Základní principy nanotechnologií (s ohledem na nanobio...) prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. Fakulta chemická, VUT v Brně

NANOTECHNOLOGIE NANO TECHNOLOGIE slova na úvod NANOTECHNOLOGIE NANO TECHNOLOGIE („řecký“ trpaslík)

kde leží svět malých rozměrů NANOmetr = 10–9 m

NANOTECHNOLOGIE = TECHNOLOGIE VE SVĚTĚ MALÝCH ROZMĚRŮ slovo na úvod NANOTECHNOLOGIE = TECHNOLOGIE VE SVĚTĚ MALÝCH ROZMĚRŮ

voda a svět malých rozměrů 0,275 nm

svět malých rozměrů

MAKRO = NANO =

• • •

staré vtipy? KOLOIDNÍ chemie

předchůdce a základ NANOTECHNOLOGIÍ staré vtipy? KOLOIDNÍ chemie jako předchůdce a základ NANOTECHNOLOGIÍ

koloidy jsou všude (1944)

další slovo KOLOIDNÍ 1861 Thomas Graham KOLLA řecky KLÍH

*21.12.1805 Glasgow †1869 Londýn fyzikální chemik širokého záběru: Thomas Graham *21.12.1805 Glasgow †1869 Londýn fyzikální chemik širokého záběru: • difúze plynů (Grahamův zákon) • absorpce plynů dřevěným uhlím • rozpustnost plynů • koloidy, emulze

• absorpce vodíku palladiem • falšování kávy rostlinnými příměsemi Thomas Graham • sloučeniny fosforu • polární záře • absorpce vodíku palladiem • falšování kávy rostlinnými příměsemi • produkce alkoholu při výrobě chleba

• zkoumání difúze přes pergamenovou membránu (dialýza) Thomas Graham a koloidy • zkoumání difúze přes pergamenovou membránu (dialýza) • roztoky klihu a podobných látek procházejí velmi pomalu • nejdou separovat filtrací ani gravitačním usazováním

• odlišují se od krystaloidů • velikost odhadl na nejvýše ca 1 μm Thomas Graham a koloidy • odlišují se od krystaloidů • velikost odhadl na nejvýše ca 1 μm • jsou to jako by dva odlišné světy hmoty • avšak není mezi nimi náhlý přechod a jasná hranice

mléko, majonézy, jogurty prací a čistící prostředky příklady koloidů inkousty, nátěry mléko, majonézy, jogurty prací a čistící prostředky aerosoly – barvy, léčiva pěny

biopolymery (v roztoku) bílkoviny, NK, polysacharidy koloidy & bio biopolymery (v roztoku) bílkoviny, NK, polysacharidy buňky a jejich membrány biotekutiny

koloidy & bio

Koloidy jsou typické dvěma základními charakteristikami: charakteristika koloidů Koloidy jsou typické dvěma základními charakteristikami: „dvoufázovostí“ velikostí (jedné z fází)

koloidní částice jsou rozptýleny (dispergovány) v disperzním prostředí charakteristika koloidů Dvoufázovost koloidní částice jsou rozptýleny (dispergovány) v disperzním prostředí prostředí částice

částice jsou koloidních rozměrů, tj. řádu nano až mikrometrů charakteristika koloidů Velikost částice jsou koloidních rozměrů, tj. řádu nano až mikrometrů

shluk molekul (atomů) makromolekula koloidní částice Co je tedy tak veliké, že může tvořit koloidní částici (nanočástici)? shluk molekul (atomů) makromolekula

suspenze emulze sol pěna aerosol pasta typy koloidů suspenze emulze sol pěna aerosol pasta

typy koloidů emulze l v l suspenze s v l pěna g v l nebo s

lyofilních a lyofobních koloidů typy koloidů a ještě něco poněkud historické ale užitečné rozlišení lyofilních a lyofobních koloidů • „koloidní“ roztoky • stálé • „násilná“ příprava • nestálé

Dva základní způsoby tvorby koloidů: vznik či příprava koloidů Dva základní způsoby tvorby koloidů: DISPERGACE KONDENZACE

