Phạm Thị Oanh-sinh học hiện đại-tổng quan về công nghẹ nano sinh học

Sinh học phân tử càng phát triển, càng cần các công cụ, vật liệu mới nhằm thâm nhập sâu hơn vào thế giới hiển vi của những quá trình, cấu trúc sinh học.. •CNSH nano là bất cứ ứng dụng nà

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn

Đại học Thái Nguyên

Đại học Sư phạm

Tổng quan về công nghệ nano sinh học

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Chu Hoàng Mậu Học viên thực hiện: Phạm Thị Oanh

Chuyên ngành: Di truyền học – K16

Thái Nguyên - 2009

Công nghệ sinh học (CNSH) thực sự trở thành một ngành công nghiệp vào cuối những năm 1970 nhưng nó đã được đề cập và tiên đoán tiềm năng phát triển từ 60 năm trước đó CNSH là tập hợp các khám phá khoa học và kỹ thuật thí nghiệm cho phép các nhà khoa học thao tác và sử dụng các hệ thống sinh học trong nghiên cứu cơ bản và phát triển các sản phẩm thương mại Với nền tảng là công nghệ tái tổ hợp, CNSH đã và đang có những bước tiến thần kỳ, với ngày càng nhiều ứng dụng mới

CNSH hiện đại tập trung nghiên cứu các quá trình, cơ chế ở mức phân tử Sinh học phân tử càng phát triển, càng cần các công cụ, vật liệu mới nhằm thâm nhập sâu hơn vào thế giới hiển vi của những quá trình, cấu trúc sinh học

Và chính sự phát triển này đã dẫn đến sự ra đời của công nghệ sinh học nano

MỞ ĐẦU

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn

1.Giới thiệu chung về công nghệ sinh học nano (CNSH NN)

1.1 Định nghĩa công nghệ sinh học nano Công nghệ sinh học

nano là công nghệ giao thoa giữa công nghệ sinh học và công

nghệ nano.

•CNSH nano là bất cứ ứng dụng nào của CNNN trong nghiên

cứu sinh học bao gồm: khám phá thuốc, thiết bị phân phối thuốc, công cụ chuẩn đoán, liệu pháp và vật liệu sinh học mới

•CNSH nano là: 1 Áp dụng công cụ ở kích thước nano vào hệ thống sinh học và 2 Sử dụng hệ thống sinh học làm khuôn mẫu để phát triển các sản phẩm mới cỡ nano.

Hiện tại trong khoa học, tiền tố nano biểu thị con số 10-9 m tức kích thước 1 phần tỷ m

Hình 1 Bức tranh toàn cảnh CNSH nano Trong đó, các hệ thống, thiết bị riêng lẻ cũng như tích hợp được tạo ra từ nền tảng là sự giao thoa giữa CNSH và CNNN nhằm ứng dụng trong y học, sinh học…

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn

1.2 Hướng nghiên cứu chính của CNSH NN

•Chụp ảnh và nghiên cứu tương tác giữa các đơn phân tử sinh học.

•Màng chức năng tự lắp ráp với các tính chất như xúc tác, quang hoạt, dẫn điện, điện hóa và lọc nước, lọc khí, vi sinh vật.

•Động cơ DNA (DNA motor) dựa trên lực tạo ra khi lai các trình

tự bổ sung với nhau.

•Chụp ảnh quá trình vận động của virus, protein, prion và thuốc trong tế bào sống.

•Chuyển gene và đột biến điểm chính xác.

•Các bộ phận phân tử mới hướng đích và tăng phản ứng miễn dịch.

•Công nghệ phân phối thuốc hướng đích

•Khai thác các động cơ sinh học như cơ và các protein vận động khác, để tạo năng lượng điện hoặc cơ.

