Tài liệu Công nghệ sinh học nano

MỤC LỤC 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử phát triển 1.1.1 Công nghệ sinh học 1.1.2 Công nghệ nano 1.1.3 Công nghệ sinh học nano 1.2. Hướng nghiên cứu chính 1.3 Tiềm năng 2. KHỐI CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ CHẾ TẠO 2.1 Vật liệu nano 2.1.1 Dạng cầu 2.1.2 Dạng thanh 2.2 Các phần tử sinh học trong CNSH nano 2.2.1 Protein 2.2.2 DNA 2.2.3 Các cấu trúc khác 2.3 Cấu trúc nano tích hợp 2.3.1 Microarray 2.3.2 Microfluidic 2.3.3 ðiện cực nano (nanosensor) 2.3.4 Thiết bị nano (nanodevice) 3. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO 3.1 Phương pháp hóa học 3.1.1 Micelle ngược 3.1.2 Khử 3.1.3 Tổng hợp ñiện hóa 3.2 Phương pháp vật lý 3.2.1 Các phương pháp cơ học 3.2.2 Vi ñịnh vị không gian 3.2.3 Tổng hợp trong pha khí 3.2.4 Hồ quang ñiện 3.3 Các phương pháp sinh học 3.3.1 Tự lắp ráp phân tử 3.3.2 Vi chế tác dựa trên khuôn sinh học 3.3.3 Phỏng sinh học 2.3.4 Sinh học phân tử 4. ỨNG DỤNG 4.1 Khám phá, phân phối thuốc và các phân tử liệu pháp 4.2 Chẩn ñoán và ñiều trị 4.3 Kháng vi sinh vật 4.4 Phát hiện-xác ñịnh cấu tử sinh học 4.5 Phân tách các cấu tử sinh học 4.6 Máy tính nano sinh học TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử phát triển 1.1.1 Công ngh
sinh hc Công nghệ sinh học (CNSH) thực sự trở thành một ngành công nghiệp vào cuối những năm 1970 nhưng nó ñã ñược ñề cập và tiên ñoán tiềm năng phát triển từ 60 năm trước ñó [1]. CNSH là tập hợp các khám phá khoa học và kỹ thuật thí nghiệm cho phép các nhà khoa học thao tác và sử dụng các hệ thống sinh học trong nghiên cứu cơ bản và phát triển các sản phẩm thương mại [2]. Với nền tảng là công nghệ tái tổ hợp, CNSH ñã và ñang có những bước tiến thần kỳ, với ngày càng nhiều ứng dụng mới. CNSH hiện ñại tập trung nghiên cứu các quá trình, cơ chế ở mức phân tử. Sinh học phân tử càng phát triển, càng cần các công cụ, vật liệu mới nhằm thâm nhập sâu hơn vào thế giới hiển vi của những quá trình, cấu trúc sinh học. 1.1.2 Công ngh
nano Nano theo tiếng Latinh (νανοσ) nghĩa là nhỏ xíu. Vào thế kỷ thứ VII trước Công nguyên, Mimnermus, thi gia HyLạp, ñã sáng tác bài thơ có tên “nữ hoàng Ναννο”. ðến thế kỷ thứ II sau Công nguyên, ναννο là tên một loại bánh bơ có dầu ôliu, sang thế kỷ thứ III sau Công nguyên thì nó lại mang nghĩa bồn rửa bát ñĩa lớn. Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần ñầu tiên vào năm 1908, khi Lohmann sử dụng nó ñể chỉ các sinh vật rất nhỏ với ñường kính 200 nm [3]. Vào năm 1974, Tanigushi lần ñầu tiên sử dụng thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) hàm ý sự liên kết các vật liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai [3]. Hiện tại trong khoa học, tiền tố nano biểu thị con số 10-9 tức kích thước 1 phần tỷ m (hình 1). Hình 1. Các phân tử DNA có kích thước khoảng 2,5 nm. 10 nguyên tử H xếp liền nhau dài 1nm (Theo www.cecs.ucf.edu). Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc chính phủ Mỹ ñịnh nghĩa công nghệ nano (CNNN) là “bất cứ thứ gì liên quan ñến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100nm”. ðịnh nghĩa này ñã loại bỏ một cách ñộc ñoán chủ thể của các nghiên cứu liên quan khác tập trung vào các thiết bị vi lỏng (microfluidic) và các vật liệu ñang ñược tiến hành ở quy mô µm [4]. Trong cuốn “Bionanotechnology: lessons from nature”, Goodsell ñịnh nghĩa CNNN là “thao tác và chế tạo ở quy mô nano với ñộ chính xác nguyên tử” [5]. Cụ thể hơn, CNNN là khoa học, kỹ thuật và thao thác liên quan tới các hệ thống có kích thước nano, ở ñó các hệ thống này thực hiện nhiệm vụ ñiện, cơ, sinh, hóa hoặc tính toán ñặc biệt. Nền tảng của công nghệ này là hiện tượng “các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có tính chất và chức năng mới khi ở kích thước siêu nhỏ”. Cấu trúc cơ bản của CNNN bao gồm các hạt hay tinh thể nano, lớp nano và ống nano. Các cấu trúc nano này khác nhau ở chỗ chúng ñược tạo thành như thế nào và các nguyên tử, phân tử của chúng ñược sắp xếp ra sao [6] Hình 2. Mối tương quan giữa các thiết bị máy móc (ñồng hồ) có kích thước µm ñến mm và cấu tử sinh học (ribosom, tiên mao) có kích thước nano [Theo 5]. 