Biohybrid microswimmer
एक बायोहाइब्रिड माइक्रोस्विमर को एक माइक्रोस्विमर के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जिसमें जैविक और कृत्रिम दोनों घटक होते हैं, उदाहरण के लिए, एक या कई जीवित सूक्ष्मजीव एक या विभिन्न कृत्रिम भागों से जुड़े होते हैं। हाल के वर्षों में नैनोस्कोपिक और मेसोस्कोपिक वस्तुओं को प्रकृति से प्रत्यक्ष प्रेरणा के माध्यम से या इसके मौजूदा उपकरणों का उपयोग करके सामूहिक रूप से आगे बढ़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है। छोटी मेसोस्कोपिक से नैनोस्कोपिक प्रणालियाँ आम तौर पर कम रेनॉल्ड्स संख्या (रे 1) पर काम करती हैं, और उनकी गति को समझना चुनौतीपूर्ण हो जाता है। गति होने के लिए, प्रणाली की समरूपता को तोड़ना होगा। इसके अलावा, सामूहिक गति के लिए सामूहिक बनाने वाली संस्थाओं के बीच एक युग्मन तंत्र की आवश्यकता होती है। झुंड व्यवहार में सक्षम मेसोस्कोपिक से नैनोस्कोपिक संस्थाओं को विकसित करने के लिए, यह परिकल्पना की गई है कि संस्थाओं को एक अच्छी तरह से परिभाषित आकृति विज्ञान के साथ टूटी हुई समरूपता द्वारा चिह्नित किया जाता है, और कुछ सामग्री के साथ संचालित होते हैं जो ऊर्जा की कटाई में सक्षम होते हैं। यदि कटाई की गई ऊर्जा का परिणाम वस्तु के आसपास के क्षेत्र में होता है, तो यह क्षेत्र पड़ोसी वस्तु के क्षेत्र के साथ युग्मित हो सकता है और सामूहिक व्यवहार में कुछ समन्वय ला सकता है। इस तरह के रोबोटिक झुंडों को एक ऑनलाइन विशेषज्ञ पैनल द्वारा रोबोटिक्स के क्षेत्र में 10 महान अनसुलझी समूह चुनौतियों में से एक के रूप में वर्गीकृत किया गया है। यद्यपि क्रिया के उनके अंतर्निहित तंत्र की जांच अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में है, विभिन्न प्रणालियाँ विकसित की गई हैं जो ऊर्जा की कटाई (जैसे, प्रकाश, तापीय, आदि) द्वारा नियंत्रित और अनियंत्रित झुंड गति से गुजरने में सक्षम हैं। पिछले एक दशक में, बायोहाइब्रिड माइक्रोबॉट, जिसमें जीवित गतिशील सूक्ष्मजीव भौतिक रूप से असंबंधित कृत्रिम संरचनाओं के साथ एकीकृत हैं, ने एक लक्षित गंतव्य तक सक्रिय गति और माल वितरण को सक्षम करने के लिए बढ़ती रुचि प्राप्त की है। गतिशीलता के अलावा, कृत्रिम और पर्यावरणीय परिवर्तनों के लिए एक उचित प्रतिक्रिया को महसूस करने और प्राप्त करने की आंतरिक क्षमताएँ कोशिका-आधारित बायोहाइब्रिड माइक्रोबॉट को नैदानिक और चिकित्सीय एजेंटों के स्थानीय सक्रिय वितरण के लिए मानव शरीर के दुर्गम गुहाओं में माल के परिवहन के लिए आकर्षक बनाती हैं। पृष्ठभूमि बायोहाइब्रिड माइक्रोस्विमर को माइक्रोस्विमर के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जिसमें जैविक और कृत्रिम दोनों घटक होते हैं, उदाहरण के लिए, एक या कई जीवित सूक्ष्मजीव एक या विभिन्न सिंथेटिक भागों से जुड़े होते हैं। इस क्षेत्र के अग्रदूत, अपने समय से पहले, मोंटेमैग्नो और बचंद थे, जिन्होंने 1999 में नैनोफैब्रिकेटेड सब्सट्रेट के लिए जैविक अणुओं की विशिष्ट लगाव रणनीतियों के बारे में काम किया था, जो संकर अकार्बनिक/कार्बनिक नैनोइलेक्ट्रोमैकेनिकल प्रणालियों की तैयारी को सक्षम बनाता है, जिन्हें एनईएमएस कहा जाता है। उन्होंने इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी द्वारा उत्पादित सोने, तांबे या निकल के नैनोएरे पैटर्न पर स्थिर F1-ATPase जैव आणविक मोटरों की तैयारी के लिए थर्मोफिलिक बैक्टीरिया बेसिलस पीएस3 से बड़ी मात्रा में F1-ATPase के उत्पादन का वर्णन किया। ये प्रोटीन एक सिंथेटिक पेप्टाइड के साथ टैग किए गए एक माइक्रोन माइक्रोस्फियर से जुड़े हुए थे। नतीजतन, उन्होंने रासायनिक रूप से सक्रिय स्थलों के साथ एक मंच की तैयारी और जैव-आणविक मोटरों की ऊर्जा को उपयोगी कार्य में परिवर्तित करने में सक्षम जैव-संकर उपकरणों के विकास को पूरा किया। विज्ञान में सबसे बुनियादी प्रश्नों में से एक यह है कि जीवन को क्या परिभाषित करता है। सामूहिक गति जीवन की विशेषताओं में से एक है। यह आमतौर पर प्रकृति में विभिन्न आयामी स्तरों पर देखा जाता है क्योंकि ऊर्जावान संस्थाएं एक ठोस प्रयास में गतिशील समग्र पैटर्न में इकट्ठा होती हैं। इन गतिशील समग्र घटनाओं को कई अन्य लोगों के बीच, गतिशील झुंडों के रूप में देखा जा सकता है; उदाहरण के लिए, एककोशिकीय जीव जैसे बैक्टीरिया, टिड्डी झुंड, या पक्षियों का झुंड व्यवहार। जब से न्यूटन ने अपने गति के समीकरणों को स्थापित किया है, सूक्ष्म पैमाने पर गति का रहस्य वैज्ञानिक इतिहास में अक्सर सामने आया है, जैसा कि प्रसिद्ध रूप से कुछ लेखों द्वारा प्रदर्शित किया गया है जिन पर संक्षेप में चर्चा की जानी चाहिए। सबसे पहले, ओसबोर्न रेनॉल्ड्स द्वारा लोकप्रिय एक आवश्यक अवधारणा यह है कि एक तरल पदार्थ की गति के लिए जड़ता और चिपचिपाहट का सापेक्ष महत्व विचाराधीन प्रणाली के कुछ विवरणों पर निर्भर करता है। उनके सम्मान में नामित रेनॉल्ड्स संख्या, इस तुलना को विशेषता जड़त्वीय और चिपचिपा बलों के आयामहीन अनुपात के रूप में निर्धारित करती हैः यहाँ, तरल पदार्थ के घनत्व का प्रतिनिधित्व करता है; प्रणाली का एक विशेषता वेग है (उदाहरण के लिए, एक तैराकी कण का वेग); एक विशेषता लंबाई पैमाना है (जैसे, तैराक का आकार); और तरल पदार्थ की चिपचिपाहट है। निलंबित तरल पदार्थ को पानी मानते हुए, और प्रयोगात्मक रूप से देखे गए मानों का उपयोग करते हुए, यह निर्धारित किया जा सकता है कि मछली (= 100) जैसे मैक्रोस्कोपिक तैराकों के लिए जड़ता महत्वपूर्ण है, जबकि चिपचिपाहट बैक्टीरिया (= 10−4) जैसे माइक्रोस्केल तैराकों की गति पर हावी है। माइक्रोमीटर पैमाने पर तैराकी के लिए चिपचिपाहट का अत्यधिक महत्व तैराकी रणनीति के लिए गहरा प्रभाव डालता है। ई. एम. पर्सेल द्वारा इस पर यादगार चर्चा की गई है, जिन्होंने पाठक को सूक्ष्मजीवों की दुनिया में आमंत्रित किया और सैद्धांतिक रूप से उनकी गति की स्थितियों का अध्ययन किया। सबसे पहले, बड़े पैमाने पर तैराकों की प्रणोदन रणनीतियों में अक्सर आवधिक असतत घटनाओं में आसपास के तरल पदार्थ को गति प्रदान करना शामिल होता है, जैसे कि भंवर झड़ना, और जड़ता के माध्यम से इन घटनाओं के बीच तट बनाना। यह बैक्टीरिया जैसे माइक्रोस्केल तैराकों के लिए प्रभावी नहीं हो सकता हैः बड़े चिपचिपे आर्द्रता के कारण, एक माइक्रोन आकार की वस्तु का जड़त्वीय तट समय 1 माइक्रोन के क्रम पर होता है। एक विशिष्ट गति से आगे बढ़ने वाले सूक्ष्मजीव की तटवर्ती दूरी लगभग 0.1 एंग्स्ट्रॉम्स (Å) है। पर्सेल ने निष्कर्ष निकाला कि केवल वर्तमान क्षण में एक सूक्ष्म पिण्ड पर लगाए गए बल ही इसके प्रणोदन में योगदान करते हैं, इसलिए एक निरंतर ऊर्जा रूपांतरण विधि आवश्यक है। सूक्ष्मजीवों ने निरंतर ऊर्जा उत्पादन के लिए अपने चयापचय को अनुकूलित किया है, जबकि विशुद्ध रूप से कृत्रिम माइक्रोस्विमर (माइक्रोबॉट) को पर्यावरण से ऊर्जा प्राप्त करनी चाहिए, क्योंकि उनकी ऑन-बोर्ड भंडारण क्षमता बहुत सीमित है। ऊर्जा के निरंतर अपव्यय के एक और परिणाम के रूप में, जैविक और कृत्रिम माइक्रोस्विमर संतुलन सांख्यिकीय भौतिकी के नियमों का पालन नहीं करते हैं, और गैर-संतुलन गतिकी द्वारा वर्णित किए जाने की आवश्यकता है। गणितीय रूप से, पर्सेल ने नेवियर-स्टोक्स समीकरण को लेकर और जड़त्वीय शब्दों को समाप्त करके कम रेनॉल्ड्स संख्या के निहितार्थ की खोज कीः द्रव का वेग कहाँ है और दबाव का ढाल कहाँ है। जैसा कि पर्सेल ने उल्लेख किया है, परिणामी समीकरण-स्टोक्स समीकरण-में कोई स्पष्ट समय निर्भरता नहीं है। इसके कुछ महत्वपूर्ण परिणाम हैं कि कैसे एक निलंबित शरीर (जैसे, एक जीवाणु) आवधिक यांत्रिक गतियों या विकृतियों (जैसे, एक फ्लैजेलम) के माध्यम से तैर सकता है। सबसे पहले, माइक्रोस्विमर और आसपास के तरल पदार्थ की गति के लिए गति की दर व्यावहारिक रूप से अप्रासंगिक हैः गति की दर को बदलने से तरल पदार्थ और माइक्रोस्विमर के वेगों का पैमाना बदल जाएगा, लेकिन यह तरल पदार्थ के प्रवाह के पैटर्न को नहीं बदलेगा। दूसरा, यांत्रिक गति की दिशा को उलटने से प्रणाली में सभी वेगों को उलट दिया जाएगा। स्टोक्स समीकरण के ये गुण व्यवहार्य तैराकी रणनीतियों की सीमा को गंभीर रूप से प्रतिबंधित करते हैं। बायोहाइब्रिड माइक्रोस्विमर के हाल के प्रकाशनों में जैविक घटकों के रूप में शुक्राणु कोशिकाओं, संकुचनशील मांसपेशियों की कोशिकाओं और बैक्टीरिया का उपयोग शामिल है, क्योंकि वे रासायनिक ऊर्जा को कुशलता से आंदोलन में परिवर्तित कर सकते हैं, और इसके अतिरिक्त पर्यावरणीय स्थितियों के आधार पर जटिल गति करने में सक्षम हैं। इस अर्थ में, बायोहाइब्रिड माइक्रोस्विमर प्रणालियों को विभिन्न कार्यात्मक घटकों के संयोजन के रूप में वर्णित किया जा सकता हैः कार्गो और वाहक। कार्गो एक रुचि का तत्व है जिसे अनुकूलित तरीके से स्थानांतरित किया जाना चाहिए (और संभवतः जारी किया जाना चाहिए)। वाहक बायोहाइब्रिड की आवाजाही के लिए जिम्मेदार घटक है, जो वांछित माल का परिवहन करता है, जो इसकी सतह से जुड़ा होता है। इनमें से अधिकांश प्रणालियाँ लक्षित दवा वितरण के लिए सिंथेटिक कार्गो के परिवहन के लिए जैविक गतिशील प्रणोदन पर निर्भर करती हैं/इसके विपरीत मामले के उदाहरण भी हैंः जैविक कार्गो प्रणालियों के साथ कृत्रिम माइक्रोस्विमर। पिछले एक दशक में, बायोहाइब्रिड माइक्रोबॉट, जिसमें जीवित गतिशील सूक्ष्मजीव भौतिक रूप से असंबंधित कृत्रिम संरचनाओं के साथ एकीकृत हैं, ने एक लक्षित गंतव्य तक सक्रिय गति और माल वितरण को सक्षम करने के लिए बढ़ती रुचि प्राप्त की है। गतिशीलता के अलावा, कृत्रिम और पर्यावरणीय परिवर्तनों के लिए एक उचित प्रतिक्रिया को महसूस करने और प्राप्त करने की आंतरिक क्षमताएँ कोशिका-आधारित बायोहाइब्रिड माइक्रोबॉट