Nanotechnológia Vonderviszt Ferenc Veszprémi Egyetem Nanotechnológia Tanszék
Ősi technológiák Mikroelektronika
Technológia: képesség az anyag szerkezetének, az anyagot felépítő részecskék elrendeződésének befolyásolására. A technológiai fejlődés irányvonalai: - meglévő technológiák miniatürizálása nanotechnológia - molekuláris nanotechnológia: atomokból és molekulákból építkező, molekuláris gépezeteket létrehozó technológia
A molekuláris nanotechnológia előnyei: - olcsó - környezetkímélő - kis méret - gyors működés Kívánatos tulajdonságok: - önszerveződés - önreprodukció Álom vagy valóság?
Az élő szervezetek molekuláris nanotechnológiát alkalmaznak!!! Fehérje/nukleinsav alapú molekuláris gépezetek Photosynthetic reaction center T4 bacteriophage
Nanotechnológiai próbálkozások: - AFM technológiák - Szupramolekuláris kémia - Fehérjealapú nanotechnológia
STM/AFM
AFM
Grafitfelület
AFM-pen
Nanotechnológiai próbálkozások: - AFM technológiák - Szupramolekuláris kémia - Fehérjealapú nanotechnológia
Fullerének és szén nanocsövek
Fehérjék - 20-féle aminosavból felépülő lineáris polimerek - kompakt szerkezet - változatos kölcsönhatási mintázatok
A PGK fehérje szerkezete
Molekuláris gépezetek az élő szervezetekben - molekuláris vegyiüzemek - energiaátalakítók - motorok - jelérzékelők és jelfeldolgozók - multifunkciós gépezetek - programvezérelt összeszerelők
Kinezin motorfehérje
A kinezin mozgása
A baktériumok mozgásszervei a flagellumok
A flagelláris motor működése
A bakteriális flagellumok önszerveződése
Molekulafelismerés Immunglobulin G
Jelfeldolgozás
3 RNS lánc + 55 fehérje Riboszóma önszerveződő képesség programvezérelt működés
Molekuláris gépezetek az élő szervezetekben Legfontosabb jellemzők: önszerveződőképesség irányított molekuláris dinamika
Az élő szervezetek példája azt mutatja, hogy a fehérjék és nukleinsavak kiválóan alkalmasak önszerveződő molekuláris gépezetek építésére! Miként használhatnánk fel őket a saját céljainkra?
Lehet-e még jobb fehérjéket csinálni? Mit remélhetünk a fehérjetervezéstől? Átlagos fehérje polipeptidláncának hossza: 300 aminosav lehetséges szekvenciák száma: 20 300 10 390 db Univerzum mérete: 15 milliárd fényév 3*10 35 nm térfogata: 10 106 nm 3 A lehetséges szekvenciáknak csak egy elenyésző töredékét lehetett kipróbálni az evolúció során!!!
Miként találja meg egy fehérje a natív szerkezetét? Átlagos fehérje polipeptidláncának hossza: 300 aminosav lehetséges konformációk száma >> 2 300 10 90 db az Univerzum kora: 10 30 ps Egy fehérjének esélye sincs megtalálnia a natív térszerkezetét (Levinthal paradoxon)!