Vật liệu nano là vật liệu có ít nhất một chiều có kích thước nm Đặc trưng của vật liệu nano: Các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu đều bị giới hạn bởi kích thước, gọi là kích thước tới hạn Các tính chất như điện, từ, quang và hóa học đều có độ dài tới hạn cỡ nm Nếu vật liệu nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn

bị thay đổi Tính chất đặc biệt của vật liệu nano được đem lại do kích thước của nó nhỏ hơn kích thước tới hạn của vật liệu

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn

Hình 5 Kích thước vật liệu nano và tế bào Vật liệu nano dùng trong CNSH gồm dạng cầu và dạng thanh

3 Các phần tử sinh học trong CNSH nano

• Protein

Động cơ sinh học nano là protein và phức hệ protein thực hiện các chức năng khác nhau thiết yếu cho sự sống như tái bản và biệt hóa của tế bào Chúng sử dụng năng lượng hóa học, điện hóa hoặc điện thế và chuyển năng lượng này thành lực cơ học

Kết hợp các động cơ phân tử sinh học với các hệ thống được chế tạo ở kích thước nano cho phép phát triển các thiết bị lai hữu cơ-vô

cơ có khả năng sử dụng ATP như nguồn năng lượng Cách tiếp cận này có thể cho phép tạo ra các cảm biến, biến năng cơ học và

cơ cấu truyền động mới [68, 69] Các cơ chế bởi đó các động cơ sinh học tạo ra lực là một lĩnh vực nghiên cứu thú vị trong đó các quá trình đáng kể được tạo thành [70]

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn

Hình 3 Các protein vận động: kinesin chạy dọc theo microtubule, dynein chạy dọc microtubule theo chiều ngược lại với kinesin, myosin chạy dọc theo sợi filament, F1-ATPase là một động cơ quay, cuống trung tâm của nó quay khi các dưới đơn vị bên ngoài thủy phân ATP

- Có thể sử dụng tính chất nhận biết phân tử kết hợp với các tính chất cơ học khác nhau của DNA mạch đơn và kép để tạo các thiết

bị nano thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn với các ứng dụng từ chế tạo nano đến phân phối thuốc thông minh.

- Có thể dùng DNA để tạo ra các bộ máy với khả năng chuyển động quay, đẩy và giãn dài, hoặc thậm chí vận động đẳng hướng.

- Có thể phát minh các thiết bị nano tự sinh để bắt giữ và giải phóng các phân tử, thực hiện các nhiệm vụ xử lý thông tin đơn giản.

- DNA làm mẫu dò trong gene chip, một kỹ thuật chỉ mới được phát minh vào đầu những năm 1990 và tiềm năng phát triển có thể so với PCR

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn

• Các cấu trúc khác

Các lớp bề mặt tế bào vi khuẩn gọi là S-layer, S-layer neoglycoprotein tích hợp có thể sử dụng trong thiết kế vaccine, phân phối thuốc sử dụng sự nhận biết carbohydrate Ngoài ra, có thể sử dụng glycoprotein, polysaccharide, mono hay oligosaccharide làm mẫu dò trong glycan array hoặc chính bản thân tế bào cũng được lợi dụng làm khuôn để chế tạo dây nano Với sự phát triển như vũ bão của công nghệ hiện nay, có thể nói, mọi cấu tử sinh học ở kích thước nano đều có tiềm năng ứng dụng trong CNSH nano

Hình 4 Các ví dụ về các mức độ can thiệp của CNSH nano

với con người

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn

4.1 Khám phá, phân phối thuốc và các phân tử liệu pháp

Trong lĩnh vực CNSH nano, nghiên cứu cũng như ứng dụng nổi bật nhất thuộc lĩnh vực chuẩn đoán và khám phá thuốc, điều này được thể hiện qua nguồn tài chính nổi trội dành cho hai lĩnh vực này Các hệ thống phân phối thuốc siêu

nhỏ in vivo là đích đến quan trọng nhất trong nghiên cứu CNSH nano

Một trong các khối cấu trúc nano được sử

dụng phổ biến nhất trong chiến lược phân

phối thuốc là dendrimer bởi tính chất

hướng đích và phát hiện của nó Các thiết

bị nano dùng dendrimer đa chức năng

cung cấp một nền tảng nano để chụp ảnh,

phân phối thuốc hướng đích và điều chị

ung thư in vitro và in vivo, giúp tăng hoạt

lực của thuốc và tạo đáp ứng dược học

nhanh chóng

Hình 5 Cấu trúc hai và ba chiều của dendrimer

Gao và cộng sự sử dụng thành công QD để chụp ảnh và hướng đích ung thư

in vivo Họ gắn QD với kháng thể đặc hiệu tế bào ung thư tiền liệt tuyến Sau khi tiêm vào chuột (đã chuyển tế bào ung thư tiền liệt tuyến của người), có thể nhận biết và chụp ảnh kháng thể PSMA đánh dấu QD gắn với vị trí khối u in vivo

