Nanopartikel–biomolekylkonjugat
Ett nanopartikel–biomolekylkonjugat är en nanopartikel med biomolekyler fästa på ytan. Nanopartiklar är små partiklar, vanligtvis mätta i nanometer (nm), som används inom nanobioteknik för att utforska biomolekylernas funktioner. De ultrafina partiklarnas egenskaper kännetecknas av komponenterna på deras ytor mer än större strukturer, såsom celler, på grund av stora ytarea-till-volymförhållanden. Stora ytarea-till-volym-förhållanden av nanopartiklar optimerar potentialen för interaktioner med biomolekyler.
Karakterisering
Viktiga egenskaper hos nanopartiklar inkluderar volym, struktur och visuella egenskaper som gör dem värdefulla inom nanobioteknik. Beroende på specifika egenskaper av storlek, struktur och luminescens kan nanopartiklar användas för olika applikationer. Avbildningstekniker används för att identifiera sådana egenskaper och ge mer information om det testade provet. Tekniker som används för att karakterisera nanopartiklar är också användbara för att studera hur nanopartiklar interagerar med biomolekyler, såsom aminosyror eller DNA , och inkluderar magnetisk resonanstomografi (MRI), betecknad av nanopartiklarnas löslighet i vatten och fluorescerande. MRT kan användas inom det medicinska området för att visualisera strukturer; atomkraftsmikroskopi (AFM) som ger en topografisk vy av provet på ett substrat; transmissionselektronmikroskopi (TEM) som ger en toppvy, men med en annan teknik än atomkraftsmikroskopi; Ramanspektroskopi eller ytförstärkt Ramanspektroskopi (SERS) ger information om våglängder och energi i provet. ultraviolett-synlig spektroskopi (UV-Vis) mäter våglängderna där ljus absorberas; Röntgendiffraktion (XRD) ger i allmänhet en uppfattning om provets kemiska sammansättning.
Kemi
Fysisk
Nanomolekyler kan skapas från praktiskt taget alla grundämnen, men majoriteten som produceras i dagens industri använder kol som grunden på vilken molekylerna är uppbyggda. Kol kan binda till nästan vilket element som helst, vilket ger många möjligheter när det gäller att skapa en specifik molekyl. Forskare kan skapa tusentals och åter tusentals individuella nanomolekyler från en enkel kolbas. Några av de mest kända nanomolekylerna som för närvarande finns är enbart kol; dessa inkluderar kolnanorör och buckminsterfullerener . Till skillnad från nanomolekyler består de kemiska komponenterna i nanopartiklar vanligtvis av metaller, såsom järn, guld, silver och platina.
Interaktioner mellan nanopartiklar och molekyler förändras beroende på nanopartikelns kärna. Nanopartikelegenskaper beror inte bara på kärnmaterialets sammansättning, utan också på olika materialtjocklekar. Magnetiska egenskaper är särskilt användbara vid molekylmanipulation, och därför används ofta metaller som kärnmaterial. Metaller innehåller inneboende magnetiska egenskaper som möjliggör manipulation av molekylär sammansättning. Eftersom nanopartiklar interagerar med molekyler via ligandegenskaper kan molekylär sammansättning kontrolleras av externa magnetfält som interagerar med magnetiska egenskaper i nanopartiklarna. Betydande problem med att producera nanopartiklar uppstår initialt när dessa nanopartiklar genereras i lösning. Utan användning av ett stabiliseringsmedel tenderar nanopartiklar att klibba ihop när omrörningen stoppas. För att motverka detta tillsätts i allmänhet en viss kollidiell stabilisator. Dessa stabilisatorer binder till nanopartiklarna på ett sätt som förhindrar att andra partiklar binder sig till dem. Några effektiva stabilisatorer som hittills hittats inkluderar citrat , cellulosa och natriumborhydrid .
Applikationskemi
Nanopartiklar är önskvärda i dagens industri för deras höga ytarea-till-volymförhållande i jämförelse med större partiklar av samma grundämnen. Eftersom kemiska reaktioner sker med en hastighet som är direkt proportionell mot den tillgängliga ytan av reaktantföreningar, kan nanopartiklar generera reaktioner i mycket snabbare takt än större partiklar med samma massa. Nanopartiklar är därför bland de mest effektiva sätten att producera reaktioner och är värdefulla i den kemiska industrin. Samma egenskap gör dem värdefulla i interaktioner med molekyler.
Tillämpningar med biomolekyler och biologiska processer
Nanopartiklar har potential att i hög grad påverka biologiska processer. Potensen hos en nanopartikel ökar i takt med att dess yta-till-volym-förhållande gör. Fästningar av ligander till ytan av nanopartiklar tillåter dem att interagera med biomolekyler.