को नैदानिक और चिकित्सीय एजेंटों के स्थानीय सक्रिय वितरण के लिए मानव शरीर के दुर्गम गुहाओं में माल के परिवहन के लिए आकर्षक बनाती हैं। सक्रिय गति, लक्षित और गतिशील माइक्रोबॉट में अंतर्निहित केंद्रित चिकित्सीय और नैदानिक एजेंटों का संचालन पारंपरिक उपचारों की मौजूदा चुनौतियों को दूर कर सकता है। इसके लिए, बैक्टीरिया का उपयोग आमतौर पर संलग्न मोतियों और भूत कोशिका निकायों के साथ किया जाता है। बैक्टीरियल बायोहाइब्रिड कृत्रिम सूक्ष्म और नैनोस्विमर छोटे पैमाने के उपकरण हैं जो ऊर्जा को गति में परिवर्तित करते हैं। 2002 में उनके प्रदर्शन के पहले प्रदर्शन के बाद से, यह क्षेत्र नई तैयारी पद्धतियों, प्रणोदन रणनीतियों, गति नियंत्रण और कल्पना की गई कार्यक्षमता के संदर्भ में तेजी से विकसित हुआ है। यह क्षेत्र दवा वितरण, पर्यावरण उपचार और संवेदन जैसे अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक है। इस क्षेत्र का प्रारंभिक ध्यान काफी हद तक कृत्रिम प्रणालियों पर था, लेकिन साहित्य में "जैव संकर" की बढ़ती संख्या दिखाई दे रही है। कृत्रिम और जैविक घटकों का संयोजन नई, अच्छी तरह से नियंत्रित माइक्रोस्विमर कार्यात्मकताओं को प्राप्त करने के लिए एक आशाजनक रणनीति है, क्योंकि जीवित जीवों के आवश्यक कार्य आंतरिक रूप से चलने की क्षमता से संबंधित हैं। सभी तराजू के जीवित प्राणी पर्यावरणीय उत्तेजनाओं (जैसे, तापमान या पीएच) की प्रतिक्रिया में, खाद्य स्रोतों की तलाश करने, प्रजनन करने या शिकारियों से बचने के लिए आगे बढ़ते हैं। अधिक प्रसिद्ध जीवित सूक्ष्म प्रणालियों में से एक तैरने वाले बैक्टीरिया हैं, लेकिन निर्देशित गति आणविक पैमाने पर भी होती है, जहां जैविक कार्यों को करने के लिए एंजाइम और प्रोटीन संरचनात्मक परिवर्तनों से गुजरते हैं। तैराकी बैक्टीरियल कोशिकाओं का उपयोग हाइब्रिड माइक्रोस्विमर के विकास में किया गया है। बैक्टीरियल कोशिकाओं के साथ कार्गो लगाव उनके तैरने के व्यवहार को प्रभावित कर सकता है। झुंड अवस्था में जीवाणु कोशिकाओं का उपयोग संकर माइक्रोस्विमर के विकास में भी किया गया है। स्वार्मिंग सेरेटिया मार्सेसेन्स कोशिकाओं को पी. डी. एम. एस.-लेपित आवरण लिपियों में स्थानांतरित कर दिया गया, जिसके परिणामस्वरूप लेखकों द्वारा "बैक्टीरियल कार्पेट" के रूप में संदर्भित एक संरचना बनी। इन जीवाणु कालीनों के अलग-अलग आकार के सपाट टुकड़े, जिन्हें "ऑटो-मोबाइल चिप्स" कहा जाता है, दो आयामों में सूक्ष्मदर्शी स्लाइड की सतह से ऊपर चले गए। कई अन्य कार्यों में संकर माइक्रोस्विमर के विकास के लिए सेरेटिया मार्सेसेन्स झुंड कोशिकाओं के साथ-साथ ई. कोलाई झुंड कोशिकाओं का उपयोग किया गया है। मैग्नेटोटैक्टिक बैक्टीरिया बायोहाइब्रिड गति प्रणालियों में उनके बहुमुखी उपयोगों के कारण विभिन्न अध्ययनों का केंद्र रहा है। प्रोटिस्ट बायोहाइब्रिड एल्गल क्लैमाइडोमोनास रीनहार्ड्टी एक एककोशिकीय हरा सूक्ष्म शैवाल है। जंगली प्रकार के सी. रीनहार्ड्टी का आकार गोलाकार होता है जिसका व्यास औसतन लगभग 10 माइक्रोन मीटर होता है। यह सूक्ष्मजीव दृश्य प्रकाश को देख सकता है और 100-200 μms−1 की सीमा में उच्च तैराकी गति के साथ इसके द्वारा (यानी, फोटोटैक्सिस) संचालित किया जा