Công nghệ sinh học Nano

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.

doc46 trang | Chia sẻ: lylyngoc | Lượt xem: 2453 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Công nghệ sinh học Nano, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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
Tài liệu liên quan