Příklady: DISPERGACE KONDENZACE vznik či příprava koloidů Příklady: DISPERGACE KONDENZACE

• významný vliv (molekul) povrchu na vlastnosti čím jsou koloidy zvláštní • významný vliv (molekul) povrchu na vlastnosti • specifický typ kolektivního chování

• • •

jsou hlavním pojítkem s nanotechnologiemi koloidy a interakce Mezimolekulové interakce leží v základech vzniku koloidů i jejich vlastností a jsou hlavním pojítkem s nanotechnologiemi

CHEMICKÉ versus FYZIKÁLNÍ VAZBY interakce CHEMICKÉ versus FYZIKÁLNÍ VAZBY • silné • tvoří molekuly • slabé • mezi molekulami • může být velký počet

Možné interakce jsou dány stavebními kameny, mezimolekulové interakce – typy Možné interakce jsou dány stavebními kameny, které tvoří molekuly, to jest atomy, resp. jejich elektronovým obalem Struktura atomu určuje podstatu mezimolekulových interakcí

Mezimolekulové interakce (spolu)určují umístění* v prostoru, mezimolekulové interakce – podstata dopadu Mezimolekulové interakce (spolu)určují umístění* v prostoru, tedy strukturu koloidů (nanokoloidů) a její stabilitu *molekul, koloidních částic

podstata většiny interakcí spočívá v působení mezi náboji mezimolekulové interakce – přehled ATOM elektronový obal jádro + – podstata většiny interakcí spočívá v působení mezi náboji

Interakce mezi nabitými částicemi (multipól-multipól) mezimolekulové interakce – přehled Překryvové repulze Přenos náboje Interakce mezi nabitými částicemi (multipól-multipól) Interakce mezi permanentním a indukovaným multipólem Disperzní interakce

na jednom místě jen jedna molekula (atom) překryvové repulze na jednom místě jen jedna molekula (atom) energie ~ 1/rn

přenos náboje jedna molekula (donor) poskytne „přebytečné“ elektrony jiné molekule (akceptor), které se „nedostávají“ (volné páry O, N a σ* orbitaly N-H)

Multipól – něco, co má „multi“náboj interakce multipólové Multipól – něco, co má „multi“náboj Monopól – ion Dipól – molekula s oběma typy nábojů (+ a –)

+ • částice se stálým nábojem (ionty) interakce náboj-náboj • částice se stálým nábojem (ionty) • klasická elektrostatika (Coulomb) + r energie ~ 1/r

interakce náboj-dipól • částice se stálým nábojem (ion) a bez náboje, ale elektricky nevyvážená (polární) • klasická elektrostatika (+) (–) + r energie ~ 1/r2

• částice bez náboje, ale elektricky nevyvážené (polární) interakce dipól-dipól • částice bez náboje, ale elektricky nevyvážené (polární) • klasická elektrostatika (+) (–) (+) (–) r energie ~ 1/r3

+ • ion elektricky rozhodí původně nepolární molekulu = indukuje dipól interakce ion-indukovaný dipól • ion elektricky rozhodí původně nepolární molekulu = indukuje dipól • klasická elektrostatika (+) (–) + r energie ~ 1/r4

• dipól elektricky rozhodí původně nepolární molekulu = indukuje dipól interakce dipól-indukovaný dipól • dipól elektricky rozhodí původně nepolární molekulu = indukuje dipól • klasická elektrostatika (Debye) (+) (–) (+) (–) r energie ~ 1/r6

• slabé elektrostatické interakce „narušuje“ tepelný pohyb tepelný pohyb a interakce dipól-dipól • slabé elektrostatické interakce „narušuje“ tepelný pohyb • klasická elektrostatika + Brownův pohyb/Boltzmann • kompromis mezi náhodným a uspořádaným rozmístěním (Keesom) energie ~ 1/r6

• zvláštní případ elektrostatické interakce vodíkový můstek • zvláštní případ elektrostatické interakce • důsledek struktury vodíkového atomu:

• elektronová hustota vodíkového atomu je už tak nízká vodíkový můstek • elektronová hustota vodíkového atomu je už tak nízká • a vazba vodíku na atom jako je N, O, F ji ještě snižuje • překryvové repulze jsou oslabeny a jiné atomy se mohou přiblížit na ca 0,2 nm

vodíkový můstek • pak je možná silná elektrostatická interakce zejména s atomy s vysokou elektronovou hustotou (N, O, F) • která se vyznačuje i směrovostí O H

vodíkový můstek – směrovost součet dipolární elstatic.

