Entidades Biológicas na Estabilização dos Nanomaterials

por Charusheela Rameteke

Charusheela Rameteke, Tapan Chakrabarti e Avatar Pandey da Ram, Divisão Ambiental da Biotecnologia, Instituto de Investigação Ambiental Nacional da Engenharia, Índia
Autor Correspondente: ra_pandey@neeri.res.in, charu.click@gmail.com

A síntese dos nanomaterials foi a área da importância máxima na comunidade da nanotecnologia devido a suas propriedades extraordinárias e às aplicações subjacentes.

Devido a uma procura crescente nos nanomaterials, pesquisadores estão tomando um interesse maciço na síntese dos nanomaterials assim como estão avaliando técnicas novas da síntese.

Embora um número de aproximações possam ser empregadas para a síntese dos nanomaterials (isto é químico, físico ou biológico), há uma necessidade evitável para o uso de estabilizar o agente durante o processo da síntese. A estabilidade e a homogeneidade Excelentes dos nanomaterials podem ser conseguidas com o uso de estabilizar agentes.

O Ácido Nucleico é uma macromolécula compor das correntes de nucleotides monomeric. Na bioquímica estas moléculas levam estruturas genéticas da informação ou do formulário dentro das pilhas. Os ácidos nucleicos os mais comuns são o ácido deoxyribonucleic (ADN) e ácido ribonucléico (o RNA)

O ácido Deoxyribonucleic (ADN) é um ácido nucleico que contenha as instruções genéticas usadas na revelação e no funcionamento de todos os organismos vivos conhecidos e de alguns vírus.

O ácido ribonucléico (RNA) é um tipo biològica importante de molécula que consiste em uma corrente longa de unidades do nucleotide. O RNA é muito similar ao ADN, mas difere em alguns detalhes estruturais importantes.

Há diversos procedimentos físico-químicos disponíveis para a estabilização dos nanomaterials que se operam através de um dos quatro princípios: estabilizações e estabilização electrostáticas, steric, electrosteric por uma ligante ou por um solvente1. Embora, os procedimentos físico-químicos para a estabilização dos nanomaterials sejam bem conhecidos, possuem uma desvantagem principal de ser custosos e perigosos para o ambiente enquanto envolvem o uso de produtos químicos e de práticas perigosos.

O uso de sistemas biológicos para a síntese dos nanomaterials foi relatado bem desde os tempos antigos2. O nanomaterial que sintetiza biocomponents tem uma vantagem adicionada de fornecer a estabilidade excelente ao nanomaterial que está sendo sintetizado. Apesar do facto de que os machineries e os mecanismos subjacentes para a síntese dos nanomaterials estiveram estudados extensivamente por pesquisadores, as entidades de estabilização nos protocolos da síntese do nanomaterial permanecem inexploradas.

Este artigo fornece uma vista geral introdutória na estabilização do nanomaterial por entidades biológicas. Segundo o local da estabilização, foram categorizados em dois grupos: entidades in vivo de estabilização e in vitro entidades de estabilização (Figura 1).

Figura 1: Entidades Biológicas na estabilização dos nanomaterials

In vitro Estabilização

Quando os nanomaterials são sintetizados na grande proximidade a todas as biosistemas, isto é bactérias, fungos, plantas ou seus extractos, a estabilização está classificada como in vitro a estabilização. A estabilização é conseguida através de uma única unidade de biomolécula que “tampões” o nanomaterial sintetizado. Biomoléculas tais como proteínas, peptides e uma classe especial de moléculas obrigatórias do metal referidas como os phytochelatins são usados para in vitro a estabilização de nanomaterials sintetizados.

Em caso da síntese bacteriana e fungosa dos nanoparticles, a estabilização foi atribuída às proteínas específicas encontrou intracellularly ou liberou-se no media extracellulary3,4. Após a síntese dos nanomaterials, estas proteínas de estabilização são supor para neutralizar as cargas sobre o nanomaterial metálico fornecendo o formulário apropriado do selo uma estrutura estável os nanomaterials.

Quando os nanomaterials são sintetizados na grande proximidade às bactérias e aos fungos, a estabilização está conseguida com o uso do proteínas específicas que é encontrado intracellularly ou liberado no media extracellulary3,4. Estas proteínas de estabilização neutralizam as cargas sobre o nanomaterial metálico depois que os nanomaterials foram sintetizados.

