Chercheurs de l'Institut de physique générale de l'Académie des sciences de Russie, l'Institut de chimie bioorganique de l'Académie des sciences de Russie et le MIPT ont fait un pas important vers la création de nanorobots médicaux. Ils ont découvert un moyen de permettre aux nano- et microparticules de produire des calculs logiques en utilisant une variété de réactions biochimiques.

Les détails de leur projet de recherche sont donnés dans la revue Nature Nanotechnologie . Il s'agit de la première publication expérimentale d'une équipe exclusivement russe dans l'un des magazines scientifiques les plus cités depuis de nombreuses années.

L'article s'appuie sur l'idée de calculer à l'aide de biomolécules. Dans les circuits électroniques, par exemple, les connecteurs logiques utilisent du courant ou de la tension (s'il y a de la tension, le résultat est 1, s'il n'y en a pas, c'est 0). Dans les systèmes biochimiques, le résultat peut une substance donnée.

Par exemple, les techniques modernes de bio-ingénierie permettent de faire illuminer une cellule de différentes couleurs ou même de la programmer pour mourir, reliant l'initiation de l'apoptose au résultat d'opérations binaires.

De nombreux scientifiques pensent que les opérations logiques à l'intérieur des cellules ou dans des systèmes biomoléculaires artificiels sont un moyen de contrôler les processus biologiques et de créer des micro- et nano-robots à part entière, qui peut, par exemple, livrer les médicaments à temps aux tissus où ils sont nécessaires.

Calculs utilisant des biomolécules à l'intérieur des cellules, alias bioinformatique, sont une branche de la science très prometteuse et en développement rapide, selon le principal auteur de l'étude, Maxim Nikitine, diplômé en 2010 du Département de physique biologique et médicale du MIPT. La bioinformatique utilise des mécanismes cellulaires naturels. C'est beaucoup plus difficile, cependant, faire des calculs en dehors des cellules, où il n'y a pas de structures naturelles qui pourraient aider à effectuer des calculs. La nouvelle étude se concentre spécifiquement sur la bioinformatique extracellulaire.

L'étude ouvre la voie à un certain nombre de technologies biomédicales et diffère considérablement des travaux antérieurs en bioinformatique, qui se concentrent à la fois sur l'extérieur et l'intérieur des cellules. Des scientifiques du monde entier ont fait des recherches sur les opérations binaires dans l'ADN, ARN et protéines depuis plus d'une décennie maintenant, mais Maxim Nikitin a été le premier à proposer et à confirmer expérimentalement un moyen de mettre en œuvre toutes les opérations logiques utilisant des nano- et microparticules, ce qui est important non seulement pour l'informatique en tant que telle, mais aussi pour contrôler le comportement biomédical des nanoparticules. À l'avenir, cela permettra une liaison sélective à une cellule cible et la création d'une nouvelle plate-forme pour analyser le sang et d'autres matériaux biologiques.

Le préfixe "nano" dans ce cas n'est pas une mode ou une simple formalité. Une diminution de la taille des particules entraîne parfois des changements drastiques dans les propriétés physiques et chimiques d'une substance. Plus la taille est petite, plus la réactivité est grande; très petites particules semi-conductrices, par exemple, peut produire une lumière fluorescente. Le nouveau projet de recherche a utilisé des nanoparticules (c'est-à-dire des particules de 100 nm) et des microparticules (3000 nm ou 3 micromètres).

Les nanoparticules ont été recouvertes d'une couche spéciale, qui "se désintégrait" de différentes manières lorsqu'il était exposé à différentes combinaisons de signaux. Un signal ici est l'interaction de nanoparticules avec une substance particulière. Par exemple, pour mettre en œuvre l'opération logique "ET", une nanoparticule sphérique a été recouverte d'une couche de molécules, qui contenait une couche de sphères d'un diamètre plus petit autour d'elle. Les molécules tenant l'enveloppe extérieure étaient de deux types, chaque type ne réagissant qu'à un signal particulier; au contact de deux substances différentes, de petites sphères se séparent de la surface d'une nanoparticule de plus grand diamètre. L'élimination de la couche externe a exposé les parties actives de la particule interne, et il a alors pu interagir avec sa cible. Ainsi, l'équipe a obtenu un signal en réponse à deux signaux.

Pour coller des nanoparticules, les chercheurs ont sélectionné des anticorps. Cela distingue également leur projet d'un certain nombre d'études antérieures en bioinformatique, qui utilisait l'ADN ou l'ARN pour des opérations logiques. Ces protéines naturelles du système immunitaire ont une petite région active, qui ne répond qu'à certaines molécules; le corps utilise la haute sélectivité des anticorps pour reconnaître et neutraliser les bactéries et autres agents pathogènes.

S'assurer que la combinaison de différents types de nanoparticules et d'anticorps permet de mettre en œuvre différents types d'opérations logiques, les chercheurs ont montré que les cellules cancéreuses peuvent également être spécifiquement ciblées. L'équipe a obtenu non seulement des nanoparticules capables de se lier à certains types de cellules, mais des particules qui recherchent des cellules cibles lorsque deux conditions différentes sont remplies, ou lorsque deux molécules différentes sont présentes ou absentes. Ce contrôle supplémentaire peut être utile pour une destruction plus précise des cellules cancéreuses avec un impact minimal sur les tissus et organes sains.

Maxim Nikitin a déclaré que bien qu'il s'agisse d'une étape tout aussi importante vers la création de nanobiorobots efficaces, ce domaine de la science est très intéressant et ouvre de grandes perspectives pour de futures recherches, si l'on fait une analogie entre les premiers travaux de création de nanobio-ordinateurs et la création des premiers diodes et transistors, ce qui a entraîné le développement rapide de la technologie informatique.