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: ~5·109 Pa • Sűrűség ~1.4 g/cm3 • Tökéletes rugalmasság • Elektromos vezetőképesség ~109 A/cm2 • Hőstabilitás 2800/750 ºC • Kiváló hővezetés • Szakítószilárdság
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: 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 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
Electrode S
D
Electron/hole storage
Electron (hole) confinement in the nanodot array is controlled by the gate electrode voltage.
G S
Channel
Key structure
D
e
①Monolayer of homogenous nanodots with ②high density (1012/cm2 or higher)
BNP
Floating Nanodots Gate Memory made by BioNanoProcess G S
D
channel
Al-electrode ～φ6nm nano-dot（ferritin core）
Si-oxide layer
12nm
e2.5～3.0nm
Thermally-oxide layer e-
TEM Image : Nano dot array burried in the SiO2 layer by BioNanoProcess.
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!
