CÁC QUY TRÌNH và THIẾT bị NANO TRONG CÔNG NGHỆ PROTEIN ENZYME

CÁC QUY TRÌNH VÀ THIẾT BỊ NANO
TRONG CƠNG NGHỆ PROTEINENZYME

1


NỘI DUNG CHÍNH

• 7.6 Quy trình và thiết bị
• 7.7 Quan điểm
• 7.8 Giới thiệu sơ lược về kỹ thuật phân tách và tinh
sạch

2


QUY TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

o Thiết bị nano (Nanomachines)
o Cảm biến sinh học (Biosensors and Biochips)
o Bioreactors
o Chất xúc tác (Catalysts )
o Giàn giáo (Scaffolds )

3


Nghiên cứu toàn diện về cấu trúc tế bào
như lục lạp, ribosome, sao chép DNA, ty
thể và các kênh màng đã cung cấp nguồn
cảm hứng cho việc khai thác các quá trình

và thiết bị sinh học khác nhau

4


THIẾT BỊ NANO (NANOMACHINES)

o

Các tổ hợp nhỏ được xây dựng từ những phân tử đơn lẻ

o

Cơng cụ hữu ích, tạo ra những vật liệu phức tạp

o

Nhằm sửa chữa các khuyết tật nhỏ trên bề mặt hoặc trong các tế bào sống

o

Lưu trữ và lấy thông tin.

o

Phần thiết yếu của thiết bị nano: động cơ phân tử chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng cơ học

o

Đạt được thơng qua sự thủy phân ATP hoặc thông qua sự di chuyển của các ion qua màng tế bào.

5


MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ ĐỘNG CƠ PHÂN TỬ

6

Protein động cơ

Myosin

Dynein

Kinesin

Enzyme F0F1 ATP

RNA polymerase-


o

Tất cả động cơ như vậy cung cấp chuyển động tự quay hay tuyến tính,
chuyển tiếp lực đẩy.

o

Chúng sẽ cần thiết trong các công nghệ nano trong tương lai như đòn
bẩy, van, máy bơm, gọng kiềm, và các bộ phận chức năng khác

o

Truyền cảm hứng cho những nhà khoa học

7


Kinesins

Phương pháp chụp ảnh bằng đầu dò nano

8


Enzyme F0F1 ATP
Cánh quạt kim loại nhỏ.

9


Những động cơ phi sinh học khác

Rotor triptycence ba cánh kết hợp với helicence có

Một hệ thống động cơ phân tử xoay 360 độ

khả năng qua 120 độ diễn ra trong 5 bước

bao gồm một bis-helicene được kết nối bởi một liên kết đôi

anken

10


Phân tử “car-like”, bốn nhóm fullerene gắn ở 4 góc đóng vai trị là bánh
xe

Máy tính DNA
11


CẢM BIẾN SINH HỌC (BIOSENSOR AND BIOCHIPS)
- Cảm biến sinh học gồm 3 phần

o
o
o
•
•
•
•

Một yếu tố sinh học nhạy cảm (mô, vi sinh vật, bào quan, thụ thể tế bào…)
Một đầu dị kết nối và dịch thơng tin đến máy dò
Một máy dò: hiển thị và ghi nhận theo cách hóa lý, quang học, hiệu ứng điện hóa…)

Có thể được cố định hoặc tự do trong chất lỏng hoặc huyết thanh
Một số ứng dụng:
Các mục tiêu liên quan đến sức khỏe, y tế như theo dõi chỉ số glucose của bệnh nhân tiểu đường

Các ứng dụng mơi trường (ví dụ phát hiện thuốc trừ sâu và chất gây ô nhiễm)
Phát hiện mầm bệnh
Phân tích folic, biotin, vitamin B12 và acid pantothenic thay thế cho xét nghiệm vi sinh.

