BÀI TẬP CÔNG NGHỆ PROTEINENZYMEPHẦN THIẾT BỊ NANO Tóm tắt: Phần dịch này nói về các quá trình thiết bị nano được ứng dụng vào công nghệ sinh học nano như các động cơ phân tử, cảm biến sinh học, bioreactor, những chất xúc tác trong thế giới nano đang được các nhà khoa học tìm hiểu để ứng dụng vào đời sống. thứ hai giới thiệu mở đầu về kỹ thuật phân tách và tinh chế sản phẩm sau quá trình xử lý sản phẩm thô.
BÀI TẬP CÔNG NGHỆ PROTEIN-ENZYME PHẦN THIẾT BỊ NANO * Tóm tắt: Phần dịch nói q trình thiết bị nano ứng dụng vào công nghệ sinh học nano động phân tử, cảm biến sinh học, bioreactor, chất xúc tác giới nano nhà khoa học tìm hiểu để ứng dụng vào đời sống thứ hai giới thiệu mở đầu kỹ thuật phân tách tinh chế sản phẩm sau q trình xử lý sản phẩm thơ * Nội dung dịch 7.6 Quy trình thiết bị Cơng nghệ nano bao gồm vô số cách tiếp nhận, thiết bị hệ thống khoa học, cơng nghệ Mục đích để hiểu xây dựng cấu trúc nguyên tử phân tử để phát triển sản phẩm chức hữu ích Các cấu trúc hình thành tự nhiên miêu tả chứng minh lợi ích tính linh hoạt cao để đạt cách xác Nghiên cứu toàn diện cấu trúc tế bào quan quang hợp, ribosome, chép DNA, ty thể kênh màng cung cấp nguồn cảm hứng cho việc khai thác trình thiết bị sinh học khác 7.6.1 Nanomachines Nanomachines hình dung tổ hợp nhỏ xây dựng từ phân tử đơn lẻ cơng cụ hữu ích để tạo vật liệu phức tạp nhằm sửa chữa khuyết tật nhỏ bề mặt tế bào sống, lưu trữ lấy thông tin Nanomachines khác so với máy móc micro thực chức liên quan trans chuyển thứ thay đổi hình dạng Một phần thiết yếu nanomachines động phân tử chuyển đổi lượng hóa học thành lượng học Trong tự nhiên điều đạt thơng qua thủy phân ATP thông qua di chuyển ion qua màng tế bào Một số ví dụ động phân tử quan trọng mặt sinh học là: · Protein động · Myosin- chịu trách nhiệm cho co · Kinesin- vận chuyển bóng màng bên tế bào khỏi nhân dọc theo vi ống · Dynein- tạo nhịp đập sợi trục lơng mao, roi vận chuyển bóng màng dọc theo vi ống hướng tới nhân tế bào · Enzyme F0F1 ATP- tạo ATP cách sử dụng điện hóa màng gradient proton bên ty thể · RNA polymerase- phiên mã RNA từ mẫu DNA · Sự trùng hợp actin- tạo lực dùng cho lực đẩy · · Topoisomerase- gỡ bỏ trạng thái siêu xoắn DNA tế bào Roi vi khuẩn- chịu trách nhiệm cho việc bơi ngã vi khuẩn E.coli loài vi khuẩn khác hoạt động cánh quạt cứng Động điều khiển dòng chảy ion màng, sử dung chế tưởng tự tìm thấy động F0 ATP synthase Hình 7.9 Động phân tử biểu diễn đơn giản cung cấp chuyển động quay, F0F1 ATP synthase (a) chuyển động tuyến tính từ kinesin dynein (b) · Động đóng gói DNA virus- tiêm DNA genomic vào capsid phần chu kì nhân chúng · Động phân tử tổng hợp- sáng chế nhà hóa học tạo tự quay, tạo momen xoắn Tất động cung cấp chuyển động tự quay hay tiến tính, chuyển tiếp lực đẩy Chúng cần thiết cơng nghệ nao tương lai địn bẩy, van, máy bơm, gọng kiềm, phận chức khác nhà máy nano Tốt hết hiểu biết hoạt động chúng truyền cảm hứng cho nhà khoa học áp dụng khái niệm tương tự bắt đầu thiết kế máy phân tử Kinesin chịu trách nhiệm cho việc vận chuyển khí glucose dạng bóng màng phía tế bào cách di chuyển dọc theo chiều dài vi ống, theo dõi thủy phân ATP bước Sự tương đồng với “chuyến tàu vận chuyển hàng hóa” truyền cảm hứng cho nhà nghiên cứu ETH Zurich xây dựng đường ray cho ứng dụng phương pháp chụp ảnh bề mặt dựa đầu