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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。
ナノ医療は、その応用範囲が拡大している医学分野である。
The field includes nanorobots and biological machines, which constitute a very useful tool to develop this area of knowledge. In the past years, researchers have made many improvements in the different devices and systems required to develop functional nanorobots – such as motion and magnetic guidance.[11][12] This supposes a new way of treating and dealing with diseases such as cancer; thanks to nanorobots, side effects of chemotherapy could get controlled, reduced and even eliminated, so some years from now, cancer patients could be offered an alternative to treat such diseases instead of chemotherapy, which causes secondary effects such as hair loss, fatigue or nausea killing not only cancerous cells but also the healthy ones. Nanobots could be used for various therapies, surgery, diagnosis, and medical imaging[13] – such as via targeted drug-delivery to the brain (similar to nanoparticles) and other sites.[14][15][16] Programmability for combinations of features such as "tissue penetration, site-targeting, stimuli responsiveness, and cargo-loading" makes such nanobots promising candidates for "precision medicine".[17]
At a clinical level, cancer treatment with nanomedicine would consist of the supply of nanorobots to the patient through an injection that will search for cancerous cells while leaving the healthy ones untouched. Patients that are treated through nanomedicine would thereby not notice the presence of these nanomachines inside them; the only thing that would be noticeable is the progressive improvement of their health. Nanobiotechnology may be useful for medicine formulation.
"Precision antibiotics" has been proposed to make use of bacteriocin-mechanisms for targeted antibiotics.[18][19]
Nanoparticles are already widely used in medicine. Its applications overlap with those of nanobots and in some cases it may be difficult to distinguish between them. They can be used to for diagnosis and targeted drug delivery, encapsulating medicine.[20] Some can be manipulated using magnetic fields and, for example, experimentally, remote-controlled hormone release has been achieved this way.[21]
開発中の高度な応用例の 1 つは、「トロイの木馬」型の設計ナノ粒子で、血液細胞が心臓発作を引き起こす動脈硬化プラークの一部を内側から侵食するようにします[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]。心臓発作は現在、世界で最も一般的な死因です。[ 25 ] [ 26 ]
