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S P A I S 2006 Quali conoscenze di base per comprendere l’innovazione?. Dal Bio al Nano. Nanostrutture ispirate al mondo biologico. Mariano Venanzi Bio-NAST Laboratory Università di Roma Tor Vergata venanzi@uniroma2.it.
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S P A I S 2006 Quali conoscenze di base per comprendere l’innovazione? Dal Bio al Nano Nanostrutture ispirate al mondo biologico Mariano Venanzi Bio-NAST Laboratory Università di Roma Tor Vergata venanzi@uniroma2.it
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’
CHIMICA Scienza dei materiali Biologia Chimica supramolecolare Biotecnologie Micro- e nanotecnologie Sensoristica Catalisi Bioelettronica Nanomedicina Bio-inspired Materials Concetti, meccanismi, funzioni e strutture biologiche guidano la progettazione di nuovi materiali e dispositivi.
nanoclusters 0.1nm 1nm 10nm 100nm 1m 10 m biomolecole bottom-up Sintesi organica Self-assembly Su e giù per la scala delle dimensioni top-down Fotolitografia Microstampaggio
Mattoni molecolari • dimensioni appropriate • self-assembly programmabile • funzionalizzazione specifica
0D LEGO Chemistry 1D 2D 3D
Dendrimeri Hyperbranched Molecules
Self-assembly e organizzazione molecolare Le interazioni…..
Self-assembly elettrostatico Nanofibre peptidiche Layer-by-layer assembly
Self-Assembly chimico Poligoni chirali
Self-assembly idrofobico Collasso idrofobico Assembly nanotubi-polimeri ‘muscolo artificiale’
a scuola dal bio...... Assembly DNA-proteine Nanotubi peptidici
Riconoscimento Molecolare Il campo da gioco delle interazioni deboli
Una chiave, una serratura Proteina - RNA DNA cromosomiale
Materiali bio-ibridi 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
Nanoparticelle e biomolecole Np linker biomolecola HS-Cys H2N-Lys STV/Biotina HS-(CH2)n- HOOC-Glu- Proteine DNA, acidi nucleici Immunoglobuline Peptidi Au, Ag CdS CdSe SnO2, TiO2 GaAs, InP Lo strato biomolecolare stabilizza le nanoparticelle prevenendone l’aggregazione
Nanoparticelle di oro (60 nm) funzionalizzate per rivelazione di zuccheri e imaging molecolare per fluorescenza
Coupling di nanoparticelle per mezzo di biomolecole Strategie basate sulla specificità del riconoscimento di biomolecole Ex. STV/biotina K=1014 dm3mol-1 A Ex. Ig/apteni B Ex. peptide/GaAs C
linker T-reversibile 3D-network Aggregati DNA-nanoparticelle • specificità delle interazioni tra coppie di basi complementari • sintesi automatizzata di strand di DNA • replicazione fino a quantità macroscopiche (PCR)
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.
Coniugati quantum dots-biomolecole Single molecule detection
Imaging di cellule tumorali 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
Monostrati molecolari auto-assemblati su superfici (SAM = Self-Assembled Monolayers) Arrays di proteine
Stampi biologici: templati di DNA DNA array DNA-proteina
d b a Controllare stechiometria e architettura c a d b c a’ c’ d’ b’
Nanopori Ion channel proteins
Sequencing DNAbysqueezing it into a 2.5 nm pore DNA-Au su superfici nanoporose Riconoscimento e separazione di strand di acidi nucleici
Peptide-Au nanoparticles Un esempio di self-assembly controllato!
Rilascio controllato di farmaci Ricostruzione di ossa e tessuti
Biomineralizzazione struttura, forma e crescita di biominerali Templati organici: stampi macromolecolari, membrane lipidiche, pareti cellulari Integrazione Biocompatibilità 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 Radiolaria Diatomea
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
S Au S Aib-Aib-Aib-Aib-Trp-Aib-OtBu O S Au Pubblicità (dal Bio-NAST Lab) Proprietà fotoconduttive di monostrati peptidici autoassemblati su oro 100nmx100nm
Au Misure di generazione di fotocorrente
DOMANDA: CHE DIFFERENZA C’E’ TRA UN ATOMO E UNA MOLECOLA? RISPOSTA (TRE PAROLE): il legame chimico