dò nano, hỗ trợ protein động Các nhà nghiên cứu Đại học Cornell (Hoa Kỳ) kết nối Enzyme F0F1 ATP loại động đến cánh quạt kim loại nhỏ Thiết bị bao gồm moto hình vng dài 11 nm, nối với niken 200nm, cánh quạt niken dài 750nm Các bit kim loại tạo hệ thống quy trình điện (MEMS) Năng lượng cần thiết giải phóng từ ba phân tử ATP để quay động lần 240 piconewtons nano mét , tỷ lệ hiệu suất 50% Ngoài động phân tử sinh học, phương pháp thay tiến hành để phát triển động phân tử tổng hợp phi sinh học, khơng peptide có khả vịng quay với đầu vào lượng Các nhà hóa học thực nhiều nỗ lực Một rotor triptycence ba cánh kết hợp với helicence có khả qua 120 độ diễn bước Một hệ thống động phân tử xoay 360 độ kích hoạt nhiệt độ phát triển Đại học Groningen (Hà Lan) Nó bao gồm bis-helicene kết nối liên kết đơi anken thể tính chirial trục có hai chất lập thể Các chuỗi polymer đơn chuyển hóa điện dùng làm động điện Poly (ferrocenyl dimethylsilane) (PFS) bị oxi hóa ngược giảm tác nhân bên Điều dẫn đến thay đổi tính chất cơ, dùng để điều khiển động phân tử tuần hoàn Gần đây, nhà nghiên cứu đại học Rice, Texas (Hoa Kỳ) thiết kế thiết bị nano để giải câu hỏi làm fullerene di chuyển bề mặt kim loại cho dù có cuộn trượt Phân tử “car-like” bao gồm hình chữ H, với bốn nhóm fullerene gắn góc đóng vai trị bánh xe Khi phân tán bề mặt vàng, phân tử tự gắn vào bề mặt thơng qua nhóm fullerence chúng Khi gia nhiệt bề mặt lên đến 200 độ C phân tử di chuyển tiến lùi cách lăn “bánh xe” fullerence chúng Các nanocar lăn bánh xe fullerene lắp vào "trục" alkyne thông qua liên kết đơn carbon-carbon Các hydro carbon lân cận trở ngại lớn cho quay tự Khi nhiệt độ đủ cao, bốn liên kết carbon-carbon quay xe lăn bánh Ngoài động cơ, hệ máy tính khơng silica khám phá dử dụng DNA phân tử lưu trữ thông tin Năm 1994, Leonard Adeld đại học California chứng minh DNA dạng tính tốn Mười năm sua, nhà nghiên cứu Weizmann (Israel) chế tạo máy tính DNA Đối với số chuyên ngành định máy tính DNA nhanh nhỏ máy tính silicon Tuy nhiên vấn đề lượng DNA lớn để thử nghiệm thực tế Chuỗi DNA chuỗi protein kép điều chỉnh nanoclusters hoạt động khuôn mẫu để tổng hợp dây nano kim loại Dây nano kim loại dùng vật tư để lắp ráp thiết bị nano bóng bán dẫn chuyển đổi nano 7.6.2 Cảm biến sinh học biochips (Biosensors and Biochips) Các phân tử sinh học có chức cao, kết hợp với khả tự lắp ráp chúng, hình dạng bề mặt đặc biệt xây dựng dựa vào điều kiện biên Điều khiến chúng trở nên lý tưởng để phát báo hiệu cụ thể q trình, hạt, hóa chất cấp độ phân tử Thông thường cảm biến sinh học gồm ba phần · · · Một yếu tố sinh học nhạy cảm (mô, vi sinh vật, bào quan, thụ thể tế bào, enzyme, kháng thể, acid nucleic, peptide, lipid, carbohydrate) Một đầu dò kết nối dịch thơng tin cảm biến đến máy dị Một máy dị (hiển thị ghi nhận theo cách hóa lý, quang học, hiệu ứng điện hóa, nhiệt kế, điện từ) Các cảm biến cố định tự chất lỏng huyết Biosensor biết đến biochips dùng ngành công nghiệp bán dẫn, ngày trở nên tiến phát triển cảm biến nhỏ Có nhiều ứng dụng tiềm cho cảm biến sinh học thuộc nhiều loại khác cho thông số cụ thể đặc biệt nghiên cứu thương mại Một số ví dụ · Theo dõi số glucose bệnh nhân tiểu đường · Các mục tiêu liên quan đến sức khỏe y tế · Các ứng dụng mơi trường (ví dụ phát thuốc trừ sâu chất gây ô nhiễm) · Viễn thám