Szabályozott tulajdonságokkal rendelkező mágneses nanokristályok biomimetikus szintézise Pósfai Mihály Pannon Egyetem, Környezettudományi Intézet Kutató Kari Minősítés Kötelezettségei és Lehetőségei Veszprém, 2013. április 12.
Mágneses vas-oxid nanokristályok környezet-, anyag- és orvostudományi alkalmazásai - reaktív részecskék, katalizátorhordozók fémek redukálására, szerves szennyezők lebontására - mágneses folyadékban (ferrofluidum, mágneses reológiai fluidum) - merevlemezben - célzott hatóanyagbevitelhez és mágneses hipertermiás kezeléshez - kontrasztanyagként orvosi képalkotó eljárásokhoz (MRI) (pl. célzott sejtekhez kötött jelzőként az érben képződő plakkok kimutatására, a kezelés hatásának vizsgálatára) - 2003-ban 10 ezer MRI szkenner világszerte, 75 millió MRI vizsgálat - kereskedelmi forgalomban kapható MRI kontrasztnövelő mágneses nanokristályok: Feromoxtran (pl. nyirokcsomók vizsgálatára), Resovist, Feridex (a máj vizsgálatára)
Mágneses tulajdonságok A magnetit nanokristályok mérete és alakja erősen befolyásolja a részecskék mágneses viselkedését. izometrikus magnetit kristályok esetében: 0 30 120 nm szuperparamágneses mágneses egydomén többdomén Fontos lenne a szintetikus részecskéket szűk méret- és alakeloszlással előállítani A gyors és olcsó szintézis módszerek széles méret- és alakeloszlást eredményeznek A természetben egyes élőlényekben a magnetit méretének és alakjának pontos szabályozása megoldott, például a mágneses baktériumokban Cél: tervezett tulajdonságokkal rendelkező mágneses nanorészecskék biomimetikus szintetizálása
Mágneses baktériumok A sejtek magnetoszómákat tartalmaznak: membránnal határolt, ferrimágneses magnetit (Fe 3 O 4 ) vagy greigit (Fe 3 S 4 ) nanokristályokat, amelyek általában láncba rendeződnek A sejtet a Föld mágneses tere orientálja, majd a sejt aktívan úszik a mágneses erővonalak mentén Blakemore 1975 Science
A magnetoszóma-képződés biológiai szabályozása Magnetoszóma: membrán + ferrimágneses nanokristály
Mágneses baktériumok: törzs-specifikus, változatos alakú magnetit nanokristályok Kristályméret: Kristályalak: - szigorúan szabályozott, monodiszperz, mágneses egydomén - adott baktériumtörzsre jellemző - gyakran szokatlan, nem-egyensúlyi, megnyúlt alak
Mágneses baktériumok: kémiailag tiszta, szerkezetileg hibátlan magnetit nanokristályok Pósfai et al. 2007 In: Magnetoreception and Magnetosomes in Bacteria, Springer
Mágneses indukció: 0.58±0.02 T 100 nm [111] Simpson et al. 2005 J Phys Conf Ser 17, 108
Mágneses indukció térkép egy édesvízi coccus baktérium sejtjében lévő, szétszórt magnetit kristályokról Pósfai and Dunin- Borkowski (2009) Elements 5, 235
EU FP7 projekt: új MRI kontrasztanyag fejlesztése LMU München (mágneses baktériumok): - Magnetit tömegtermeltetése - Mutánsok előállítása, magnetit tulajdonságok szabályozása Max Planck, Potsdam (szintézis): - Magnetit szintézis szervetlen reagensekkel - Biomimetikus szintézis ETH Zürich: - Mágneses tulajdonságok jellemzése Pannon Egyetem: - Mágneses nanorészecskék elektronmikroszkópos jellemzése LBIO, Bécs: - Toxicitás vizsgálata NANOPET, Berlin: - MRI alkalmazás vizsgálata Rigai Egyetem: - Elméleti fizikai számítások
EU FP7 projekt: magnetit szintézis (Max Planck, Potsdam) - magnetit + goethit (FeO(OH)) - a nanokristályok csomókban - a méret rosszul szabályozott nm
EU FP7 projekt: magnetit szintézis (Max Planck, Potsdam) Count 60 50 40 30 20 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 particle size (nm)
Magnetit tömegtermeltetése mágneses baktériumokkal (LMU, München)
Magnetit tömegtermeltetése mágneses baktériumokkal (LMU, München)
Magnetit tömegtermeltetése mágneses baktériumokkal (LMU, München)
A magnetoszóma-képződés biológiai szabályozása Magnetoszóma: membrán + ferrimágneses nanokristály Mam B+M MamGFDC MamJ Mms6 MamA
Bakteriális magnetit tulajdonságainak módosítása a Magnetospirillum gryphiswaldense mutánsainak előállításával (LMU, München) vad típus mamgfdc mamxy mamj
Magnetit nanokristályok átlagos mérete genetikailag módosított baktériumokban (LMU, München)
Magnetit nanokristályok szintézise a Pannon Egyetemen abiotikus kísérletek Csapadékképzés többféle reagenssel, szabályozott körülmények között: szerves adalékanyagok: olajsav, tetraetilén-glikol (TEG) etilén-glikol (EG) FeSO4 + EG, 90 oc Nyirő-Kósa et al. (2009) Eur. J. Mineral. 21, 293. FeSO4 + TEG, 80 oc oo FeClO2,,80 CC FeC 80 2 4
Magnetit nanocsövek(?) szintézise a Pannon Egyetemen mutagenizált flagelláris filamentum sablonon (MK MIK közösen) Ötlet: - A mágneses baktériumokból ismert, vaskötő Mms6 fehérje fragmentumának beépítése a Salmonella typhimurium flagelláris filamentumaiba - A módosított filamentumot sablonként alkalmazni a magnetit nukleációjához (a variábilis D3 domén helyére lehet beépíteni az mms6 DNS egy részletét) - Várható eredmény: mágneses filamentum vagy nanocső
Magnetit nanocsövek(?) szintézise a Pannon Egyetemen mutagenizált flagelláris filamentum sablonon (MK MIK közösen) A munka menete: - mms6 beszerzése, amplifikálása, a termékek inzertálása pkot és pet vektorokba - a keletkezett plazmid konstrukciók transzformálása E. coli TOP10 sejtekbe - szekvenálás, a kívánt DNS szekvencia beépülésének ellenőrzésére - a kívánt DNS szekvenciák transzformálása a Salmonella typhimurium sejtjeibe - mutáns flagellin filamentumok termeltetése a Salmonella baktériummal - magnetit kristályosítása a filamentumokon
Köszönetnyilvánítás Tompa Éva Nyirő-Kósa Ilona Kovácsné Kis Viktória Tóth Balázs Klein Ágnes Muskotál Adél Vonderviszt Ferenc