天然細胞の既知の幅広い自然特性や能力のすべてまたは多くを備えた合成赤血球などの人工細胞は、ヘモグロビン、薬剤、磁性ナノ粒子、ATPバイオセンサーなどの機能性貨物を搭載するために使用でき、追加の非天然機能を実現できる可能性がある。[ 27 ] [ 28 ]
細胞周囲のマトリックスを模倣し、揺れ動くように設計された分子を含むナノファイバーは、マウスの脊髄損傷に対する潜在的な治療法であることが示された。 [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]
技術的には、遺伝子治療もナノバイオテクノロジーの一形態、あるいはナノバイオテクノロジーへの転換とみなすことができる。[ 32 ]従来の遺伝子治療よりも明らかにナノバイオテクノロジーであるゲノム編集関連開発分野の例として、組織内での機能性材料の合成製造が挙げられる。研究者らは、線虫C. elegansに脳細胞内で生体電子材料を合成、製造、組み立てさせた。これにより、特定の神経細胞集団における膜特性の調節や、生きた動物の行動の操作が可能となり、多発性硬化症などの疾患の研究や治療に役立つ可能性があり、このような生体内での合成製造の実現可能性を示している。[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]さらに、このような遺伝子改変された神経細胞は、義肢などの外部コンポーネントを神経に接続することを可能にするかもしれない。[ 36 ]
例えばナノチューブ、ナノワイヤー、カンチレバー、原子間力顕微鏡に基づくナノセンサーは、診断装置/センサーに応用できる可能性がある[ 20 ]。
医学におけるナノバイオテクノロジー（ナノバイオロジーと呼ばれることもある）は、現代医学が症状の治療から治癒の創出や生物組織の再生へと進歩するのを助けるものとして最もよく説明できるだろう。
ナノバイオロジー技術を診療に用いる医師の助けを借りて、 3人のアメリカ人患者が培養膀胱全体を移植された。また、動物実験では、子宮を体外で培養し、その後体内に移植して赤ちゃんを産むことができることが実証されている。幹細胞治療は、人間の心臓に見られる病気を治療するために使用されており、米国で臨床試験が行われている。義肢に頼ることなく新しい四肢を得られるような研究にも資金が投入されている。人工タンパク質も、刺激の強い化学物質や高価な機械を必要とせずに製造できるようになるかもしれない。2055年までに、コンピューターが生化学物質と有機塩から作られるようになるという推測さえある。[ 37 ]
ナノバイオテクノロジー研究の最新事例として、蛍光ポリマーでコーティングされたナノスフェアが挙げられます。研究者たちは、特定の分子に遭遇すると蛍光が消光するポリマーの設計を目指しています。異なるポリマーを用いることで、検出できる代謝物も異なります。ポリマーコーティングされた球体は、新たな生物学的アッセイの一部となる可能性があり、この技術は将来、腫瘍やその他の健康問題に関連する代謝物を追跡するために人体に導入できる粒子の開発につながるかもしれません。また、別の視点から見ると、ナノバイオテック・ファーマ社が行っているように、ナノスケールレベルでの評価と治療、すなわちナノバクテリア（25～200 nmサイズ）の治療もその一 例です。
DNAで作られた「ナノアンテナ」は、ナノスケールの光アンテナの新しいタイプであり、タンパク質に取り付けることができ、タンパク質が生物学的機能、特にその特徴的な構造変化を実行する際に蛍光を介して信号を生成します。これは、さまざまなタイプのナノマシンなどのナノバイオテクノロジー、新薬の開発、バイオ研究、生化学の新たな道に利用できる可能性があります。[ 38 ] [ 39 ]
持続可能なエネルギーにも役立つ可能性がある。2022年、研究者らは、マイクロスケールではあるものの、印刷された金属ナノ粒子インクにより柱に多孔質のナノ構造を持つ3Dプリントナノ「超高層ビル」電極（ナノテクノロジー）を報告した。この電極にはシアノバクテリアが収容され、光合成（バイオテクノロジー）から以前の研究よりもはるかに多くの持続可能なバイオエネルギーが抽出される。 [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]
ナノバイオロジーはまだ黎明期にあるが、将来ナノバイオロジーに依存する可能性のある有望な方法がたくさん存在する。生物システムは本質的にナノスケールであり、ナノサイエンスは、自然界に似た生体高分子や分子機械を提供するために生物学と融合する必要がある。分子から構築されたデバイスやプロセスを制御し模倣することは、ナノバイオテクノロジーの融合分野にとって大きな課題である。[ 45 ]人間を含むすべての生物は、ナノファウンドリーとみなすことができる。自然進化は、何百万年もかけてナノバイオロジーの「自然な」形態を最適化してきた。21世紀には、人間はナノバイオロジーを人工的に利用する技術を開発した。このプロセスは、「有機と合成の融合」と表現するのが最も適切である。北テキサス大学のガンサー・グロス氏の研究によると、生きたニューロンのコロニーはバイオチップデバイス上で共存することができる。自己組織化ナノチューブは構造システムとして使用できる能力がある。それらはロドプシンとともに構成されるだろう。これは光コンピューティング処理を促進し、生物学的材料の保存に役立つだろう。DNA （すべての生物のソフトウェアとして）は、分子コンピューティングの論理コンポーネントである構造プロテオミクスシステムとして使用できる。ニューヨーク大学の研究者であるネッド・シーマンは、他の研究者とともに、現在、互いに類似した概念を研究している。[ 46 ]