1.1.3 Công nghệ sinh học nano CNNN phát triển tất yếu dẫn tới nhu cầu tìm kiếm các mối liên kết giữa những vật có kích thước nano. ðiều ñó tự phát dẫn tới sinh học (lĩnh vực khoa học “nóng” nhất) (hình 2). Các nhà khoa học mong muốn sự giao thoa giữa CNSH và CNNN bởi lẽ CNNN mang lại cho sinh học những công cụ mới trong khi sinh học cho phép CNNN ñạt ñược các hệ thống có chức năng mới [7]. Công nghệ này tạo ra sự hợp tác chưa từng có giữa các nhà khoa học vật liệu, vật lý học và sinh học [8]. CNSH nano là tập con của CNNN, nó cũng gần với CNSH nhưng thêm khả năng thiết kế và biến ñổi các chi tiết sinh học ở mức ñộ nguyên tử [5]. Hiện có nhiều cách ñịnh nghĩa CNSH nano. CNSH nano là bất cứ ứng dụng nào của CNNN trong nghiên cứu sinh học bao gồm: khám phá thuốc, thiết bị phân phối thuốc, công cụ chuẩn ñoán, liệu pháp và vật liệu sinh học mới [9]. Theo NIH, CNSH nano là: 1. Áp dụng công cụ ở kích thước nano vào hệ thống sinh học và 2. Sử dụng hệ thống sinh học làm khuôn mẫu ñể phát triển các sản phẩm mới cỡ nano. Ở ñây, cần phân biệt giữa ‘Nano2Bio’ (sử dụng CNNN ñể phân tích và tạo ra các hệ thống sinh học), và ‘Bio2Nano’ (sử dụng vât liệu và cấu trúc sinh học ñể tạo các hệ thống kỹ thuật) [10]. Hình 3 thể hiện khái quát các ñịnh nghĩa CNSH nano nêu trên. Hình 3. Bức tranh toàn cảnh CNSH nano. Trong ñó, các hệ thống, thiết bị riêng lẻ cũng như tích hợp ñược tạo ra từ nền tảng là sự giao thoa giữa CNSH và CNNN nhằm ứng dụng trong y học, sinh học… (Theo www.nano2life.org) 1.2. Hướng nghiên cứu chính Cùng với sự nở rộ của CNNN, CNSH nano cũng ñang có những bước tiến thành kỳ. Một số ví dụ của CNSH nano trong nghiên cứu và phát triển [11]: • Chụp ảnh và nghiên cứu tương tác giữa các ñơn phân tử sinh học. • Màng chức năng tự lắp ráp với các tính chất như xúc tác, quang hoạt, dẫn ñiện, ñiện hóa và lọc nước, lọc khí, vi sinh vật. • ðộng cơ DNA (DNA motor) dựa trên lực tạo ra khi lai các trình tự bổ sung với nhau. • Chụp ảnh quá trình vận ñộng của virus, protein, prion và thuốc trong tế bào sống. • Chuyển gene và ñột biến ñiểm chính xác. • Các bộ phận phân tử mới hướng ñích và tăng phản ứng miễn dịch • Công nghệ phân phối thuốc hướng ñích • Khai thác các ñộng cơ sinh học như cơ và các protein vận ñộng khác, ñể tạo năng lượng ñiện hoặc cơ. Hiện tại trên thị trường ñã có những sản phẩm thương mại của CNSH nano. Bảng 1 liệt kê một số công ty thành công trong lĩnh vực CNSH nano theo ba hướng nghiên cứu chính là (i) phân tích sinh học; (ii) phân phối thuốc và liệu pháp; (iii) thiết bị y học và cảm biến sinh học. Rõ ràng, có sự chồng lấp giữa các lĩnh vực này, và một lĩnh vực phát triển sẽ xúc tác sự phát triển của lĩnh vực khác [12]. Như một tất yếu trong các lĩnh vực công nghệ cao và mới, Mỹ luôn là nước dẫn ñầu thể hiện ở số công ty vượt trội. Tuy nhiên, một số nước khác như Úc Nhật, Canada, Nhật, Anh cũng ñã có những công ty tham gia vào thị trường ñầy tiềm năng này. 1.3 Tiềm năng Có thể nói, trong thời ñiểm hiện tại, có thể thấy tiềm năng phát triển của một công nghệ hay kỹ thuật mới rõ nhất qua nguồn ngân sách nghiên cứu hàng năm và doanh thu ñem lại từ các sản phẩm thương mại của nó. ðược toàn thế giới nghiên cứu và ñầu tư phát triển, ngân sách ñầu tư cho CNNN của các tổ chức thuộc chính phủ ñã tăng khoảng 7 lần từ 430 triệu năm 1997 lên 3 tỉ USD năm 2003[13]. Tỷ lệ ñầu tư cho nghiên cứu và ñào tạo CNSH nano bằng khoảng 6% của công nghệ nano. Trong lĩnh vực tư nhân, các công ty lớn hiện tập trung ứng dụng CNNN cho vât liệu, hóa học, ñiện; ñầu tư trong dược và các hệ thống sinh học nano khác ước tính khoảng 10%. Tuy nhiên, các công ty nhỏ và quỹ ñầu tư mạo hiểm chi nhiều hơn trong lĩnh vực này (30-40%) [13]. Từ năm 1999, 52% trong số 900 triệu USD trong quỹ ñầu tư mạo hiểm chi cho CNNN tập trung vào thiết lập CNSH nano (hình 4a). Trên thực tế, trong khi trong khi vốn ñầu tư mạo hiểm suy giảm từ năm 2001 ñến 2002, ñầu tư vào CNSH nano lại tăng 313% (hình 4b). Sự tăng trưởng này do hai yếu tố chủ chốt: các ưu ñãi của chính phủ và sự khan hiếm các sáng chế y dược học [9]. Trên 50% vốn ñầu tư mạo hiểm trong 4 năm gần ñây ñược chi cho các công ty hoạt ñộng trong CNSH nano [8]. Hình 4. Sức cám dỗ ngày càng tăng của CNNN với các nhà ñầu tư. (a) Vốn ñầu tư mạo hiểm chi cho CNSH nano so với các lĩnh vực CNNN khác. (b) Quỹ ñầu tư mạo hiểm hàng năm chi cho CNNN [Theo 9]. Mặc dù Mỹ chiếm gần 1/3 tổng chi cho CNNN toàn cầu [9]. Các quốc gia khác cũng không ñứng ngoài cuộc, sau 3 năm kể từ khi cựu tổng thống Mỹ Bill Clinton thành lập NNI, 35 quốc gia khác ñã xây dựng các chương trình trong công nghệ này [8]. Năm 2004, chính phủ Mỹ chi 847 triệu USD cho CNNN trong khi ñó Nhật và liên minh Châu Âu cũng chi không kém. Thái Lan ñang ở giai ñoạn giữa của chương trình CNNN quốc gia 6 năm với tổng ngân sách 620 triệu USD [14]. Anh là quốc gia cuối cùng tăng chi tiêu trong công nghệ nano, ñược giới thiệu vào tháng 6 một sự gần như gấp ñôi cam kết của nó với £90 ($141) triệu cho quỹ MicroNanoTechnology Network [8]. Ngân sách ñầu tư cho CNNN của chính phủ một số nước ñược thể hiện trong bảng 2. Theo National Science Foundation, thị trường CNSH nano sẽ ñạt xấp xỉ 36 tỷ USD vào năm 2006 [15]. Không nằm ngoài vòng xoáy chung, Việt Nam cũng ñã và ñang chú trọng vào công nghệ nano. Năm 2004, vốn ñầu tư vào môi trường và CNNN ñã tăng hơn 50% so với năm 2003 [16]. Trong lĩnh vực ñào tạo, ðHQG - TP.HCM [17], ðHBK - TP.HCM [18], Trường ðHKHTN [19] và ðại học Công nghệ trực thuộc ðHQG-HN [20], ðHBK-HN ñã và ñang nghiên cứu, ñào tạo về công nghệ nano. Khu công nghệ cao TPHCM cũng tập trung ñẩy mạnh CNNN [21]. Trong triển khai thực tiễn, thành công rực rỡ nhất của CNNN tại Việt Nam là chế tạo thành công than nano "lỏng" [22] ứng dụng làm pin nguyên liệu, chế tạo vi mạch [23]. Ngoài ra còn có các nghiên cứu về cấu trúc nano ña lớp, vật liệu từ có cấu trúc nano [24] và ñã chế tạo thành công cảm biến nano dùng ñể xác ñịnh nồng ñộ khí gas hoá lỏng [25]. Khu công nghệ cao TP.HCM cũng ñang hợp tác với trung tâm nhiệt ñới Việt Nga ñể chế tạo mặt nạ sinh học dùng than nano [26], giấy và mực nano [27]. Tuy nhiên, CNSH nano vẫn là một ñiều gì ñó mới lạ ở Việt Nam. Trong lĩnh vực ñào tạo, trường ðHBK-HN mới có dự thảo chương trình ñào tạo thạc sỹ về CNSH nano. Tại ñây cũng bắt ñầu triển khai ứng dụng CNNN trong chế tạo thuốc hướng ñích. GS. Phạm Thị Trân Châu (Trung tâm CNSH - ðHQG HN), PGS. Nông Văn Hải (Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam) và GS. Nguyễn Hữu ðức (Trường ðại học Công nghệ ðHQG - HN) ñang thảo luận ñể khởi ñộng kết hoạch nghiên cứu ứng dụng của các hạt nano trong y - sinh học ñể chẩn ñoán và chữa bệnh [24]. Nói chung, CNSH nano tại Việt Nam hiện chỉ mới ñang ñặt những viên gạch móng ñầu tiên. 2. KHỐI CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ CHẾ TẠO 2.1 Vật liệu nano Vật liệu nano là vật liệu có ít nhất một chiều có kích thước nm. Hình 5 cho thấy một số vật liệu nano tiêu biểu và kích thước của chúng. ðặc trưng của vật liệu nano Các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu ñều bị giới hạn bởi kích thước, gọi là kích thước tới hạn. Các tính chất như ñiện, từ, quang và hóa học ñều có ñộ dài tới hạn cỡ nm. Nếu vật liệu nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay ñổi. Tính chất ñặc biệt của vật liệu nano ñược ñem lại do kích thước của nó nhỏ hơn kích thước tới hạn của vật liệu. Bảng 3. Kích thước của một số cấu tử nano Hình 5. Kích thước vật liệu nano và tế bào (Theo http://dvworld.northwestern.edu/) Phân loại vật liệu nano Theo trạng thái, người ta phân chia vật liệu nano thành trạng thái rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano ñược tập trung nghiên cứu hiện nay là vật liệu rắn, sau ñó mới ñến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta chia vật liệu nano thành: • Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều ñều có kích thước nano), ví dụ, ñám nano, hạt nano... • Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong ñó hai chiều có kích thước nano, ví dụ, dây nano, ống nano (NT),... • Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong ñó một chiều có kích thước nano, ví dụ, màng mỏng,... • Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong ñó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều ñan xen lẫn nhau. Trong khuôn khổ bài viết tập trung vào CNSH nano này, tôi chỉ ñề cập ñến những vật liệu nano ñã và ñang ñược ứng dụng trong ngành khoa học mới mẻ này. Do vậy, ñể tiện theo dõi tôi chia vật liệu nano dùng trong CNSH nano thành hai loại là dạng cầu (ñiểm lượng tử, dendrimer, lỗ nano, vỏ nano và hạt nano) và dạng thanh (ống nano, que nano, dây nano). 