vi khuẩn khơng khí (ví dụ hoạt động đối kháng vi sinh vật) · Phát mầm bệnh · Xác định mức độ chất độc hại trước sau xử lý sinh học · Phát xác định organophosphate · Phân tích acid folic, biotin, vitamin B12 acid pantothenic thay cho xét nghiệm vi sinh · Xác định dư lượng thuốc thực phẩm kháng sinh thuốc tang đặc biệt thịt mật ong · Tìm loại thuốc đánh giá hoạt động sinh học hợp chất · Sàng lọc thông lượng cao nghiên cứu genomics proteomics · Protein polynucleotide thường sử dụng làm phân tử cảm biến lipid carbohydrat thường cung cấp bề mặt chất 7.6.3 Bioreactors Trong bối cảnh công nghệ nano, bioreactor đề cập đến thiết bị hệ thống hỗ trợ môi trường hoạt động cấp độ phân tử Các lò phản ứng sinh học vĩ mơ có kích thước vài lít đến vài mét khối, bioreactor bao gồm túi có kích thước nano micro hóa chất q trình diễn Các bioreactor tạo để khai thác khả tự lắp ráp phân tử sinh học lipid, protein bề mặt carbohydrate Trong số trường hợp khác, bề mặt phân tử sinh học khác kích hoạt để hoạt động lị phản ứng thơng qua enzyme cố định, polynucleotide carbohydrat Việc thu nhỏ bioreactor mang lại hội cao nghiên cứu, trường hợp cảm biến sinh học 7.6.4 Chất xúc tác Chất xúc tác phân tử tạo điều kiện tăng tốc có phản ứng hóa học mà khơng bị tiêu thụ q trình Chất xúc tác sử dụng rộng rãi tất loại hố chất, quy trình nhiều ngành cơng nghiệp Enzyme phiên sinh học chất xúc tác Chúng protein có tính đặc hiệu cao, hoạt động điều kiện thuận lợi, thân thiện với môi trường Một số enzyme tự nhiên sử dụng nghiên cứu ứng dụng tiềm nhiều ngành công nghiệp Lĩnh vực thị trường tận dụng môi trường nước tính đặc hiệu enzyme Có nhiều enzyme với mức độ ấn tượng lập thể, tính hồi quy tính chất hóa học Tuy nhiên, có enzyme có giới hạn số lượng phản ứng mà chúng xúc tác chúng bị thiếu ổn định dung môi hữu nhiệt độ cao Ngoài cofactor (phân tử trợ giúp) yêu cầu cho trình xúc tác diễn Do cơng nghệ protein lĩnh vực nghiên cứu nỗ lực tạo với tính chất tối ưu, thơng qua thiết kế hợp lý tiến hóa ống nghiệm Một vài nghiên cứu ý đến, ví dụ lipase enzyme thú vị khác tìm thấy tự nhiên Một số cơng ty đầu tư vào hoạt động Ví dụ Diversa Inc (www.diversa.com) Maxygen Inc (www.maxygen.com) đầu tư phát triển enzyme cho ứng dụng y tế phi y tế Lipase enzyme hòa tan nước xúc tác thủy phân liên kết este nước- chất khơng hịa tan lipid Vai trị sinh lý lipase thủy phân triglyceride thành diglyceride, monoglyceride, acid béo glycerol Trong số tất enzyme biết đến lipase thu hút ý nhà khoa học chức thủy phân enzyme este, lipase xúc tác phản ứng esterification interesterification phản ứng chuyển hóa mơi trường khơng chứa nước Tính linh hoạt khiến lipase trở thành enzyme tiềm cho ứng dụng ngành công nghiệp thực phẩm, chất tẩy rửa, dược phẩm, da, dệt may, mỹ phẩm giấy Ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, chất tẩy rửa sử dụng enzyme lipase nhiều Một loại enzyme đặc biệt, enzyme laccase, gây ý với khả oxi hóa phenol hợp chất cao phân tử phi phenol- chất gây ô nhiễm môi trường Laccase oxyase đa pha (1,4 – benzenediol oxidase) nghĩa glycoprotein dimeric, trimeric tetrameric có chứa bốn nguyên tử đồng monomer Những enzyme tìm thấy thực vật bậc cao, nấm vi sinh vật thực q trình oxy hóa điện tử diphenol, polyphenol, aminophenols polyamines, ligin aryldiamines Laccase sử dụng để làm cực