A fehérjealapú nanotechnológia fejlődésének lehetséges forgatókönyve: az élő rendszerekben található molekuláris gépezetek szerkezetének, működési mechanizmusának felderítése meglévő fehérjék tulajdonságainak célzott módosítása fehérjetervezés fehérjékből álló komplex rendszerek tervezése másodgenerációs eszközök kifejlesztése programvezérelt összeszerelő rendszerek létrehozása
Fehérjék átformálása - stabilitás fokozása - specifikus kötőhelyek kialakítása - szubsztrátspecificitás megváltoztatása - felületi tulajdonságok módosítása - optikai és elektromos tulajdonságok megváltoztatása - mesterséges enzimek - fúziós fehérjék Eszköztár: - molekulamodellezés - génsebészet - irányított evolúció
Mesterséges receptorok
Rezgőnyelves detektálás <1 ng tömegű NEMS rezonátor: mérhető: 10-6 X saját tömeg attogram (Craighead és mts., Cornell University)
Fehérjetervezés - Kívánt szerkezetet kialakító aminosavszekvenciák viszonylag könnyen találhatók - Szerkezet tervezhető, funkcionális tulajdonságok jóval kevésbé - Dinamikai tulajdonságok tervezése megoldatlan
A fehérjealapú nanotechnológia fejlődésének lehetséges forgatókönyve: az élő rendszerekben található molekuláris gépezetek szerkezetének, működési mechanizmusának felderítése meglévő fehérjék tulajdonságainak célzott módosítása fehérjetervezés fehérjékből álló komplex rendszerek tervezése másodgenerációs eszközök kifejlesztése programvezérelt összeszerelő rendszerek létrehozása
Az élő rendszerek molekuláris nanotechnológiát alkalmaznak! A hatékony gyógyítás nélkülözhetetlen eleme a molekuláris szintű beavatkozás Nanomedicina A nanotechnológia alkalmazása betegségek megelőzésére, diagnosztizálására és gyógyítására.
Legfontosabb alkalmazási területek Ható- és jelzőanyagok irányított célbajuttatása Nanoszenzorok RNS és DNS terápiák Nanokapszulák és nanobevonatok Távirányítású biomolekulák Bio- és nanorobotok
Funkcionális nanorészecske Modell fehérje (BSA) gyógyszer tartalmú mikrogömbök (14-15 µm átlagméret), mátrix jellegű nanostruktúrával, lineáris (egyenletes) leadási kinetikával. A hatóanyagrészecskék mérete kb. 4-500 nm) Hordozó PLA/PEEP (polietilén-foszfát) Léptékvonal: 20 µm J.Wen et al., Journal of Controlled Release 92 (2003) 39 48
Sejtszintű rákterápia dendrimer alapú nanorészecskékkel
Legfontosabb alkalmazási területek Ható- és jelzőanyagok irányított célbajuttatása Nanoszenzorok RNS és DNS terápiák Nanokapszulák és nanobevonatok Távirányítású biomolekulák Bio- és nanorobotok
Az aptamer, mint hatóanyag Aptamer: adott célmolekulához való specifikus kötődésre képes egyes szálú DNS vagy RNS molekula
Legfontosabb alkalmazási területek Ható- és jelzőanyagok irányított célbajuttatása Nanoszenzorok RNS és DNS terápiák Nanokapszulák és nanobevonatok Távirányítású biomolekulák Bio- és nanorobotok
Mikrogömb Sejtek bevitelére alkalmas PLGA mikrogömb felületi morfológiája. A porózus felületi textúra elősegíti a sejtek megtapadását és növekedését. Előállítás w/o/w dupla emulziós szolvent evaporációs módszer Léptékvonal: 20 µm K. D. Newman et al., Biomaterials 25 (2004) 5763 5771
Amiloid alapú nanodrót Nanodrót (Scheibel et al. (2003) PNAS 100, 4527) DNS alapú nanodrót (Braun et al. (1998) Nature 391,775)
DNS kettőshélix
DNS szerkezetek (Seeman és mts.; http://seemanlab4.ch em.nyu.edu)
DNS vázszerkezetek
Zárszó A fehérjék és nukleinsavak olyan kivételes tulajdonságokkal rendelkező anyagok, amelyek kiválóan alkalmasak önszerveződő molekuláris rendszerek építésére. Érdemes ellesnünk az élő szervezetektől a bennük működő molekuláris gépezetek szerveződési elveit, megfejteni működésük mechanizmusát, hogy a magunk kedve szerint építhessünk talán még a természetben megfigyelhetőknél is lenyűgözőbb képességű nanoméretű eszközöket.
Köszönöm a figyelmet!