CÔNG NGHỆ SINH HỌC NANO
Module by: Nguyen Van Ru
Summary:
CNNN phát triển tất yếu dẫn tới nhu cầu tìm kiếm các mối liên kết giữa những vật
có kích thước nano. Điều đó 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 đạt được 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 đổi các chi tiết sinh học ở mức độ nguyên tử [5].
CÔNG NGHỆ SINH HỌC NANO
1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Lịch sử phát triển
1.1.1 Công nghệ sinh học
Công nghệ sinh học (CNSH) thực sự trở thành một ngành công nghiệp vào cuối
những năm 1970 nhưng nó đã được đề cập và tiên đoán tiềm năng phát triển từ 60
năm trước đó [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 đã và đang có những bước tiến thần kỳ, với ngày càng nhiều ứng
dụng mới.
CNSH hiện đại 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 nghệ nano
Nano theo tiếng Latinh (νανοσ) nghĩa là nhỏ xíu. Vào thế kỷ thứ VII trước Công
nguyên, Mimnermus, thi gia HyLạp, đã sáng tác bài thơ có tên “nữ hoàng Ναννο”.
Đến 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 đĩa lớn.Tiền
tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908, khi Lohmann
có kích thước nano. Điều đó 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 đạt được 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 đổi các chi tiết sinh học ở mức độ nguyên tử [5]. Hiện có nhiều
cách định 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 đoán, 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 để phát triển các sản
phẩm mới cỡ nano.
Ở đây, cần phân biệt giữa ‘Nano2Bio’ (sử dụng CNNN để phân tích và tạo ra các
hệ thống sinh học), và ‘Bio2Nano’ (sử dụng vât liệu và cấu trúc sinh học để tạo các
hệ thống kỹ thuật) [10]. Hình 3 thể hiện khái quát các định nghĩa CNSH nano nêu
trên.
Figure 3
Hình 3. Bức tranh toàn cảnh CNSH nano. Trong đó, các hệ thống, thiết bị riêng lẻ
cũng như tích hợp được 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)
3
1.2. Hướng nghiên cứu chính
Cùng với sự nở rộ của CNNN, CNSH nano cũng đang 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 đơn phân tử sinh học.
• Màng chức năng tự lắp ráp với các tính chất như xúc tác, quang hoạt, dẫn điện,
điện hóa và lọc nước, lọc khí, vi sinh vật.
• Động cơ DNA (DNA motor) dựa trên lực tạo ra khi lai các trình tự bổ sung với
52% trong số 900 triệu USD trong quỹ đầu tư mạo hiểm chi cho CNNN tập trung
vào thiết lập CNSH nano (hình 4a). Trên thực tế, trong khi trong khi vốn đầu tư
mạo hiểm suy giảm từ năm 2001 đến 2002, đầu tư vào CNSH nano lại tăng 313%
(hình 4b). Sự tăng trưởng này do hai yếu tố chủ chốt: các ưu đãi của chính phủ và
sự khan hiếm các sáng chế y dược học [9]. Trên 50% vốn đầu tư mạo hiểm trong 4
năm gần đây được chi cho các công ty hoạt động trong CNSH nano [8].
6
Figure 6
Hình 4. Sức cám dỗ ngày càng tăng của CNNN với các nhà đầu tư. (a) Vốn đầu tư
mạo hiểm chi cho CNSH nano so với các lĩnh vực CNNN khác. (b) Quỹ đầu 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 đứng ngoài cuộc, sau 3
năm kể từ khi cựu tổng thống Mỹ Bill Clinton thành lập NNI, 35 quốc gia khác đã
xây dựng các chương trình trong công nghệ này [8]. Năm 2004, chính phủ Mỹ chi
847 triệu USD cho CNNN trong khi đó Nhật và liên minh Châu Âu cũng chi
không kém. Thái Lan đang ở giai đoạn 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, được giới thiệu vào tháng 6 một sự gần như gấp đôi
cam kết của nó với £90 ($141) triệu cho quỹ MicroNanoTechnology Network [8].
Ngân sách đầu tư cho CNNN của chính phủ một số nước được thể hiện trong bảng
2.Theo National Science Foundation, thị trường CNSH nano sẽ đạt xấp xỉ 36 tỷ
USD vào năm 2006 [15].Không nằm ngoài vòng xoáy chung, Việt Nam cũng đã và
đang chú trọng vào công nghệ nano. Năm 2004, vốn đầu tư vào môi trường và
CNNN đã tăng hơn 50% so với năm 2003 [16].Trong lĩnh vực đào tạo, ĐHQG -
TP.HCM [17], ĐHBK - TP.HCM [18], Trường ĐH-KHTN [19] và Đại học Công
nghệ trực thuộc ĐHQG-HN [20], ĐHBK-HN đã và đang nghiên cứu, đào tạo về
công nghệ nano.Khu công nghệ cao TPHCM cũng tập trung đẩy 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 đa lớp, vật liệu từ có
Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay là vật liệu rắn, sau đó mới đến
chất lỏng và khí.
