Εφαρμογές της αυτο-οργανωσης και συγκρότησης υπερμοριaκών βιολογικών δομών (self-assembly) στην επιστήμη των υλικών (ΒΙΟΜΙΜΗΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ)

HTML
DOWNLOAD

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Εφαρμογές της αυτο-οργανωσης και συγκρότησης υπερμοριaκών βιολογικών δομών (self-assembly) στην επιστήμη των υλικών (ΒΙΟΜΙΜΗΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ)"

Δορκάς Λαγός
9 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Εφαρμογές της αυτο-οργανωσης και συγκρότησης υπερμοριaκών βιολογικών δομών (self-assembly) στην επιστήμη των υλικών (ΒΙΟΜΙΜΗΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ)

2 (self-assembly) Χρησιμοποίηση της ιδέας του lego

3 XAPAΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ - Διαδικασιες κατασκευης φιλικες προς το περιβαλλον - Ιεραρχημενη αρχιτεκτονικη δομων - Αυτο- οργανωση (self-assembly) - Οργανωση ανοργανων φασεων (κρυσταλλοι) από τις οργανικες (πρωτεινες) Κατασκευή υλικών bottom-up Σε αντίθεση με top-down

(self-assembly) - Οργανωση ανοργανων φασεων (κρυσταλλοι) από τις

4 Κατασκευή υλικών bottom-up (αυθόρμητη αναγνώριση και αυτό-οργάνωση, τακτική που χρησιμοποιεί η φύση) Σε αντίθεση με top-down (τεχνολογίες κατασκευής που χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο)

5 Παράδειγμα κατασκευής bottom-up στην Βιολογία: η δομή μιας τρίχας μαλλιών Βασική δομική μονάδα: Άλφα-έλικες της κερατίνης Πλούσιες σε αμινοξέα κυστεϊνης, συνδεδεμένα με δισουλφιδικούς δεσμούς (-S-S-)

Άλφα-έλικες της κερατίνης Πλούσιες σε αμινοξέα

6 Παραδείγματα Οργάνωσης ανόργανων φάσεων (κρυσταλλοι) από τις οργανικές (πρωτεΐνες): Nacre (μάργαρο, σεντεφι) 95% Ανοργανη φαση=ανθρακικο ασβεστιο (αραγωνιτης, CaCO3) 5% οργανική φάση (πρωτεϊνες) 3000 φορες πιο ανθεκτικο στην θραυση από Τον καθαρο αραγωνιτη

φαση=ανθρακικο ασβεστιο (αραγωνιτης, CaCO3) 5% οργανική φάση

7 Παραδείγματα Οργάνωσης ανόργανων φάσεων (κρύσταλλοι) από τις οργανικές (πρωτεΐνες): ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΙΝΕΣ ΠΥΡΙΤΙΟΥ Αγκάθια του σφουγγαριού Euplectella aspergillum

8 Μικροδομή των αγκαθιών: μια κεντρική ίνα πρωτεϊνης (Organic Filament) Περιτυλιγμένη από έναν κεντρικό πυρήνα (Central Core) και παραπέρα Διαδοχικές ομόκεντρες στρώσεις (striated shell region) από πυρίτιο

πυρήνα (Central Core) και παραπέρα Διαδοχικές

9 Οι ικανότητες της 1) αυτοοργάνωσης και 2) διευθέτησης της ανόργανης ύλης Που χαρακτηρίζουν τις βιολογικές δομές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την διευθέτηση, συγκρότηση και κατασκευή καινοτόμων υλικών?

10 Μια πάστα από PbO και Ca (OH) 2, ph 12.5 τοποθετείται στα μαλλιά Διαμήκεις και εγκάρσιες τομές: A,D: 0 h B,E:6h C,F:72h Ποιος είναι ο μηχανισμός με τον οποίο Η τρίχα βάφεται μαύρη?

11 Το εξαιρετικά αλκαλικό περιβάλλον διασπά τους δεσμούς -S-S-, απελευθερώνοντας θείο νανοκρύσταλλοι PbS διαμέτρου 5 nm σχηματίζονται, απέχοντας μεταξύ τους 10 nm Η ανάπτυξη και τοποθέτηση των νανοκρυσταλλων καθορίζεται από την υπερμοριακη οργάνωση των κερατινων.

