Công nghệ sinh học nanoTriển vọng và ứng dụng

CÔNG NGHỆ SINH HỌC NANO, TRIỂN VỌNG VÀ ỨNG DỤNG Nguyễn Tiến Thắng Viện Sinh học nhiệt đới TÓM TẮT Công nghệ sinh học nano là sự giao thoa của công nghệ nano và sinh học, và là sự kết h

CÔNG NGHỆ SINH HỌC NANO, TRIỂN VỌNG VÀ ỨNG DỤNG

Nguyễn Tiến Thắng

Viện Sinh học nhiệt đới

TÓM TẮT

Công nghệ sinh học nano là sự giao thoa của công nghệ nano và sinh học,

và là sự kết hợp của nhiều lĩnh vực nghiên cứu công nghệ cao Nói một cách khác, công nghệ sinh học nano là công nghệ sinh học ở mức độ siêu nhỏ (mức độ nm) liên quan đến phương pháp sử dụng vật liệu và thiết bị công nghệ nano để nghiên cứu hệ sinh học Ứng dụng của công nghệ sinh học nano gia tăng rất nhanh, đặc biệt trong lĩnh vực y học Một số thiết bị công nghệ sinh học nano đã được chế tạo tại Việt Nam

KHÁI NIỆM VỀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC NANO

Công nghệ sinh học nano (CNSH nano) là phạm trù khoa học mới xuất hiện gần đây dựa trên cơ sở kết hợp của công nghệ nano và sinh học Một mặt CNSH nano nghiên cứu sử dụng

“bộ máy sinh học” để hòan thiện hoặc sáng tạo công nghệ nano mới Mặt khác nó nghiên cứu sử

dụng công cụ công nghệ nano để nghiên cứu hệ sinh học [8][9] Nói một cách văn vẻ hơn, CNSH nano là một sự thu nhỏ quá trình và thiết bị CNSH về mức độ nano Thí dụ công nghệ DNA nano hay bộ máy họat động của tế bào có thể coi là CNSH nano, vì cả hai đều dựa vào họat động của các phân tử sinh học ở mức độ nano Mặt khác, hạt nano sử dụng làm phương tiện vận chuyển thuốc chữa bệnh hướng đích hoặc làm cảm biến sinh học cũng là thí dụ CNSH nano, vì trong trường hợp này, công cụ của công nghệ nano được sử dụng cho mục đích sinh học [10][11]

Hiểu biết về hóa sinh học là cơ sở khoa học của CNSH nano Vì CNSH nano nghiên cứu các quá trình biến đổi sinh học ở mức độ tế bào và mô liên quan đến: Biến đổi hình dạng, độ bám dính ; Sự kích thích cơ-điện, độ chứa điện, chứa năng lượng, pin sinh học ; Sự hấp phụ, phát hùynh quang, hiện tượng quang-hóa; Độ giữ nhiệt, điều biến nhiệt ; Cách thức tế bào tương tác với vật liệu nano, các phân tử khuyết tật, hệ cơ-sinh học; Bệnh di truyền, ung thư, khuyết tật mô hoặc tạng, cũng như xây dựng hệ máy tính DNA

Các hướng nghiên cứu và ứng dụng của Công nghệ Sinh học Nano

Trước hết là các ứng dụng trong lĩnh vực y học Đó là các hạt nanospheres được bọc bởi

polymer phát quang có khả năng nhận biết đặc hiệu các phân tử sinh học khác nhau, được sử dụng trong phân tích trao đổi chất Thí dụ sử dụng trong cơ thể người để phát hiện các chất trao

đổi liên quan đến ung thư hay bệnh nan y nào khác Sử dụng vi khuẩn nano (nanobacteria) chữa bệnh với kích thước khỏang 25-200 nm do NanoBiotech Pharma chế tạo Công nghệ DNA nano

sử dụng tính chất gỡ sợi và lai bắt cặp tương hỗ của DNA trong thiết kế DNA array sử dụng trong

nghiên cứu biểu hiện gen và protein (genomics và proteomics) CNSH nano nghiên cứu chế tạo

công cụ phân tử sinh học, CNSH nano trong sinh tin học giúp xác định trình tự gen, tìm kiếm và

sàng lọc nhanh dược phẩm Sử dụng màng nano sinh học tự phân hủy trong bảo quản thực phẩm, trong kỹ thuật siêu lọc