• zásadní význam pro bio • H. CON vodíkový můstek • zásadní význam pro bio • H. CON • slabší než kovalentní, ale převáží tepelný pohyb  v bio stabilní • voda! + hydrofobní efekt • stabilizace biostruktur, molekulární rozpoznávání

• kvantově mechanická podstata • kvantová mechanika dipólu disperzní interakce • kvantově mechanická podstata • kvantová mechanika dipólu • ani u nepolárních molekul není náboj jádra atomu a jeho elektronů přesně a ve všech směrech vyvážen • struktura atomu tak zakládá existenci stálého, časově proměnného dipólu

disperzní interakce

• vždy a všude, přitažlivé disperzní interakce • vždy a všude, přitažlivé • např. příčina koheze kapalin, tuhých látek • aditivita, malá selektivita • London energie ~ 1/r6

Souhrnné označení pro „pánské“ interakce: van der Waalsovy síly Souhrnné označení pro „pánské“ interakce: • Debye + Keesom + London • přitažlivé síly

• koloidní částice jsou tvořeny mnoha molekulami interakce a koloidní částice • koloidní částice jsou tvořeny mnoha molekulami • i když stále výrazně menším počtem než tělesa makroskopická • mezimolekulové interakce se pak „v nich sčítají“

• sčítání mezimolekulových interakcí mění jejich dosah interakce a koloidní částice • sčítání mezimolekulových interakcí mění jejich dosah • např. disperzní interakce: MEZIMOLEKULOVÉ KOLOIDNÍ energie ~ 1/r6 energie ~ 1/r2

• koloidní částice mohou být nabité interakce, koloidy a elektrolyty • koloidní částice mohou být nabité • a podstatou (téměř všech) interakcí je elektrostatika • koloidní částice jsou rozptýleny v disperzním prostředí

• zejména pokud je polární, obsahuje elektrolyty (ionty) interakce, koloidy a elektrolyty • a disperzní prostředí může ovlivňovat elektrostatické pole kolem částic • zejména pokud je polární, obsahuje elektrolyty (ionty) • dielektrikum

interakce, koloidy a elektrolyty COULOMB    

• se ve vodném prostředí rozpadají na ionty interakce, koloidy a elektrolyty ELEKTROLYTY • se ve vodném prostředí rozpadají na ionty • které dále mohou interagovat s koloidními částicemi

interakce, koloidy a elektrolyty Např. NaCl +

•••

Asociativní koloidy jsou hlavní inspirací pro nanobiotechnologie základy asociace, agregace Asociativní koloidy jsou hlavní inspirací pro nanobiotechnologie Koloidní částice je vytvářena shlukováním molekul vyvolaným interakcemi (s prostředím i mezi oněmi molekulami)

základy asociace, agregace Ve vodném prostředí asociují molekuly, které obsahují souvislé hydrofobní části kompromis mezi fázovou separací a rozpuštěním

základy asociace, agregace Vzniká stabilní útvar – micela (koloidní částice) – uvnitř hydrofobní, na povrchu hydrofilní může a nemusí být kulová

Tvar určuje („geometrická“) struktura molekuly: tvar micely Tvar určuje („geometrická“) struktura molekuly: (délka, objem, plocha)

tvar micely ...takže koule:

další tvary agregátů Přehled:

dvojvrstvy, membrány Amfifily typu válečku dutina

Bio: hlavně fosfolipidy a glykolipidy... dvojvrstvy, membrány Bio: hlavně fosfolipidy a glykolipidy...