A interacção da proteína com metais diferentes foi bem documentado na literatura e o estudo completo de constantes críticas da estabilidade dos reagentes apoia encontrar que as proteínas são responsáveis para a estabilização dos nanomaterials. as ligações da Metal-Proteína fornecem a molécula mais estabilidade em relação ao seu de forma livre5. Ao comparar as constantes críticas da estabilidade com referência à estrutura proteinecious com amino o grupo livre do grupo, do sulfahydryl e do bissulfeto, as entidades com grupos aminados livres fornecem mais estabilidade à espécie do metal no nanoscale.

Em caso do fermento e das algas, a estabilização é causada por uma classe especial de peptides chamados phytochelatins6,7. Phytochelatins é analogues funcionais dos metallothiones que consistem em três ácidos aminados a saber glicina, cysteine e glutamina. A Estabilização é conseguida através do emperramento de íons do metal pela coordenação do thiolate para formar complexos do metal8.

Recentemente, relatou-se nas algas fotossintéticas, estabilização do nanoparticle foi conseguido pelo uso do siderophore, uma classe especial de moléculas que são segregadas pelas pilhas de algas em resposta à presença de ferro no media extracelular9. Na planta, os mecanismos da estabilização dos nanomaterials não são inclusivos conforme relatórios da literatura10. Contudo, Shankar e outros, (2004) sugeriu o flavanone e componentes terpenoid do caldo da folha para ser a superfície - moléculas activas que estabilizam os nanoparticles metálicos11. Em uma outra nota, como os phytochelatins que estão sendo encontrados principalmente nas plantas pode igualmente ser sugerido contribuir na estabilização dos nanomatrerials.

Todas estas entidades discutidas sob a categoria in vitro de estabilização podem ser extraídas dos sistemas biológicos e igualmente ser usadas in vivo para a estabilização dos nanomaterials12.

in vivo Estabilização

Esta categoria inclui aquelas biomoléculas que podem ser exploradas para a estabilização dos nanomaterials mas somente fora do sistema vivo. Estas entidades da biomolécula fornecem um molde do apoio para a estabilização dos nanomaterials. Conseqüentemente, pode igualmente ser considerada como a estabilização ajudada molde.

Vírus como o Molde

Vírus; para ser uns andaimes mais específicos, mais virais são usados como um molde na nucleação e no conjunto de materiais inorgánicos. Os andaimes Virais têm uma nano-estrutura muito organizada e os materiais encaged dentro da estrutura estão igualmente no nanoscale. Por exemplo, o vírus chorotic da mancha mosqueada da ervilha (CCMV) tem um escudo e um RNA da proteína em sua cavidade. Este RNA no núcleo pode ser removido e a cavidade criada pode ser usada para crescer nanocrystals. A carga formada dentro desta cavidade após a remoção do RNA é condução neutralizada à estabilização do material.

Adotando esta aproximação, relatou-se que CCMV estiveram usados para a formação de nanoparticles do polytungstate13. Igualmente, o vírus do mosaico da ervilha foi usado como gaiolas da nucleação para a mineralização de materiais inorgánicos e o vírus de mosaico de tabaco foi usado igualmente para a síntese e a estabilização de PbS e de Cd14. Neste caso, a substituição da carga foi seguida pela neutralização conseqüente da carga sobre o íon encavitated do metal.

Assassinos

Um Outro exemplo do molde ajudou a biomoléculas que desenhou muita atenção é camada de superfície da proteína da pilha ou os Assassinos, encontraram em muitas bactérias e em archaebacteria. Estes são os moldes orgânicos que permitem a síntese de superlattices inorgánicos do nanocrystalline com uma escala larga das dimensão das partículas (3-15 nanômetro no diâmetro), dos afastamentos interparticle (até 30 nanômetro) e das simetrias da estrutura (oblíquo, quadrado ou sextavado)15.

A proteína do Assassino manda uma propriedade extraordinária de remontar em uma estrutura hierárquica que forma uma camada quando posta em toda a carcaça e actua assim como um molde apropriado para a formação dos nanoparticles. Esta propriedade foi demonstrada bem no acidocaldarius de Sulfolobus da bactéria e em ureae acidofílicos de Sposarcina16.

As proteínas do Assassino das bactérias respectivas foram depositadas no apoio contínuo e expor então a uma solução de metal-sal. Isto conduz à formação de nanoparticles regularmente arranjados com propriedades incomuns, que diferiram dràstica daquela do material de maioria. Mais, pode-se esperar que, no futuro próximo, a alteração de proteínas do Assassino por tecnologias do DNA recombinante influenciará significativamente a revelação da pesquisa aplicada do Assassino15,17. No contexto da discussão acima, os Assassinos parecem fornecer um melhor molde para a estabilização dos nanomaterials.