A) Thí nghiệm mô ex vivo của tế bào ung thư đánh dấu QD trong phổi chuột B) Hiện ảnh in vivo các vi hạt QD đa màu trong chuột sống (C) Hướng đích

phân tử và hiện ảnh in vivo khối u tiền liệt tuyến ở chuột dùng kháng thể kết hợp với QD

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn

4.3 Kháng vi sinh vật

Vật liệu nano còn trực tiếp có khả năng kháng khuẩn Fernadanez- Lopez và cộng sự tìm ra các peptide vòng chứa 6 và 8 gốc axit amin tác động ưu tiên đến

vi khuẩn Gram âm và dương so với tế bào động vật

Hình 6 Kênh α-hemolysin được thể hiện mặt cắt ngang được gắn với một lớp lipid kép Khi có điện áp, mạch đơn DNA poly(dC) được điều khiển đi qua lỗ bởi điện trường

4.4 Phát hiện-xác định cấu tử sinh học

Có thể xác định trình tự ssDNA căn cứ trên sự

vận chuyển điện tích của các chuỗi DNA qua lỗ

nano trên màng silicon nitride [143] hoặc qua lỗ

α-hemolysis trên màng lipid kép Đường kính lỗ

trong cả hai trường hợp <10nm Hiện cũng

đang có các nghiên cứu dùng kênh nano để

duỗi thẳng phân tử DNA, giúp đơn giản hóa quá

trình giải trình tự Tốc độ giải trình tự ước tính

dùng lỗ nano là 1000 - 10.000 base/giây, lớn

hơn rất nhiều so với con số ~30.000 base/ngày

với các máy giải trình tự truyền thống

Một ứng dụng của các NT là như thiết bị tách pha nano để loại bỏ các phân tử đặc hiệu khỏi dung dịch Ví dụ, có thể sử dụng NT có mặt ngoài ưa nước và mặt trong ưa béo (lipophilic) để tách các hóa chất ưa béo và thuốc khỏi dung dịch lỏng Các NT silica cũng có thể được sử dụng như các thiết bị phản ứng sinh học

4.6 Máy tính nano sinh học

Các nhà khoa học Israel vừa chế tạo ra một máy tính DNA có thể thực hiện 330.000 tỷ phép tính/giây, gấp 100.000 lần tốc độ của PC nhanh nhất hiện nay Nếu nhìn bằng mắt thường, máy tính DNA trông giống dung dịch nước 1.000

tỷ thiết bị có thể nằm gọn trong một giọt nước Cấu trúc của máy tính sinh học gồm DNA đóng vai trò phần mềm và enzyme giữ vai trò phần cứng Phản ứng hoá học giữa các phân tử trong ống nghiệm cho phép nhà khoa học thực hiện những phép tính đơn giản Nhà khoa học ra lệnh cho thiết bị làm việc bằng cách thay đổi thành phần phân tử DNA Thay vì xuất hiện trên màn hình, kết quả được phân tích thông qua một kỹ thuật cho phép nhà khoa học nhận biết chiều dài của phân tử DNA đầu ra

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn

KẾT LUẬN

Qua những ứng dụng trên của công nghệ sinh học nano, ta thấy rằng sự phát triển của công nghệ sinh học và công nghệ sinh học nano là rất có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn cuộc sống con người

Cùng với sự phát triển của công nghệ sinh học nano đã tạo tiền đề cho nhiều phương pháp khác ra đời

Vì vậy, cần phối hợp các biện pháp này một cách tốt nhất để đạt được mục đích đề ra