Vis kilden til Bygging av biomolekyl og nanopartikkel-strukturer på overflater

Denne artikkelen er en del av et litteraturprosjekt i [[TFY4335 - Bionanovitenskap]]: "Assembly of Biomolecule-Nanoparticle Architecture on Surfaces", fritt oversatt til "Bygging av biomolekyl og nanopartikkel-strukturer på overflater". Som en del av dette prosjektet finner man også underartiklene [[Nanolitografi]] og [[Deponeringsteknikker]].

== Introduksjon ==

Biomaterialer som enzymer, proteiner, antigener, reseptorer og DNA er i samme størrelsesorden som andre nano-objekter som nanopartikler (NP), nanostaver og nanowires. Kombinasjoner av biomaterialer og nano-objektene kan gi opphav til hybridmaterialer der de unike gjenkjennelses- og katalyseevnene til biomolekyler kombineres med de spesielle optiske og elektriske egenskapene til nanopartikler. Nyere forskning viser at man kan "skreddersy" systemer av biomolekyl-nanopartikkel-hybrider til bruk i bioelektronikk. For eksempel biosensorer og nanokretser, samt til videre utvikling av større og mer komplekse nanokomponenter som biobrenselceller og biotransistorer. <ref name="Niemeyer">C.M. Niemeyer, "Nanoparticles, proteins, and nucleic acids: biotechnology meets materials science", Angew. Chem., Int. Ed. 40 (2001) 4128–4158.</ref>


Biomolekyler, f.eks. DNA, kan også brukes for å bygge opp strukturer av Nanopartikler ved å være templat (mal), og virke som «molekylært lim». Denne artikkelen viser noen eksempler på metoder for å bygge BM-NP hybrider, og bruk av DNA som templat og molekylært lim. <ref name="willner">Willner I, Katz E, "Integrated Nanoparticle–Biomolecule Hybrid Systems", Angew. Chem. (2004), 6060-6063</ref>

== DNA som templat og molekylært lim ==

Forsøk har blitt gjort for å bygge strukturer av nanopartikler der DNA brukes som templat, og kortere segmenter av et DNA brukes som "molekylært lim". De korte segmentene kalles oligonukletid, og er opp til 20 nukleotider langt. Når DNA brukes som templat "bygger" man sin struktur på DNA'et. To metoder for dette er beskrevet senere i artikkelen. Når oligonukleotider brukes som lim, utnytter man at slike grupper kan funksjonaliseres med et annet stoff, samt at oligonukleotider kan binde seg til en komplementær nukleotidkjede.

== Strukturer ==

Strukturer man ønsker å bygge kan være "1-dimensjonale", altså nanowires, 2-dimensjonale, som et mønster på en flate, eller 3-dimensjonale. Et eksempel på det siste er multilag. 

=== Nanowires ===

[[Bilde:DNAtemplat_GullNP_B7SAv.jpg|right|thumb|'''Figur 1''': Skjematisk framstilling av Metode 1. '''1''' ss-DNA templat '''2''' Oligonukleotid funksjonalisert med Streptavidin '''3''' Gull-nanopartikkel aktivisert med Biotin. '''B''' AFM-bilde av DNA med Gull-NP. Kilde: <ref name="willner">Willner I, Katz E, "Integrated Nanoparticle–Biomolecule Hybrid Systems", Angew. Chem. (2004), 6060-6063</ref> ]]
Her blir beskrevet to metoder for å bygge "nanowires" av nanopartikler. Den første metoden baserer seg på DNA som templat, og oligonukleotider som lim, mens den andre baserer seg på elektrostatisk deponering på et DNA som templat.

'''Metode 1: ss-DNA som templat''' 

En enkelttråd DNA, ss-DNA, blir brukt som templat. Korte oligonukletider, komplementære til segmenter av DNA-templatet, er funksjonalisert. I forsøk gjort<ref name="willner">Willner I, Katz E, "Integrated Nanoparticle–Biomolecule Hybrid Systems", Angew. Chem. (2004), 6060-6063</ref> er oligonukleotidet funksjonalisert med Streptavidin (SAv). Nanopartiklene (Gull-NP) på sin side er funksjonalisert med biotin (Vitamin B7). Se figur 1. SAv er et protein med sterk affinitet for Biotin. Disse to vil bindes sterkt til hverandre, og slik kan man bygge en struktur med nanopartikler langs DNA'et. Et ss-DNA er 2 nm bredt <ref name="nelson">Nelson P, "Biological Physics", s. 35, 2008</ref>, mens Gull-NP'ene er 5 nm store. 

Figur 1 B viser et DNA med Gull-NP avbildet med [[AFM]]. I teorien kan hvilke og hvordan nanopartiklene festes bestemmes ved å velge oligonukleotider som er komplementære til bestemte segmenter av DNA-et. I praksis er det litt vanskeligere.

[[Bilde:Elektrostatisk_deponering_av_NP_paa_DNA.JPG|left|thumb|'''Figur 2:''' 3 nm positivt ladde CdS-partikler er pakket inn i thiocholine (39) deponeres på tett pakket DNA. DNA pakkes tett ved å komprimere et lag med positive surfaktatner (38)]]
'''Metode 2: Elektrostatisk deponering på ds-DNA som templat'''
 
Dobbelttråd DNA, ds-DNA, i vann er negativt elektrisk ladd, pga fosfatgruppene i DNA'et. Dette potensialet kan man utnytte. Positive ladninger vil vekselvirke med DNA'et. Slik kan positivt ladde nanopartikler deponeres på DNA. En elektrostatisk deponering kan gi tettpakkede nanopartikler utenpå DNA'et. Et forsøk har blitt gjort med CdS nanopartikler<ref name"CdSnanoparticles">Torimoto T, Yamashita M, Kuwabata S, Sakata T, Mori H og Yoneyama H, "Fabrication of CdS Nanoparticle Chains along DNA double strands", Am. Chem. Soc., nr 42, 1999</ref>. Thiocoline modifiserer overflaten på CdS-NPen og den blir positivt ladd. For mest mulig tettpakket struktur, må også DNA'et pakkes maksimalt. Først har positive surfaktanter blitt deponert i grensesjiktet luft/vann. Disse pakkes tett ved [[Langmuir-Blodgett]]-metoden. Den elektrostatiske vekselvirkningen mellom surfaktantene og DNA'et vil pakke DNA'et tettere. CdS-NP tilføres i løsningen, og vil legge seg utenpå DNA'et. 

En slik nanowire av CdS er halvledende. Nanowire av halvledende stoffer som CdS og ledende stoffer som Au er interessante for forskning, grunnet unike elektriske og fotoniske egenskaper. Interessen ligger i lage nanokretser, i halvlederteknologien ([[Solceller]], [[LED]]). En del av utfordingen ligger i hvordan designe kretsene.

=== "2-dimensjonale" strukturer ===

[[Bilde:Dpn.JPG|right|thumb|'''Figur 3:''' Nanostruktur av 13 nm og 30 nm gullpartikler på gullflate. Partiklene er "limt fast" ved hjelp av DNA]]
DNA, oligonukleotider, har blitt brukt som molekylært lim for å lage nanostrukturer av nanopartikler på overflater. Oligonukleotidene bindes kovalent til flaten i et mønster som lages med Dip-Pen Nanolitografi, beskrevet i artikkelen [[Nanolitografi]]. DPN brukes til å mønstre flaten med en syre. Senere kan man deponere alkylamin-modifisert oligonukleotid på flaten. Disse lager amid-bindinger med syren <ref name="dpn2">L. M. Demers, S.-J. Park, T. A. Taton, Z. Li, C. A. Mirkin, Angew. Chem. Int. Ed. (2001), 40, 3071 – 3073</ref>. Dette er en prosess som er mulig å gjøre i flere trinn, altså binde forkjellige oligonukelotider i forskjellige planlagte mønster etter hverandre. Dermed har man muligheten til å lage et planlagt mønster med forkjellige nanopartikler.

Nanopartikklene er bundet aktivert med et annet oligonukleotid. Et såkaldt "Target-DNA" fungerer som skjøt mellom oligonukleodene på flaten, og oligonukleotidene bundet bundet til nanopartikkelen. Target-DNA'ets ene del er komplementær til nukleotidet på flaten. Den andre delen er komplementær til nanopartikklenes nukleotid. 

På denne måten kan man lage nøyaktive mønster av nanopartikler på en flate. Figur 3 viser et AFM-bilde av et forsøk, der 13 nm og 30 nm store Gullpartikler ble festet til en Gullflate (aktivisert med syren MHA).

=== Nanokretser === 

[[Bilde:Aunanokrets.JPG|400px|right|thumb|'''Figur 4''' viser en metode som utnytter oligonukleotider som overlapper hverandre i faste mønster, og komplimentære DNA-NP-hybrider som fester seg til disse. '''A''' viser en '''40''' oligonukleotid-Au-hybrid med 17 baser, hvor basesekvensen er komplimentær til de større oligonukleotidene '''41''' og '''42''' som er sammensatt i et fast mønster. '''B''' viser et AFM-bilde av strukturen, som fortsatt mangler en del organisering og god nok kontakt mellom Au-NPene. <ref name="willner">Willner I, Katz E, "Integrated Nanoparticle–Biomolecule Hybrid Systems", Angew. Chem. (2004), 6060-6063</ref> ]]

Ved å bruke DNA-tråder som krysser hverandre i spesielle mønstre, kan man også i teorien konstruere en mal for bionanoelektronikk-chiper. Negativt ladet DNA, små oligonukleotider, kan danne komplekser med positivt ladede metallioner som senere reduseres til små metalltråder som legger seg over DNA-malen<ref name="willner">Willner I, Katz E, "Integrated Nanoparticle–Biomolecule Hybrid Systems", Angew. Chem. (2004), 6060-6063</ref>. Et system som utnytter små ssDNA-tråder, oligonukletider med 57 baser, som overlapper hverandre i et fast og kontinuerlig mønster har blitt prøvd ut (Figur 6) sammen med Au-nanopartikler festet til en thiol-gruppe på enden av enda mindre oligonukleotider med 17 komplimentære baser.

Dette forsøket har også blitt utført med spesialdesignede mikrowires festet til thiol-gruppene i stedet for Au-nanopartikler, og DNA fungerte i dette tilfellet godt som "molekylært lim". I dette tilfellet mister man imidlertid de spesielle egenskapene til nanopartikler som kan bidra til fremskritt for mikroelektronikken.

[[Bilde:PolyanalinNP.JPG|300px|left|thumb|'''Figur 5 A''' viser oksidering av glukosemolekyler på en Au-elektrode med PolyAnilin-staver. PAn-stavene er funksjonalisert med Au-nanopartikler for å bedre elektrontransportevnen til proteinet. '''B''' viser kontrollforsøket med en blanding av "vanlige" PolyAnalinstaver og PolyStyreneSulfonat (PSS). '''A''' viser seg å gi 25 ganger bedre elektrontransport enn '''B'''. <ref name="willner2">Willner, I; Willner, B; Katz, E, "Biomolecule-nanoparticle hybrid systems for bioelectronic applications", BIOELECTROCHEMISTRY, Vol. 70, 2007 (p.2-11) </ref> ]]

=== Protein-NP-hybrider ===


Noen av utfordringene rundt å konstruere effektive biobrenselceller ligger i mangelen på direkte kontakt mellom proteiner og enzymer og elektrodene som skal sørge for elektrontransporten. <ref name="willner2">Willner, I; Willner, B; Katz, E, "Biomolecule-nanoparticle hybrid systems for bioelectronic applications", BIOELECTROCHEMISTRY, Vol. 70, 2007 (p.2-11) </ref> Dette problemet er en konsekvens av at de redoksaktive sentrene i proteinene og enzymene, der redoksreaksjonene faktisk skjer, er sterisk hindret av en massiv proteinstruktur fra å være i kontakt med elektrodeoverflaten. Forsøk har blitt gjort som funksjonaliserer PolyAnilinstaver (PAn) med Au-nanopartikler for å forbedre elektrontransporten gjennom proteinstrukturen etter oksidering av glukosemolekyler. Kromoamperometriske målinger viste at Au-PAn-stavene ga 25 ganger mer effektiv elektrontransport til elektroden enn de sammenlignbare "vanlige" PAn-stavene.

=== Multilag av protein og nanopartikler===
[[Bilde:Multilaglpd.JPG|400px|right|thumb|'''Figur 6''': Skjematisk fremstilling av deponering av biomolekyl-NP funksjonelle multilag av Anatase-TiO<math>_2</math> og proteinet Cytochrome C på en QCM-elektrode. 
'''A''' En løsning inneholdende TiF<math>_6</math><math>^{2-}</math> og B(OH)<math>_3</math> feller ut TiO<math>_2</math>. 
'''B''' Viser optisk absorbans av lys med bølgelengde <math>{\lambda} = 409</math> nm som funksjon av antall multilag. Sammenhengen er tilnærmet lineær. <ref name="Cobbe">S. Cobbe, S. Connolly, D. Ryan, L. Nagle, R. Eritja, D.
Fitzmaurice, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 470 – 477.</ref> ]]
Man kan bygge multilag av Anatase - TiO<math>_2</math> og hem-proteinet Cytochrome C ved hjelp av Liquid Phase Deposition (LPD), beskrevet i artikkelen [[deponeringsteknikker]]<ref name="willner">Willner I, Katz E, "Integrated Nanoparticle–Biomolecule Hybrid Systems", Angew. Chem. (2004), 6060-6063</ref>. Metoden har vist at det er mulig å bygge lag på lag av annenhver nanopartikler og biomolekyler på overflaten av en QCM-elektrode (se nedenfor). Det deponerte TiO<math>_2</math>-laget vil med denne metoden (figur 4) være negativt ladet, og elektrostatisk tiltrekning til det positivt ladde Cytochrome C fører til dannelsen av multilag.

Cytochrome C er et protein som finnes i den indre membranen i mitokondriene <ref name="skulachev">Vladimir P. Skulachev, "Cytochrome c in the apoptotic and antioxidant cascades", FEBS Letters 423 (1998) 275-280</ref>, og er meget løselig i vann, noe som gjør proteinet egnet til konstruksjon av biomolekyl-nanopartikkel funksjonelle multilag ved deponering. Stoffet er en essensiell del av cellenes åndedrettssystem ved å aktivere elektrontransportkjeden fra mitokondriene. Det forventes at Cytochrome C blant annet kan gi høyere reaksjonshastighet for redoksreaksjonene som foregår i biobrenselceller.

==== Quartz Crystal Microbalance ==== 

[[Bilde:Quartzcrystalmicrobalance.JPG|300px|thumb|right|'''Figur 7''' En QCM er et nyttig verktøy for å måle små masseforandringer på en overflate meget nøyaktig. Instrumentet utnytter at kvartskrystaller har piezoelektriske egenskaper, og dermed at egenfrekvensene deres avhenger av massen.<ref name="QCMdatasheet">Lap-Tech Inc. 230 Simpson Ave. South. Bowmanville Canada L1C 2J3, http://www.laptech.com/New_Products/QCM%20General%20Data%20Sheet.pdf</ref>]]
Deponeringsraten i metoden i figur 6 ble overvåket ved hjelp av en Quartz Crystal Microbalance (QCM). QCM er et instrument for å måle små masseforskjeller ved hjelp av frekvensmålinger<ref name="Cooper">Matthew A. Cooper* and Victoria T. Singleton, "A survey of the 2001 to 2005 quartz crystal microbalance biosensor literature: applications of acoustic physics to the analysis of biomolecular
interactions", J. Mol. Recognit. 2007; 20: 154–184</ref>, og meget nyttig til å overvåke deponeringsraten for tynnfilmdeponering. QCM utnytter at kvartskrystaller har piezoelektriske egenskaper, noe som betyr at krystallen utvikler et elektrisk potensial når den utsettes for mekanisk trykk. Ved å sette et spenningsfall over krystallen kan man indusere stående akustiske bølger med en gitt resonansfrekvens som blant annet er avhengig av krystallens masse. På denne måten kan man måle eventuelle masseforandringer på QCM-elektroden meget nøyaktig ved å måle frekvensendringene. Sammenhengen mellom masseforandring og frekvensforandring for en piezoelektrisk krystall i vakuum er gitt av Sauerbrey's ligning:<ref name="sauerbrey">Sauerbrey G. 1959. "Verwendung von Schwingquarzen zur Wagung dunner Schichten und zur Microwagang". Z. Phys. 155: 206–212</ref>

<math>\Delta f_{m} = -\frac{2f_{0}^2}{A\sqrt{\rho_{q}\mu_{q}}} \Delta m</math>

<math>f_{0}</math> er krystallens resonansfrekvens. <br/>
<math>A</math> er arealet mellom elektrodene på krystallen.<br/>
<math>\rho_{q}</math> er massetettheten til krystallen.<br/>
<math>\mu_{q}</math> er krystallens skjær-modul.<br/>
<br/>


En QCM kan også brukes i væske, men da må man ta med et dampningsledd i Sauerbrey's ligning:<ref name="Cooper">Matthew A. Cooper* and Victoria T. Singleton, "A survey of the 2001 to 2005 quartz crystal microbalance biosensor literature: applications of acoustic physics to the analysis of biomolecular
interactions", J. Mol. Recognit. 2007; 20: 154–184</ref>

<math>\Delta f_{m} = -f_{0}^2(\frac{2\Delta m}{A\sqrt{\rho_{q}\mu_{q}}} + \sqrt{\frac{\eta_{l}\rho_{l}}{f_{0}\pi \rho_{q} \mu_{q}}}) </math>

<math>\eta_{l}</math> er væskens viskositet. <br/>
<math>\rho_{l}</math> er væskens tetthet.<br/>

----


[[Bilde:Dnamultilag2.JPG|250px|thumb|left|'''Figur 8''' viser en metode for å konstruere faste strukturer av kolloidale DNA-hybridiserte Au-nanopartikler i løsning. Man kan løse opp strukturene igjen ved å tilføre varme<ref name="mirkin">Mirkin, CA; Letsinger, RL; Mucic, RC, et al., "A DNA-based method for rationally assembling nanoparticles into macroscopic materials ", Nature, Vol. 382 (6592), 1996 (2004), 607-609</ref>]]

=== Multilag av DNA-NP-hybrider===


[[Bilde:Dnanpmultilag.JPG|400px|thumb|right|'''Figur 9''' viser en metode hvor man konstruerer multilag av Au-nanopartikler ved funksjonalisering med oligonukleotider.<ref name="willner">Willner I, Katz E, "Integrated Nanoparticle–Biomolecule Hybrid Systems", Angew. Chem. (2004), 6060-6063</ref>]]

Det har blitt gjennomført forsøk som viser at man kan konstruere funksjonelle multilag av Au-nanopartikler ved hjelp av hybridisering med DNA oligonukleotider.<ref name="mirkin">Mirkin, CA; Letsinger, RL; Mucic, RC, et al., "A DNA-based method for rationally assembling nanoparticles into macroscopic materials ", Nature, Vol. 382 (6592), 1996 (2004), 607-609</ref>
Ved å linke nanopartiklene til flere oligonukleotider kan man lage "sticky" DNA-NP-hybridballer, og ytterligere tilførsel av komplimentære DNA-tråder fører til at nanopartiklene legger seg lagvis med en avstand gitt av lengden på oligonukleotidene.


----


Som figur 9 viser kan man også montere et monolag av korte oligonukleotider, '''46''', til en glassoverflate, som igjen fester seg til lengre nukleotidkjeder, '''47''', med "sticky ends" komplimentære til både '''46''' og '''48'''.<ref name="willner">Willner I, Katz E, "Integrated Nanoparticle–Biomolecule Hybrid Systems", Angew. Chem. (2004), 6060-6063</ref> Au-nanopartikler (13 nm) funksjonalisert med oligonukleotid '''48''' ble deretter tilført for å lage et monolag av dsDNA mellom NP-monolagene. Denne prosessen kan gjentas ved å tilføre flere komplimentære nukleotidtråder til man har dannet et multilag av DNA og nanopartikler på glassoverflaten. Her kan man i andre omgang i lag-på-lag-deponeringen for eksempel bruke Ag-, CdS- eller CdSe-nanopartikler.
<br/>

== Bruksområder ==

=== Bioelektronikk ===
Som nevnt, har man troa på at nanowires, og dermed nanokretser har et stort potensiale og vidt bruksområde. F. eks i konvertering av solenergi til elektrisk energi, i LED-teknologi, men også som en slags datamaskin.<ref name="willner3">Willner I, "Biomaterials for Sensors, Fuel Cells, and Circuitry", Science, 20, 2407 - 2408, December 2002</ref>

I en BioFET, biologisk field effect transistor, er f.eks antikropper koplet elekrisk. Når antikroppen finner sin respektive antigen, endres ledningsevne, og vi kan detektere 0, eller 1, avhengig om antikroppen har detektert antigen eller ikke. Dette kan også utnyttes som en sensor.

I drømmenanoverden ser man også for seg at man mellom source og drain i en transistor kan ha et protein, som leder strøm ettersom gatespenningen er av eller på. Proteinet vil da ta plassen til den pn-dopede halvlederen vi finner i dagens transistore. Et protein kan være ~ 4 nm, altså 10 ganger mindre enn dagens transistorer. En slik protein-transistor må riktignok være i vann...
[[Bilde:Biobrenselcelle.JPG|400px|right|thumb|'''Figur 10''': Bioelektroniske elementer kan tenkes å produsere elektrisk energi gjennom bioelektrokatalysert oksidering av glukose i en biobrenselcelle.<ref name="willner3">Willner I, "Biomaterials for Sensors, Fuel Cells, and Circuitry", Science, 20, 2407 - 2408, December 2002</ref> ]]

=== Biobrenselceller ===

Det er en drøm innen nanoverden å kunne lage stabile biobrenselceller som samtidig er effektive. Ved hjelp av hybrider av biomolekyler og nanopartikler kan man langt på vei løse biobrenselcellenes fundamentale problem: Å etablere god nok kontakt mellom de redoksaktive delene av biomolekylene og elektroniske komponenter som elektroder og transistorer. Redoksenzymer er et eksempel på en stor klasse av biokatalysatorer som utveksler elektroner ved oksidering og redusering av biologiske substrater, for eksempel Glukose, og å etablere kontakt mellom disse enzymene og elektroniske komponenter baner vei for biobrenselceller på nanoskala.<ref name="willner3">Willner I, "Biomaterials for Sensors, Fuel Cells, and Circuitry", Science, 20, 2407 - 2408, December 2002</ref>

=== Biosensorer ===
Artikklen [[Sensorer basert på sammenklumping av DNA-nanopartikler]] tar opp temaet Biosensorer, basert på DNA- og nanopartikkelhybrider.

== Relevante sider ==
*[[Nanolitografi]]
*[[Deponeringsteknikker]]
== Referanser ==
<references/>