...ale také malá polární část dvojvrstvy, membrány ...ale také malá polární část monoglycerid nebo mastný alkohol či kombinace + a –

srovnání vlastností Vlastnost Micelární útvary Dvojvrstvy rozpustnost monomeru ca 10–2 mol/l 10–5 – 10–10 mol/l střední doba výměny monomeru 10–3 – 10–6 s 102 – 10–3 s střední doba života asociátu 10–1 – 10–3 s dny až roky směrovost struktury všechny směry rovnocenné podélná difúze rychlá, příčné překlápění pomalé charakter asociace dobře definované útvary při definované kritické koncentraci základní strukturní jednotka může tvořit různé výsledné útvary

Uspořádanost řetězců  (kapalně) krystalická struktura další vlastnosti dvojvrstev Uspořádanost řetězců  (kapalně) krystalická struktura

funkce biodvojvrstev • bariéra transportu (difúzi) malých molekul (ionty, cukry, metabolity) i makromolekul (nukleové kyseliny, bílkoviny, polysacharidy) • specifické prostředí pro rozpuštění speciálních biomolekul, zejména membránových bílkovin

• vnitřní organizace buněk (membrány organel uvnitř buněk) funkce biodvojvrstev • vnitřní organizace buněk (membrány organel uvnitř buněk) • difúze malých molekul ca 10 μm/s (ca rozměr buněk) • tloušťka membrány ca 3-4 nm potlačuje difúzi např. iontů

• 25-75% hmotnosti membrány bílkoviny a membrány Vzájemné interakce + + + + + • 25-75% hmotnosti membrány

• lipoproteiny a glykoproteiny • fixace struktury bílkoviny a membrány • lipoproteiny a glykoproteiny • fixace struktury • ochranná sacharidová vrstva (reakce cukrů s bílkovinami) • solubilizace enzymů

•••

NANOBIOTECHNOLOGIE ≈ inspirace přírodou a jejími koloidy/nanostrojky biotechnologie v nanoměřítku

Právě v každém pracuje ca 10 tisíc nano(bio)struktur... nano(bio)technologie – zvláštnosti Právě v každém pracuje ca 10 tisíc nano(bio)struktur... ... • Ani gravitace ani setrvačnost • Atomy! • Tepelný pohyb!! • Vyžadují vodné prostředí

Co potřebuje každá technologie? nano(bio)technologie – pilíře Co potřebuje každá technologie? • Základní stavební prvky (materiál, z čeho) • Postupy konstrukce, vytváření (jak) • Prostředky konstrukce (čím tvořit, spojovat, konstruovat) • Funkční principy (jak to bude pracovat) včetně regulace

Čtyři základní (molekulární) kameny: nanobiotechnologie – základní prvky Čtyři základní (molekulární) kameny: bio „nanostrojky“ Bílkoviny Nukleové kyseliny Lipidy Polysacharidy

• Univerzální strukturní prvek bílkoviny • Univerzální strukturní prvek • Tvoří nanostruktury, nanosenzory, „nanostrojky“ • Řetězce aminokyselin, poskládané do specifických struktur • Tuhá amidová vazba s planární konformací

bílkoviny • Dvě základní, stabilní konformace: α-šroubovice, β-plát s minimem překryvů a maximem H-vazeb mezi vystrčenými amidovými atomy • Rozmanitost bočních řetězců dělá z bílkovin strukturní materiál (glycin nemá = ohebný, prolin = tuhá smyčka, alanin = docela tuhý hydrofob)

• koncentrovaný koloidní roztok bílkoviny Vaječný bílek: • koncentrovaný koloidní roztok bílkoviny • viskózní charakter • zahřátím denaturuje (neprůhledný) • vysušením se získá ve vodě rozpustný prášek

• Mnohem ohebnější  mnohem více konformací nukleové kyseliny • Řetězce nukleotidů • Mnohem ohebnější  mnohem více konformací • Základem 4 chemicky podobné báze, ale liší se H-můstkovými interakcemi • Informační médium bionanoúrovně

