S P A I S  2006
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Dal Bio al Nano PowerPoint PPT Presentation


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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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Dal Bio al Nano

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Presentation Transcript


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 1m 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


Mattoni molecolari funzionalizzati


Self-assembly e organizzazione molecolare

Le interazioni…..


…e l’organizzazione strutturale


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


Nanoparticelle per la diagnostica medica


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


DNA in SAM di tioalcani


sensing molecules


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


Nanopori di proteine


Nanocapsule


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


Bio-nanoreattori


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


Four-helix bundle


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


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