La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Nanobiotecnologie mineralogiche Giovanni Valdrè – Università di Bologna Workshop “Minerali e salute” Roma 14-15 Giugno 2007.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Nanobiotecnologie mineralogiche Giovanni Valdrè – Università di Bologna Workshop “Minerali e salute” Roma 14-15 Giugno 2007."— Transcript della presentazione:

1 Nanobiotecnologie mineralogiche Giovanni Valdrè – Università di Bologna Workshop “Minerali e salute” Roma Giugno 2007

2 INTRODUZIONE In un ampia varietà di applicazioni biotecnologiche, chimiche e nanoingegneristiche le reazioni hanno inizio da superfici. La combinazione delle biotecnologie con le scienze mineralogiche ha un gran potenziale per la generazione di substrati avanzati, la funzionalizzazione di nanoparticelle inorganiche per mezzo di componenti biologici ottimizzati dall’evoluzione (es. DNA come stampo per particelle legate a oligonucleotidi). Le proprietà elettrostatiche e topografiche delle superfici, delle macromolecole biologiche e relativi complessi possono essere usate per la sintesi e l’assemblaggio di componenti organici ed inorganici. Importanza dello studio del potenziale di superficie a livello nanometrico.

3 Imparando dalla natura La natura offre nanopotenziali minerali confinati “going back to nature” Substrati sintetici per nanobiotecnologie Substrati naturali?

4 Campi di applicazione dei substrati Patterning di biomolecole su superfici solide per lo sviluppo di: substrati per analisi enzimatiche massive interazione DNA-enzimi biosensori miniaturizzati ed integrati (sensoristica, manipolazione, catalisi) bioelettronica (nanoelettronica molecolare) organizzazione di nanoparticelle guidata da biomolecole (conducting nanowires and quantum dots devices) legame selettivo di materiali componenti.

5 Campi di applicazione dei substrati enzimatici Microbiologia: rilevazione contaminazioni microbiche di cibo, acqua potabile Diagnostica clinica: rilevazione livelli enzimatici dei fluidi corporei e relative condizioni cliniche del paziente Biologia molecolare: supporti per clonazione Dna

6 Esempi di substrati sintetici, patterning

7

8 50 nm DNA length: 1001 base pairs Guthold, M. et al. Biophys. J. 1999, 77(4) DNA sliding along RNA polymerase Beloin, C. et al., J. Biol. Chem. 2003, 278(7) DNA wrapping (nucleosome-like structure)

9 Substrati naturali Fillosilicati Studiati e osservati a livello nanometrico tramite AFM Simulato il potenziale elettrostatico tramite metodi numerici “multiphysics”

10 Nanotecnologie Microscopio a Forza Atomica laser nanopunta scanner amplificatori PC detector

11 Effetti della deposizione del DNA su substrati fillosilicatici atomicamente piani

12 DNA Importanza Biologica Trasporta l‘informazione genetica necessaria alla trasmissione dei caratteri ereditari. (Ma può essere anche un veicolo per il nanopatterning sui substrati)

13 Alcune forme di DNA S-DNA: B-form ds-DNA (double strand) sottoposto a tensioni > 65pN, si stira di 1.7 volte. Studio della transizione: B-DNA  S-DNA C. Bustamante et al., Ten years of tension: single-molecule DNA mechanics, Nature, Vol 421 (2003)

14 Deposito di DNA su altri fillosilicati e minerali a strati

15 TalcPyrophillite BruciteVermiculite

16 Chlorite

17 Chlorite 3D

18 Chlorite

19 DNA surface coverage SURFACE DNA % COVERAGE SURFACE RATIO TO MUSCOVITE DEPOSITED VOLUME (  m 3 )/  m 2 VOLUME RATIO TO MUSCOVITE Muscovite Muscovite 7 %120 · Biotite Biotite 42 %6147 · Phlogopite 41%6145 · Talc Talc 76 %11387 · Brucite Brucite 58 %8503 · Chlorite Chlorite 48 %7149 ·

20 DNA surface coverage

21 1.Tri-octahedral structures present higher DNA concentration, condensation and deposition capacity than Di-octahedral ones. 2.Tri-octahedral structures with a low mean layer charge have greater DNA affinity than high layer charge structures. 3.Some phyllosilicates (e.g., Chlorites, Vermiculites) can “order” or “nanopattern” DNA. PHENOMENOLOGICAL RULES