• Vytvářejí infrastrukturu agregací malých molekul amfifilní struktury lipidy • Vytvářejí infrastrukturu agregací malých molekul amfifilní struktury • Membrány a globule • Neprostupné pro ionty a velké polární molekuly • Uhlíkaté molekuly, včetně ethanolu, pronikají snadno

• Specializované strukturní úkoly • Nejvíce molekulárně heterogenní polysacharidy • Specializované strukturní úkoly • Nejvíce molekulárně heterogenní • Široká variabilita struktur

• Vysoký obsah OH skupin polysacharidy • Vysoký obsah OH skupin • Mohou interagovat s vodou a oddělovat jednotlivé řetězce  gelovité struktury ochraňující buňky • Mohou propojovat jednotlivé řetězce a tvořit pevné struktury nebo zásobárny energie

• klasická chemická syntéza malých molekul (vitamín B12) nanobiotechnologie – konstrukční postupy 1. Kovalentní syntéza • klasická chemická syntéza malých molekul (vitamín B12) • rozmanitost výsledku (do ca stovek atomů)

2. Kovalentní polymerace nanobiotechnologie – konstrukční postupy 2. Kovalentní polymerace • spojování základní jednotky do lineárních nebo rozvětvených řetězců • mohou se tvořit obrovské, ale dané makromolekuly (PE, DNA) • enzymy umožňují jemné „biosyntézy“

3. Samoorganizující syntéza nanobiotechnologie – konstrukční postupy 3. Samoorganizující syntéza • spojování základní jednotky pomocí nekovalentních vazeb • např. kapalné krystaly nebo krystaly cukrů či bílkovin • např. micely nebo dvojvrstvy • oblíbená v současných nanotechno- logiích (nanokuličky, nanokompozity)

(3. samoorganizující syntéza) nanobiotechnologie – konstrukční postupy (3. samoorganizující syntéza) • výsledná struktura je energetické minimum interakcí • termodynamická stabilita (podmínky)

• termodynamické minimum nanobiotechnologie – konstrukční postupy 4. Samosložení • spontánní skládání molekul do strukturovaných, stabilních agregátů pojených nekovalentními vazbami • např. skládání proteinů nebo globulárních jednotek do definovaných řetězcových komplexů • termodynamické minimum

• neexistuje na makroúrovni (auto) nanobiotechnologie – konstrukční postupy (4. Samosložení) • neexistuje na makroúrovni (auto) • modularita (velké struktury z identických modulů) • jedinečné interakce mezi jednotkami (vyloučení nežádoucího „křížení“, např. vedlejší účinky „malých“ léčiv)

nanobiotechnologie – konstrukční postupy (4. Samosložení) • specifická geometrie interakcí, pomocí tvarování povrchu (struktury definované geometrie) • spontaneita (hledá termodynamické minimum, není nutná vnější informace, konstrukční plán)

(4. Samosložení - příklady) • nanotrubičky z cyklických peptidů nanobiotechnologie – konstrukční postupy (4. Samosložení - příklady) • nanotrubičky z cyklických peptidů • vodíkové vazby nad a pod kruhem

(4. Samosložení - příklady) nanobiotechnologie – konstrukční postupy (4. Samosložení - příklady) • kanál řízen počtem aminokyselin (8/0,45 nm; 10/0,9 nm) • hydrofobní/filní aminokyseliny regulují interakce s membránou – membránové rafty pomocí střídajících se pruhů

(4. Samosložení - příklady) • rotoxany nanobiotechnologie – konstrukční postupy (4. Samosložení - příklady) • rotoxany • nanopohyb řízený elektrostaticky zásaditý roztok kyselý roztok

• umožňujícím různé způsoby nevazebných interakcí s různou silou nanobiotechnologie – konstrukční prostředky • Organické molekuly jsou stavebním materiálem dodávajícím definovanou strukturu a geometrii kovalentními vazbami a • umožňujícím různé způsoby nevazebných interakcí s různou silou • Disperzní a repulzní interakce definují prostorové uspořádání molekul

nanobiotechnologie – konstrukční prostředky • Vodíkové můstky a elektrostatické interakce dodávají specificitu a stabilitu • Hydrofobní efekt stabilizuje kompaktní agregáty uhlíkových molekul ve vodném prostředí

• Informace uložena v DNA (výstavba bílkovin) – buňky nanobiotechnologie – funkční principy 1. Nanoinformatika • Každá technologie potřebuje informace řídící syntézu výsledného produktu z výchozích surovin • Informace uložena v DNA (výstavba bílkovin) – buňky • Nanostrojky pro ukládání, redigování, kopírování, opravu

• Síla (energie) usměrňující proces žádaným směrem nanobiotechnologie – funkční principy 2. Energetika • Síla (energie) usměrňující proces žádaným směrem a) Tvoření chemických vazeb – a rušení jiných – (chemická energie) b) Pohlcování světla – fotochemie, fotofyzika (světelná energie)

c) Spojení oddělených nábojů (elektrická energie) nanobiotechnologie – funkční principy (2. Energetika) c) Spojení oddělených nábojů (elektrická energie) • Makro – obvykle teplo ve velkém množství (spalovací motory) • Nano – teplo rychle rozptýleno, energie v malých dávkách

• Propojením dvou procesů – hnacího a hnaného (např. syntéza ATP) nanobiotechnologie – funkční principy (2. Energetika) • Propojením dvou procesů – hnacího a hnaného (např. syntéza ATP) • Žene buď „neochotnou“ chemickou reakci, nebo usměrněný pohyb  

(2. Energetika – ad chemická energie) nanobiotechnologie – funkční principy (2. Energetika – ad chemická energie) • ATP je oblíbená „palivová“ molekula • Nestabilní, oddělení fosfátu (P) je snadné, ale jeho vazba není „energetická konzerva“ • Energie je schována v celé sloučenině a její reakci – energie výchozích látek je vyšší než produktů

(2. Energetika – ad chemická energie) nanobiotechnologie – funkční principy (2. Energetika – ad chemická energie) • Ne pouhé štěpení vazby, ale její hydrolýza – vazby nejen zanikají, ale i vznikají, a tím se energie uvolňuje • Hydrolýza na ADP: Ao = 30 až 50 kJ/mol • fosforylace glukosy: Ao = –14 kJ/mol • Hlavní příčinou nižší energie produktů hydrolýzy je zřejmě jejich solvatace = hydratace; význam vody (dielektrikum)!!

• Bio – vysoká specificita  enzymy nanobiotechnologie – funkční principy 3. Chemické přeměny • Bio – vysoká specificita  enzymy Příklad – izomerasa TPI (triosa-fosfát) velký dimer identických jednotek substrát

(3. Chemické přeměny - příklad) nanobiotechnologie – funkční principy (3. Chemické přeměny - příklad) fosforečnan substrátu interaguje s aminokyselinami enzymu lysin stabilizuje přechodový stav reakce

(3. Chemické přeměny - příklad) podstata nanobiotechnologie – funkční principy (3. Chemické přeměny - příklad) podstata izomerace – přesun dvou vodíkových atomů

• Náhodný pohyb uprostřed interakcí nanobiotechnologie – funkční principy (3. Chemické přeměny) • Souhra, ne boj, mezi interakcemi a náhodným pohybem (konfigurací) – mezi entalpií a entropií   • Náhodný pohyb uprostřed interakcí

• Řízení a ovládání nanostrojků nanobiotechnologie – funkční principy 4. Regulace • Řízení a ovládání nanostrojků • Silou (dodávání/vypnutí energie), přepínáním (Zap/Vyp), fyzickou zábranou – podobně jako v makro- • Např. kovalentní modifikace nebo štěpení blokující vazby

•••

nakonec – příklady doprava

nakonec – příklady nanoelektronika

nakonec – příklady podnět senzorika

nakonec – příklady buňka = nanotovárna

DÍKY ZA... ...VYSLECHNUTÍ