Về hình dáng vật liệu, người ta chia vật liệu nano thành:
• Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví dụ, đám nano,
hạt nano...
• Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, ví dụ,
dây nano, ống nano (NT),...
• Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, ví dụ,
màng mỏng,...
• Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một
phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một
chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Trong khuôn khổ bài viết tập trung vào CNSH nano này, tôi chỉ đề cập đến những
vật liệu nano đã và đang được ứng dụng trong ngành khoa học mới mẻ này. Do
vậy, để tiện theo dõi tôi chia vật liệu nano dùng trong CNSH nano thành hai loại là
dạng cầu (điểm lượng tử, dendrimer, lỗ nano, vỏ nano và hạt nano) và dạng thanh
(ống nano, que nano, dây nano).
2.1.1 Dạng cầu
Điểm lượng tử
(QD)QD là một hạt vật chất được 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 đi một điện tử sẽ làm thay đổi tính chất của nó. Khi ta
kích thích một QD càng nhỏ thì năng luợng và cuờng độ phát sáng của nó càng
tăng, mang lại bước sóng phát xạ khả điều hướng và đa hình phổ phát xạ của QD
(hình 6). Vì vậy nó là cửa ngõ cho hàng loạt những áp dụng kỹ thuật mới
(wikipedia).
Figure 9
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 được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất. Có
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 đích [33, 36, 37]. Hạt nano
(Nanoparticle)Hạt kim loại nano thường được định nghĩa là các hạt tách biệt có
10
kích thước 1 - 50 nm được ngăn cản sự kết tụ bằng vỏ bảo vệ. Phụ thuộc vào vỏ
bảo vệ được sử dụng, chúng được 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 Dạng thanh
Ống nano Được khám phá lần đầu 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 đường 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, độ dẫn điện, dẫn nhiệt,
độ bền cao… [38, 43]. Có hai loại NT là NT một vách và NT đa 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
động rất hiệu quả, tạo ra các cấu trúc nano phức hợp và mạch nano (nanocircuit)
với các tính chất và chức năng được điều khiển [44]. Ngoài NT carbon, cùng với
sự phát triển của công nghệ nano, ngày nay người ta còn tạo ra NT peptide [45].
Figure 12
Hình 9. NT carbon nguyên chất và gắn với các cấu tử sinh học. (1) NT carbon 1
vách, (2) nhiều vách (Theo Ống nano carbon
gắn với các cấu tử khác nhau: a) gắn nucleotide; b) gắn đường; c) gắn chất hoạt
động bề mặt; d) gắn peptide; e) gắn C60. [Theo 44] Dây nanoCác dây nano kim
loại khác nhau gồm bạc [46], vàng [47], platinum [48], palladium [49], ZnS [50],
đồng [51], silicon [52] được 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 đơn vị monomer G-actin gắn hạt vàng nano và các
đơn vị G-actin không đánh dấu để 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
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 được 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 đĩa nano (nanodisks), hạt nano đa vỏ, cách tử
nano tam giác và các cấu trúc nano nhánh [41], mang lại những ứng dụng hết sức
đa dạng trong CNSH nano. Bên cạnh vật liệu nano, các phần tử sinh học đóng vai
trò vô cùng quan trọng trong CHSH nano. Cho đến nay, người ta mới chỉ lợi dụng
được một phần rất nhỏ của các cấu tử, cấu trúc và nguyên lý sinh học trong CNSH
nano.
2.2 Các phần tử sinh học trong CNSH nano
Tế bào là tập hợp của hàng ngàn bộ máy nano (nanomachine, nanodevice), chúng
có thể được thu nhận và biến đổi để thực hiện các nhiệm vụ CNNN tùy theo chủ
định của chúng ta. Hiện tại, trên 10.000 bộ máy nano đang làm việc trong cơ thể
mỗi người. Đáng 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 độc lập, được lợi
dụng để phục vụ con người [5]. Các phân tử sinh học có thể đóng vai trò như các
thành phần thu nhận, vận chuyển ánh sáng, chuyển hóa tín hiệu, xúc tác, bơm hoặc
đông cơ trong các bộ máy nano để tạo ra năng lượng hoặc các sản phẩm đặc biệt,
thực hiện các nhiệm vụ kiểm soát hay lưu giữ dữ liệu [60]. Các cấu trúc thiết yếu
trong trao đổi 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 đích của mình, biến đổi 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 đa mọi tiềm năng sẵn có trong các hệ thống sinh học để ứng
dụng vào CNSH nano. Bởi thế, có thể nói mọi cấu tử sinh học đều đã và đang là
đối tượng nghiên cứu của CNSH nano.
2.2.1 Protein
Trong CNSH nano, protein được sử dụng rất phổ biến. Chúng có thể đóng vai trò
mẫu dò trong kỹ thuật protein chip [62], trợ giúp quá trình tự lắp ráp theo cơ chế
nano đến phân phối thuốc thông minh [71]. Có thể dùng DNA để tạo ra các bộ máy
với khả năng chuyển động quay, đẩy và giãn dài, hoặc thậm chí vận động đẳng
hướng [71-73]. Có thể phát minh các thiết bị nano tự sinh để bắt giữ và giải phóng
các phân tử, thực hiện các nhiệm vụ xử lý thông tin đơn giản [71]. Một mảng ứng
dụng rất lớn nữa của DNA là làm mẫu dò trong gene chip, một kỹ thuật chỉ mới
14
được phát minh vào đầu 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 đến từng base (cả mạch đơn 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 đa dạng. Có thể nói, CNSH nano
mới chỉ lợi dụng được một phần rất nhỏ bé so với tiềm năng vốn có của DNA.
2.2.3 Các cấu 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 được lợi dụng làm khuôn để 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 đều 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 để thực hiện các
nhiệm vụ đặc biệt ở quy mô nano, như hướng đích tới các tế bào ung thư hoặc giải
quyết một một nhiệm vụ máy tính đơn giản. Khi CNSH nano phát triển, chúng ta
sẽ tái thiết kế các bộ máy phân tử của tế bào để thực hiện những nhiệm công nghệ
và sức khỏe con người ở quy mô lớn hơn. Các cấu trúc lớn sẽ được xây dựng với
độ chính xác nguyên tử với các máy lắp ghép phân tử sinh học hoặc bằng cách sử
dụng các mô hình sinh học để lắp ghép. Nhìn vào tế bào, chúng ta có thể tìm thấy
các động cơ tự động chính xác, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, cảm biến… tất cả
một yếu tố chuyển đổi có khả năng chuyển hóa những thông tin đặc biệt thành các
hiệu ứng có thể đo đạc (như tín hiệu điện). Vì tính đặc hiệu cao của các thụ thể
sinh học (DNA, kháng thể), so với điện cực hóa học, điện cực sinh học nhạy hơn
nhiều trong các đánh giá sinh học [82]. Dùng vật liệu nano trong điện cực sinh học
cho phép sử dụng một số kỹ thuật truyền hiệu mới. Vì kích thước dưới hệµtín m,
các điện cực nano, mẫu dò nano và các thống khác là những 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 điện cực nano đang được ưu tiên phát triển
hàng đầu là PEBBLE. Chúng có kích thước 20-100nm, được thiết kế đặc biệt để sử
dụng trong các môi trường sinh học [84]. Do có kích thước nhỏ nên điện cực này
tối thiểu hóa các tác hại vật lý đối với tế bào. Hơn nữa do thuốc nhuộm được nang
hóa trong chất nền trơ nên PEBBLE tạo ra pha cảm biến tách biệt với tế bào, do đó
tránh được khả năng gây nhiễu hóa học. Các peptide vòng chứa một số axit amin
thay thế dạng D- và L- được 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 đó, họ
đặt màng lipid kép chứa một kênh α-haemolysin (αHL, hình 16) giữa hai dung dịch
điện cực, cho điện thế chuyển màng không đổi chạy qua và đo dòng chuyển màng.
16
Dòng này đi đôi với sự vận chuyển của các ion chạy qua kên αHL vào lỗ trung tâm
[85].
Figure 19
Hình 16. Cấu trúc của αHL
2.3.4 Thiết bị nano (nanodevice)
Thiết bị nano được định nghĩa là tổ hợp lắp ráp của các phân tử đã được thiết kế từ
trước để thực hiện chuyển động [86]. Hiện có khá nhiều thiết bị nano được tạo ra
nhằm thực hiện các chuyển động 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 đó là các thiết bị được thiết kế đặc biệt lợi dụng các động 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
nước chứa bên trong micelle. Do đó, có thể kết tủa các hạt nano bên trong micelle.
Kích thước hạt nano bị giới hạn bởi kích thước của micelle ngược [94].
18
Figure 21
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 để ngăn cản quá trình kết tụ của các hạt
nano mới tạo thành (hình 18). Thiolate là các chất capping thường được sử dụng
nhất. Capping cũng hạn chế kết tụ [94].
3.1.2 Khử
Các hạt nano được kết tủa thường là oxit hoặc hydroxid. Nếu cần hạt nano kim
loại, có thể khử oxid hoặc hydroxid bằng hydro ở nhiệt độ cao. Cũng có thể khử
bằng rượu đa chức (như ethylene glycol) ở nhiệt độ cao [94]. Quá trình khử hóa
học muối kim loại (hình 18) khi có chất ổn định để tạo hạt keo kim loại hóa trị
không (zerovalent) trong dung dịch lỏng hoặc dung môi hữu cơ được công bố lần
đầu tiên vào năm 1857 bởi Faraday, và cách tiếp cận này đã trở thành một trong
các phương pháp tổng hợp mạnh và phổ biến nhất trong lĩnh vực này. Phương
pháp chuẩn đầu tiên để tạo ra hạt keo kim loại (như hạt vàng 20nm bằng cách khử
[AuCl4–] bằng sodium citrate) được thiết lập bởi Turkevich [38].
19
Copyright: Tài liệu đại học ©