ביוננוטכנולוגיה

ביוננוטכנולוגיה (לעיתים נקרא גם ננוביוטכנולוגיה) היא ענף של הננוטכנולוגיה העוסק בשילוב בין מערכות ננומטריות לחומרים ביולוגים או למערכות ביולוגיות. הביוננוטכנולוגיה רותמת את הביולוגיה ועקרונותיה לשם בניית מערכות ננומטריות מעשה ידי אדם, היא מהווה נושא רב תחומי המאגדת בתוכה את תחומי הביולוגיה השונים ותחומים כמו כימיה, הנדסה ורפואה, ובעלת השקה לנושאים במדע היישומי כמו ננוחיישנים ביולוגיים, תאי דלק ביולוגיים, שבבים ביולוגיים, מעבדה על השבב, Bio-N/MEMS, ננורפואה ופרמקולוגיה.

רקע

הבנת המנגנונים הביולוגים ברמתם המולקולארית משמשים דגם לבניית מבנים ומערכות מורכבות באמצעות אבני-בניין בגודל ננומטרי תוך שימוש בעקרון ההרכבה עצמית (self assembly). הביולוגיה מספקת את הכלים לבניית מערכות מורכבות מאבני בניין מולקולאריות. לביוננוטכנולוגיה יש פוטנציאל יישומי נרחב בדיאגנוסטיקה, בטיפול רפואי ממוקד, בשיגור תרופות ליעדים מוגדרים והפעלתם ביעדם, ועוד.
המנגנונים הביוכימיים המתקיימים בתא שהיא יחידת החיים הבסיסית פועלים על בסיס מולקולות או מקרומולקולות שגודלם הוא בקנה מידה ננומטרי (רוחבם של ששה אטומי פחמן הוא ננומטר אחד בקרוב) לכן חומרים ביולוגים ומערכות ביולוגיות הם בעלי יכולת מיזוג במערכות ננומטריות מלאכותיות המשלבות חומרים אנאורגניים בקנה מידה ננומטרי.
מטרת הננוטכנולוגיה היא לחקות את הטבע ולבנות מאבני בניין ננומטרים, מולקולה אחר מולקולה, באסטרטגיה של "מלמטה למעלה". העובדה היא שהגוף משתמש במספר עצום של"ננו-מכשירים" ניידים, אמנם כאלה שבנה הטבע ולא האדם. ביניהם הנויטרופילים, הלימפוציטים ותאי דם לבנים אחרים. במונחים ננומטריים מדובר בגופים גדולים למדי, שרוחבם כ-10,000 ננומטר, אך הם מתפקדים כננורובוטים טבעיים שמשוטטים בקביעות בגוף, מתקנים רקמות פגועות, תוקפים ובולעים פולשים וחלקיקים זרים.

דוגמאות

"תרופות חכמות" הפועלות באופן בררני, רק על תאים מסוימים (כמו למשל תאים סרטניים) תוך שפעולם בעת הצורך. תרופה חדשנית שכזו פותחה על ידי הפרמקולוג יושיהיטה סוזוקי (Suzuki) מאוניברסיטת קיוטו ביפן. תרופה זו משחררת חומרים אנטיביוטיים רק באזור דלקתי.
מנוע חלבון שקוטרו שמונה ננומטרים המונע על ידי פירוק של אדנין טריפוספט-ATP שהיא מולקולה עתירת אנרגיה ל-אדנין די פוספט ADP. בטבע המנוע המכונה -ATP Synthase משמש בדרך כלל לתפקיד ההפוך, אנזים המייצר את מטבע האנרגיה ATP מ-ADP וקבוצה זרחתית. ככל אנזים, פעולתו של ה-ATP Synthase הפיכה, ובנוכחות ATP הוא מפרק מולקולות תוך העברת האנרגיה הכימית המופקת בתהליך לאנרגיה מכנית הגורמת לסיבוב החלבון, סיבוב אחד לכל שלוש מולקולות המתפרקות ATP. ריקי סונג (Soong) ושותפיו ניצלו יכולת זו הם עיגנו את סטטור המנוע לעמוד ננומטרי וחיברו לציר מחט ניקל שאורכה שמונים ננומטרים. משהזינו את המנוע ב-ATP, החל המנוע להסתובב וסובב את מחט הניקל בתדירות של שמונה סיבובים לשנייה.
בדומה לכך, קרלו מונטמניו (Montemagno) מאוניברסיטת קורנל בניו-יורק בנה ננו מנוע דמוי שוטון בשיטת ההרכבה העצמית. אבני הבניין של המנוע הן מולקולות חלבון, כולל האנזים המפרק את התרכובת עתירת-האנרגיה ATP, המלאי שלה בתאים מתחדש על חשבון אנרגיה שמקורה במזון. מנועים אלה הוצגו בוועידה השנתית בנושא ננוטכנולוגיה מולקולרית שהתקיימה בקליפורניה. במיצג וידאו שצולם דרך המיקרוסקופ ניתן היה לראות עשרות מן המכשירים הללו מסתובבים כשמחוברים אליהם מוטות עשויים צורן-חנקני. הצעד הבא של מונטמניו יהיה למצוא דרך לעצור את המנועים, כדי שניתן יהיה לשלוט בפעולתם.

