Công nghệ sinh học nano

Công nghệ sinh học
Nano
.
MỤC LỤC
1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Lịch sử phát triển
1.1.1 Công nghệ sinh học
1.1.2 Công nghệ nano
1.1.3 Công nghệ sinh học nano
1.2. Hướng nghiên cứu chính
1.3 Tiềm năng
2. KHỐI CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ CHẾ TẠO
2.1 Vật liệu nano
2.1.1 Dạng cầu
2.1.2 Dạng thanh
2.2 Các phần tử sinh học trong CNSH nano
2.2.1 Protein
2.2.2 DNA
2.2.3 Các cấu trúc khác
2.3 Cấu trúc nano tích hợp
2.3.1 Microarray
2.3.2 Microfluidic
2.3.3 Điện cực nano (nanosensor)
2.3.4 Thiết bị nano (nanodevice)
3. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO
3.1 Phương pháp hóa học
3.1.1 Micelle ngược
3.1.2 Khử
3.1.3 Tổng hợp điện hóa
3.2 Phương pháp vật lý
3.2.1 Các phương pháp cơ học

3.2.2 Vi định vị không gian
3.2.3 Tổng hợp trong pha khí
3.2.4 Hồ quang điện
3.3 Các phương pháp sinh học
3.3.1 Tự lắp ráp phân tử
3.3.2 Vi chế tác dựa trên khuôn sinh học
3.3.3 Phỏng sinh học
2.3.4 Sinh học phân tử
4. ỨNG DỤNG
4.1 Khám phá, phân phối thuốc và các phân tử liệu pháp
4.2 Chẩn đoán và điều trị
4.3 Kháng vi sinh vật
4.4 Phát hiện-xác định cấu tử sinh học
4.5 Phân tách các cấu tử sinh học
4.6 Máy tính nano sinh học
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Lịch sử phát triển
1.1.1 Công nghệ sinh học
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 [1]. 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 [2]. 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.
1.1.2 Công nghệ nano
Nano theo tiếng Latinh (νανοσ) nghĩa là nhỏ xíu. Vào thế kỷ thứ VII trước Công nguyên,

Mimnermus, thi gia HyLạp, đã sáng tác bài thơ có tên “nữ hoàng Ναννο”. Đến thế kỷ
thứ II sau Công nguyên, ναννο là tên một loại bánh bơ có dầu ôliu, sang thế kỷ thứ III
sau Công nguyên thì nó lại mang nghĩa bồn rửa bát đĩa lớn.
Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908, khi Lohmann
sử dụng nó để chỉ các sinh vật rất nhỏ với đường kính 200 nm [3]. Vào năm 1974,
Tanigushi lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) hàm ý sự
liên kết các vật liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai [3]. Hiện tại trong khoa học,
tiền tố nano biểu thị con số 10-9 tức kích thước 1 phần tỷ m (hình 1).
Hình 1. Các phân tử DNA có kích thước khoảng 2,5 nm. 10 nguyên tử H xếp liền nhau
dài 1nm (Theo www.cecs.ucf.edu).
Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc chính phủ Mỹ định nghĩa công nghệ
nano (CNNN) là “bất cứ thứ gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn
100nm”. Định nghĩa này đã loại bỏ một cách độc đoán chủ thể của các nghiên cứu liên
quan khác tập trung vào các thiết bị vi lỏng (microfluidic) và các vật liệu đang được tiến
hành ở quy mô µm [4].
Trong cuốn “Bionanotechnology: lessons from nature”, Goodsell định nghĩa CNNN là
“thao tác và chế tạo ở quy mô nano với độ chính xác nguyên tử” [5].
Cụ thể hơn, CNNN là khoa học, kỹ thuật và thao thác liên quan tới các hệ thống có kích
thước nano, ở đó các hệ thống này thực hiện nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hóa hoặc tính
toán đặc biệt. Nền tảng của công nghệ này là hiện tượng “các cấu trúc, thiết bị và hệ
thống có tính chất và chức năng mới khi ở kích thước siêu nhỏ”. Cấu trúc cơ bản của
CNNN bao gồm các hạt hay tinh thể nano, lớp nano và ống nano. Các cấu trúc nano
này khác nhau ở chỗ chúng được tạo thành như thế nào và các nguyên tử, phân tử của
chúng được sắp xếp ra sao [6]
Hình 2. Mối tương quan giữa các thiết bị máy móc (đồng hồ) có kích thước µm đến mm
và cấu tử sinh học (ribosom, tiên mao) có kích thước nano [Theo 5].
1.1.3 Công nghệ sinh học nano
CNNN phát triển tất yếu dẫn tới nhu cầu tìm kiếm các mối liên kết giữa những vật có
kích thước nano. Điều đó tự phát dẫn tới sinh học (lĩnh vực khoa học “nóng” nhất) (hình
2). Các nhà khoa học mong muốn sự giao thoa giữa CNSH và CNNN bởi lẽ CNNN

mang lại cho sinh học những công cụ mới trong khi sinh học cho phép CNNN đạt được
các hệ thống có chức năng mới [7]. Công nghệ này tạo ra sự hợp tác chưa từng có
giữa các nhà khoa học vật liệu, vật lý học và sinh học [8]. CNSH nano là tập con của
CNNN, nó cũng gần với CNSH nhưng thêm khả năng thiết kế và biến đổi các chi tiết
sinh học ở mức độ nguyên tử [5]. Hiện có nhiều cách định nghĩa CNSH 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 [9].
Theo NIH, 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.
Ở đây, cần phân biệt giữa ‘Nano2Bio’ (sử dụng CNNN để phân tích và tạo ra các hệ
thống sinh học), và ‘Bio2Nano’ (sử dụng vât liệu và cấu trúc sinh học để tạo các hệ
thống kỹ thuật) [10]. Hình 3 thể hiện khái quát các định nghĩa CNSH nano nêu trên.
Hình 3. 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… (Theo www.nano2life.org)
1.2. Hướng nghiên cứu chính
Cùng với sự nở rộ của CNNN, CNSH nano cũng đang có những bước tiến thành kỳ.
Một số ví dụ của CNSH nano trong nghiên cứu và phát triển [11]:
• 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.

Hiện tại trên thị trường đã có những sản phẩm thương mại của CNSH nano. Bảng 1 liệt
kê một số công ty thành công trong lĩnh vực CNSH nano theo ba hướng nghiên cứu
chính là (i) phân tích sinh học; (ii) phân phối thuốc và liệu pháp; (iii) thiết bị y học và
cảm biến sinh học. Rõ ràng, có sự chồng lấp giữa các lĩnh vực này, và một lĩnh vực
phát triển sẽ xúc tác sự phát triển của lĩnh vực khác [12]. Như một tất yếu trong các lĩnh
vực công nghệ cao và mới, Mỹ luôn là nước dẫn đầu thể hiện ở số công ty vượt trội.
Tuy nhiên, một số nước khác như Úc Nhật, Canada, Nhật, Anh cũng đã có những công
ty tham gia vào thị trường đầy tiềm năng này.
1.3 Tiềm năng
Có thể nói, trong thời điểm hiện tại, có thể thấy tiềm năng phát triển của một công nghệ
hay kỹ thuật mới rõ nhất qua nguồn ngân sách nghiên cứu hàng năm và doanh thu đem
lại từ các sản phẩm thương mại của nó.
Được toàn thế giới nghiên cứu và đầu tư phát triển, ngân sách đầu tư cho CNNN của
các tổ chức thuộc chính phủ đã tăng khoảng 7 lần từ 430 triệu năm 1997 lên 3 tỉ USD
năm 2003[13]. Tỷ lệ đầu tư cho nghiên cứu và đào tạo CNSH nano bằng khoảng 6%
của công nghệ nano. Trong lĩnh vực tư nhân, các công ty lớn hiện tập trung ứng dụng
CNNN cho vât liệu, hóa học, điện; đầu tư trong dược và các hệ thống sinh học nano
khác ước tính khoảng 10%. Tuy nhiên, các công ty nhỏ và quỹ đầu tư mạo hiểm chi
nhiều hơn trong lĩnh vực này (30-40%) [13]. Từ năm 1999, 52% trong số 900 triệu USD
trong quỹ đầu tư mạo hiểm chi cho CNNN tập trung vào thiết lập CNSH nano (hình 4a).
Trên thực tế, trong khi trong khi vốn đầu tư mạo hiểm suy giảm từ năm 2001 đến 2002,
đầu tư vào CNSH nano lại tăng 313% (hình 4b). Sự tăng trưởng này do hai yếu tố chủ
chốt: các ưu đãi của chính phủ và sự khan hiếm các sáng chế y dược học [9]. Trên
50% vốn đầu tư mạo hiểm trong 4 năm gần đây được chi cho các công ty hoạt động
trong CNSH nano [8].
Hình 4. Sức cám dỗ ngày càng tăng của CNNN với các nhà đầu tư. (a) Vốn đầu tư mạo
hiểm chi cho CNSH nano so với các lĩnh vực CNNN khác. (b) Quỹ đầu tư mạo hiểm
hàng năm chi cho CNNN [Theo 9].
Mặc dù Mỹ chiếm gần 1/3 tổng chi cho CNNN toàn cầu [9]. Các quốc gia khác cũng
không đứng ngoài cuộc, sau 3 năm kể từ khi cựu tổng thống Mỹ Bill Clinton thành lập

NNI, 35 quốc gia khác đã xây dựng các chương trình trong công nghệ này [8]. Năm
2004, chính phủ Mỹ chi 847 triệu USD cho CNNN trong khi đó Nhật và liên minh Châu
Âu cũng chi không kém. Thái Lan đang ở giai đoạn giữa của chương trình CNNN quốc
gia 6 năm với tổng ngân sách 620 triệu USD [14]. Anh là quốc gia cuối cùng tăng chi
tiêu trong công nghệ nano, được giới thiệu vào tháng 6 một sự gần như gấp đôi cam
kết của nó với £90 ($141) triệu cho quỹ MicroNanoTechnology Network [8]. Ngân sách
đầu tư cho CNNN của chính phủ một số nước được thể hiện trong bảng 2.
Theo National Science Foundation, thị trường CNSH nano sẽ đạt xấp xỉ 36 tỷ USD vào
năm 2006 [15].
Không nằm ngoài vòng xoáy chung, Việt Nam cũng đã và đang chú trọng vào công
nghệ nano. Năm 2004, vốn đầu tư vào môi trường và CNNN đã tăng hơn 50% so với
năm 2003 [16].
Trong lĩnh vực đào tạo, ĐHQG - TP.HCM [17], ĐHBK - TP.HCM [18], Trường ĐH-
KHTN [19] và Đại học Công nghệ trực thuộc ĐHQG-HN [20], ĐHBK-HN đã và đang
nghiên cứu, đào tạo về công nghệ nano.
Khu công nghệ cao TPHCM cũng tập trung đẩy mạnh CNNN [21]. Trong triển khai thực
tiễn, thành công rực rỡ nhất của CNNN tại Việt Nam là chế tạo thành công than nano
"lỏng" [22] ứng dụng làm pin nguyên liệu, chế tạo vi mạch [23]. Ngoài ra còn có các
nghiên cứu về cấu trúc nano đa lớp, vật liệu từ có cấu trúc nano [24] và đã chế tạo
thành công cảm biến nano dùng để xác định nồng độ khí gas hoá lỏng [25]. Khu công
nghệ cao TP.HCM cũng đang hợp tác với trung tâm nhiệt đới Việt Nga để chế tạo mặt
nạ sinh học dùng than nano [26], giấy và mực nano [27].
Tuy nhiên, CNSH nano vẫn là một điều gì đó mới lạ ở Việt Nam. Trong lĩnh vực đào
tạo, trường ĐHBK-HN mới có dự thảo chương trình đào tạo thạc sỹ về CNSH nano. Tại
đây cũng bắt đầu triển khai ứng dụng CNNN trong chế tạo thuốc hướng đích. GS.
Phạm Thị Trân Châu (Trung tâm CNSH - ĐHQG HN), PGS. Nông Văn Hải (Viện Khoa
học và công nghệ Việt Nam) và GS. Nguyễn Hữu Đức (Trường Đại học Công nghệ -
ĐHQG - HN) đang thảo luận để khởi động kết hoạch nghiên cứu ứng dụng của các hạt
nano trong y - sinh học để chẩn đoán và chữa bệnh [24].
Nói chung, CNSH nano tại Việt Nam hiện chỉ mới đang đặt những viên gạch móng đầu

tiên.
2. KHỐI CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ CHẾ TẠO
2.1 Vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu có ít nhất một chiều có kích thước nm. Hình 5 cho thấy một số
vật liệu nano tiêu biểu và kích thước của chúng.
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.
Bảng 3. Kích thước của một số cấu tử nano
Hình 5. Kích thước vật liệu nano và tế bào (Theo />Phân loại vật liệu nano
Theo trạng thái, người ta phân chia vật liệu nano thành trạng thái rắn, lỏng và khí. Vật
liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng
và khí.
Về hình dáng vật liệu, người ta chia vật liệu nano thành:
• Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví dụ, đám nano,
hạt nano...
• Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, ví dụ, dây
nano, ống nano (NT),...
• Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, ví dụ,
màng mỏng,...
• Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một
phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một
chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Trong khuôn khổ bài viết tập trung vào CNSH nano này, tôi chỉ đề cập đến những vật
liệu nano đã và đang được ứng dụng trong ngành khoa học mới mẻ này. Do vậy, để
tiện theo dõi tôi chia vật liệu nano dùng trong CNSH nano thành hai loại là dạng cầu
(điểm lượng tử, dendrimer, lỗ nano, vỏ nano và hạt nano) và dạng thanh (ống nano,

que nano, dây nano).
2.1.1 Dạng cầu
Điểm lượng tử (QD)
QD là một hạt vật chất được tạo nên từ các vật liệu nhóm II–VI (CdSe) hoặc III-V (InP)
trong bảng hệ thống tuần hoàn [28], có kích thuớc nhỏ (< 10 nm) [29] tới mức khi thêm
hay lấy đi một điện tử sẽ làm thay đổi tính chất của nó. Khi ta kích thích một QD càng
nhỏ thì năng luợng và cuờng độ phát sáng của nó càng tăng, mang lại bước sóng phát
xạ khả điều hướng và đa hình phổ phát xạ của QD (hình 6). Vì vậy nó là cửa ngõ cho
hàng loạt những áp dụng kỹ thuật mới (wikipedia).
Hình 6. Vi hạt gắn với QD mang lại màu khác nhau các phân tử sinh học. Mười màu
khác nhau phát ra từ QD (CdSe gắn với ZnS) dưới tia UV [Theo 30].
Trong số các vật liệu nano, QD hiện được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất. Có thể
nói, với những ưu điểm vượt trội của mình, QD sẽ dần thay thế các chất phát huỳnh
quang trong những ứng dụng trước đây như lai in situ, FRET, xác định khả năng di
động của tế bào….
Dendrimer
Dendrimer là các phân tử được chế tạo bằng cách thêm liên tiếp các đơn vị nhánh tỏa
ra ngoài từ điểm khởi đầu (hình 7) [31].
Hình 7. Cấu trúc hai và ba chiều của dendrimer. Ba thành phần cấu trúc: lõi (vàng),
vùng bên trong chứa các đơn vị nhánh lặp lại (xanh da trời) và bề mặt ngoài (đỏ) [Theo
12].
Chất khơi mào (initiator): Có thể tạo dendrimer từ phân tử gốc là nguyên tố đa trị. Có
thể gắn thêm các nhóm chức để tạo dendrimer đa chức năng.
Đơn vị nhánh: đơn vị nhánh bên trong có thể toàn bộ là amin (DAB-Am = PPI =
Astromol), hỗn hợp amine/amide (PAMAM), toàn bộ amide (L-lysine dendrimers),
gallate hoặc resorcinolate. Nếu muốn dùng dendrimer làm thuốc, cần dùng đơn vị
nhánh phù hợp với các ứng dụng dược học (không độc, hiệu quả cao, có khả năng
giám sát….).
Thể liên kết và bề mặt: Tính đa dạng của các cấu trúc dendrimer được tạo nên chủ yếu
nhất bởi nhóm bề mặt và loại thể liên kết được dùng [31].