CNSH nano chủ yếu sử dụng các công cụ nghiên cứu như kính hiển vi điện tử quét, đâm xuyên, kính hiển vi nguyên tử, thiết bị nhiễu xạ tia X, kỹ thuật DNA tái tổ hợp, kỹ thuật siêu máy tính.Tổng doanh thu của thị trường sản phẩm CNSH nano vào năm 2010 khỏang 19,3 tỷ USD, gia tăng hàng năm khỏang 9% và dự kiến sẽ đạt khỏang 29,7 tỷ USD vào năm 2015

Hình 1 Các hướng ứng dụng của công nghệ sinh học nano Một số dạng cấu trúc nano phổ biến sử dụng trong công nghệ sinh học nano

Fullerene (Bucky balls) hay C-Sixty có đường kính lỗ khỏang 1 nm, cấu tạo từ 60 nguyên

tử C, thường để gắn kháng thể Dendrimer, một dạng polymer nhánh sử dụng làm phương tiện

vận chuyển vật liệu di truyền, thuốc chữa bệnh vào tế bào hoặc khối u đích, không gây phản ứng

miễn dịch nhờ cấu trúc nhỏ và có nhánh Nanoshell (sò nano) có nhân là hạt silic được bọc màng

vàng gắn thuốc, có khả năng hấp thu ánh sáng hồng ngọai Khi hạt tiếp cận tế bào hoặc khối u đích, người ta dùng hồng ngọai kích thích giải phóng thuốc

Có 3 lọai vector sử dụng trong dẫn chuyển thuốc hướng đích Đó là liposome (phospholipid), nanocapsule (ở dạng dịch dầu bao bởi polymer) và nanosphere (polymer có thể

phân hủy)

Chip sinh học (DNA chip, protein chip, tế bào chip, lab chip, chip cấy ghép ) là nhóm

sản phẩm CNSH nano họat động trên nguyên tắc lý chuyển đổi phản ứng hóa-sinh thành tín hiệu

đo được (thường là tín hiện điện tử) Chip sinh học cấu tạo gồm 2 phần: Phần thụ thể sinh học (bioreceptor) và phần chuyển đổi (transducer) Trong đó phản ứng giữa mẫu dò và đích trên bề

mặt chip (Thí dụ lai bắt cặp DNA-DNA, DNA-RNA, kháng nguyên-kháng thể, thụ thể-hormone)

sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu đo được

Điển hình là DNA chip (DNA array, chip gen) được dùng để phát hiện và đánh giá họat động của gen Nó được xem là công cụ hữu hiệu trong nghiên cứu tìm kiếm dược phẩm, phát hiện nhanh thay đổi ở mức độ phân tử nhờ máy tính và các phần mềm chuyên dụng Thí dụ, để phát hiện vi sinh vật gây bệnh than, người ta đưa protein có trong mẫu máu bệnh nhân lên bề mặt protein chip chứa các bản sao kháng thể nhận biết đặc hiệu kháng nguyên của vi khuẩn gây bệnh than Tiếp theo bổ sung kháng thể đánh dấu hùynh quang gắn lên kháng nguyên gắn với kháng thể trên mặt protein chip sẽ nhận được kết quả

Hình 2 Tỷ lệ đầu tư trong nghiên cứu CNSH nano

Đầu tư cho nghiên cứu và triển khai công nghệ sinh học nano

Ở Mỹ từ 1999, hơn 50% đầu tư cho công nghệ nano được sử dụng cho công nghệ sinh học nano Trong đó đầu tư lớn nhất cho lĩnh vực tìm kiếm dược phẩm (54%) và chẩn đóan bệnh (37%) Tiếp theo là đầu tư sản xuất thiết bị và vật liệu công nghệ sinh học nano và phần mềm điều khiển

Hiện vấn đề xã hội của CNSH nano liên quan đến phạm trù đạo đức, ảnh hưởng tiềm năng của CNSH nano đối với con người và xã hội, ảnh hưởng của vật liệu nano lên sức khỏe con người cũng đã bắt đầu được chú ý

