Nanobiotehnologii

Biotehnologii industriale, an III

Nanotehnologiile Nanotehnologiile (nanotech)• studiază mecanismele de control a materiei pe scală atomică şi moleculară• se ocupă de structuri cu dimensiuni de 1-100 nm, în cel puţin o dimensiune• dezvoltă materiale şi dispozitive de 1-100 nmAplicaţiiMedicinăElectronicăBiomaterialeProducere de energieProbleme• toxicitatea• impactul asupra mediului• efectele asupra economiei globale• speculaţii cu privire la diverse scenarii apocaliptice

Nanotehnologiile

Nanotehnologiile Origini1959, Richard Feynman, “There‘s Plenty of Room at the

Bottom”A descris un proces prin care ar putea fi manipulaţi atomi

individuali şi ar putea fi dezvoltate noi molecule, utilizând instrumente precise cu care s-ar putea construi alte instrumente mai mici1974, Norio Taniguchi: “Nano-technology' mainly consists of

the processing of, separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or by one molecule.“1980, Eric Drexler, “Engine of Creation: The Coming Era of

Nanotechnology” – prima carte de nanotehnologii

Nanotehnologiile Origini La începutul anilor 1980:1. Inventarea scanning tunneling microscope (STM)

descoperirea fullerenelor şi a nanotuburilor de carbon2. Sinteza nanocristalelor sinteza a numeroase

nanoparticule metalice

Fullerene C60 Nanotub de carbon

Funcţionarea STMCând un vârf conductor este adus foarte aproape de suprafaţa care trebuie examinată, o diferenţă de voltaj aplicată între vârf şi suprafaţă, permite trecerea electronilor prin “tunelul” de vid creat între cele două structuri. Informaţiile sunt achiziţionate prin monitorizarea curentului în timpul în care vârful scanează suprafaţa şi sunt afişate pe un ecran. Tehnica necesită suprafeţe extrem de stabile şi curate, vârfuri ascuţite, un control excelent al vibraţiilor şi aparatură electronică sofisticată.

Nanotehnologiile

Nanotehnologiile De la mare la mic: perspectiva materială Fenomenele fizice devin mai pronunţate odată cu scăderea

dimensiunilor diverselor sisteme Proprietăţile fizice (mecanice, electrice, optice etc.) se modifică comparativ cu cele ale sistemelor macroscopiceEx. Creşterea raportului suprafaţă/volum modifică proprietăţile catalitice şi termice ale materialelor Nanomaterialele au proprietăţi diferite de ale macromaterialelor

aplicaţii uniceEx. Substanţele opace devin transparente (cuprul); materialele stabile devin inflamabile (aluminiul); materialele insolubile devin solubile (aurul). Aurul este inert chimic, dar la scală nano devine un catalizator puternic

Nanotehnologiile De la simplu la complex: perspectiva molecularăScopul nanotehnologiilor – asamblarea moleculelor în

ansambluri supramoleculare, utilizând conceptele autoasamblării supramoleculare şi/sau chimiei supramoleculare (medicamente, polimeri)

Recunoaşterea moleculară: moleculele pot fi astfel proiectate, incât este favorizat un anumit aranjament/o anumită configuraţie, datorită forţelor intermoleculare necovalenteEx. Regulile Watson-Crick de împerechere a bazelor azotate

Specificitatea unei enzime pentru un anumit substratProvocarea pentru nanotehnologii – utilizarea acestui principiu

pentru generarea de noi ansambluri, asemănătoare, dar diferite de cele naturale

Nanotehnologii moleculare Combină principiile fizice, alte nanotehnologii şi maşinăria moleculară biologică cu

principiile inginerieiAplicaţiiMateriale deştepte (smart materials) şi nanosenzoriMateriale deştepte – orice tip de material proiectat şi prelucrat la scală nanometrică,

care îndeplineşte o sarcină specificăEx. Materiale proiectate să răspundă diferit la anumite molecule (crearea de

medicamente care ar putea recunoaşte şi transporta viruşi specifici inerţi). Structuri auto-vindecătoare – care ar putea vindeca mici rupturi ale suprafeţelor, asemănător vindecării rănilor pielii

Nanosenzor – un mic component al unui aparat mare, care reacţionează cu mediul său înconjurător şi il modifică

Ex. Un fotosenzor ar putea măsura pasiv incidenţa luminii şi ar putea descărca energia absorbită sub formă de electricitate, când lumina depăşeşte un anumit prag minim sau maxim, trimiţând un semnal unui aparat mai mare

Nanoroboţi medicali• eliminarea rapidă a bolii şi durerii care însoţeşte vindecarea traumelor fizice• corectarea bolilor genetice• Îmbunătățirea capacităţilor umane

Nanotehnologii moleculare – posibilul impact socialEconomie• reducerea deficitului de bunuri (producerea lor în număr mai

mare)• creşterea necesarului de bani• nanotehnologiile rămân totuşi limitate, deoarece anumite resurse sunt limitate (energie, materie, informație etc.)

Sistemul juridicNanotehnologiile moleculare ar putea creşte posibilitatea

“reparării” celulelor care au fost păstrate prin îngheţare, precum şi abolirea bolilor care nu pot fi vindecate la momentul actual crearea unor condiţii prin care indivizii ar putea fi răspunzători pentru faptele lor după moarte

Nanotehnologii moleculare – posibile riscuri Fabricarea de arme destructive mai ieftine Fabricarea de arme de distrugere în masă, capabile de

autoreplicare (virusuri sau celule canceroase) Fabricarea de nanoroboţi capabili de autoreplicare din

materiale naturale, ar putea distruge întreaga planetă în foamea lor de materii prime (ecofagie)

În vederea evitării unor potenţiale pericole, a fost schiţat un set de reguli (Foresight Institute) pentru dezvoltarea etică a nanotehnologiilorEx. Interzicerea creşterii pseudoorganismelor capabile de autoreplicare pe suprafaţa pământului

Nanomateriale• materiale care au proprietăţi speciale, datorate dimensiunilor

lor şi raportului suprafaţă/volum mare (substanţele opace devin transparente, materialele inerte capătă proprietăţi catalitice, materialele stabile devin inflamabile, solidele devin lichide, izolatorii devin conductori)• materiale mai mici de 100 nm • materiale ceramice de puritate mare, polimeri, compozit

Nanoparticulele – formă neregulată, morfologie neuniformă, datorită:- condensării neregulate a pulberilor- forţelor van der Waals- fluctuaţiilor în densitatea de împachetare

Dispersarea şi deaglomerarea – cu dispersanţi (citratul de amoniu, imidazolin, alcool oleyl)

NanomaterialeClasificare fullerene

nanoparticule anorganiceFullerene - forme alotropice ale carbonului – foi de grafen (varianta

bidimensională a grafitului) rulate în tuburi sau sfereEx. Nanotuburi de carbon (nanotuburi de silicon)

Producere – trecerea unui curent între doi electrozi de grafit apropiaţi, în atmosferă inertă. Arcul de plasmă de carbon dintre cei doi electrozi se răceşte şi formează un reziduu negru din care pot fi izolate fullerenele

Aplicaţii în medicină:• leagă antibiotice specifice de bacterii rezistente la antibiotice• ţintesc anumite celule canceroase (melanoma)• agenţi antimicrobieni activaţi de lumină

NanomaterialeNanoparticule anorganice (nanocristale)Particula – obiect mic care se comportă ca un întreg în ceea ce priveşte proprietăţile şi capacitatea de transport:

particule fine – 100-2500 nmparticule ultrafine – 1-100 nm

OriginiSec. IX, Mesopotamia – artizanii generau strălucirea suprafeţelor vaselorEvul mediu şi Renaştere – ceramica era colorată şi i se imprima luciul cu

nanoparticule. Săruri şi oxizi de cupru şi argint se amestecau cu oţet, limonit şi lut şi se aplicau pe vasele de ceramică. Obiectele se introduceau în cuptor şi se încalzeau la 600°C în atmosferă reducătoare. La căldură, smalţul se înmoaie, iar ionii de cupru şi argint migrează spre stratul superficial al smalţului. Atmosfera reducătoare reduce ionii care se asociază şi formează nanoparticule

Metoda îşi are originea în lumea musulmană, unde nu era permisă utilizarea aurului în reprezentările artistice

Nanomateriale

Imagini TEM ale unor nanoparticule cu diametrul de (a) 20 nm; (b) 45 nm şi (c) 80 nm. (d) imagine SEM a (b)

NanomaterialeNanoparticule anorganice (nanocristale)Proprietăţi• Proprietăţile materialelor se modifică, odată cu scăderea

dimensiunilor particulelor care îl compun• Proprietăţile nanoparticulelor se datorează suprafeţei lor mari Ex. Nanoparticulele de aur apar roşu aprins în soluții negre

Nanoparticulele de aur au punctul de topire mult mai scăzut (~300°C pentru particulele de 2,5 nm) decât particulele micrometrice (1064 °C)Absorbţia radiaţiilor solare este mai mare în materialele formate din nanoparticule (celule fotovoltaice) decât în cele formate din foi continui de material

NanomaterialeNanoparticule anorganice (nanocristale)Proprietăţi• Raportul mare suprafaţă/volum le conferă o extraordinară forţă

motrice pentru difuzie, în special la temperaturi ridicate• Extraproprietăţi ale produselor folosite zi de zi Ex. Prezenţa nanoparticulelor de dioxid de titan asigură aşa-

numita proprietate de auto-curăţare (Lotus effect)Particulele de oxid de zinc blochează foarte eficient radiaţiile UV • Nanoparticulele de lut conferă forţă sporită polimerilor,

realizându-se materiale plastice foarte puternice• Pot fi ataşate fibrelor textile, pentru producerea hainelor “deştepte” şi a celor funcţionale

NanomaterialeNanoparticule anorganice (nanocristale)Posibile pericole – medicale şi asupra mediului• Datorită raportului suprafaţă/volum mare, particulele devin

foarte reactive • Pot traversa membranele celulare, iar interacţiunile lor cu sistemele biologice sunt relativ necunoscute • Pot determina cancer testicular la om• Nu se cunosc incă efectele pe termen lung ale nanoparticulelorconţinute în produsele cosmetice şi loţiunile solare• Nanoparticulele emise de motoarele diesel afectează sistemul cardiovascular la şoareci

