S P A I S 2006
Quali conoscenze di base per comprendere l’innovazione?
Nanostrutture ispirate al mondo biologico
Mariano Venanzi
Bio-NAST Laboratory
Università di Roma Tor Vergata
[email protected]
Mimicking the capability of biological systems to convert and
transduce energy, synthesise specialist organic chemistry,
create biomass, store information, recognise sense, signal,
move, self-assemble and reproduce represents a significant
challenge for the future.
Christopher R. Lowe
In ‘Nanobiotechnology: the fabrication and application of
chemical and biological nanostructures’
Concetti, meccanismi, funzioni e strutture biologiche
guidano la progettazione di nuovi materiali e dispositivi.
CHIMICA
Scienza
dei materiali
Biologia
Chimica supramolecolare
Biotecnologie
Sensoristica
Micro- e nanotecnologie
Catalisi
Bioelettronica
Nanomedicina
top-down
Fotolitografia
Microstampaggio
nanoclusters
0.1nm
1nm
bottom-up
Sintesi organica
Self-assembly
10nm
biomolecole
100nm
1m
10 m
 dimensioni appropriate
 self-assembly programmabile
 funzionalizzazione specifica
0D
1D
2D
3D
Hyperbranched
Molecules
Le interazioni…..
…e l’organizzazione strutturale
Nanofibre peptidiche
Layer-by-layer assembly
Poligoni chirali
Collasso idrofobico
Assembly nanotubi-polimeri
‘muscolo artificiale’
Assembly DNA-proteine
Nanotubi peptidici
Il campo da gioco delle
interazioni deboli
Proteina - RNA
DNA cromosomiale
Integrazione di biomolecole e materiale inorganico
‘controllo delle interazioni e manipolazione’
• superfici biocompatibili
- nanomedicina
• biosensoristica
- riconoscimento molecolare
binding specifico e selettivo
• bioelettronica
- integrazione di biomolecole su microchips
- nanopatterning: deposizione ordinata di
biomolecole
Proteina incapsulata in matrice
inorganica (SiO2) sol-gel
Nanotubi di carbonio rivestiti di DNA
Np
linker
biomolecola
HS-Cys
Proteine
H2N-Lys
DNA, acidi nucleici
STV/Biotina
Immunoglobuline
HS-(CH2)n-
Peptidi
Au, Ag
CdS
CdSe
SnO2, TiO2
HOOC-GluGaAs, InP
Lo strato biomolecolare
prevenendone l’aggregazione
stabilizza
le
nanoparticelle
Nanoparticelle di oro (60 nm) funzionalizzate per
rivelazione di zuccheri e imaging molecolare per
fluorescenza
Strategie basate sulla specificità del riconoscimento di biomolecole
A
Ex. STV/biotina
K=1014 dm3mol-1
B
Ex. Ig/apteni
C
Ex. peptide/GaAs
specificità delle interazioni tra coppie di basi complementari
sintesi automatizzata di strand di DNA
replicazione fino a quantità macroscopiche (PCR)
linker
T-reversibile
3D-network
Le Np di Cu2O sono rivestite di una shell proteica, che ne
assicura la stabilità (Kd=1.2x10–8 M).
La proteina ha una elevata capacità di legarsi a molecole di
DNA (DNA binding protein), creando in questo modo una
struttura circolare di Np inglobate nel DNA ciclico.
Single molecule detection
Cellule tumorali del
cervello prima
(sinistra e dopo
(destra) l’inserzione
di nanoparticelle
magnetiche (Jordan,
Hospital Charite,
Berlin)
Np penetrano
selettivamente la
membrana cellulare di
cellule cancerogene
(SAM = Self-Assembled Monolayers)
Arrays di proteine
DNA in SAM di tioalcani
DNA-proteina
DNA array
c
d
b
a
a
b
a’
d
c
b’
c’
d’
Ion
channel
proteins
Sequencing DNA by squeezing it into a 2.5 nm pore
DNA-Au su superfici nanoporose
Riconoscimento e separazione di
strand di acidi nucleici
Un esempio di self-assembly controllato!
Templati organici:
stampi macromolecolari, membrane lipidiche, pareti cellulari
Biocompatibilità
Integrazione
Proteine e peptidi controllano la nucleazione e la crescita di
biominerali, determinandone morfologia e chiralità.
Compositi di polisaccaridi e
polipeptidi costituiscono la
matrice su cui si innesta la
crescita dell’acido silicico
Diatomea
Radiolaria
Ferritina:
una
proteina
composta di 24 sub-unità
assemblate in maniera da
formare una cavità centrale di
6 nm di diametro dove
ospitare
la
crescita
di
nanoparticelle
Proprietà fotoconduttive di monostrati peptidici
autoassemblati su oro
S
Au S
Aib-Aib-Aib-Aib-Trp-Aib-OtBu
O
S
Au
100nmx100nm
Au
DOMANDA:
CHE DIFFERENZA C’E’ TRA UN ATOMO E UNA MOLECOLA?
RISPOSTA (TRE PAROLE):
il legame chimico