Identifiering av biomolekyler
Nanopartiklar är värdefulla verktyg för identifiering av biomolekyler, genom användning av biotaggning eller märkning. Fästningar av ligander eller molekylära beläggningar på ytan av en nanopartikel underlättar interaktion mellan nanopartiklar och molekyler och gör dem biokompatibla. Konjugering kan uppnås genom intermolekylära attraktioner mellan nanopartikeln och biomolekylen såsom kovalent bindning , kemisorption och icke-kovalenta interaktioner.
För att förbättra visualiseringen kan nanopartiklar också fås att fluorescera genom att kontrollera storleken och formen på en nanopartikelsond. Fluorescens ökar luminescensen genom att öka intervallet av våglängder som det utsända ljuset kan nå, vilket möjliggör biomarkörer med en mängd olika färger. Denna teknik används för att spåra effektiviteten av proteinöverföring både in vivo och in vitro när det gäller genetiska förändringar.
Biologisk processkontroll
Biologiska processer kan kontrolleras genom transkriptionsreglering , genreglering och enzyminhiberingsprocesser som kan regleras med hjälp av nanopartiklar. Nanopartiklar kan spela en roll i genreglering genom jonbindning mellan positivt laddade katjoniska ligander på ytan av nanopartiklar och negativt laddade anjoniska nukleinsyror som finns i DNA. I ett experiment hämmade ett nanopartikel-DNA-komplex transkription av T7 RNA-polymeras, vilket tyder på stark bindning i komplexet. En hög affinitet för nanopartikel-DNA-komplexet indikerar stark bindning och en gynnsam användning av nanopartiklar. Att fästa joniska ligander till nanopartiklar tillåter kontroll över enzymaktivitet. Ett exempel på enzyminhibering ges genom bindning av a-kymotrypsin (ChT), ett enzym med en till stor del katjonisk aktiv plats. När a-kymotrypsin inkuberas med anjoniska (negativt laddade) nanopartiklar, hämmas ChT-aktivitet eftersom anjoniska nanopartiklar binder till det aktiva stället. Enzymaktivitet kan återställas genom tillsats av katjoniska ytaktiva ämnen. Alkyltensider bildar ett dubbelskikt runt ChT, medan tiol- och alkoholytaktiva ämnen förändrar ytan av ChT så att interaktioner med nanopartiklar avbryts. Även om bildandet av ett protein-nanopartikelkomplex kan hämma enzymaktivitet, visar studier att det också kan stabilisera proteinstrukturen och avsevärt skydda proteinet från denaturering. Experimentella och teoretiska analyser har också visat att nanopartiklar kan undertrycka ogynnsamma laterala interaktioner mellan de adsorberade proteinerna, vilket leder till betydande förbättringar av deras stabilitet under denaturerande förhållanden. Fästningar av ligander till segment av nanopartiklar valda för funktionalisering av metalliska egenskaper kan användas för att generera en magnetisk nanotråd, som genererar ett magnetfält som möjliggör manipulering av cellulära sammansättningar.
Genetisk förändring
Nanopartiklar kan också användas tillsammans med DNA för att utföra genetiska förändringar. Dessa övervakas ofta genom användning av fluorescerande material, vilket gör det möjligt för forskare att bedöma om dessa taggade proteiner har överförts framgångsrikt - till exempel grönt fluorescerande protein eller GFP. Nanopartiklar är betydligt mindre cytotoxiska än för närvarande använda organiska metoder, vilket ger en effektivare metod för att övervaka genetiska växlingar. De bryts inte ner eller bleker med tiden, som organiska färgämnen gör. Suspensioner av nanopartiklar med samma storlek och former (monodispergerade) med funktionella grupper fästa på sina ytor kan också elektrostatiskt binda till DNA, vilket skyddar dem från flera typer av nedbrytning. Eftersom fluorescensen hos dessa nanopartiklar inte bryts ned, kan cellulär lokalisering spåras utan användning av ytterligare taggning, med GFP:er eller andra metoder. "Uppackningen" av DNA kan detekteras i levande celler med hjälp av luminescensresonansenergiöverföringsteknik (LRET).
Medicinska implikationer
Små molekyler in vivo har en kort retentionstid, men användningen av större nanopartiklar gör det inte. Dessa nanopartiklar kan användas för att undvika immunsvar, vilket hjälper till vid behandling av kroniska sjukdomar . Det har undersökts som en potentiell cancerterapi och har även potential att påverka förståelsen av genetiska störningar. Nanopartiklar har också potential att hjälpa till med platsspecifik läkemedelsleverans genom att förbättra mängden omodifierat läkemedel som cirkulerar i systemet, vilket också minskar den nödvändiga doseringsfrekvensen. Nanopartiklarnas målinriktade karaktär innebär också att icke-målorgan är mycket mindre benägna att uppleva biverkningar av läkemedel avsedda för andra områden.