Ferritin

Como mencionado mais cedo, uma proteína da origem mamífera, ferritin foi usada igualmente como um molde para a formação do nanomaterial. Tem sido usada previamente para a síntese assim como a estabilização do fosfato do ferro, do arseniato do ferro, do vanadate do ferro, do molibdato do ferro, do sulfureto de cádmio, e dos nanoparticles do selenito do zinco18-20. A Estabilização dos nanopartiles dentro da gaiola do ferritin é presumida igualmente ocorrer devido à distribuição de carga somente.

As computações Teóricas mostraram que o potencial da superfície exterior do ferritin é positivo líquido quando a superfície interna tiver uma carga líquida negativa. As superfícies internas e exteriores são conectadas pelos canais, que fornecem um trajecto para que os cations entrem a cavidade. Os Cations na cavidade podem então ligar à superfície interna. Os locais obrigatórios transformam-se núcleos para a cristalização, mas as extremidades da cristalização quando a cavidade é enchida com os cristais21.

Ácidos Nucleicos

Independentemente de todas as entidades de estabilização acima alistadas, há uma outra classe de macromoléculas que podem actuar como moldes para a estabilização dos naoparticles. O Único ADN encalhado e o duplex assim como RNAs do ADN com bases quimicamente alteradas podem ser usados ligando de nanoparticles functionalized.

A vantagem deste método é que os nanoparticles podem potencial ser colocados onde uma base alterada estão introduzidos durante a síntese do ADN. No ADN encalhado dobro, as bases são separadas por aproximadamente 0,34 nanômetros, permitindo a colocação das partículas com precisão secundária do nanômetro. Assim o regime das partículas é dependente somente do projecto do molde do ADN e do tamanho da partícula22.

As costas Projetadas do ADN podem actuar como um molde excelente desde que a distância intermolecular dos nanoparticles pode ser variada na vontade. Além Disso, a costa do ADN dois sintetizada pode ser juntada entre si para obter uma costa mais longa do ADN. Os Vários pesquisadores sucederam para estabilizar desse modo os nanoparticles em subsuperfícies do ADN23-26.

Da discussão acima em in vitro e in vivo pela estabilização das bio-entidades dos nanomaterials, pode-se concluir que a racionalidade da estabilização se encontra na carga total das moléculas de estabilização e no seu potencial na neutralização da carga eficaz. Conseqüentemente é necessário compreender a estrutura dos componentes do micro-organismo envolvidos em tampar dos metais e de seu regime espacial em torno do metal. As Investigações na natureza dos enlaces estabelecidos entre o metal e a entidade de estabilização igualmente servirão muito em compreender o mecanismo da estabilização.