Lỗ nano (nanopore)
Lỗ nano được tạo nên từ các vật liệu rắn (như silicon nitride) bằng kỹ thuật khắc bởi tia
ion (ion-beam sculpting technique) [32, 33] theo hai cách: tạo lỗ bằng cách khắc trên
màng, hoặc lấp các lỗ lớn hơn dưới những điều kiện ở đó quá trình chuyển khối biên là
chủ đạo. Chiều sâu của lỗ nano trên màng là 5-10 nm và đường kĩnh lỗ là 3nm. Chúng
nhỏ đến mức chỉ cho một mạch đơn DNA đi qua (hình 8a).
Hình 8. Một số cấu trúc nano dạng cầu (a) Lỗ nano [Theo 34], (b) vỏ nano
( và (c) hạt nano có từ tính [Theo 35].
Vỏ nano (Nanoshell)
Vỏ nano là khối cầu silica rỗng với các hạt vàng bao quanh (hình 8b). Có thể gắn kháng
thể lên bề mặt nhằm tạo ra khối cầu hướng đích [33, 36, 37].
Hạt nano (Nanoparticle)
Hạt kim loại nano thường được định nghĩa là các hạt tách biệt có kích thước 1 - 50 nm
được ngăn cản sự kết tụ bằng vỏ bảo vệ. Phụ thuộc vào vỏ bảo vệ được sử dụng,
chúng được tái phân tán trong nước (“hydrosols”) hoặc dung môi hữu cơ (“organosols”)
(hình 8c) [29, 38]. Lõi của hạt nano có thể là hạt C, hạt kim loại [39, 40], hạt từ, hạt hữu
cơ [41], hạt silica [42] …
2.1.2 Dạng thanh
Ống nano
Được khám phá lần đầu tiên bởi Dr. Sumio Lijima tại NEC, Nhật (1991), NT carbon là
mạng lưới lục giác của các nguyên tử C thông qua liên kết C sp2 trên graphite, có
đường kính ~1nm và chiều dài 1-100 µm. NT carbon có các tính chất hết sức ưu việt
như kích thước và khối lượng nhỏ, độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ bền cao… [38, 43]. Có
hai loại NT là NT một vách và NT đa vách (hình 9.1, 9.1) [43]…
Có thể gắn các cấu tử sinh học với NT carbon (hình 9.3), cho phép sử dụng hệ thống
lai như các thiết bị cảm biến sinh học hoặc transistor với phổ hoạt động rất hiệu quả,
tạo ra các cấu trúc nano phức hợp và mạch nano (nanocircuit) với các tính chất và
chức năng được điều khiển [44].
Ngoài NT carbon, cùng với sự phát triển của công nghệ nano, ngày nay người ta còn
tạo ra NT peptide [45].

Hình 9. NT carbon nguyên chất và gắn với các cấu tử sinh học. (1) NT carbon 1 vách,
(2) nhiều vách (Theo Ống nano carbon gắn với
các cấu tử khác nhau: a) gắn nucleotide; b) gắn đường; c) gắn chất hoạt động bề mặt;
d) gắn peptide; e) gắn C60. [Theo 44]
Dây nano
Các dây nano kim loại khác nhau gồm bạc [46], vàng [47], platinum [48], palladium [49],
ZnS [50], đồng [51], silicon [52] được tạo ra nhờ khuôn DNA hoặc tổng hợp hóa học.
Có thể tạo sợi vàng nano bằng cách sử dụng protein dẫn hướng (RecA) [53]. Patolsky
và cộng sự polymer từng bước các đơn vị monomer G-actin gắn hạt vàng nano và các
đơn vị G-actin không đánh dấu để tạo ra các sợi protein gắn kim loại sau khi xúc tác sự
kim loại hóa các hạt nano (hình 10a) [54]. Hình 10b minh họa dây nano silica quấn
quanh một sợi tóc, nó nhỏ bằng một phần năm virus, nhưng bền gấp 5 lần tơ nhện.
Hình 10. Cấu trúc sợi vàng trên lõi actin [Theo 54]. Dây nano quấn quanh sợi tóc (Theo
/>Mã vạch nano (Nanobarcode, NBC)
Mã vạch nano được hiểu là vật liệu nano có khả năng mã hóa khác nhau tương ứng
với từng loại phân tử đích. Chúng có thể là các hạt nano hình trụ có vạch phân bố tự
do, rộng 12 - 15 µm và dài 1 - 50 µm. Các mô hình sọc làm chúng tách biệt (giống như
mã vạch truyền thống) dưới ánh sáng, kính hiển vi huỳnh quang hoặc khối phổ (hình
11) [29]. Nanobarcode tạo thành vừa có khả năng mã hóa vừa có khả năng dò.
Gần đây, que nano đa kim loại với sọc barcode đã được chế tạo thành công. Người ta
có thể nhận diện chúng bằng cách đo hệ số phản xạ [55].
Hình 11. Ảnh phát huỳnh quang của hai hạt barcode A và B (trong hình iii) sử dụng thí
nghiệm lai DNA đánh dấu Cy3. (i) Ảnh đen trắng; (ii) Ảnh kênh Cy3; (iii) hảnh đất hiếm
thu được sử dụng bộ lọc ánh sáng dài 420 nm.
Ngoài ra người ta còn tạo ra các NBC có bản chất là phân tử DNA lai có nhiều đầu, mỗi
đầu gắn với một loại mẫu dò và tín hiệu phát huỳnh quang màu khác nhau để tạo ra
phân tử có khả năng mã hóa [56].
Que nano (Nanorod)
Trong CNNN, que nano được sử dụng khá phổ biến. Chúng được tạo thành từ kim loại,
phi kim hoặc muối như Co, CuO, Au, CdSe, BaCrO4, BaWO4 [38], gắn với các nhóm