âm pin tế bào Chúng thực trình khử oxy thành nước với trung hòa electron 7.6.5 Giàn giáo Khả tự lắp ráp nhiều phân tử công nghệ sinh học thành nhũng cấu trúc bậc cao mở hội xây dựng nên khung hỗ trợ tạm thời để xây dựng phân tử kiên cố Đặc biệt lĩnh vực y tế ứng dụng giàn giáo ứng dụng Trong kỹ thuật mô cho việc làm lành vết thương giàn giáo cung cấp tạm thời nguyên liệu ngoại bào có tính tương thích sinh học Những khái niệm xung quanh cho việc làm lành vết thương đa dạng Các khái niệm xung quanh việc chữa lành vết thương đa dạng từ việc sử dụng mô tái sinh, cấu trúc nano phân hủy sinh học gel hydro với mục đích sử dụng collagen tạo tái tạo vết thương Giàn giáo sử dụng để cung cấp matrix cho tế bào khác nhau, ví dụ, tế bào gốc tái tạo xương dây thần kinh Các nhà nghiên cứu Đại học Northwestern (USA) sử dụng dung dịch peptide, sau tiêm vào tủy sống xương, có khả tự lắp ráp hình thành mơi trường cho tế bào gốc tái tạo dây thần kinh xương Tương tự khả chuyển đổi từ pha lỏng sang gel tự hỗ trợ, cách sử dụng peptide tự lắp ráp hỗ trợ cho việc định hình đa dạng sinh học, phân phối phân tử hoạt động khác để đến vị trí khác Ngồi ứng dụng tái tạo y tế, nguyên tắc tương tự áp dụng cho thuốc, thuốc nhuộm, nước hoa keo 7.7 Quan điểm Sự hội tụ công nghệ nano công nghệ sinh học tạo nên công nghệ sinh học nano thúc đẩy nghiên cứu đáng kể vòng vài năm số lượng nghiên cưu tiếp tục tang theo cấp số nhân Rõ ràng nhiều nhà nghiên cứu ủng hộ trình Để trì cải thiện chất lượng sống phấn mạnh tập trung vào tính bền vững vật liệu, quy trình thiết bị Tìm nguồn cảm hứng tự nhiên mang lại kết hợp lý Hiểu rõ quy trình công nghệ kết hợp với công cụ để điều khiển phân tử sinh học mở đường hướng tới hàng hóa dịch vụ sáng tạo Lĩnh vực nghiên cứu protein gen cung cấp công cụ hiểu biết sâu sắc quy trình tự nhiên Tuy nhiên, nhiều thử thách phải vượt qua trước nhận tiềm công nghệ nano Hoạt động cấp độ phân tử yêu cầu phân tử khác thể loại vật lý nghiên cứu Tự tổ chức phân tử tự lắp ráp cấu trúc bậc cao chi phối kết hợp với môi trường thực tế phân tử Để hiểu tìm kiếm để ứng dụng tính chất vật lý liên kết phân tử nỗ lực lớn Tồn gần số lượng lớn khả tự tổ chức theo quan điểm tính linh hoạt cấu trúc đa dạng chế kích hoạt điều kiện biên Ngồi việc thiết kế phân tử sinh học sản xuất chúng với số lượng chất lượng phù hợp chưa thể trở thành thực tế Ví dụ, biểu protein với công nghệ DNA tái tổ hợp hoạt động tốn kém, cụ thể với thách thức kỹ thuật quan trọng liên quan đến tách tinh chế Theo đó, nhiều tiềm cơng nghệ sinh học nano nghe hấp dẫn, đổi bất ngờ đến chủ yếu giới hạn nghiên cứu học thuật Tuy nhiên, điều đáng ghi nhớ cân nhắc tương tự chứng minh vào đầu kỷ XIX chất hữu tạo phịng thí nghiêm Bây giờ, biết tốt Tương tự vậy, công nghệ sinh học bao gồm ngành khoa học công nghệ bao gồm nhiều vấn đề chưa giải cơng cụ cơng nghệ cịn hạn chế Hơn nữa, khơng có hướng dẫn đường mà ta cần tuân theo để đạt ứng dụng công nghiệp thành công ngoại trừ biết tương lai tìm thấy tự nhiên Kỹ thuật phân tách tinh đầu công nghiệp công nghệ sinh học 8.1 Giới thiệu Kỹ thuật phân tách tinh đầu (DSP) ngụ ý phục hồi sản phẩm công nghệ sinh học từ bioreactor dạng tinh khiết phù hợp với mục đích sử dụng Các sản phẩm công nghệ sinh học công nghiệp đa dạng thường nhóm lại thành hóa chất, vật liệu nhiên