22 Studio della Clorite (Perché? Per le caratteristiche di anisotropia) piste nanoconfinate potenziale invertito alla superficie presenza di gradini subnanometrici

23 Clorite studiata Triclinic clinochlore crystal (Space Group C ī ; IIb-4 polytype) Bruker X8-Apex fully automated four-circle diffractometer Calculated formula [VI] (Mg Fe Ti Al Cr ) [IV] (Si Al )O 10 (OH 7.91 F ) Clinochlore according to Bayliss (1975) nomenclature tetrahedral sites filled with Si and Al (~25%), Fe 3+ (~ 0.3%) octahedral TOT filled with Mg octahedral brucite-like layer filled with Mg and Al (~25%), Fe 2+ (~3%) Ti, Cr, Mn found in octahedral sites WDS ARL-SEMQ Microprobe

24 After cleavage, chlorite presents simultaneously on the same specimen surface zones of brucite (B) and zones of siloxanes (S) with lateral sizes ranging from a few nanometer to microns. EFM allows us to measure the thickness of the brucite layers. S B S B Clinocloro: SUPERFICI, ENERGIA, POTENZIALE

25

26 Scansione 5x5  m, in Contact Mode in aria, di DNA (1 nM) su clinocloro. Le molecole di DNA si depositano esclusivamente sugli strati tipo brucite, ma realizzano dei ponti fra le piste.

27 DNA sullo strato positivo Disposizione “a ponte” con stretching del DNA Assenza di DNA sullo strato negativo Condensazione e conformazione del DNA su clorite

28

29 1m1m Condensazione e conformazione del DNA su clorite (osservazioni in liquido)

30 Misure e simulazioni teoriche dei potenziali nanoconfinati di superfici di minerali 1.Microscopia a Forza Atomica e sue derivazioni: a.EFM b.KPFM c.MF-EFM 2.Simulazioni numeriche multifisiche a.simulazione del potenziale di superficie (Maxwell’s laws) b.forze agenti sulla nanopunta (Maxwell Stress Tensor) c.deflessione elettro-meccanica (Maxwell Stress Tensor) d.forze di trazione sul DNA (Forza di volume elettrostatica)

31 Modalità di funzionamento: Microscopia a Forza Elettrica (EFM) Force Volume Teoria delle piccole oscillazioni: viene acquisita una matrice bi- dimensionale di Curve di Forza, rappresentanti la distribuzione 3D del campo elettrico sopra una superficie. una sonda ricoperta da un sottile film conduttivo viene fatta vibrare meccanicamente a z lift nm da una superficie. F E = k L  L  L = deflessione del cantilever Modalità Statica Modalità Dinamica Metodo a due passi (lift) A = A 0 cos(ω 0 t) vibrazione meccanica in lift Metodo a due passi (lift)

32 Microscopia a Sonda Kelvin (KPFM): V tip = V dc + V ac cos(ωt) una sonda ricoperta da un sottile film conduttivo viene eccitata elettricamente a z lift nm da una superficie. Metodo a due passi (lift) eccitazione elettrica

33 Modello Computazionale Accoppiamento elettro-meccanico: il Tensore delle Tensioni di Maxwell Utile per simulare la deflessione elettrostatica del cantilever e le forze elettrostatiche di trazione del DNA da parte dei nanogradienti di potenziale del clinocloro. Il primo termine è l’ordinaria forza di volume elettrostatica; il secondo termine rappresenta una forza presente quando un dielettrico inomogeneo è immerso in un campo elettrico; l’ultimo termine, noto come termine di elettrostrizione, da una forza di volume per un dielettrico in un campo elettrico non omogeneo. La forza per unità di volume che agisce su un corpo dielettrico quando è sotto l’influenza di un campo elettrostatico esterno è espressa da:

34 Osservazione della nanotopografia e del potenziale senza DNA Kelvin Probe topography potential


Scaricare ppt "Nanobiotecnologie mineralogiche Giovanni Valdrè – Università di Bologna Workshop “Minerali e salute” Roma 14-15 Giugno 2007."

Presentazioni simili


Annunci Google