で細胞機能障害を引き起こす可能性が高くなります。実際、一部の遷移金属の毒性が高いため、混合酸化物ナノ粒子を生物医学用途で使用することは困難です。これは生物に悪影響を及ぼし、酸化ストレスを引き起こし、ROSの生成を刺激し、ミトコンドリアの障害や細胞機能の調節を引き起こし、場合によっては致命的な結果をもたらします。^{[ 67 ]}

ボニン氏は、「ナノテクノロジーは特定の決定的な均質な実体ではなく、多様な機能とアプリケーションの集合体である」と指摘し、ナノバイオテクノロジーの研究開発は、多くの分野と同様に、デュアルユース問題の影響を受けていると述べている。^{[ 68 ]}

• バイオミミクリー
• コロイド金
• ゲノム編集（細菌、マイクロバイオーム）
• 金ナノ粒子
• ナノ医療
• ナノバイオメカニクス
• ナノ粒子－生体分子複合体
• ナノ潜水艦
• ナノザイム

• バイオナノテクノロジーとは？―この分野を紹介するビデオ
• 整形外科におけるナノバイオテクノロジー