שימושים עתידיים

הצעות מוקדמות לננו-רובוטים עסקו במכונות שיערכו אבחנה מקפת ומיידית, ושיבצעו תיקונים מולקולאריים מסובכים בכל תא פגום. אלא שבמקרים רבים יהיה זה יעיל יותר להוציא את הכרומוזומים הקיימים מגרעין התא הפגוע ולהכניס חדשים במקומם. הכרומוזומים החדשים ייבנו לפי הזמנה כהעתק מושלם לגֶנוֹם של החולה. הם יתכנתו מחדש את התאים הפגומים, ואלה יתקנו את עצמם. הגישה העתידנית הזו תקרא טיפול בהחלפת כרומוזומים.
אפשר יהיה לבנות, כדוריות דם אדומות מלאכותיות הידועות בשם רספירוציטים , כדוריות הדם האדומות משמשות להובלת חמצן מהריאות לכל רקמות הגוף, הן זעירות ביותר, קוטרן כשמונה מיקרומטר, והן בעלות צורה קעורה משני הצדדים, המגדילה את שטח הפנים. הרספירוציטים יוכלו להחליף כדוריות קיימות ולספק לרקמות פי 230 יותר חמצן.
מחשב זעיר (מחשב בעל יכולת עיבוד עצמאית, הבנוי משבב אחד בגודל של מיקרומטרים ספורים) וחיישנים שונים יאפשרו התנהגות מורכבת, הניתנת לתכנות מרחוק על ידי רופא בעזרת גלי קול. רובוטים בגודל כזה עשויים למצוא את עצמם מוזרקים למחזור הדם, זורמים אל הלב, מזהים ומפרקים סתימות בעורקים ובכלי דם קטנים יותר.

סכנות

ייתכן שיהיו לפעולתם של התקנים ננוטכניים השפעות לוואי שלא נחזו מראש. לדוגמה, כאשר מדובר בהחדרת התקנים לגוף שממדיהם קטנים בהרבה מאלה של תא יחיד, האם יכולים המדענים לחזות מראש את כל השפעותיהם, ולהגבילן להשפעות רצויות בלבד? מה יהיו יחסי הגומלין בין חלקיקים אלה לבין רכיבי המערכת החיסונית? כללית, חקר המורכבות ותאוריית הכאוס מלמדים שיכולת האדם לחזות את כל השפעות הגומלין במערכת מורכבת היא מוגבלת.
לבסוף, יכולות להיווצר בעיות חברתיות ופוליטיות, בעיות של חריגה מהתכנות עקב מוטציה והשפעות לוואי לא-רצויות, כמו כן בעיות של שימוש לרעה במתכוון ובאותה המידה ניתן להעלות על הדעת פיתוח אמצעי לחימה ביולוגיים ננוטכנולוגיים.