バイオナノテクノロジーは、生物学的材料/成分を利用するナノテクノロジーを指すという点で、ナノバイオテクノロジーとは大きく区別されます。バイオナノテクノロジーは、原理的には非生物的成分を使用することもできますし、実際に使用しています。バイオナノテクノロジーは、医学（生物を扱う分野）において果たす役割は小さいです。バイオナノテクノロジーは、独自のナノスケール構造や、生物学とは直接関係のないさまざまな用途のために、自然または生体模倣システムや要素を利用します。一方、ナノバイオテクノロジーは、ナノメートルサイズに小型化されたバイオテクノロジーを使用したり、ナノ分子を生物システムに組み込んだりします。将来のいくつかの用途では、両方の分野が融合する可能性があります。[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]
DNAナノテクノロジーはバイオナノテクノロジーの重要な例の一つです。[ 50 ] DNAのような核酸の固有の特性を利用して、バイオセンサー[ 51 ]などの有用な材料やデバイスを作成することは、現代の研究の有望な分野です。
DNAデジタルデータストレージとは、主に合成されたがそれ以外は従来型のDNA鎖を使用してデジタルデータを保存することを指し、例えば、5D光データストレージの代替として、または他のナノバイオテクノロジーと組み合わせて使用するために、頻繁にアクセスおよび書き込みされない高密度長期データストレージ[ 52 ]に役立つ可能性がある。
もう一つの重要な研究分野は、膜の特性を利用して合成膜を生成することです。自己組織化して機能性材料を生成するタンパク質は、プログラム可能なナノ材料を大規模に生産するための新しいアプローチとして使用できます。一例として、細菌バイオフィルムに見られるアミロイドを、遺伝的にプログラムして異なる特性を持たせることができる人工ナノ材料として開発することが挙げられます。 [ 53 ]
脂質ナノテクノロジーは、バイオナノテクノロジーにおけるもう一つの主要な研究分野であり、脂質の防汚性や自己組織化などの物理化学的特性を利用して、医療や工学に応用可能なナノデバイスを構築しています。[ 54 ]脂質ナノテクノロジーのアプローチは、脂溶性栄養素の吸収と、それらを一般的な飲料に組み込む能力の両方を最大化する次世代エマルジョン法の開発にも使用できます。[ 55 ]
細菌Geobacter sulfurreducensのタンパク質ナノワイヤーから作製された「メンリスタ」は、従来説明されているものよりも大幅に低い電圧で機能し、生物学的活動電位の電圧で機能する人工ニューロンの構築を可能にする可能性がある。ナノワイヤーはシリコンナノワイヤーに比べてさまざまな利点があり、メンリスタはバイオセンシング信号を直接処理したり、ニューロモルフィックコンピューティング（ウェットウェアコンピュータも参照）や生物学的ニューロンとの直接通信に使用できる可能性がある。[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]
タンパク質フォールディングの研究は、3つ目の重要な研究分野であるが、タンパク質フォールディングを十分な精度で予測できないことが、この分野の発展を大きく阻害してきた。しかし、生物系におけるタンパク質の用途は多岐にわたるため、タンパク質フォールディングの理解に関する研究は非常に重要であり、将来のバイオナノテクノロジーにとって有益なものとなる可能性がある。
農業分野では、人工ナノ粒子がナノキャリアとして利用されており、除草剤、化学物質、遺伝子などを搭載し、特定の植物部位を標的として内容物を放出する。[ 59 ] [ 60 ]
これまで、除草剤を含むナノカプセルは、クチクラや組織を効果的に透過し、有効成分をゆっくりと持続的に放出することが報告されてきた。同様に、他の文献では、肥料のナノカプセル化による徐放も、肥料消費量の削減と精密農業による環境汚染の最小化のトレンドとなっていると述べられている。これらは、農業におけるナノバイオテクノロジーの応用に刺激的な機会をもたらす可能性のある数多くの研究のほんの一例にすぎない。また、このような人工ナノ粒子を植物に適用する際には、農業慣行に採用する前に、その適合性のレベルを考慮する必要がある。徹底的な文献調査に基づくと、処理された植物に対する人工ナノ粒子の生物学的影響を説明する信頼できる情報は限られていることがわかった。いくつかの報告では、濃度とサイズの問題により、さまざまな由来の人工ナノ粒子が植物に植物毒性を示すことが強調されている。しかし同時に、植物の処理に成長促進作用をもたらすナノ粒子の肯定的な結果を示す研究も同数報告されている。[ 61 ]特に、他のナノ粒子と比較して、銀および金ナノ粒子をベースとしたアプリケーションは、毒性が少なく、または全くない状態で、さまざまな植物種に有益な結果をもたらしました。[ 62 ] [ 63 ]銀ナノ粒子 (AgNPs) で処理したアスパラガスの葉は、アスコルビン酸とクロロフィルの含有量が増加しました。同様に、AgNPs で処理したインゲンマメとトウモロコシは、シュートと根の長さ、葉の表面積、クロロフィル、炭水化物、タンパク質の含有量が増加したことが以前に報告されています。[ 64 ]金ナノ粒子は、カラシナの成長と種子の収量を誘導するために使用されています。[ 65 ]
ナノバイオテクノロジーは組織培養に利用されています。[ 66 ]個々の原子や分子レベルで微量栄養素を投与することで、植物材料の生産におけるさまざまな発達段階の刺激、細胞分裂の開始、分化が可能になり、質的に均一で遺伝的に均質でなければなりません。亜鉛（ZnO NPs）および銀（Ag NPs）化合物のナノ粒子を使用すると、単節シュート断片法を使用したキクのマイクロプロパゲーションで非常に良い結果が得られます。[ 66 ]
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 ]