सकता है। इसमें प्राकृतिक ऑटोफ्लोरेसेंस होता है जो लेबल-मुक्त फ्लोरोसेंट इमेजिंग की अनुमति देता है। सी. रीनहार्ड्टी को उपचार के सक्रिय वितरण के लिए बायोहाइब्रिड माइक्रोबॉट के जीवित घटक के रूप में सक्रिय रूप से खोजा गया है। वे स्वस्थ स्तनधारी कोशिकाओं के साथ जैव-संगत हैं, कोई ज्ञात विषाक्त पदार्थ नहीं छोड़ते हैं, शारीरिक रूप से प्रासंगिक मीडिया में गतिशील हैं, और कोशिका की दीवार पर माल ले जाने के लिए सतह संशोधन की अनुमति देते हैं। इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन और सहसंयोजक बंधन द्वारा परस्पर क्रिया करने वाली सतहों को संशोधित करने के माध्यम से असेंबली के लिए सी. रीनहार्ड्टी के लिए वैकल्पिक लगाव रणनीतियों का प्रस्ताव किया गया है। रोबोकोलिथ की सामूहिक गति जीवन की विशिष्टताओं में से एक है। व्यक्तिगत रूप से जो किया जाता है, उसके विपरीत, कई इकाइयाँ प्रत्येक प्रतिभागी के बीच स्थानीय बातचीत को निकटता में होने में सक्षम बनाती हैं। यदि हम सामूहिक व्यवहार में प्रत्येक प्रतिभागी को एक (जैव) भौतिक ट्रांसड्यूसर मानते हैं, तो ऊर्जा एक प्रकार से दूसरे प्रकार में परिवर्तित हो जाएगी। प्रॉक्सेमिक्स तब ऊर्जा के पारगमन के माध्यम से पड़ोसी व्यक्तियों के बीच बेहतर संचार का समर्थन करेंगे, जिससे समग्र संचालित संरचना के गतिशील और जटिल सहक्रियात्मक व्यवहार होंगे। हाल के वर्षों में नैनोस्कोपिक और मेसोस्कोपिक वस्तुओं को प्रकृति से प्रत्यक्ष प्रेरणा के माध्यम से या इसके मौजूदा उपकरणों का उपयोग करके सामूहिक रूप से आगे बढ़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस तरह के रोबोटिक झुंडों को एक ऑनलाइन विशेषज्ञ पैनल द्वारा रोबोटिक्स के क्षेत्र में 10 महान अनसुलझी समूह चुनौतियों में से एक के रूप में वर्गीकृत किया गया था। यद्यपि क्रिया के उनके अंतर्निहित तंत्र की जांच अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में है, विभिन्न प्रणालियाँ विकसित की गई हैं जो ऊर्जा की कटाई (जैसे, प्रकाश, तापीय, आदि) द्वारा नियंत्रित और अनियंत्रित झुंड गति से गुजरने में सक्षम हैं। महत्वपूर्ण रूप से, इस ऊर्जा को प्रणाली के चलने के लिए एक शुद्ध बल में परिवर्तित किया जाना चाहिए। छोटी मेसोस्कोपिक से नैनोस्कोपिक प्रणालियाँ आम तौर पर कम रेनॉल्ड्स संख्या (रे 1) पर काम करती हैं, और उनकी गति को समझना चुनौतीपूर्ण हो जाता है। गति होने के लिए, प्रणाली की समरूपता broken.14 होनी चाहिए इसके अलावा, सामूहिक गति के लिए उन संस्थाओं के बीच एक युग्मन तंत्र की आवश्यकता होती है जो सामूहिक बनाते हैं। झुंड व्यवहार में सक्षम मेसोस्कोपिक से नैनोस्कोपिक संस्थाओं को विकसित करने के लिए, यह परिकल्पना की गई है कि संस्थाओं को एक अच्छी तरह से परिभाषित आकृति विज्ञान के साथ टूटी हुई समरूपता द्वारा चिह्नित किया जाता है, और कुछ सामग्री के साथ संचालित होते हैं जो ऊर्जा की कटाई में सक्षम होते हैं। यदि कटाई की गई ऊर्जा का परिणाम वस्तु के आसपास के क्षेत्र में होता है, तो यह क्षेत्र पड़ोसी वस्तु के क्षेत्र के साथ युग्मित हो सकता है और सामूहिक व्यवहार में कुछ समन्वय ला सकता है। एमिलियानिया हक्सलेई (ईएचयूएक्स) कोक्कोलिथोफोर-व्युत्पन्न असममित