2.1.1 Dng cu ðiểm lượng tử (QD) QD là một hạt vật chất ñược tạo nên từ các vật liệu nhóm II–VI (CdSe) hoặc III-V (InP) trong bảng hệ thống tuần hoàn [28], có kích thuớc nhỏ (< 10 nm) [29] tới mức khi thêm hay lấy ñi một ñiện tử sẽ làm thay ñổi tính chất của nó. Khi ta kích thích một QD càng nhỏ thì năng luợng và cuờng ñộ phát sáng của nó càng tăng, mang lại bước sóng phát xạ khả ñiều hướng và ña hình phổ phát xạ của QD (hình 6). Vì vậy nó là cửa ngõ cho hàng loạt những áp dụng kỹ thuật mới (wikipedia). Hình 6. Vi hạt gắn với QD mang lại màu khác nhau các phân tử sinh học. Mười màu khác nhau phát ra từ QD (CdSe gắn với ZnS) dưới tia UV [Theo 30]. Trong số các vật liệu nano, QD hiện ñược nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất. Có thể nói, với những ưu ñiểm vượt trội của mình, QD sẽ dần thay thế các chất phát huỳnh quang trong những ứng dụng trước ñây như lai in situ, FRET, xác ñịnh khả năng di ñộng của tế bào…. Dendrimer Dendrimer là các phân tử ñược chế tạo bằng cách thêm liên tiếp các ñơn vị nhánh tỏa ra ngoài từ ñiểm khởi ñầu (hình 7) [31]. Hình 7. Cấu trúc hai và ba chiều của dendrimer. Ba thành phần cấu trúc: lõi (vàng), vùng bên trong chứa các ñơn vị nhánh lặp lại (xanh da trời) và bề mặt ngoài (ñỏ) [Theo 12]. Chất khơi mào (initiator): Có thể tạo dendrimer từ phân tử gốc là nguyên tố ña trị. Có thể gắn thêm các nhóm chức ñể tạo dendrimer ña chức năng. ðơn vị nhánh: ñơn vị nhánh bên trong có thể toàn bộ là amin (DAB-Am = PPI = Astromol), hỗn hợp amine/amide (PAMAM), toàn bộ amide (L-lysine dendrimers), gallate hoặc resorcinolate. Nếu muốn dùng dendrimer làm thuốc, cần dùng ñơn vị nhánh phù hợp với các ứng dụng dược học (không ñộc, hiệu quả cao, có khả năng giám sát….). Thể liên kết và bề mặt: Tính ña dạng của các cấu trúc dendrimer ñược tạo nên chủ yếu nhất bởi nhóm bề mặt và loại thể liên kết ñược dùng [31]. Lỗ nano (nanopore) Lỗ nano ñược tạo nên từ các vật liệu rắn (như silicon nitride) bằng kỹ thuật khắc bởi tia ion (ion-beam sculpting technique) [32, 33] theo hai cách: tạo lỗ bằng cách khắc trên màng, hoặc lấp các lỗ lớn hơn dưới những ñiều kiện ở ñó quá trình chuyển khối biên là chủ ñạo. Chiều sâu của lỗ nano trên màng là 5-10 nm và ñường kĩnh lỗ là 3nm. Chúng nhỏ ñến mức chỉ cho một mạch ñơn DNA ñi qua (hình 8a). Hình 8. Một số cấu trúc nano dạng cầu (a) Lỗ nano [Theo 34], (b) vỏ nano (http://planet.tvi.edu/) và (c) hạt nano có từ tính [Theo 35]. Vỏ nano (Nanoshell) Vỏ nano là khối cầu silica rỗng với các hạt vàng bao quanh (hình 8b). Có thể gắn kháng thể lên bề mặt nhằm tạo ra khối cầu hướng ñích [33, 36, 37]. Hạt nano (Nanoparticle) Hạt kim loại nano thường ñược ñịnh nghĩa là các hạt tách biệt có kích thước 1 - 50 nm ñược ngăn cản sự kết tụ bằng vỏ bảo vệ. Phụ thuộc vào vỏ bảo vệ ñược sử dụng, chúng ñược tái phân tán trong nước (“hydrosols”) hoặc dung môi hữu cơ (“organosols”) (hình 8c) [29, 38]. Lõi của hạt nano có thể là hạt C, hạt kim loại [39, 40], hạt từ, hạt hữu cơ [41], hạt silica [42] … 2.1.2 Dng thanh Ống nano ðược khám phá lần ñầu tiên bởi Dr. Sumio Lijima tại NEC, Nhật (1991), NT carbon là mạng lưới lục giác của các nguyên tử C thông qua liên kết C sp2 trên graphite, có ñường kính ~1nm và chiều dài 1-100 µm. NT carbon có các tính chất hết sức ưu việt như kích thước và khối lượng nhỏ, ñộ dẫn ñiện, dẫn nhiệt, ñộ bền cao… [38, 43]. Có hai loại NT là NT một vách và NT ña vách (hình 9.1, 9.1) [43]… Có thể gắn các cấu tử sinh học với NT carbon (hình 9.3), cho phép sử dụng hệ thống lai như các thiết bị cảm biến sinh học hoặc transistor với phổ hoạt ñộng rất hiệu quả, tạo ra các cấu trúc nano phức hợp và mạch nano (nanocircuit) với các tính chất và chức năng ñược ñiều khiển [44]. Ngoài NT carbon, cùng với sự phát triển của công nghệ nano, ngày nay người ta còn tạo ra NT peptide [45]. Hình 9. NT carbon nguyên chất và gắn với các cấu tử sinh học. (1) NT carbon 1 vách, (2) nhiều vách (Theo http://dvworld.northwestern.edu/).