σχηματίζονται, απέχοντας μεταξύ τους 10 nm Η ανάπτυξη και

12 Χρησιμοποίηση της αυτό-οργάνωσης βιολογικών δομών για την διευθέτηση, συγκρότηση και κατασκευή καινοτόμων υλικών: Μπορούν να χρησιμοποιηθούν Και φυσιολογικές, και μη φυσιολογικές Υπερμοριακές δομές (πχ αμυλοειδή ινίδια)

υλικών: Μπορούν να χρησιμοποιηθούν Και φυσιολογικές,

13 Παραδείγματα χρησιμοποίησης βιολογικών δομών για την διευθέτηση, συγκρότηση και κατασκευή καινοτόμων υλικών: 1) Χρησιμοποίηση της αυτοοργανωσης των βιολογικών μορίων (DNA, πεπτιδίων, πρωτεϊνών.) για την κατασκευή καινοτόμων υλικών: νανοκαλωδιων, νανοσωληνων... 2) Ινώδεις ιοί, πρωτεϊνικοί κλωβοί και ιικα καψιδια σαν ικριώματα για την κατασκευή νανοκαλωδιων, υγρών κρύσταλλων, κλωβών,, etc

πρωτεϊνών.) για την κατασκευή καινοτόμων υλικών: νανοκαλωδιων, νανοσωληνων.

14 Χρησιμοποίηση της αυτο-οργάνωσης για την κατασκευή υλικών ιδιότητες των πεπτιδικών νανοδομών: -βιολογική συμβατότητα -αξιοσημείωτη θερμική και χημική σταθερότητα -δυνατότητα εύκολης σύνθεσης και τροποποίησης Αρα κατάλληλα για εφαρμογές νανοτεχνολογίας, Και ειδικά για εφαρμογές στα σύνθετα (βιολογικά-ανόργανα) υλικά

σταθερότητα -δυνατότητα εύκολης σύνθεσης και τροποποίησης Αρα κατάλληλα για

15 Χρησιμοποίηση της αυτο-οργάνωσης για την κατασκευή υλικών Αγώγιμα νανο - σύρματα σχηματισμένα από αμυλοειδη ινίδια και ελεγχόμενη εναπόθεση μετάλλων Scheibel et al., PNAS 2003, 100,

16 Αλληλουχία του πεπτιδίου Alzheimer (42 αμινοξέα) H2N-DAEFRHDSGYEVHHQKLVFFAEDVGSNKGAIIGLMVGGVVIAL-COOH Αυτό-οργανώνεται σε αμυλοεϊδή ινίδια

17 Μικρότερες αλληλουχίες του πεπτιδίου Alzheimer (42 αμινοξέα) Μπορούν και σχηματίζουν επίσης αμυλοεϊδή ινίδια (πχ KLVFFAE) Το διπεπτίδιο της φαινυλαλανίνης (FF) σχηματίζει νανοσωλήνες

18 Νανοσωληνες (nanotubes) σχηματισμένοι Από το διπεπτίδιο FF του πεπτιδίου Alzheimer Reches and Gazit,, Science 2003, 300:

19 Οι νανοσωλήνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν Σαν εκμαγείο (template) για την κατασκευή υλικών π.χ. Μεταλλικά καλώδια (nanowires) Τα μεταλλικά καλώδια (nanowires) έχουν διάμετρο 20 nm

20 Τα αυτο-οργανωμένα υλικά σχηματίζουν πηκτές (gels), λεπτά υμένια (thin films), κλπ Και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εφαρμογές στην μηχανική των ιστών

21 Σχηματισμός υμενίων από το πεπτίδιο (Ala-Glu-Ala-Glu-Ala-Lys-Ala-Lys)2, (EAK16)

22 Μηχανισμός αυτοοργανωσης:

23 Μηχανισμός αυτοοργανωσης:

24 Τα αυτο-οργανωμένα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ικριώματα (scaffolds) για εφαρμογές στην μηχανική των ιστών SAPNS: Self-Assembling Peptide Nanoscaffold (PuraMatrix)

25 Αναγέννηση οπτικού νεύρου μετά από αποκοπή και τοπική εφαρμογή πηκτής αυτό-οργανωμένων πεπτιδίων Nano-Neuro Neuro knitting: Peptide nanofiber scaffold for brain repair And axon regeneration With functional return of vision Ellis-Behnke et al,, PNAS, 2006, 103:

27 Αναγέννηση οπτικού νεύρου μετά από αποκοπή και τοπική εφαρμογή πηκτής αυτό-οργανωμένων πεπτιδίων

28 Αναγέννηση οπτικού νεύρου μετά από αποκοπή και τοπική εφαρμογή πηκτής αυτό-οργανωμένων πεπτιδίων