Nguồn lực cho nghiên cứu và triển khai công nghệ nano

Lấy thí dụ chỉ riêng ở nước Mỹ, hiện có khỏang 40.000 chuyên gia làm việc liên quan đến công nghệ nano Để đáp ứng nhân lực cho nghành công nghệ trị giá khỏang 1 nghìn tỷ USD vào năm 2015 nước Mỹ cần ít nhất 800.000 chuyên gia công nghệ nano Vì vậy việc xây dựng các cơ

sở đào tạo về công nghệ nano nói chung và công nghệ sinh học nano nói riêng là việc cần làm ngay Ở Việt Nam từ 1998 đã bắt đầu đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu công nghệ nano, tuy còn ở mức độ khá khiêm tốn

KẾT QUẢ BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC NANO Ở VIỆT NAM

nói riêng đang được thực hiện ở một số đơn vị nghiên cứu và triển khai, chủ yếu tập trung tại TP HCM và Hà Nội Điển hình là Phòng thí nghiệm công nghệ nano ĐH quốc gia TP HCM, Trung tâm nghiên cứu triển khai kỹ thuật cao, Khu công nghệ cao TP HCM, Viện Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, ĐH KHTN Hà Nội và TP HCM, ĐH bách khoa Hà Nội và TP HCM Bước đầu đã nghiên cứu chế tạo được một số sản phẩm công nghệ sinh học nano khá độc đáo

Xác định trực tiếp glucose trong máu bệnh nhân đái tháo đường sử dụng enzyme cố định

trên sợi nano (Duy Phu Tran 1 , Tung Thanh Xuan Pham 1 , Chien Thanh Nguyen 1 , Binh Van Pham 1 , Tuyen Thanh Le Thi 1 , Khue Thy Nguyen 3 , Hien Le Thi 4 , Thang Tien Nguyen 4 , Chien Mau Dang 1 , Hien Duy Tong 1,2) Đã chế tạo thiết bị xác định trực tiếp glucose trong máu bệnh nhân đái tháo đường dựa vào họat động của enzyme glucose oxidase cố định trên mặt sợi nano Pt cho phép

xác định được nồng độ glucose trong máu biến thiên trong khỏang từ 125 µM tới 16,5 mM với sai

số ± 3% [1]

Hình 3 Sợi nano Pt có độ rộng khỏang 40 nm

Hình 4 Quá trình xử lý bề mặt sợi nano Pt, gắn glucose oxidase và biosensor

Nhóm Đinh Duy Hải (Phòng thí nghiệm công nghệ nano) nghiên cứu chế tạo màng liên kết 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTS) trên microarray sử dụng cho cảm biến sinh học [2]

Hình 5 Màng liên kết GPTS và ảnh

Trung tâm nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch ĐHQG TPHCM hợp tác với Trung tâm nghiên cứu triển khai Khu công nghệ cao TP HCM được sự đầu tư của Sở KHCN TP HCM đã chế tạo thành công chip sinh học gọi là vi cân tinh thể thạch anh QCM (Quatzt Crystal Microbalance) có khả năng đo

phân bố khối lượng rất nhỏ (ng) dựa vào thay đổi tần số của bộ dao động cộng hưởng thạch anh

Biochip này cho phép phát hiện nhanh phẩy khuẩn tả Nano Biopharmaceutical, một trong những công

ty hàng đầu nghiên cứu và phát triển sản phẩm sinh-dược từ DNA tái tổ hợp đến công nghệ protein ở khu vực Châu Á-Thái Bình Dương cũng đặt trụ sở tại Khu công nghệ cao TP HCM trong khu vực diện tích 15.000 m2 đạt tiêu chuẩn WHO GMP (5/2011)

Hình 6 Vi cân tinh thể thạch anh và bio chip phát hiện phẩy khuẩn tả

Nhóm nghiên cứu của Nguyễn Công Hào và cs (Viện Công nghệ hóa tại TP HCM, Viện KH và