Referências

1. Roucoux A, Schulz J e Patin H (2002) Reduziram colóides do metal de transição: Uma família nova de catalizadores reusáveis? Chem. Rev. 102:3757-3778.
2. 1981) Minerais de Lowenstam HA (formados por organismos. Ciência 211:1126-1131.
3. Ahmad A, Mukherjee P, Mandal D, Senapati S, Khan MI, Kumar R e Enzimas de Sastry M (2002) negociaram a síntese extracelular de nanoparticles pelo fungo, Fusarium oxysporum dos Cd. J Am Chem Soc 124:12108-12109.
4. Mukherjee P, SÉNIOR de Ahmad A, de Mandal D, de Senapati S, de Sainkar, Khan MI, Ramani R, Parischa R, Ajayakumar PICOVOLT, Alam M, Sastry M e Kumar R (2001b) Bioreduction dos íons pelo fungo, sp de AuCl4- de Verticillium. e surgir a caça com armadilhas dos nanoparticles do ouro formados. Angew Chem Int Ed 40:3585-3588.
5. Martell AE e constantes Críticas Vol da estabilidade de Smith RM (1974) Mim, Imprensa de Forro, New York & Londres, PP-469.
6. Gekeler W, Grade E, Winnacker E e Algas de Zenk MH (1988) confisca metais pesados através da síntese de complexos do phytochelatin. Archivves da microbiologia 159:197-202.
7. Dameron CT, Reese RN, Mehra RK, Kortan AR, Carroll PJ, Steigerwald ML, Brus LE e Biosínteses de Winge DR. (1989) de cristalites do semicondutor do quantum do sulfureto de cádmio. Natureza 338:596-597.
8. CS de Cobbett (2000) Phytochelatins e seus oles na desintoxicação do metal pesado. Planta Physiol, 123:825-832.
9. Brayner R, Yepremian C, Djediat C, Coradin T, Herbst F, Livage J, Fievet F e Sínteses Micro-organismo-Negociadas Fotossintéticas de Coute A (2009) de Akaganeite (ß-FeOOH) Nanorods.Langmuir, 25(17): 10062-10067.
10. Kumar V e Yadav SK (2009) Planta-Negociaram a síntese de nanoparticles da prata e do ouro e de suas aplicações. J Chem Technol Biotechnol 84:151-157.
11. 2004) sínteses Rápidas de Shankar SS, de Rai A, de Ahmad A e de Sastry M (do Au, do AG, e de nanoparticles biometallic do escudo de núcleo-AG do Au usando o caldo da folha de Neem (Azadirachta indica). Colóide e relação do J. Ciência 275:496-502.
12. Kumar SA, o INTERRUPTOR de Abyaneh MK, de Gosavi, Kulkarni SK, Pasricha R, Ahmad A e Nitratos de Khan MI (2007) reductase-negociaram a síntese dos nanoparticles de prata do AgNO3. Biotechnol Lett, 29:439-445.
13. Douglas T e capsulagem Nova do Anfitrião-Convidado de M (1998) dos materiais por gaiolas montadas da proteína do vírus. Natureza 393:152-155.
14. Xu W (2005) Biotemplates para o Seminário da Literatura da Síntese do Nanoparticle (acessível em linha em http://chemistry.illinois.edu/research/inorganic/seminar_abstracts/2005-2006/Xu.LitSeminar.pdf).
15. Sara M e proteínas do Assassino de Sleytr UB (2000) Minireview. J Bacteriol.182: 859-868.
16. Schuster B, PC de Gufler, Pum D e proteínas do Assassino de Sleytr UB (2004) como o andaime de apoio para as membranas funcionais do lipido. Transporte de IEEE Nanobioscience 3(1): 16-21
17. Pum D, Sleytr UB (1999) A aplicação de Assassinos bacterianos na nanotecnologia molecular. Tendências Biotechnol 17:8-12.
18. Iwahori K, Yoshizawa K, Muraoka M e Yamashita Mim (2005) Fabricações de nanoparticles de ZnSe na cavidade do apoferritin projetando um sistema de reacção química lento. Inorg. Chem 44:6393-6400.
19. Iwahori K e Yamashita Mim (2008) uma síntese Tamanho-Controladas do potenciômetro de nanoparticles fluorescentes do semicondutor do sulfureto de cádmio em uma cavidade do apoferitin. Nanotechnolgy 19:1-7.
20. Polanams J, Irradia fosfato De um ferro de D e de Watt R K (2005) Nanophase, arseniato do ferro, vanadate do ferro e minerais do molibdato do ferro sintetizados dentro da gaiola da proteína do ferritin. Inorg.Chem 44:3203-3209.
21. Douglas T e Ripoll DR. (1998) Calcularam inclinações electrostáticos no ferritin humano de recombinação da H-Corrente. Ciência 7:1083-1091 da Proteína.
22. Wells JC, KA de Stevenson, Muralidharan G, Thundat TG, Maya L e Conjuntos Programados de Barhen1 J. (2001) de Disposições do Quantum-Ponto em Moldes do ADN: Hardware para a Computação de Quantum? (acessível em linha em http://www.ornl.gov/~webworks/cppr/y2001/pres/110351.pdf)
23. Wong KKW e síntese de Mann S (1996) Biomimetic de nanocomposites do sulfureto-ferritin do cádmio. Adv. Mater. 8:928-932.
24. Yang J, Lee JY, Demasiado H, Comida G e Gan LM (2006) Escolhe a estabilização do ADN e o conjunto encalhados de nanoparticles do Au de tamanhos diferentes. Física Química 323:304-312.
25. O GP de Mitchell, Mirkin CA e Letsinger RL (1999) Programaram o conjunto de pontos functionalized ADN do quantum. J. Am. Chem. Soc 121:8122-8123.
26. Han G, Martin CT e Estabilidades de Rotello VM (2006) do ADN do nanoparticle-limite do ouro para agentes biológicos, físicos, e químicos. 67:78 do DES da Droga do Biol de Chem - 82.

Copyright AZoNano.com, Charusheela Rameteke (Instituto de Investigação Ambiental Nacional da Engenharia)

Date Added: Mar 23, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:48

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit