Biomolekuláris nanotechnológia Vonderviszt Ferenc PE MÜKKI Bio-Nanorendszerek Laboratórium
Az élő szervezetek példája azt mutatja, hogy a fehérjék és nukleinsavak kiválóan alkalmasak önszerveződő molekuláris gépezetek építésére! Legfontosabb jellemzők: önszerveződőképesség irányított molekuláris dinamika
Bio-nanotechnológia Az élő rendszerek molekuláris nanotechnológiát alkalmaznak!
Kézenfekvő a biológiai makromolekulák nanotechnológiai alkalmazása
A hatékony gyógyítás nélkülözhetetlen eleme a molekuláris szintű beavatkozás
A biológiai makromolekulák nanotechnológiai alkalmazása természetes fehérjék felhasználása
(pl. antitestek, enzimek)
fehérjék átformálása, új fehérjék/nukleinsavak előállítása Eszköztár: - molekulamodellezés és tervezés - irányított evolúció - génsebészet
Építkezés és érzékelés biológiai makromolekulák segítségével
Bioszenzorok Alapkövetelmények: szelektivitás, érzékenység, stabilitás A bioszenzorok felosztása: Működési elv szerint: katalitikus ill. affinitásos Detektálási mód alapján: optikai, elektrokémiai, termometrikus, tömegérzékeny
(Chambers et al. (2008) Curr. Issues Mol. Biol. 10: 1-12)
Természetes felismerő molekulák • • • • •
Receptorok Enzimek Antitestek Lektinek DNS/RNS
Glükózszenzor
(Xiao et al. (2003) Science 299:1877)
Mesterséges felismerő elemek • • • •
Aptamerek Mesterséges kötőfehérjék Peptid-nukleinsavak Molekulalenyomatok
Aptamers SELEX Funkcionális DNS/RNS molekulák előállítása irányított evolúcióval
(Ellington & Szostak (1990) Nature 346, 818)
Aptamerek és antitestek összehasonlítása Affinitás Specificitás Előállítás Célmolekulák választéka
Kémiai módosíthatóság Hődenaturáció
Tárolhatóság
Aptamerek
Antitestek
mM - nM – (pM)
nM - pM
magas
magas
In vitro kémiai eljárással
In vivo biológiai rendszerekben
Széles: ionok, kis szerves molekulák, biológiai makromolekulák, sejtek
Szűk: csak immunogén anyagok
egyszerű
korlátozott
reverzibilis
irreverzibilis
korlátlan
korlátozott
Aptamer szenzorok Molekuláris jeladók
(Navani & Li (2006) Curr. Op. Chem. Biol. 10:272–281)
Mesterséges kötőfehérjék előállítása Mesterséges kötőfehérjék előállítása
(Beste és mts. (1999) PNAS 96:1898)
Irányított evolúció: riboszóma és RNS display • Sejtmentes in vitro expressziós rendszerek
• Tesztelhető DNS könyvtár mérete ~1012 - 1015 variáns
(Amstutz et al. (2001) Curr. Op. Biotechnol. 12, 400-405)
Sztochasztikus NW-FET szenzor
(Patolsky és mts. (2004) PNAS 101:14017)
Sztochasztikus NW-FET szenzor Vírusrészecskék egyedi detektálása
(Patolsky és mts. (2004) PNAS 101:14017)
Építkezés biológiai makromolekulák segítségével
CdSe
Kvantumpötty nanoméretű fémgömböcske mérettől függő elektromos és optikai Autulajdonságok 1 E
Különböző méretű arany nanogömböket tartalmazó oldatok.
R
Kvatumpöttyök előállítása fehérjék segítségével A ferritin fehérje térszerkezete
Fehérje-alapú rendezett kvantumpötty mintázat
(Yamashita és mts., Panasonic Co.)
mikroelektronikai alkalmazások
BNP
Beágyazott kvantumpöttyökön alapuló memóriaelem Gate
Electrode D
Electrode S
Electron/hole storage
G S
Channel
Key structure
D
e
Electron (hole) confinement in the nanodot array is controlled by the gate electrode voltage.
①Monolayer of homogenous nanodots with ②high density (1012/cm2 or higher)
Ti-binding Ferritin genetic modification of ferritin surface Ti-specific affinitiy peptide
Ti-binding ferritin (a) 3.0 3.0 (nm)
nm
0.0 0.0
100nm
(b)
100nm
Kirimura et. al., Small (2006)
BNP
Fehérjekapszulák
DNS vázszerkezetek
(Seeman és mts.; http://seemanlab4.ch em.nyu.edu)
DNS vázszerkezetek
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 • Nanoszenzorok • Ható- és jelzőanyagok irányított célbajuttatása • RNS és DNS terápiák
• Nanokapszulák és nanobevonatok • Távirányítású biomolekulák • Bio- és nanorobotok távvezérlésű hatóanyagok
Sejtszintű rákterápia nanorészecskékkel
Módosított vírusrészecske Funkcionális nanorészecske
Rexin G
Dendrimer alapú funkcionális nanorészecske
(Gordon & Hall (2010) Exp. Op. Biol. Ther. 10:819-832)
Rákterápia: Rexin-G
http://vimeo.com/8320204
Köszönöm a figyelmet!
