Công nghệ sinh học nano: Các thiết bị nano tích hợp

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. 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]. Một số thiết bị điều khiển lợi dụng ưu thế của cỏc thiết bị kớch thước nhỏ (cỡ àm) 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. 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). Vỡ m, cỏc điện cực nano, mẫu dũ nano và cỏc hệ thống khỏc là nhữngàkớch 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].

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. 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. “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.

PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO 1 Phương pháp hóa học

Phương pháp vật lý

Có thể sử dụng phương pháp nghiền trục cao năng (high-energy ball milling), còn gọi là bào mũn cơ học (mechanical attrition) để giảm kớch thước vật liệu hạt từ vài àm xuống còn 2-20nm. Mặc dù các nỗ lực thành công trong vài năm trước để tạo ra một lượng lớn các ống nano bằng các phương pháp nhiệt độ cao ở trên, vẫn chưa thể sử dụng phương pháp này quy mô công nghiệp. Một số kỹ thuật điện và quang hóa đã được phát triển để tổ chức không gian các phân tử sinh học trên bề mặt với các mục đích sàng lọc hiệu năng cao, kết hợp các mảng điện cực và hóa học.

Dựa trên những nền tảng kỹ thuật này, người ta có thể chế tạo ra các vi mảng, trên đó các mẫu dò (DNA, protein, peptide, glycan…), mở ra các ứng dụng hết sức đa dạng với hiệu năng cao [62]. Kỹ thuật LAD đã được sử dụng để đặt glucose oxidase trên SDS, riboflavin trên phospholipid và bacteriorhodopsin nhạy sáng (bR) trên chất nền của lipid L-α-distearoyl phosphatidylcholine [96]. Có thể tạo hạt nano của rất nhiều loại vật liệu khác nhau (bao gồm các oxit) với kích thước 1-100 nm bằng cách này, nhưng nhược điểm là biến thiên kích thước hạt lớn [38, 94].

Mô hình này tạo ra các ống nano carbon nhiều thành khi các que nano tinh sạch được sử dụng tại các điện cực và tạo ra các ống nano đơn thành khi chất xúc tác kim loại được trộn với lừi của anode. Để thực hiện thí nghiệm này, sử dụng mô hình tương tự của MWNT nhưng lỗ đường kính nhỏ hơn được khoan trong anode và bao gói với một hỗn hợp của chất xúc tác kim loại và bột graphide (Hình 23). Nhược điểm của phương pháp này là mẫu chứa một lượng đang kể tạp chất không phải ống nano và chất xúc tác; cần tiến hành tinh sạch sau tổng hợp để thu mẫu tinh sạch [38].

Các phương pháp sinh học .1 Tự lắp ráp phân tử

Các peptide này có ba vùng chung dọc theo chiều dài của nó: một phối tử nhận biết và gắn tế bào đặc biệt, một thể liên kết để phân tách vật lý với bề mặt và neo để gắn cộng hóa trị với bề mặt [98]. Gần đây, Zang và đồng sự đã tiến một bước xa hơn: sử dụng các peptide và protein như một loại mực, họ in trực tiếp các ký hiệu đặc biệt trên bề mặt polyethylene glycol không bám dính để nhanh chóng lắp ráp các mô hình tùy thích mà không cần mặt nạ hay con dấu (hình 24c). Các hạt keo vàng có thể TLR thành một cấu trúc tập trung bằng cách gắn với các hạt 13nm không bổ sung với các oligonucleotide DNA có hai đầu gắn với nhóm thiol và sau đó kết tụ với một phức hệ oligonucleotide với các đầu dính và bổ sung với hai trình tự ghép [105].

Hơn nữa, sử dụng oligonucleotide tổng hợp mang các base biến đổi cho phép điều khiển cấu trúc của khối tuần hoàn bằng cách gắn thêm các nhóm chức năng như chất xúc tác, enzyme, và protein, các cụm kim loại hoặc các cấu trúc nano DNA khác như polyhedra [108] hoặc vòng Borromean [50]. Chúng tham gia vào quá trình lắp ráp, chế tác và chắc chắn, trong cấu trúc sản phẩm cuối cùng, mang lại các chức năng đặc biệt, có thể điều khiển tương tự các cấu trúc trong mô xốp và rắn sinh học. Thứ hai, có thể sử dụng các protein này làm chất kết nối hay các tập hợp lắp ráp phân tử để liên kết thực thể phân tử, bao gồm hạt nano, polymer chức năng hoặc các cấu trúc khác trên khuôn phân tử.