Studerar cellinteraktioner
Cellulära interaktioner sker på mikroskopisk nivå och kan inte enkelt observeras även med de avancerade mikroskop som finns tillgängliga idag. På grund av svårigheter att observera reaktioner på molekylär nivå används indirekta metoder som i hög grad begränsar omfattningen av den förståelse som kan uppnås genom att studera dessa livsviktiga processer. Framsteg inom materialindustrin har utvecklat ett nytt område känt som nanobioteknik, som använder nanopartiklar för att studera interaktioner på biomolekylär nivå.
Ett forskningsområde med nanobioteknik är cellernas extracellulära matriser (ECM). ECM består huvudsakligen av sammanvävda fibrer av kollagen och elastin som har diametrar från 10–300 nm. Förutom att hålla cellen på plats har ECM en mängd andra funktioner inklusive att tillhandahålla en fästpunkt för ECM för andra celler och transmembranreceptorer som är väsentliga för livet. Tills nyligen har det varit nästan omöjligt att studera de fysiska krafter som hjälper celler att behålla sin funktionalitet, men nanobioteknik har gett oss möjligheten att lära oss mer om dessa interaktioner. Med hjälp av nanopartiklarnas unika egenskaper är det möjligt att kontrollera hur nanopartiklarna fäster vid vissa mönster som finns i ECM, och som ett resultat kan man förstå hur förändringar i ECM:s form kan påverka cellfunktionalitet.
Genom att använda nanobioteknik för att studera ECM gör det möjligt för forskare att undersöka de bindande interaktioner som uppstår mellan ECM och dess stödjande miljö. Utredarna kunde studera dessa interaktioner genom att använda verktyg som optisk pincett , som har förmågan att fånga föremål i nanoskala med fokuserat ljus. Pincetten kan påverka bindningen av ett substrat till ECM genom att försöka dra substratet bort från det. Ljuset som emitterades från pincetten användes för att hålla tillbaka ECM-belagda mikropärlor , och förändringarna i kraften som utövades av ECM på substratet studerades genom att modulera effekten av den optiska pincetten. Experiment visade att kraften som utövades av ECM på substratet positivt korrelerade med pincettens kraft, vilket ledde till den efterföljande upptäckten att ECM och transmembranproteinerna kan känna av yttre krafter och kan anpassa sig för att övervinna dessa krafter.
Nanoteknik passerar blod-hjärnbarriären
Blod -hjärnbarriären (BBB) består av ett system av kapillärer som har ett särskilt tätt foder av endotelceller som skyddar det centrala nervsystemet (CNS) mot diffusion av främmande ämnen in i cerebrospinalvätskan . Dessa skadliga föremål inkluderar mikroskopiska bakterier, stora hydrofoba molekyler, vissa hormoner och neurotransmittorer och låglipidlösliga molekyler . BBB förhindrar dessa skadliga partiklar från att komma in i hjärnan via täta förbindelser mellan endotelceller och metabola barriärer. Den grundlighet med vilken BBB gör sitt jobb gör det svårt att behandla sjukdomar i hjärnan som cancer , Alzheimers och autism , eftersom det är mycket svårt att transportera läkemedel över BBB. För närvarande, för att leverera terapeutiska molekyler till hjärnan, måste läkare använda mycket invasiva tekniker som att borra direkt in i hjärnan eller sabotera integriteten hos BBB genom biokemiska metoder. På grund av sin lilla storlek och stora yta erbjuder nanopartiklar en lovande lösning för neuroterapeutika.
Nanoteknik är till hjälp för att leverera läkemedel och andra molekyler över blod-hjärnbarriären (BBB). Nanopartiklar tillåter droger, eller andra främmande molekyler, att effektivt passera BBB genom att kamouflera sig själva och lura hjärnan att ge dem förmågan att korsa BBB i en process som kallas den trojanska hästmetoden. Att använda nanoteknik är fördelaktigt eftersom endast det tekniska komplexet är nödvändigt medan i vanliga tillämpningar den aktiva substansen måste utföra reaktionen. Detta möjliggör maximal effekt av det aktiva läkemedlet. Användningen av nanopartiklar resulterar också i att proteiner dras till cellytorna, vilket ger cellmembranen en biologisk identitet. De använder också endogen aktiv transport där transferrin , ett järnbindande protein, är kopplat till stavformade halvledarnanokristaller, för att flytta över BBB in i hjärnan. Denna upptäckt är en lovande utveckling mot att designa ett effektivt nanopartikelbaserat läkemedelsleveranssystem.