कोक्कोलिथ टूटे हुए समरूपता और अच्छी तरह से परिभाषित आकृति विज्ञान के साथ एक नैनो/मेसोस्कोपिक वस्तु के चयन के लिए उम्मीदवारों के रूप में खड़े हैं। कैल्साइट संरचना के कारण ऊष्मागतिकीय स्थिरता के अलावा, ई. एच. यू. एक्स. कोक्कोलिथ का महत्वपूर्ण लाभ उनकी विशिष्ट और परिष्कृत असममित आकृति विज्ञान है। ई. एच. यू. एक्स. कोक्कोलिथ की विशेषता कई हथौड़ी-सिर वाली पसलियों द्वारा होती है जो एक केंद्रीय वलय द्वारा जुड़ी एक समीपस्थ और दूरस्थ डिस्क बनाने के लिए रखी जाती हैं। इन डिस्कों के आकार अलग-अलग होते हैं, लेकिन ये कोक्कोलिथ को एक वक्रता की अनुमति देते हैं, जो आंशिक रूप से एक वैगन व्हील जैसा दिखता है। ई. एच. यू. एक्स. कोक्कोलिथोफोर्स से ई. एच. यू. एक्स. कोक्कोलिथोफोर्स को अलग किया जा सकता है, जो एककोशिकीय समुद्री शैवाल का एक अनूठा समूह है जो समुद्र में जैविक कैल्साइट के प्राथमिक उत्पादक हैं। कोक्कोलिथोफोरस अंतःकोशिकीय रूप से जटिल त्रि-आयामी खनिज संरचनाओं का उत्पादन कर सकते हैं, जैसे कि कैल्शियम कार्बोनेट स्केल (यानी, कोक्कोलिथ), एक ऐसी प्रक्रिया में जो एक विशेष पुटिका द्वारा लगातार संचालित होती है। प्रक्रिया समाप्त होने के बाद, गठित कोक्कोलिथ को कोशिका की सतह पर स्रावित किया जाता है, जहां वे एक्सोस्केलेटन (यानी कोक्कोस्फेयर) बनाते हैं। कोकोलिथ वास्तुकला की व्यापक विविधता के परिणामस्वरूप नैनोटेक्नोलॉजी या बायोमेडिसिन में विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए आगे की संभावनाएं हैं। ई. एच. यू. एक्स. जीवित कोक्कोलिथोफोर्स से निर्जीव कोक्कोलिथ, विशेष रूप से, कम संवर्धन लागत और तेज प्रजनन दर के साथ प्रयोगशाला में आसानी से अलग किया जा सकता है और एक उचित रूप से मध्यम सतह क्षेत्र (~ 20 एम 2/जी) एक मेसोपोरस संरचना (4 एन. एम. की सीमा में छिद्र आकार) प्रदर्शित करता है। संभवतः, यदि ऊर्जा की कटाई ई. एच. यू. एक्स. कोक्कोलिथ के दोनों ओर की जाती है, तो यह एक शुद्ध बल के उत्पादन की अनुमति देगा, जिसका अर्थ है दिशात्मक तरीके से गति। कोकोलिथ में कई अनुप्रयोगों के लिए अपार क्षमता है, लेकिन ऊर्जा की कटाई को सक्षम करने के लिए, उनके सतह के गुणों को बारीकी से ट्यून किया जाना चाहिए। मसल्स में चिपकने वाले प्रोटीन की संरचना से प्रेरित, पॉलीडोपामाइन में डोपामाइन स्व-बहुलककरण वर्तमान में लगभग सभी प्रकार की सामग्रियों के लिए सबसे बहुमुखी कार्यात्मक रणनीति है। अपने सतह रसायन विज्ञान और प्रकाश अवशोषण गुणों की विस्तृत श्रृंखला के कारण, पॉलीडोपामाइन निष्क्रिय सब्सट्रेट पर सहायता प्राप्त ऊर्जा संचयन कार्य के लिए एक आदर्श विकल्प है। इस काम में, हमारा उद्देश्य पॉलीडोपामाइन कोटिंग के लाभों का दोहन करना है ताकि अन्यथा निष्क्रिय और निर्जीव कोक्कोलिथ को उन्नत ऊर्जा संचयन कार्यात्मकता प्रदान की जा सके। पॉलीडोपामाइन (पी. डी. ए.) को पहले से ही पॉलीस्टीरिन मोतियों की गति को प्रेरित करने के लिए दिखाया गया है क्योंकि निकट-अवरक्त (एन. आई. आर.) प्रकाश उत्तेजना के तहत वस्तु और आसपास के जलीय घोल के बीच 2 डिग्री सेल्सियस तक के तापीय प्रसार प्रभाव होते हैं। हालाँकि, कोई सामूहिक व्यवहार की सूचना नहीं मिली है। यहाँ, हम पहली बार साबित करते हैं