Công nghệ Việt Nam) đã tạo b-cyclodextrin-alginate làm vật liệu vận chuyển thuốc chữa bệnh [3]

Nguyễn Anh Dũng và cs (Trung tâm CNSH, Đại học Tây nguyên) đang thực hiện nghiên cứu chế tạo hạt nano-chitosan làm chất mang kích thích đáp ứng miễn dịch cho vaccine cúm A H5N1 Nhóm tác

giả sử dụng 3 phương pháp tạo hạt nano-chitosan là: tạo gel ionic trong TPP (tripolyphsphate), tạo huyền phù trong NaOH-methanol và khâu mạch tạo liên kết trong glutaraldehyde Sau đó sử dụng phương pháp cố định bằng cách hấp phụ và nhốt kháng nguyên trên bề mặt hạt nano-chitosan [4]

Bùi Huy Du và Nguyễn Quốc Hiến và nghiên cứu chế tạo keo bạc nano bằng bức xạ

gamma-Co-60 có hiệu lực diệt nấm bệnh đạo ôn (Piricularia oryzae Cavara) và bệnh lem lét hạt (Pseudomonas glumae Kurita et Tabei [5])

Nhóm nghiên cứu Phương Đình Tâm (Đại học bách khoa Hà Nội) đã cố định thứ tự DNA trên cảm biến xác định virus herpes [6]

Nguyễn Thị Phương Phong (Đại học Lạc Hồng) Nghiên cứu chế tạo dung dịch Cu nano bằng phương pháp khử đối với oxalate Cu, CuCl2, CuSO4 bằng các chất khử ethylene glycole, diethylene

glycole, glycerin kết hợp hỗ trợ của vi sóng và sử dụng dung dịch Cu nano làm nguyên liệu chế tạo thuốc

bảo vệ thực vật kháng và diệt bệnh nấm hồng Corticium salmonicolor, bệnh phấn trắng Oidium Heveae

trên cao su [7]

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Bùi Huy Du, “Nghiên cứu chế tạo keo bạc nano bằng bức xạ gamma-Co-60 có hiệu lực diệt nấm bệnh đạo ôn (Piricularia oryzae Cavara) và bệnh lem lét hạt (Pseudomonas glumae Kurita et Tabei”

Tóm tắt luận án tiến sĩ, Hà Nội, 2009

Đinh Duy Hải, “Nghiên cứu chế tạo màng liên kết 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTS) trên microarray sử dụng cho cảm biến sinh học” Báo cáo nghiệm thu đề tài Phòng thí nghiệm công nghệ nano, 12/2010

Duy Phu Tran et al “Xác định trực tiếp glucose trong máu bệnh nhân đái tháo đường sử dụng enzyme cố định trên sợi nano” (Đã được chấp nhận đăng)

Ehud Gazit, Plenty of room for biology at the bottom: An introduction to bionanotechnology Imperial College Press, 2007, ISBN 9781860946776

Koehne J et al Nanotechnology, 2003, 14, 1239-1245

Nguyễn Anh Dũng, “Nghiên cứu chế tạo hạt nano-chitosan làm chất mang kích thích đáp ứng miễn dịch cho vaccine cúm A H5N”1, Báo cáo đề tài TP HCM, 2008

Nguyễn Công Hào và cs “A new nanoparticle from b-cyclodextrin-alginate as a drug delivery of ketoprofen”, J Sci and Tech., 2010, Vol 48 (4A) 702-705

Nguyễn Thị Phương Phong, “Nghiên cứu chế tạo dung dịch Cu nano làm nguyên liệu chế tạo thuốc bảo

vệ thực vật kháng và diệt bệnh nấm hồng Corticium salmonicolor, bệnh phấn trắng Oidium Heveae trên cao su” , Báo cáo đề tài tỉnh Đồng Nai, 2011

Nolting B, “Biophysical Nanotechnology” In: “Methods in Modern Biophysics”, Springer, 2005, ISBN 3-540-27703-X

Phương Đình Tâm và cs “Cố định thứ tự DNA trên cảm biến xác định virus herpes”, Proceedings

IWNA, Vung Tau, Vietnam, 2007

http://www.wordiq.com/definition/Bionanotechnology