liệu Do việc sản xuất sản phẩm chủ yếu dựa công nghệ lên men phân tích sinh học, nên q trình khởi đầu kỹ thuật phân tách tinh thường tạo thành môi trường lên men thô chứa tế bào sản xuất, chất dinh dưỡng, chất chuyển hóa, chất không tiêu thụ, sản phẩm phụ,… hỗn hợp phản ứng, chứa enzyme/ toàn tế bào (tự cố định), chất phản ứng, dung môi, nước sản phẩm phụ Những thách thức kỹ thuật phân tách tinh liên quan đến việc tách sản phẩm, thường hình thành nồng độ thấp, từ vô số thành phần khác, đặc biệt sản phẩm tương tự sản phẩm Một chuỗi phân tách thông thường bắt đầu việc sử dụng kỹ thuật tách thành phần có khác biệt lớn tính chất hóa lý kết thúc việc tách phân tử có nhiều tính chất tương tự Đây hoạt động giúp cho việc loại bỏ chất hòa tan khỏi tế bào chất sinh học Trong trường hợp sản phẩm nằm nội bào, ví dụ, protein chất sinh học khác, tế bào phải bị phá vỡ để giải phóng sản phẩm bước tách rắn - lỏng khác Sau đó, chất lỏng khơng có hạt xử lý để đặc tinh chế sản phẩm số thao tác đơn lẻ, lựa chọn không xác định tính chất sản phẩm mà cịn phức tạp phân tách, quy mô hoạt động, tính kinh tế độ tinh khiết mong muốn sản phẩm DSP có vai trị quan trọng ảnh hưởng đến tổng chi phí sản xuất Có ý kiến cho DSP thường chiếm 50 - 70% tổng số chi phí sản xuất cho sản phẩm lên men; sản phẩm số lượng lớn, chi phí nằm khoảng 10 - 50% lên đến 90% sản phẩm dược phẩm có độ tinh khiết cao Khi sản xuất cơng nghệ sinh học chuyển sang hóa chất lớn, khối lượng thấp, trở nên cần thiết để giảm thiểu chi phí cách tối đa hóa khoa học phân tách với đầu vào lượng tối thiểu phát sinh chất thải thấp Hình 8.1 Một sơ đồ đơn giản để phân tách tinh sản phẩm công nghệ sinh học cơng nghiệp Do điều quan trọng phải xét chiến lược kỹ thuật phân tách tinh thiết kế quy trình sinh học Lựa chọn kỹ thuật tách tối ưu để thu hoạch sản phẩm từ bioreactor Khái niệm loại bỏ sản phẩm chỗ (ISPR) thu hút quan tâm ngày tăng giải pháp công nghệ để cải thiện suất xử lý sinh học thường đặc trưng suất thấp việc tăng suất mong đợi Hơn nữa, số lượng bước tách chinh chế giảm, đặc biệt việc thu hồi sản phẩm thực theo cách chọn lọc Tuy nhiên để ISPR thành công đánh giá kỹ thuật phân tách phù hợp để kết hợp với bioreactor mà khơng có tác nhân ảnh hưởng xấu q trình (ví dụ, độc tính tế bào biến tính enzyme) điều kiện tiên quan trọng Hình 8.2 Khái niệm phục hồi sản phẩm chỗ (ISPR) Sản phẩm thu hoạch liên tục gián đoạn từ lò phản ứng sinh học cách sử dụng kỹ thuật tách phù hợp Các chất sinh học toàn tế bào sử dụng quy trình loại bỏ khỏi dịng quy trình tái chế trước bước hình thành sản phẩm Chương cung cấp nhìn tổng quan cách sử dụng để phân tách cơng nghệ sinh học, sau ví dụ kỹ thuật phân tách tinh chế số sản phẩm tiếng ... vậy, công nghệ sinh học bao gồm ngành khoa học công nghệ bao gồm nhiều vấn đề chưa giải công cụ cơng nghệ cịn hạn chế Hơn nữa, khơng có hướng dẫn đường mà ta cần tuân theo để đạt ứng dụng công. .. tự áp dụng cho thuốc, thuốc nhuộm, nước hoa keo 7.7 Quan điểm Sự hội tụ công nghệ nano công nghệ sinh học tạo nên công nghệ sinh học nano thúc đẩy nghiên cứu đáng kể vòng vài năm số lượng nghiên... thành công ngoại trừ biết tương lai tìm thấy tự nhiên Kỹ thuật phân tách tinh đầu công nghiệp công nghệ sinh học 8.1 Giới thiệu Kỹ thuật phân tách tinh đầu (DSP) ngụ ý phục hồi sản phẩm công nghệ