Đạt được điều này sẽ là một nhảy vọt phi thường, với khả năng tạo ra các khối cấu trúc nano trong đó protein và tính chất gắn của nó được tạo ra nhờ kỹ thuật DNA trong khi thành phần vô cơ mang các chức năng đặc biệt (như điện, quang, từ). Các kỹ thuật trình diện phage (phage display) tái tổ hợp đã được sử dụng để xác định các peptide gắn chất bán dẫn thuộc nhóm III–V và II–VI như ZnSe và GaAs, với các vật liệu từ tính và với calcium carbonate, phosphate. Chủng Pseudomonas stutzeri AG259, phân lập từ mỏ bạc tích lũy các tinh thể đơn bạc với hình dạng và thành phần xác định, như các hinhhf tam giác và lục giác đều, với kích thước dưới 200nm trong không gian ngoại biên [110].

ỨNG DỤNG

Polymer dendrimer là thiết bị nano đa năng với khả năng hướng đích tới tế bào KB trong canh trường, phân phối chọn lọc thuốc chống ung thư methotrexate nội bào và cung cấp tín hiệu hình ảnh quang học thông qua chất phát huỳnh quang gắn với vector nano [115]. Nang nano sinh học (BNC) có kích thước trung bình 130nm, lớp ngoài là kháng nguyên bề mặt của vi khuẩn viêm gan B là một bộ máy nano hiệu quả với khả năng phân phối gene, thuốc và protein huỳnh quang đặc hiệu tới tế bào gan người [119]. Các hệ thống trong tương lai có thể được lập trình trước để có tốc độ phân phối biến đổi theo thời gian hoặc tự điều hòa đáp ứng với các kích thích môi trường (những kích thích này có thể phát hiện bằng cảm biến sinh học tại vị trí cấy).

Điện cực sinh học nano dùng enzyme để phát hiện gián tiếp glutamate (chất truyền dẫn nơron quan trọng trong hệ thần kinh trung ương) một cách liên tục đã được chế tạo thành công, trong đó thụ thể sinh học là glutamate dehydrogenase [128]. Weissleder và đồng sự gần đây đã chứng minh rằng các hạt nano có tính chât từ, ưa béo (lymphotropic paramagnetic nanoparticle) cho phép chụp ảnh cộng hưởng từ kích thước nano (MRI) trong người bệnh ung thư tiền liệt tuyến, cái không thể phát hiện bằng bất cứ cách không cấy ghép nào khác (non-invasive) [132]. Các nhà khoa học tại Northwestern University đã phát triển mã vạch nano (bio-barcode) siêu nhạy có bản chất là hạt vàng nano và DNA để phát hiện phân tử DNA đích (kháng nguyên đặc hiệu tiền liệt tuyến, PSA) ở nồng độ thấp trong máu [137].

Các nhà nghiên cứu thuộc McGowan Institute for Regenerative Medicine và University of Pittsburgh đã tổng hợp được các NT đồng nhất từ các phân tử muối amine HBr bậc hai, NT này có khả năng giết vi khuẩn và xác định các chất khác nhau qua chỉ thị màu [141]. Martin và cộng sự kết hợp với Hans Soderlund thuộc VTT đã nghiên cứu một kháng thể gắn chọn lọc với một đồng phân lập thể (enantiomer) của thuốc diarylalkyltriazole (FTB) (hình 8a), một chất kìm hãm hoạt tính của enzyme aromatase [159]. Ngoài ra, khi phương pháp này phân biệt hình dạng của các chuỗi được hấp phụ, về nguyên lý nó có thể được sử dụng để phân tách các đại phân tử có trọng lượng phân tử đồng nhất nhưng cấu trúc khác nhau như các phân tử DNA siêu xoắn hoặc vòng [162].