कि पॉलीडोपामाइन एक सक्रिय घटक के रूप में कार्य कर सकता है, दृश्य प्रकाश (300-600 nm) के तहत, कोक्कोलिथ जैसे संरचनात्मक रूप से जटिल, प्राकृतिक और चुनौतीपूर्ण-से-नियंत्रण वास्तुकला के सामूहिक व्यवहार को प्रेरित करने के लिए। नतीजतन, कार्बनिक-अकार्बनिक संकर संयोजन (कोक्कोलिथ-पॉलीडोपामाइन) रोबोकोलिथ के डिजाइन को सक्षम करेगा। डोपामाइन पोलीमराइजेशन एक विलयन में आगे बढ़ता है, जहां यह छोटे कोलॉइडल समुच्चय बनाता है जो कोक्कोलिथ की सतह पर अवशोषित होते हैं, जिससे एक मिश्रित फिल्म बनती है। इस फिल्म की विशेषता उच्च खुरदरापन है, जो एक उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र में बदल जाता है और ऊर्जा की कटाई में वृद्धि करता है। बहुलक रीढ़ की हड्डी की संयुग्मित प्रकृति के कारण, पॉलीडोपामाइन दृश्य क्षेत्र सहित एक व्यापक विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम पर प्रकाश को अवशोषित कर सकता है। नतीजतन, कोक्कोलिथ की सतह एक फोटोथर्मल प्रभाव से संपन्न होती है, जो स्थानीय रूप से गर्म होती है और पीडीए की उपस्थिति से प्रेरित संवहन पैदा करती है। इस स्थानीय संवहन को पास के एक अन्य स्थानीय संवहन के साथ जोड़ा जाता है, जो व्यक्तिगत रोबोकोलिथ के बीच युग्मन की अनुमति देता है, जिससे उनकी सामूहिक गति (चित्र 1) सक्षम होती है। इसलिए, जब प्रकाश का सामना अनिसॉमेट्रिक रोबोकोलिथ से होता है, तो वे अपनी सतह पर पीडीए की उपस्थिति से प्रेरित फोटोथर्मल रूपांतरण के कारण स्थानीय रूप से गर्म होते हैं। तीव्र स्थानीय ताप संवहन उत्पन्न करता है जो रोबोकोलिथ के दोनों ओर अलग-अलग होता है, जिससे इसकी गति देखी जाती है। इस तरह के संवहन को पड़ोसी रोबोकोलिथ के संवहन के साथ जोड़ा जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप एक "झुंड" गति होती है। इसके अलावा, रोबोकोलिथ की सतह को एंटीफुलिंग पॉलिमर ब्रश को समायोजित करने और संभावित रूप से उनके एकत्रीकरण को रोकने के लिए इंजीनियर किया गया है। यद्यपि रोबोकोलिथ की गति को समझने के लिए एक प्राथमिक प्रकाश-सक्रिय संवहन दृष्टिकोण को पहले कदम के रूप में लिया गया है, वर्तमान में जैव-सूक्ष्म मशीनों के झुंड के रूप में बहुआयामी रोबोकोलिथ की अगली पीढ़ी के लिए मार्ग प्रशस्त करने के लिए कई यंत्रवादी दृष्टिकोण विकसित किए जा रहे हैं। बायोमेडिकल अनुप्रयोग बायोहाइब्रिड माइक्रोस्विमर्स, जो मुख्य रूप से एकीकृत जैविक एक्चुएटर्स और सिंथेटिक कार्गो वाहकों से बने हैं, ने हाल ही में न्यूनतम आक्रामक थेरानोस्टिक अनुप्रयोगों की ओर भरोसा दिखाया है। बैक्टीरिया, सूक्ष्म शैवाल और शुक्राणु सहित विभिन्न सूक्ष्मजीवों का उपयोग उन्नत चिकित्सा कार्यात्मकताओं के साथ विभिन्न बायोहाइब्रिड माइक्रोस्विमर बनाने के लिए किया गया है, जैसे कि लक्ष्यीकरण के लिए पर्यावरणीय उत्तेजनाओं के साथ स्वायत्त नियंत्रण, संकीर्ण अंतराल के माध्यम से नेविगेशन, और ट्यूमर वातावरण के नेक्रोटिक क्षेत्रों में संचय। ध्वनिक या चुंबकीय क्षेत्रों जैसे लंबी दूरी के लागू बाहरी क्षेत्रों के साथ सिंथेटिक कार्गो वाहकों की संचालन क्षमता, और विभिन्न पर्यावरणीय उत्तेजनाओं, जैसे कि कीमोआट्रैक्टेंट्स, पीएच और ऑक्सीजन के प्रति जैविक एक्चुएटर्स के