Bio-nanorendszerek Vonderviszt Ferenc Pannon Egyetem Nanotechnológia Tanszék
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 rendszereket létrehozó technológia
A molekuláris nanotechnológia előnyei Kis nyersanyag és energiaigény Minimális környezetszennyezés Adott térfogatban sok aktív elem A kis méretből adódó különleges tulajdonságok (kvantumhatások) Jól tervezhető, előnyös mechanikai, termikus és elektromos tulajdonságok
Nanotechnológiai próbálkozások: STM technológiák Grafitfelület
STM objektumok
Fullerének és szén nanocsövek
A szén nanocsövek tulajdonságai: Szakítószilárdság ~5 10 9 Pa Sűrűség ~1.4 g/cm 3 Tökéletes rugalmasság Elektromos vezetőképesség ~10 9 A/cm 2 Hőstabilitás 2800/750 ºC Kiváló hővezetés
Szén nanocsövek növesztése
CNT képcsövek
Molekuláris nanotechnológia: A XXI. század technológiája!? Az élő rendszerek molekuláris nanotechnológiát alkalmaznak! Fehérje/nukleinsav alapú molekuláris gépezetek
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
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
CdSe Kvantumpötty Au Különböző méretű arany nanogömböket tartalmazó oldatok.
Ferritin
Ferritin
Fehérje-alapú rendezett kvantumpötty mintázat (Yamashita és mts., Panasonic Co.)
BNP Floating Nanodots Gate Memory (FLGM) Gate Electrode S S G Channel Electrode D D Electron/hole storage e Electron (hole) confinement in the nanodot array is controlled by the gate electrode voltage. Key structure 1Monolayer of homogenous nanodots with 2high density (10 12 /cm 2 or higher)
Floating Nanodots Gate Memory made by BioNanoProcess G BNP S channel D Al-electrode ~φ6nm nano-dot(ferritin core) 12nm e - Si-oxide layer 2.5~3.0nm Thermally-oxide layer TEM Image : Nano dot array burried in the SiO 2 layer by BioNanoProcess. e - Si substrate
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!