29 Επιστροφή όρασης μετά από αποκοπή οπτικού νεύρου και τοπική εφαρμογή πηκτής αυτό-οργανωμένων πεπτιδίων

30 Εφαρμογές στην τεχνολογία βιοαισθητηρων με χρήση ηλεκτροδίων επικαλυμμένων με νανοσωληνες Yemini et al., Analytical Chemistry, 2005

31 Συγκεντρωτική εικόνα: Χρησιμοποίηση της αυτο-οργάνωσης πεπτιδίων για την κατασκευή νανο - βιουλικων Zhang, Nature Biotechnology 2003, 21:

32 Παραδείγματα χρησιμοποίησης βιολογικών δομών για την διευθέτηση, συγκρότηση και κατασκευή καινοτόμων υλικών: 1) Χρησιμοποίηση της αυτοοργανωσης των βιολογικών μορίων (DNA, πεπτιδίων, πρωτεϊνών.) για την κατασκευή καινοτόμων υλικών: νανοκαλωδιων, νανοσωληνων... 2) Ινώδεις ιοί, πρωτεϊνικοί κλωβοί και ιικα καψιδια σαν ικριώματα για την κατασκευή νανοκαλωδιων, υγρών κρύσταλλων, κλωβών,, etc

33 Οι ινώδεις ιοί σαν εκμαγεία για την αυτοοργανωση βιο - νανουλικων Πχ ιος της μωσαικης του καπνου

34 Αυτοσυγκρότηση υπερμοριακων δομών: Ινώδεις ιοί Ιός της μωσαϊκής του καπνού Πρωτεϊνικό κάλυμμα: αποτελείται από 2130 πανομοιότυπες πρωτεϊνικές υπομοναδες 158 αα η κάθε μια (μπλε) Γύρω από ένα μονόκλωνο μόριο RNA πού περιέχει 630 νουκλεοτίδια (κόκκινο) Μήκος=300, εξωτερική διάμετρος 18, εσωτερική 4 nm

35 Αυτοσυγκρότηση υπερμοριακων δομών: Ινώδεις ιοί Ιός της μωσαϊκής του καπνού

36 Οι ινώδεις ιοί σαν εκμαγεία για την αυτοοργανωση βιο - νανουλικων Πχ ιός της μωσαϊκής του καπνού Νανοσωματιδια χρυσού σχηματισμένα πάνω στην επιφάνεια του ιού της μωσαϊκής του καπνού Dujardin et al., Nanoletters,, 2003 Scale bar=50 nm

37 Οι ινώδεις ιοί σαν εκμαγεία για την αυτοοργανωση βιο - νανουλικων Ελάσσων (μολυσματική) πρωτεΐνη (giiip) 5 υπομοναδες Φαγος M13: μήκος 900 nm, διάμετρος 7nm 2700 υπομοναδες τηςκύριαςπρωτεΐνης (καλύμματος) του καψιδιου DNA Κύρια πρωτεΐνη (gviiip) Ελάσσων πρωτεΐνη Δυνατότητα ενσωμάτωσης εξωγενών πεπτιδίων (συνδυασμοί ~ 10 9 τυχαίων πεπτιδίων ) στις ελάσσονες πρωτεΐνες (βιβλιοθήκες παρουσίασης φαγων)

38 Παρένθεση: βιβλιοθήκες παρουσίασης φάγων Οι πρωτεϊνες / πεπτίδια συνήθως συντήκονται με την μολυσματική πρωτεϊνη Κατά την διάρκεια της συναρμολόγησης του ιού στα βακτήρια, Οι χιμαιρικές πρωτεϊνες ενσωματώνονται στον ιό Και εκτίθενται στη επιφάνεια του φάγου

39 Παρένθεση: βιβλιοθήκες παρουσίασης φάγων Επιλογή πεπτιδίων μέσω πρόσδεσης σε ακινητοποιημένο σε στερεή επιφάνεια υπόστρωμα

40 Επιλογή αλληλουχιών πεπτιδίων που προσδένονται σε ανόργανα υλικά με χρησιμοποίηση βιβλιοθηκών φαγων Whaley et al. Nature 2000, 405: Flynn et al. Acta Materialia 2003, 51: Prof. Angela Belcher s website:

41 Δεύτερο βήμα: χρησιμοποίηση των ιδιοτήτων σχηματισμού Φάσεων υγρών κρυστάλλων απο τα ιικα σωματίδια για την Κατασκευή νανοδομημενων υλικών Lee et al. Science 2002, 296:

