Nanotechnológia

Vonderviszt FerencVeszprémi Egyetem

Nanotechnológia Tanszék

MikroelektronikaŐsi technológiák

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

Technológia:

- olcsó - környezetkímélő - kis méret - gyors működés

A molekuláris nanotechnológia előnyei:

Kívánatos tulajdonságok:

- önszerveződés- önreprodukció

Álom vagy valóság?

Az élő szervezetek molekuláris nanotechnológiát alkalmaznak !!!

Fehérje/nukleinsav alapú molekuláris gépezetek

Photosynthetic reaction centerT4 bacteriophage

- AFM technológiák

- Szupramolekuláris kémia

- Fehérjealapú nanotechnológia

Nanotechnológiai próbálkozások:

STM/AFM

AFM

Grafitfelület

AFM-pen

- AFM technológiák

- Szupramolekuláris kémia

- Fehérjealapú nanotechnológia

Nanotechnológiai próbálkozások:

Fullerének és szén nanocsövek

- 20-féle aminosavból felépülő lineáris polimerek

- kompakt szerkezet - változatos kölcsönhatási mintázatok

Fehérjék

A PGK fehérje szerkezete

Molekuláris gépezetek az élőszervezetekben

- 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 flagellumokönszerveződése

Molekulafelismerés

Immunglobulin G

Jelfeldolgozás

3 RNS lánc + 55 fehérje

önszerveződő képesség

programvezérelt működés

Riboszóma

Molekuláris gépezetek az élőszervezetekben

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: 20300 ≈ 10390 db

Univerzum mérete: 15 milliárd fényév ≈ 3*1035 nm

térfogata: ≈ 10106 nm3

↓ 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 >> 2300 ≈ 1090 db

az Univerzum kora: ≈ 1030 ps

↓ Egy fehérjének esélye sincs megtalálnia a natív térszerkezetét

(Levinthal paradoxon)!

A fehérjealapú nanotechnológiafejlődésének lehetséges forgatókönyve:

az élő rendszerekben található molekuláris gépezetekszerkezetének, 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

<1 ng tömegű NEMS rezonátor:

mérhető: 10-6X saját tömeg→ attogram

Rezgőnyelves detektálás

(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 nanotechnológiafejlődésének lehetséges forgatókönyve:

az élő rendszerekben található molekuláris gépezetekszerkezetének, működési mechanizmusának felderítése

meglévő fehérjék tulajdonságainak célzott módosítása

fehérjetervezés

fehérjékből álló komplex rendszerek tervezése

másodgenerációs eszközök kifejlesztése

programvezérelt összeszerelő rendszerek létrehozása

Az élő rendszerek molekulárisnanotechnológiát alkalmaznak!

↓A hatékony gyógyítás nélkülözhetetlen eleme a molekuláris szintű beavatkozás

NanomedicinaA 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 hatóanyagrészecskékmérete kb. 4-500 nm)Hordozó PLA/PEEP (polietilén-foszfát)Léptékvonal: 20 µmJ .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 hatóanyagAptamer: 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 módszerLéptékvonal: 20 µm

K. D. Newman et al., Biomaterials 25 (2004) 5763–5771

NanodrótAmiloidalapú

nanodrót

(Scheibel et al. (2003) PNAS 100, 4527)

DNS alapúnanodrót

(Braun et al. (1998) Nature 391,775)

DNS kettőshélix

DNS szerkezetek

(Seeman és mts.; http://seemanlab4.chem.nyu.edu)

DNS vázszerkezetek

ZárszóA 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!