आंतरिक टैक्सिस व्यवहार, बायोहाइब्रिड माइक्रोस्विमर्स को चिकित्सा सक्रिय कार्गो वितरण अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाते हैं। कम रेनॉल्ड्स (री) संख्या प्रवाह व्यवस्था में बैक्टीरिया की तैराकी की गति और दक्षता अधिक होती है, वे बाहरी पर्यावरणीय संकेतों को महसूस करने और प्रतिक्रिया देने में सक्षम होते हैं, और प्रतिदीप्ति या अल्ट्रासाउंड इमेजिंग तकनीकों के माध्यम से बाहरी रूप से पता लगाया जा सकता है। उनकी अंतर्निहित संवेदी क्षमताओं के कारण, विभिन्न बैक्टीरिया प्रजातियों की संभावित ट्यूमर-रोधी एजेंटों के रूप में जांच की गई है और ये पूर्व-नैदानिक और नैदानिक परीक्षणों का विषय रहे हैं। मानव शरीर में विभिन्न बैक्टीरिया प्रजातियों की उपस्थिति, जैसे कि त्वचा और आंत के सूक्ष्म पर्यावरण पर, ने कई चिकित्सा अनुप्रयोगों में संभावित थेरानोस्टिक एजेंट या वाहक के रूप में उनके उपयोग को बढ़ावा दिया है। दूसरी ओर, विशेष यूकेरियोटिक कोशिकाएँ, जैसे कि लाल रक्त कोशिकाएँ (आर. बी. सी.), प्रकृति के सबसे कुशल निष्क्रिय वाहकों में से एक हैं, जो उच्च पेलोड दक्षता, विकृति, अवक्रमण और जैव-संगतता के साथ हैं, और इनका उपयोग विभिन्न चिकित्सा अनुप्रयोगों में भी किया गया है। आरबीसी और आरबीसी-व्युत्पन्न नैनोवेसिकल्स, जैसे कि नैनोएरीथ्रोसोम, को शरीर में लागू पदार्थों के परिसंचरण समय को बढ़ाने और यकृत, प्लीहा और लिम्फ नोड्स में देखी गई विभिन्न बीमारियों के उपचार के लिए विभिन्न जैव सक्रिय पदार्थों को वितरित करने के लिए निष्क्रिय माल वाहक के रूप में सफलतापूर्वक अपनाया गया है, और अंतःशिरा, इंट्रापेरिटोनियल, सबकुटेनियस और इनहेलेशनल मार्गों के माध्यम से कैंसर भी। उदाहरण के लिए, चूहों में अंतःशिरा इंजेक्शन से पहले आर. बी. सी. की झिल्ली से जुड़े होने पर प्रतिरक्षा कोशिकाओं द्वारा दवा से भरे कणों की पहचान में कमी देखी गई। इसके अतिरिक्त, आर. बी. सी. पर संयुग्मित होने पर नैनोकैरियर्स की परिवर्तित जैव संचय रूपरेखा दिखाई गई, जिससे लक्षित अंगों तक नैनोकैरियर्स के वितरण को बढ़ावा मिला। यह भी बताया गया कि फुफ्फुसीय धमनी उच्च रक्तचाप के लिए एक दवा, फसुदिल का आधा जीवन, शरीर के अंदर लगभग छह गुना बढ़कर आठ गुना हो गया जब इसे नैनोएरीथ्रोसोम में लोड किया गया। आर. बी. सी. के सुपीरियर कार्गो-ले जाने वाले गुणों ने भी बायोहाइब्रिड माइक्रोस्विमर डिजाइनों में उनके उपयोग के लिए रुचि पैदा की है। हाल ही में, ध्वनि तरंगों और चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके सक्रिय नेविगेशन और दवा और सुपरपैरामैग्नेटिक नैनोपार्टिकल (एसपीआईओएन)-लोडेड आरबीसी का नियंत्रण प्रस्तुत किया गया था। आर. बी. सी. का उपयोग आगे सक्रिय माल वितरण अनुप्रयोगों के लिए गतिशील बैक्टीरिया द्वारा संचालित नरम बायोहाइब्रिड माइक्रोस्विमर के निर्माण में किया गया था। आर. बी. सी., दवा अणुओं और एस. पी. आई. ओ. एन. से भरे हुए, बैक्टीरिया द्वारा संचालित किए गए थे और चुंबकीय क्षेत्रों के माध्यम से संचालित किए गए थे, जो आर. बी. सी. की अंतर्निहित उच्च विकृति के कारण अपने आकार से छोटे अंतराल के माध्यम से यात्रा करने में भी सक्षम थे। संदर्भ माइक्रोस्विमर्स सूक्ष्मजीव रोबोटिक्स