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

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn
Đại học Thái Nguyên
Đại học Thái Nguyên
Đại học Sư phạm
Đại học Sư phạm
Tổng quan về
Tổng quan về
công nghệ nano sinh học
công nghệ nano sinh học
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Chu Hoàng Mậu
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Chu Hoàng Mậu
Học viên thực hiện: Phạm Thị Oanh
Học viên thực hiện: Phạm Thị Oanh
Chuyên ngành: Di truyền học – K16
Chuyên ngành: Di truyền học – K16
Thái Nguyên - 2009
Thái Nguyên - 2009
Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn
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
Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn
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.
Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn
2. Vật liệu nano
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
Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn
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.
Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn
•
DNA
- 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.
Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn
4. Ứng dụng của CNSH NN
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
Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn
4.2. Chẩn đoán và điều trị
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.
Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn
4.5 Phân tách các cấu tử sinh học
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