42 Γενική προσέγγιση: οι αλληλουχίες που επιλεχθήκαν εισάγονται Στην κύρια πρωτεΐνη του καψιδίου δημιουργία εκμαγείου Για τον σχηματισμό ημιαγωγιμων νανοκαλωδιων Mao et al., Science 2004, 303:

43 Μελλοντικές προοπτικές : δυνατότητα χρησιμοποίησης μιας και μόνον ιικης δομής για την δημιουργία πολύπλοκων υλικών με ελεγχόμενες διαστάσεις (Flynn et al. Acta Materialia : ) 5880)

44 Παραδείγματα χρησιμοποίησης βιολογικών δομών για την διευθέτηση, συγκρότηση και κατασκευή καινοτόμων υλικών: 1) Χρησιμοποίηση της αυτοοργανωσης των βιολογικών μορίων (DNA, πεπτιδίων, πρωτεϊνών.) για την κατασκευή καινοτόμων υλικών: νανοκαλωδιων, νανοσωληνων... 2) Ινώδεις ιοί, πρωτεϊνικοί κλωβοί και ιικα καψιδια σαν ικριώματα για την κατασκευή νανοκαλωδιων, υγρών κρύσταλλων, κλωβών,, etc

45 Πρωτεϊνικοί «κλωβοί» Βιομιμητική σύνθεση μεταλλικών οξειδίων Το παράδειγμα της φερριτινης Source: Prof. Douglas web site: html

46 Αυτοσυγκροτηση υπερμοριακων δομων: Εικοσαεδρικοι ιοι και φαγοι Τα εικοσαεδρικα καψιδια αποτελούνται από εκατοντάδες όμοιες υπομοναδες πρωτεΐνης

47 -αντιστρεπτές δομικές αλλαγές επιτρέπουν ελεγχόμενη πρόσβαση στο εσωτερικό του καψιδιου -το εσωτερικό περιβάλλον μπορεί να μεταβληθεί με μεταλλαξογενεση -πιθανές εφαρμογές σε εγκαψιδιωση και στόχευση γονιδίων και φαρμάκων, σκιαγραφία, μεταλλωση Prof. Douglas web site:

48 Γενικό σχήμα που δείχνει τις δυνατότητες χρησιμοποίησης ιικων σωματιδίων για την κατασκευή νανοδομημενων υλικών (Flynn et al. Acta Materialia : )

49 ΑΡΘΡΑ ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ -Dickerson et al., (2008) Protein and peptide-directed directed syntheses of inorganic nanomaterials Chemical Reviews 108 : Flynn et al. (2003) Viruses as vehicles for growth, organization and assembly of materials Acta Materialia 51: Gazit,, E. (2007). Self-assembled peptide nanostructures: the design of molecular building blocks and their technological utilization, Chemical Society Reviews, 36, pp Gazit,, E. (2007). Use of biomolecular templates for the fabrication of metal nanowires, Febs Journal, 274, pp Gelain,, F., Horii, A., and Zhang, S. G. (2007). Designer self-assembling peptide scaffolds for 3-D 3 D tissue cell cultures and regenerative medicine, Macromolecular Bioscience, 7, pp Gilead, S., and Gazit,, E. (2005). Self-organization of short peptide fragments: From amyloid fibrils to nanoscale supramolecular assemblies, Supramolecular Chemistry, 17, pp Hauser, C. A. E., and Zhang, S. G. (2010) Designer self-assembling peptide nanofiber biological materials, Chemical Society Reviews, 39, pp

50 ΒΙΒΛΙΟ There is plenty of room for Biology at the bottom.

Σχετικά έγγραφα

ΣΥΝΘΕΤΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (BIOMINERALS, BIOLOGICAL CERAMICS) -NACRE (μαργαρο, σεντεφι) -ΦΕΡΡΙΤΙΝΗ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΟΣΩΜΑΤΑ

ΣΥΝΘΕΤΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (BIOMINERALS, BIOLOGICAL CERAMICS) -NACRE (μαργαρο, σεντεφι) -OΣΤΑ -ΔΟΝΤΙΑ -ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΙΝΕΣ ΠΥΡΙΤΙΟΥ -ΦΕΡΡΙΤΙΝΗ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΟΣΩΜΑΤΑ Nacre (μαργαρο, σεντεφι) 95% Ανοργανη φαση=ανθρακικο