NanomaterialeAvantajele nanomaterialelor • Asigură administrarea eficientă a medicamentului (drug

delivery)• Terapia cancerului • Detectarea timpurie a bolilor

Dezavantajele nanomaterialelor• Rată crescută a absobţiei prin piele, tract digestiv şi plămâni• Nanotuburile de carbon, oxidul de zinc, dioxidul de titan şi oxidul de cupru deteriorează ADN

NanomedicinaProbleme curente - toxicitatea şi impactul asupra mediului al

nanomaterialelorAdministrarea medicamentului• Creşterea biodisponibilităţii (în timp şi spaţiu) medicamentelor

(prezenţa medicamentelor acolo unde este necesar în organism şi unde au cel mai bun efect)• S-ar putea realiza cu nanoinstrumente (precizie mare)• Imagistica in vivo – nanoagenţii de contrast îmbunătăţesc contrastul în ecografie şi rezonanţă magnetică• Posibil, în viitor – tratarea cancerului• Îmbunătăţirea proprietăţilor terapeutice şi farmacologice ale medicamentelor• Creşterea eficienţei administrării medicamentului• Optimizarea clearance-ului medicamentelor

NanomedicinaAdministrarea peptidelor şi proteinelor• Administrarea ţintită cu ajutorul nanoparticulelorTerapia cancerului• Prin creşterea contrastului în imagistică, se obțin imagini excepţionale ale

tumorilor (nanoparticulele sunt mult mai strălucitoare decât coloranţii organici)• Datorită dimensiunilor mici, se ataşează preferenţial şi cu uşurinţă la celulele tumorale ar putea înlocui chemo- şi radioterapia clasică• Detectarea şi diagnosticul timpuriu al cancerului, dintr-o singură picătură din sângele pacientului• Terapia fotodinamică – nanoparticulele introduse în organism, când sunt iluminate, absorb energie pe care o eliberează şi încălzesc ţesuturile înconjurătoare• Lumina poate fi folosită şi pentru producerea de molecule de oxigen cu energie înaltă, care pot distruge cele mai multe din moleculele organice din vecinătate

NanomedicinaInterfeţe nano-electronice• Ţel vizionar care urmăreşte construcţia unor nanoinstrumente care

vor permite computerelor să fie ataşate SN (detecţia şi controlul impulsurilor nervoase)

Vizualizare• Determinarea modului în care sunt distribuite medicamentele sau cum sunt metabolizate substanţele chimice

Distribuţia nanoparticulelor• Aproape necunoscută• Ţintesc anumite organe, în funcţie de mărime şi încărcătura electrică• Nanoparticulele pozitive intră în rinichi, iar cele negative în ficat şi splină. În timp, se acumulează în ţesuturile periferice pentru a putea fi folosite în medicină, trebuie înţeleasă potenţiala nanotoxicitate

NanosenzoriOrice senzor biologic sau chimic care poate transmite informaţii despre

nanoparticule lumii macroscopiceAplicaţii posibile• Identificarea cu acurateţe a celulelor şi localizarea lor în organism (de

ex., populațiile de celule stem)• Ar putea face distincţia între anumite tipuri celulare, în special a celor canceroase, prin măsurarea schimbărilor de volum, concentraţie, temperatură, presiune, deplasarea şi viteza deplasării celulelor, a forţelor electrice, magnetice şi a celei gravitaţionale• Actualmente se foloseşte selenitul de cadmiu, dar este extrem de toxic• Dezvoltarea de senzori care pot detecta ADN specific, pentru recunoaşterea defectelor genetice, sau a nivelului de insulină, la pacienţii diabetici

NanosenzoriNanosenzori naturali• olfactivi• la plante, nanosenzori care detectează lumina• la peşti, nanosenzori care detectează vibraţiile apei Nanosenzori sintetici• Ataşarea unei particule la capătul unui nanotub de carbon

şi măsurarea frecvenţei vibraţiilor tubului în prezenţa şiabsenţa particulei. Diferenţa între cele două frecvenţepermite măsurarea masei particulei ataşate• Senzori chimici, pentru detectarea diverselor proprietăţi ale moleculelor gazoase

Nanosondă cu fascicullaser (albastru) care penetrează o celulă

NanobiotehnologiiNanobiotehnologia – ramură a nanotehnologiei cu aplicaţii biologice şi

biochimice, care studiază elementele existente în naură cu scopul de a produce noi dispozitive

Nanobiotehnologia = Bionanotehnologia Aplicaţii• Detectarea anumitor metaboliţi – utilizarea de nanosfere căptuşite cu

polimeri fluorescenţi• Diagnosticul şi tratamentul unor boli, inclusiv a cancerului –complexele între nanoparticule şi o entitate biologică (de ex. anticorpi) pot furniza informaţii despre proprietăţile chimice şi structurale ale entităţii biologice