Protein và polynucleotide thường được sử dụng làm phân tử cảm biến trong khi lipid và carbohydrat thường cung cấp bề mặt chất nền

12


BIOREACTOR

o

Trong cơng nghệ nano, bioreactor đề cập đến bất kì thiết bị hay hệ thống nào hỗ trợ môi trường hoạt
động ở cấp độ phân tử

o
o
o

Có kích thước nano hoặc micro
Khai thác khả năng tự lắp ráp của các phân tử sinh học như lipid, protein bề mặt và carbohydrate
Mang lại cơ hội cao trong nghiên cứu

13


CHẤT XÚC TÁC (Catalysts)


Chất xúc tác là các phân tử tạo điều kiện và tăng tốc cho phản ứng hóa học mà khơng bị tiêu thụ trong q trình phản
ứng

o
o

Enzyme là phiên bản sinh học của chất xúc tác

Enzyme: Protein có tính đặc hiệu cao, hoạt động trong điều kiện thuận lợi, thân thiện với mơi
trường.

o

Có sự giới hạn ở số lượng các phản ứng mà chúng có thể xúc tác ; bị thiếu ổn định trong
dung môi hữu cơ và nhiệt độ cao, hạn chế về cofactor

Do đó cơng nghệ protein là một lĩnh vực nghiên cứu và nỗ lực tạo ra các với những tính chất
tối ưu, thơng qua thiết kế hợp lý hoặc tiến hóa trong ống nghiệm.
14


GIÀN GIÁO (Scaffolds)



Khả năng tự lắp ráp của nhiều phân tử thành nhũng cấu trúc bậc cao hơn mở ra những cơ hội xây dựng nên
những khung hỗ trợ tạm thời để xây dựng những phân tử kiên cố hơn

o

Ứng dụng nhiều trong lĩnh vực y tế:

- Kỹ thuật mô cho việc làm lành vết thương, cung cấp tạm thời những ngun liệu ngoại bào có tính tương thích
sinh học

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Northwestern (USA) đã sử dụng dung dịch peptide, sau khi tiêm vào tủy sống hoặc
xương, nó có khả năng tự lắp ráp và hình thành môi trường cho các tế bào gốc tái tạo dây thần kinh và xương

15


QUAN ĐIỂM




Sự tập trung vào tính bền vững của các vật liệu, quy trình và thiết bị




Sự hội tụ của công nghệ nano và công nghệ sinh học

Nguồn cảm hứng trong tự nhiên

Rất nhiều thử thách phải vượt qua trước khi nhận ra tiềm năng của công nghệ
nano



Nhiều tiềm năng công nghệ sinh học nano là nghe hấp dẫn, đổi mới và bất ngờ
nhưng đến nay chủ yếu giới hạn trong nghiên cứu học thuật.

16


KỸ THUẬT PHÂN TÁCH VÀ TINH SẠCH ĐẦU RA (DSP)

o Là kỹ thuật để phục hồi một sản phẩm từ Bioreactor trở nên tinh khiết hơn phù hợp với mục đích sử dụng
o Q trình khởi đầu DSP tạo thành một môi trường lên men thô chứa các tế bào sản xuất, chất dinh dưỡng, chất chuyển
hóa, chất nền khơng được tiêu thụ, và phụ phẩm,… hồn hợp phản ứng như enzyme, chất phản ứng, dung môi.

o Thách thức: tách sản phẩm tương tự như sản phẩm chính
o Bắt đầu bằng việc tách những thành phần có sự khác biệt về lớn nhất về tính chất hóa lý
o Kết thúc bằng việc tách các phân tử có tính chất ít nhiều giống nhau
o DSP có vai trị quan trọng ảnh hưởng đến chi phí sản xuất (50-70% đối với sản phẩm công nghệ lên men)

17


SƠ ĐỒ PHÂN TÁCH

18


ISPR

o

Kỹ thuật để loại bỏ sản phẩm tại chỗ, giải pháp công nghệ cải thiện năng

suất

o
o

Bước tách và tinh chết giảm
Điều kiện tiên quyết quan trọng:

ISPR kết hợp với Bioreactor không sinh ra tác nhân nào ảnh hưởng xấu (độc tính,
biến tính enzyme)

o

Sản phẩm được thu hoạch liên tục hoặc gián đoạn từ Bioreactor bằng
cách sử dụng kỹ thuật tách phù hợp. Các chất sinh học hoặc toàn bộ
tế bào được sử dụng trong quy trình có thể được loại bỏ khỏi dịng
quy trình và được tái chế trước bước hình thành được sản phẩm.

19


Cảm biến sinh học gồm bao nhiêu phần

A.3 phần
B.2 phần
C.1 phần
D.4 phần

20

CẢM ƠN THẦY CÔ VÀ CÁC BẠN ĐÃ
LẮNG NGHE!

21