chức nhằm mang lại khả năng tự lắp ráp thành các cấu trúc hai hoặc ba chiều. Hiện tại,
trong CNSH, các que nano đa thành phần như que nano Au/Ni [57] (phần vàng gắn với
yếu tố hướng đích, phần Ni gắn với plasmid tạo ra một vector chuyển gene rất hiệu
quả), Au-Ni-Au đã cho thấy các ứng dụng to lớn trong chuyển gene và phân tách chọn
lọc các cấu tử sinh học.
Hình 12. Các loại que nano và cấu trúc nano được tạo nên từ chúng. (A) Que nano 3
thành phần Au-Ni-Au [Theo 57]. (B) Que nano 2 thành phần Au-Ni [Theo 58]. (C) Que
nano 2 thành phần Au-Ppy và các cấu trúc nano được tạo nên từ chúng [Theo 59].
Ngoài những vật liệu nano kể trên, với các phương pháp tổng hợp hóa học, người ta
còn tạo ra các cấu trúc đĩa nano (nanodisks), hạt nano đa vỏ, cách tử nano tam giác và
các cấu trúc nano nhánh [41], mang lại những ứng dụng hết sức đa dạng trong CNSH
nano.
Bên cạnh vật liệu nano, các phần tử sinh học đóng vai trò vô cùng quan trọng trong
CHSH nano. Cho đến nay, người ta mới chỉ lợi dụng được một phần rất nhỏ của các
cấu tử, cấu trúc và nguyên lý sinh học trong CNSH nano.
2.2 Các phần tử sinh học trong CNSH nano
Tế bào là tập hợp của hàng ngàn bộ máy nano (nanomachine, nanodevice), chúng có
thể được thu nhận và biến đổi để thực hiện các nhiệm vụ CNNN tùy theo chủ định của
chúng ta. Hiện tại, trên 10.000 bộ máy nano đang làm việc trong cơ thể mỗi người.
Đáng chú ý là sau khi tách và tinh chế, các bộ máy nano này vẫn giữ chức năng ở kích
thước phân tử. Chúng là những bộ máy phân tử độc lập, được lợi dụng để phục vụ con
người [5]. Các phân tử sinh học có thể đóng vai trò như các thành phần thu nhận, vận
chuyển ánh sáng, chuyển hóa tín hiệu, xúc tác, bơm hoặc đông cơ trong các bộ máy
nano để tạo ra năng lượng hoặc các sản phẩm đặc biệt, thực hiện các nhiệm vụ kiểm
soát hay lưu giữ dữ liệu [60]. Các cấu trúc thiết yếu trong trao đổi chất tế bào (ty thể, túi
vận chuyển, ribosome…) có thể trở thành các “bộ phận” của bộ máy sinh học-nano. Và
với các tiến bộ công nghệ, chúng ta có thể mở rộng chức năng của các bộ máy này
theo mục đích của mình, biến đổi các bộ máy nano phân tử sinh học sẵn có hoặc thiết
kế những cái hoàn toàn mới [5, 61].
Theo xu thế hiện nay, người ta không ngừng tìm hiểu, khám phá các cơ chế sinh học,

tận dụng tối đa mọi tiềm năng sẵn có trong các hệ thống sinh học để ứng dụng vào
CNSH nano. Bởi thế, có thể nọi mọi cấu tử sinh học đều đã và đang là đối tượng
nghiên cứu của CNSH nano.
2.3.1 Protein
Trong CNSH nano, protein được sử dụng rất phổ biến. Chúng có thể đóng vai trò mẫu
dò trong kỹ thuật protein chip [62], trợ giúp quá trình tự lắp ráp theo cơ chế kháng
nguyên-kháng thể [38], được bao gói trong các vật liệu nano khác như một phân tử liệu
pháp (kháng thể) [38] và đặc biệt nhất là vai trò động cơ nano.
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
[63]. Tự nhiên luôn cung cấp cho chúng ta một dải rộng các động cơ sinh học nano
(hình 13), chúng được tiến hóa để thực hiện các chức năng đặc biệt với hiệu quả cao
[64]. Các protein vận động như myosin và kinesin đóng vai trò vận chuyển và truyền
động, các động cơ có bản chất RNA làm virus dễ dàng bao gói axit nucleic [65], RNA
polymerase chuyển động dọc theo DNA khi phiên mã, [66] và động cơ tiên mao đẩy vi
khuẩn đi [67]. Một số enzyme như kinesin, RNA polymerase, myosin, và adenosine
triphosphate (ATP) synthase có chức năng như các động cơ sinh học quay hoặc tịnh
tiến ở kích thước nano.
Hình 13. 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.
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]
2.3.2 DNA

Có thể nói, chưa một cấu tử sinh học nào được nghiên cứu kỹ như DNA. Tuy nhiên, có
lẽ không ai có thể ngờ rằng DNA lại có thể có những ứng dụng bước ngoặt, đột phá
đến như vậy khi CNSH nano ra đời.
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 [71]. 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 [71-73]. 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 [71].
Một mảng ứng dụng rất lớn nữa của DNA là 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 [62]. Ngoài ra, với các tính chất tự lắp ráp (TLR), bắt cặp bổ sung…, với khả năng
tổng hợp nhân tạo chính xác phân tử DNA đến từng base (cả mạch đơn lẫn mạch kép),
khi gắn DNA với các cấu tử sinh học hoặc cấu trúc, phần tử nano khác sẽ cho ta những
ứng dụng hết sức phong phú và đa dạng. Có thể nói, CNSH nano mới chỉ lợi dụng
được một phần rất nhỏ bé so với tiềm năng vốn có của DNA.
2.3.3 Các cấu trúc khác
Ngoài protein và DNA, một số cấu trúc sinh học khác cũng cho thấy tiềm năng ứng
dụng to lớn trong CNSH nano. 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 [74] hoặc chính bản thân tế
bào cũng được lợi dụng làm khuôn để chế tạo dây nano [50]. 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.
2.3 Cấu trúc nano tích hợp
Ngày nay, người ta thiết kế và chế tạo các bộ máy sinh học nano để thực hiện các
nhiệm vụ đặc biệt ở quy mô nano, như hướng đích tới các tế bào ung thư hoặc giải
quyết một một nhiệm vụ máy tính đơn giản. Khi CNSH nano phát triển, chúng ta sẽ tái
thiết kế các bộ máy phân tử của tế bào để thực hiện những nhiệm công nghệ và sức