(3) Ống nano carbon gắn với các cấu tử khác nhau: a) gắn nucleotide; b) gắn ñường; c) gắn chất hoạt ñộng bề mặt; d) gắn peptide; e) gắn C60. [Theo 44] Dây nano Các dây nano kim loại khác nhau gồm bạc [46], vàng [47], platinum [48], palladium [49], ZnS [50], ñồng [51], silicon [52] ñược tạo ra nhờ khuôn DNA hoặc tổng hợp hóa học. Có thể tạo sợi vàng nano bằng cách sử dụng protein dẫn hướng (RecA) [53]. Patolsky và cộng sự polymer từng bước các ñơn vị monomer G-actin gắn hạt vàng nano và các ñơn vị G-actin không ñánh dấu ñể tạo ra các sợi protein gắn kim loại sau khi xúc tác sự kim loại hóa các hạt nano (hình 10a) [54]. Hình 10b minh họa dây nano silica quấn quanh một sợi tóc, nó nhỏ bằng một phần năm virus, nhưng bền gấp 5 lần tơ nhện. Hình 10. Cấu trúc sợi vàng trên lõi actin [Theo 54]. Dây nano quấn quanh sợi tóc (Theo http://planet.tvi.edu/). Mã vạch nano (Nanobarcode, NBC) Mã vạch nano ñược hiểu là vật liệu nano có khả năng mã hóa khác nhau tương ứng với từng loại phân tử ñích. Chúng có thể là các hạt nano hình trụ có vạch phân bố tự do, rộng 12 - 15 µm và dài 1 - 50 µm. Các mô hình sọc làm chúng tách biệt (giống như mã vạch truyền thống) dưới ánh sáng, kính hiển vi huỳnh quang hoặc khối phổ (hình 11) [29]. Nanobarcode tạo thành vừa có khả năng mã hóa vừa có khả năng dò. Gần ñây, que nano ña kim loại với sọc barcode ñã ñược chế tạo thành công. Người ta có thể nhận diện chúng bằng cách ño hệ số phản xạ [55]. Hình 11. Ảnh phát huỳnh quang của hai hạt barcode A và B (trong hình iii) sử dụng thí nghiệm lai DNA ñánh dấu Cy3. (i) Ảnh ñen trắng; (ii) Ảnh kênh Cy3; (iii) hảnh ñất hiếm thu ñược sử dụng bộ lọc ánh sáng dài 420 nm. Ngoài ra người ta còn tạo ra các NBC có bản chất là phân tử DNA lai có nhiều ñầu, mỗi ñầu gắn với một loại mẫu dò và tín hiệu phát huỳnh quang màu khác nhau ñể tạo ra phân tử có khả năng mã hóa [56]. Que nano (Nanorod) Trong CNNN, que nano ñược sử dụng khá phổ biến. Chúng ñược tạo thành từ kim loại, phi kim hoặc muối như Co, CuO, Au, CdSe, BaCrO4, BaWO4 [38], gắn với các nhóm chức nhằm mang lại khả năng tự lắp ráp thành các cấu trúc hai hoặc ba chiều. Hiện tại, trong CNSH, các que nano ña thành phần như que nano Au/Ni [57] (phần vàng gắn với yếu tố hướng ñích, phần Ni gắn với plasmid tạo ra một vector chuyển gene rất hiệu quả), Au-Ni-Au ñã cho thấy các ứng dụng to lớn trong chuyển gene và phân tách chọn lọc các cấu tử sinh học. Hình 12. Các loại que nano và cấu trúc nano ñược tạo nên từ chúng. (A) Que nano 3 thành phần Au-Ni-Au [Theo 57]. (B) Que nano 2 thành phần Au-Ni [Theo 58]. (C) Que nano 2 thành phần Au-Ppy và các cấu trúc nano ñược tạo nên từ chúng [Theo 59]. Ngoài những vật liệu nano kể trên, với các phương pháp tổng hợp hóa học, người ta còn tạo ra các cấu trúc ñĩa nano (nanodisks), hạt nano ña vỏ, cách tử nano tam giác và các cấu trúc nano nhánh [41], mang lại những ứng dụng hết sức ña dạng trong CNSH nano. Bên cạnh vật liệu nano, các phần tử sinh học ñóng vai trò vô cùng quan trọng trong CHSH nano. Cho ñến nay, người ta mới chỉ lợi dụng ñược một phần rất nhỏ của các cấu tử, cấu trúc và nguyên lý sinh học trong CNSH nano. 2.2 Các phn t sinh hc trong CNSH nano Tế bào là tập hợp của hàng ngàn bộ máy nano (nanomachine, nanodevice), chúng có thể ñược thu nhận và biến ñổi ñể thực hiện các nhiệm vụ CNNN tùy theo chủ ñịnh của chúng ta. Hiện tại, trên 10.000 bộ máy nano ñang làm việc trong cơ thể mỗi người. ðáng chú ý là sau khi tách và tinh chế, các bộ máy nano này vẫn giữ chức năng ở kích thước phân tử. Chúng là những bộ máy phân tử ñộc lập, ñược lợi dụng ñể phục vụ con người [5]. Các phân tử sinh học có thể ñóng vai trò như các thành phần thu nhận, vận chuyển ánh sáng, chuyển hóa tín hiệu, xúc tác, bơm hoặc ñông cơ trong các bộ máy nano ñể tạo ra năng lượng hoặc các sản phẩm ñặc biệt, thực hiện các nhiệm vụ kiểm soát hay lưu giữ dữ liệu [60]. Các cấu trúc thiết yếu trong trao ñổi chất tế bào (ty thể, túi vận chuyển, ribosome…) có thể trở thành các “bộ phận” của bộ máy sinh học-nano. Và với các tiến bộ công nghệ, chúng ta có thể mở rộng chức năng của các bộ máy này theo mục ñích của mình, biến ñổi các bộ máy nano phân tử sinh học sẵn có hoặc thiết kế những cái hoàn toàn mới [5, 61]. Theo xu thế hiện nay, người ta không ngừng tìm hiểu, khám phá các cơ chế sinh học, tận dụng tối ña mọi tiềm năng sẵn có trong các hệ thống sinh học ñể ứng dụng vào CNSH nano. Bởi thế, có thể nọi mọi cấu tử sinh học ñều ñã và ñang là ñối tượng nghiên cứu của CNSH nano. 2.3.1 Protein Trong CNSH nano, protein ñược sử dụng rất phổ biến. Chúng có thể ñóng vai trò mẫu dò trong kỹ thuật protein chip [62], trợ giúp quá trình tự lắp ráp theo cơ chế kháng nguyên-kháng thể [38], ñược bao gói trong các vật liệu nano khác như một phân tử liệu pháp (kháng thể) [38] và ñặc biệt nhất là vai trò ñộng cơ nano. ðộng cơ sinh học nano là protein và phức hệ protein thực hiện các chức năng khác nhau thiết yếu cho sự sống như tái bản và biệt hóa của tế bào. Chúng sử dụng năng lượng hóa học, ñiện hóa hoặc ñiện thế và chuyển năng lượng này thành lực cơ học [63]. Tự nhiên luôn cung cấp cho chúng ta một dải rộng các ñộng cơ sinh học nano (hình 13), chúng ñược tiến hóa ñể thực hiện các chức năng ñặc biệt với hiệu quả cao [64]. Các protein vận ñộng như myosin và kinesin ñóng vai trò vận chuyển và truyền ñộng, các ñộng cơ có bản chất RNA làm virus dễ dàng bao gói axit nucleic [65], RNA polymerase chuyển ñộng dọc theo DNA khi phiên mã, [66] và ñộng cơ tiên mao ñẩy vi khuẩn ñi [67]. Một số enzyme như kinesin, RNA polymerase, myosin, và adenosine triphosphate (ATP) synthase có chức năng như các ñộng cơ sinh học quay hoặc tịnh tiến ở kích thước nano. Hình 13. Các protein vận ñộng: kinesin chạy dọc theo microtubule, dynein chạy dọc microtubule theo chiều ngược lại với kinesin, myosin chạy dọc theo sợi filament, F1ATPase là một ñộng cơ quay, cuống trung tâm của nó quay khi các dưới ñơn vị bên ngoài thủy phân ATP. Kết hợp các ñộng cơ phân tử sinh học với các hệ thống ñược chế tạo ở kích thước nano cho phép phát triển các thiết bị lai hữu cơ-vô cơ có khả năng sử dụng ATP như nguồn năng lượng. Cách tiếp cận này có thể cho phép tạo ra các cảm biến, biến năng cơ học và cơ cấu truyền ñộng mới [68, 69]. Các cơ chế bởi ñó các ñộng cơ sinh học tạo ra lực là một lĩnh vực nghiên cứu thú vị trong ñó các quá trình ñáng kể ñược tạo thành [70] 2.3.2 DNA Có thể nói, chưa một cấu tử sinh học nào ñược nghiên cứu kỹ như DNA. Tuy nhiên, có lẽ không ai có thể ngờ rằng DNA lại có thể có những ứng dụng bước ngoặt, ñột phá ñến như vậy khi CNSH nano ra ñời. Có thể sử dụng tính chất nhận biết phân tử kết hợp với các tính chất cơ học khác nhau của DNA mạch ñơn và kép ñể tạo các thiết bị nano thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn với các ứng dụng từ chế tạo nano ñến phân phối thuốc thông minh [71]. Có thể dùng DNA ñể tạo ra các bộ máy với khả năng chuyển ñộng quay, ñẩy và giãn dài, hoặc thậm chí vận ñộng ñẳng hướng [71-73]. Có thể phát minh các thiết bị nano tự sinh ñể bắt giữ và giải phóng các phân tử, thực hiện các nhiệm vụ xử lý thông tin ñơn giản [71]. Một mảng ứng dụng rất lớn nữa của DNA là làm mẫu dò trong gene chip, một kỹ thuật chỉ mới ñược phát minh vào ñầu những năm 1990 và tiềm năng phát triển có thể so với PCR [62]. Ngoài ra, với các tính chất tự lắp ráp (TLR), bắt cặp bổ sung…, với khả năng tổng hợp nhân tạo chính xác phân tử DNA ñến từng base (cả mạch ñơn lẫn mạch kép), khi gắn DNA với các cấu tử sinh học hoặc cấu trúc, phần tử nano khác sẽ cho ta những ứng dụng hết sức phong phú và ña dạng. Có thể nói, CNSH nano mới chỉ lợi dụng ñược một phần rất nhỏ bé so với tiềm năng vốn có của DNA. 2.3.3 Các cu trúc khác Ngoài protein và DNA, một số cấu trúc sinh học khác cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng to lớn trong CNSH nano. Các lớp bề mặt tế bào vi khuẩn gọi là S-layer, S-layer neoglycoprotein tích hợp có thể sử dụng trong thiết kế vaccine, phân phối thuốc sử dụng sự nhận biết carbohydrate. Ngoài ra, có thể sử dụng glycoprotein, polysaccharide, mono hay oligosaccharide làm mẫu dò trong glycan array [74] hoặc chính bản thân tế bào cũng ñược lợi dụng làm khuôn ñể chế tạo dây nano [50]. Với sự phát triển như vũ bão của công nghệ hiện nay, có thể nói, mọi cấu tử sinh học ở kích thước nano ñều có tiềm năng ứng dụng trong CNSH nano. 2.3 Cấu trúc nano tích hợp Ngày nay, người ta thiết kế và chế tạo các bộ máy sinh học nano ñể thực hiện các nhiệm vụ ñặc biệt ở quy mô nano, như hướng ñích tới các tế bào ung thư hoặc giải quyết một một nhiệm vụ máy tính ñơn giản. Khi CNSH nano phát triển, chúng ta sẽ tái thiết kế các bộ máy phân tử của tế bào ñể thực hiện những nhiệm công nghệ và sức khỏe con người ở quy mô lớn hơn. Các cấu trúc lớn sẽ ñược xây dựng với ñộ chính xác nguyên tử với các máy lắp ghép phân tử sinh học hoặc bằng cách sử dụng các mô hình sinh học ñể lắp ghép. Nhìn vào tế bào, chúng ta có thể tìm thấy các ñộng cơ tự ñộng chính xác, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, cảm biến… tất cả chúng ñều ở quy mô phân tử, sẵn sàng ñể thu nhận bởi CNSH nano [5]. 