khỏe con người ở quy mô lớn hơn. Các cấu trúc lớn sẽ được xây dựng với độ chính
xác nguyên tử với các máy lắp ghép phân tử sinh học hoặc bằng cách sử dụng các mô
hình sinh học để lắp ghép. Nhìn vào tế bào, chúng ta có thể tìm thấy các động cơ tự
động chính xác, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, cảm biến… tất cả chúng đều ở quy mô
phân tử, sẵn sàng để thu nhận bởi CNSH nano [5].
2.2.1 Microarray
Trong kỹ thuật DNA array, người ta cố định axit nucleic có trình tự xác định (mẫu dò)
trên giá thể (mảng) thích hợp theo thứ tự. Axit nucleic cần nghiên cứu (đích) được đánh
dấu sau đó lai với mẫu dò trên mảng. Ở những điều kiện lý tưởng, các axit nucleic có
trình tự bổ sung sẽ bắt cặp chính xác với nhau. Hơn nữa dưới các điều kiện này,
cường độ phát hiện tín hiệu tỷ lệ trực tiếp với lượng mẫu dò nên có thể định lượng các
loại axit nucleic trong mẫu ban đầu [75]. Trên cơ sở DNA array, các mẫu dò các mẫu
dò có bản chất khác nhau đã được phát triển để tạo ra protein array [76, 77], PNA array
[78], peptide array [79], glycan array [74], nanowire array [52, 54], cantilever array [80]
… mang lại những ứng dụng hiệu năng cao hết sức đa dạng [62].
Hình 14. Một số loại microarray điển hình. (A) DNA array [Theo 62]. (B) Nanowire array
[Theo 54]. (C) Cantilever array [Theo 80]. (D) Protein array [Theo 77].
2.2.2 Microfluidic
Một số thiết bị điều khiển lợi dụng ưu thế của các thiết bị kích thước nhỏ (cỡ µm) so với
các thiết bị lớn: giảm lượng mẫu và hóa chất tiêu tốn, thời gian phân tích ngắn hơn, độ
nhạy cao hơn, mang lại các phân tích in situ thời gian thực và tiện lợi. Có thể hình dung
là tương tự với các vi mạch tích hợp sử dụng transitor thu nhỏ trong tính toán tự động,
microfluidic chip có thể được tự động hóa quy mô lớn trong quá trình sinh học sử dụng
các thể tích nl. Ngày nay, chúng ta đang thấy các hệ thống microfluidic thật sự nổi lên
để điều khiển các vật liệu ở mức nl, chúng được gọi là các hệ thống nanofluidic [81].
Hình 15. Ảnh hệ thống nanofluidic thực hiện 3 quá trình song song đồng thời sử dụng
các thể tích mẫu 1,6 nl, 1,0 nl và 0,4 nl để tách DNA [Theo 81].
2.2.3 Điện cực nano (nanosensor)
Điện cực sinh học là một thiết bị gồm thụ thể sinh học và một yếu tố chuyển đổi có khả
năng chuyển hóa những thông tin đặc biệt thành các hiệu ứng có thể đo đạc (như tín

hiệu điện). Vì tính đặc hiệu cao của các thụ thể sinh học (DNA, kháng thể), so với điện
cực hóa học, điện cực sinh học nhạy hơn nhiều trong các đánh giá sinh học [82]. Dùng
vật liệu nano trong điện cực sinh học cho phép sử dụng một số kỹ thuật truyền tín hiệu
mới. Vì m, các điện cực nano, mẫu dò nano và các hệ thống khác là nhữngµkích thước
dưới lĩnh vực cách mạng hóa trong phân tích sinh học và hóa học, cho phép phân tích
nhanh nhiều cơ chất cùng lúc in vivo [83].
Một trong các điện cực nano đang được ưu tiên phát triển hàng đầu là PEBBLE. Chúng
có kích thước 20-100nm, được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong các môi trường sinh
học [84]. Do có kích thước nhỏ nên điện cực này tối thiểu hóa các tác hại vật lý đối với
tế bào. Hơn nữa do thuốc nhuộm được nang hóa trong chất nền trơ nên PEBBLE tạo
ra pha cảm biến tách biệt với tế bào, do đó tránh được khả năng gây nhiễu hóa học.
Các peptide vòng chứa một số axit amin thay thế dạng D- và L- được sử dụng trong
một loại cảm biến hóa sinh và hóa học mới do nhóm của Bayley tại Texas A&M
University phát triển [85]. Trong đó, họ đặt màng lipid kép chứa một kênh α-haemolysin
(αHL, hình 16) giữa hai dung dịch điện cực, cho điện thế chuyển màng không đổi chạy
qua và đo dòng chuyển màng. Dòng này đi đôi với sự vận chuyển của các ion chạy qua
kên αHL vào lỗ trung tâm [85].
Hình 16. Cấu trúc của αHL
2.2.4 Thiết bị nano (nanodevice)
Thiết bị nano được định nghĩa là tổ hợp lắp ráp của các phân tử đã được thiết kế từ
trước để thực hiện chuyển động [86]. Hiện có khá nhiều thiết bị nano được tạo ra nhằm
thực hiện các chuyển động tịnh tiến [87-89], quay [72], nâng lên hạ xuống [90], co bóp
(hình 17) [73, 87, 91-93]. Phổ biến nhất là thiết bị nano dựa trên DNA, kế đó là các thiết
bị được thiết kế đặc biệt lợi dụng các động cơ phân tử, có bản chất là protein [68, 92].
“Nhiên liệu” của các thiết bị này có thể là ATP, enzyme, các kích thích bên ngoài hoặc
thậm chí là tự cấp nguyên liệu dựa trên các thay đổi môi trường in vivo (như pH) hoặc
TLR thông qua các nguyên lý bổ sung.