2.2.1 Microarray Trong kỹ thuật DNA array, người ta cố ñịnh axit nucleic có trình tự xác ñịnh (mẫu dò) trên giá thể (mảng) thích hợp theo thứ tự. Axit nucleic cần nghiên cứu (ñích) ñược ñánh dấu sau ñó lai với mẫu dò trên mảng. Ở những ñiều kiện lý tưởng, các axit nucleic có trình tự bổ sung sẽ bắt cặp chính xác với nhau. Hơn nữa dưới các ñiều kiện này, cường ñộ phát hiện tín hiệu tỷ lệ trực tiếp với lượng mẫu dò nên có thể ñịnh lượng các loại axit nucleic trong mẫu ban ñầu [75]. Trên cơ sở DNA array, các mẫu dò các mẫu dò có bản chất khác nhau ñã ñược phát triển ñể tạo ra protein array [76, 77], PNA array [78], peptide array [79], glycan array [74], nanowire array [52, 54], cantilever array [80] … mang lại những ứng dụng hiệu năng cao hết sức ña dạng [62]. Hình 14. Một số loại microarray ñiển hình. (A) DNA array [Theo 62]. (B) Nanowire array [Theo 54]. (C) Cantilever array [Theo 80]. (D) Protein array [Theo 77]. 2.2.2 Microfluidic Một số thiết bị ñiều khiển lợi dụng ưu thế của các thiết bị kích thước nhỏ (cỡ µm) so với các thiết bị lớn: giảm lượng mẫu và hóa chất tiêu tốn, thời gian phân tích ngắn hơn, ñộ nhạy cao hơn, mang lại các phân tích in situ thời gian thực và tiện lợi. Có thể hình dung là tương tự với các vi mạch tích hợp sử dụng transitor thu nhỏ trong tính toán tự ñộng, microfluidic chip có thể ñược tự ñộng hóa quy mô lớn trong quá trình sinh học sử dụng các thể tích nl. Ngày nay, chúng ta ñang thấy các hệ thống microfluidic thật sự nổi lên ñể ñiều khiển các vật liệu ở mức nl, chúng ñược gọi là các hệ thống nanofluidic [81]. Hình 15. Ảnh hệ thống nanofluidic thực hiện 3 quá trình song song ñồng thời sử dụng các thể tích mẫu 1,6 nl, 1,0 nl và 0,4 nl ñể tách DNA [Theo 81]. 2.2.3 ði
n cc nano (nanosensor) ðiện cực sinh học là một thiết bị gồm thụ thể sinh học và một yếu tố chuyển ñổi có khả năng chuyển hóa những thông tin ñặc biệt thành các hiệu ứng có thể ño ñạc (như tín hiệu ñiện). Vì tính ñặc hiệu cao của các thụ thể sinh học (DNA, kháng thể), so với ñiện cực hóa học, ñiện cực sinh học nhạy hơn nhiều trong các ñánh giá sinh học [82]. Dùng vật liệu nano trong ñiện cực sinh học cho phép sử dụng một số kỹ thuật truyền tín hiệu mới. Vì m, các ñiện cực nano, mẫu dò nano và các hệ thống khác là nhữngµkích thước dưới lĩnh vực cách mạng hóa trong phân tích sinh học và hóa học, cho phép phân tích nhanh nhiều cơ chất cùng lúc in vivo [83]. Một trong các ñiện cực nano ñang ñược ưu tiên phát triển hàng ñầu là PEBBLE. Chúng có kích thước 20-100nm, ñược thiết kế ñặc biệt ñể sử dụng trong các môi trường sinh học [84]. Do có kích thước nhỏ nên ñiện cực này tối thiểu hóa các tác hại vật lý ñối với tế bào. Hơn nữa do thuốc nhuộm ñược nang hóa trong chất nền trơ nên PEBBLE tạo ra pha cảm biến tách biệt với tế bào, do ñó tránh ñược khả năng gây nhiễu hóa học. Các peptide vòng chứa một số axit amin thay thế dạng D- và L- ñược sử dụng trong một loại cảm biến hóa sinh và hóa học mới do nhóm của Bayley tại Texas A&M University phát triển [85]. Trong ñó, họ ñặt màng lipid kép chứa một kênh α-haemolysin (αHL, hình 16) giữa hai dung dịch ñiện cực, cho ñiện thế chuyển màng không ñổi chạy qua và ño dòng chuyển màng. Dòng này ñi ñôi với sự vận chuyển của các ion chạy qua kên αHL vào lỗ trung tâm [85]. Hình 16. Cấu trúc của αHL 2.2.4 Thi t b nano (nanodevice) Thiết bị nano ñược ñịnh nghĩa là tổ hợp lắp ráp của các phân tử ñã ñược thiết kế từ trước ñể thực hiện chuyển ñộng [86]. Hiện có khá nhiều thiết bị nano ñược tạo ra nhằm thực hiện các chuyển ñộng tịnh tiến [87-89], quay [72], nâng lên hạ xuống [90], co bóp (hình 17) [73, 87, 91-93]. Phổ biến nhất là thiết bị nano dựa trên DNA, kế ñó là các thiết bị ñược thiết kế ñặc biệt lợi dụng các ñộng cơ phân tử, có bản chất là protein [68, 92]. “Nhiên liệu” của các thiết bị này có thể là ATP, enzyme, các kích thích bên ngoài hoặc thậm chí là tự cấp nguyên liệu dựa trên các thay ñổi môi trường in vivo (như pH) hoặc TLR thông qua các nguyên lý bổ sung. Hình 17. Một số thiết bị nano. (A) Thang máy nano, di ñộng từng bước từ trên xuống dưới thông qua quá trình khử proton của ba trung tâm –NH2+– [Theo 90]. (B) Chuyển ñộng tịnh tiến nhờ enzyme [Theo 87]. (C) Chuyển ñộng tịnh tiến nhờ phản ứng lai [Theo 89]. 3. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO 3.1 Phương pháp hóa học Tổng hợp hóa học giúp tạo ra lượng lớn vật liệu nano với giá thành hợp lý. Có thể bắt ñầu với dung dịch muối và cho thêm hóa chất (như hydroxide). Sau khi sản phẩm ở trạng thái siêu bão hòa, quá trình kết tủa xảy ra do sự nhân hóa ñồng hoặc dị hợp (homogeneous or heterogeneous nucleation). ðể tạo hạt với phân bố kích thước hẹp, toàn bộ quá trình kết tủa phải xảy ra cùng lúc và phải không có sự nhân hóa sau khi ñã tạo thành hạt. Tính chất hạt phần lớn ñược xác ñịnh bởi tốc ñộ phản ứng, tốc ñộ phản ứng lại bị ảnh hưởng bởi nồng ñộ của các chất tham gia phản ứng, nhiệt ñộ, pH và thứ tự chất phản ứng cho vào dung dịch. Vật liệu nano ña pha (multiphase nanomaterial) khó tạo ra hơn bằng phương pháp hóa học vì mỗi pha cần các ñiều kiện kết tủa khác nhau. Có thể giới hạn kích thước hạt bằng cách tạo ra rất nhiều vị trí hạt nhân hóa (nucleation site) sử dụng micelle ngược (reverse micelle), hoặc bằng cách bao phủ bề mặt (capping the surface) [94]. 3.1.1 Micelle ngưc Một số chất hoạt ñộng bề mặt là các nguyên tử dạng que với ñầu ưa nước và kỵ nước. Khi trộn dầu, nước và chất hoạt ñộng bề mặt với nhau theo tỷ lệ thích hợp, các phân tử hoạt ñộng bề mặt tự sắp xếp tạo thành vỏ cầu (spherical shells) với nước choán ñầy không gian trong vỏ. Kiểu sắp xếp hình học của chất hoạt ñộng bề mặt và nước như vậy gọi là micelle ngược (reverse micelle), xảy ra ñể tối thiểu hóa năng lượng.[94] Có thể ñiều khiển ñược kích thước của micelle ngược vì kích thước của nó phụ thuộc tuyến tính vào tỷ lệ của lượng nước trên lượng chất hoạt ñộng bề mặt. Có thể thực hiện hầu hết các phản ứng trong nước cũng như trong nước chứa bên trong micelle. Do ñó, có thể kết tủa các hạt nano bên trong micelle. Kích thước hạt nano bị giới hạn bởi kích thước của micelle ngược [94]. Hình 18. Sự tạo thành của các hạt keo kim loại có cấu trúc nano theo phương pháp khử muối (“salt reduction”) [Theo 38]. Có thể cho phân tử mũ (chất gắn cộng hóa trị với bề mặt của vật liệu) vào dung dịch ñể ngăn cản quá trình kết tụ của các hạt nano mới tạo thành (hình 18). Thiolate là các chất capping thường ñược sử dụng nhất. Capping cũng hạn chế kết tụ [94]. 3.1.2 Kh Các hạt nano ñược kết tủa thường là oxit hoặc hydroxid. Nếu cần hạt nano kim loại, có thể khử oxid hoặc hydroxid bằng hydro ở nhiệt ñộ cao. Cũng có thể khử bằng rượu ña chức (như ethylene glycol) ở nhiệt ñộ cao [94]. Quá trình khử hóa học muối kim loại (hình 18) khi có chất ổn ñịnh ñể tạo hạt keo kim loại hóa trị không (zerovalent) trong dung dịch lỏng hoặc dung môi hữu cơ ñược công bố lần ñầu tiên vào năm 1857 bởi Faraday, và cách tiếp cận này ñã trở thành một trong các phương pháp tổng hợp mạnh và phổ biến nhất trong lĩnh vực này. Phương pháp chuẩn ñầu tiên ñể tạo ra hạt keo kim loại (như hạt vàng 20nm bằng cách khử [AuCl4–] bằng sodium citrate) ñược thiết lập bởi Turkevich [38]. Hình 19. (a) Ổn ñịnh hóa tĩnh ñiện của các hạt keo kim loại cấu trúc nano (b) Ổn ñịnh hóa không gian của các hạt keo kim loại cấu túc nano [Theo 38]. 3.1.3 T ng hp ñi
n hóa Từ năm 1994, sự chế tạo rất linh hoạt các keo lưỡng và ñơn kim loại cấu trúc nano ñã ñược Reetz và nhóm nghiên cứu của ông phát triển. Quá trình tổng hợp ñiện hóa tổng quát gồm 6 bước nhỏ (hình 20). 1. Sự phân rã do ôxy hóa của ñiện cực anode kim loại 2. Các kim loại hóa trị n dịch chuyển ñến cathode 3. Tạo thành nguyên tử kim loại hóa trị 0 tại cathode 4. Tạo thành các hạt kim loại bởi quá trình hạt nhân hóa và phát triển (nucleation and growth) 5. ðình trệ quá trình phát triển và ổn ñịnh hóa các hạt bằng chất bảo vệ keo 6. Kết tủa các hạt keo kim loại cấu trúc nano