НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ДЕРЖАВНА УСТАНОВА ІНСТИТУТ ХАРЧОВОЇ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ДЕРЖАВНА УСТАНОВА “ІНСТИТУТ ХАРЧОВОЇ БІОТЕХНОЛОГІЇ ТА ГЕНОМІКИ НАН УКРАЇНИ” Біологічний синтез квантових точок Відділ геноміки та молекулярної біотехнології

Актуальність Активний розвиток нанотехнологічних підходів, що дозволяють створювати частинки розміром від 1 нм, які є важливими при діагностиці онкологічних захворювань, візуалізації внутрішньоклітинних структур та внутрішньоклітинних динамічних процесів, детектуванні окремих біомолекул (ДНК, білки) в клітині завдяки своїм специфічним оптичним властивостям. • Отримання квантових точок різного хімічного складу (Cd. S, Zn. S, Cd. Se) за допомогою біологічних систем. • Підбір оптимальних умов їх біосинтезу. • Фізико-хімічний аналіз отриманих квантових точок. • Показати можливість застосування синтезованих квантових точок у біологічних дослідженнях.

Структура квантових точок Квантова точка (КТ) – ділянка напівпровідника, в якій рух електронів просторово обмежений в трьох напрямках. Напівпровідникове ядро квантової точки утворене елементами II-VI або III-V груп періодичної системи, оточене оболонкою, яка складається з інших напівпровідникових матеріалів. Зазвичай квантова точка містить від 200 до 10 000 атомів та має діаметр в межах 2 -10 нм. До типових напівпровідникових нанокристалів відносять Zn. S, Cd. Se, Cd. Te та In. P, In. As. покриття з амфіфільних полімерів оболонка ядро

Основні оптичні властивості квантових точок 1. Широкі спектри поглинання 2. Випромінювання у вузькому діапазоні довжин хвиль 3. Високий рівень яскравості флуоресценції 4. Висока фотостабільність 5. Високий квантовий вихід люмінісценції Колір флуоресценції нанокристалу залежить від: - хімічного складу - особливостей поверхні - розміру, а саме, відносно великі квантові точки мають червоний спектр флуоресценції. У той же час, для менших нанокристалів спостерігається зелена та синя флуоресценція.

Методи синтезу КТ Хімічний синтез 1. Високотемпературний органометалевий синтез 2. Синтез у водних розчинах 3. Механохімічний синтез 4. Золь-гель метод: перехід від колоїдного розчину (золя) до колоїдного осаду (гелю) 5. Синтез під дією мікрохвильового опромінення 6. Ряд методів, основаних на різних варіантах видалення розчинника Фізичний синтез 1. Молекулярно-променева епітаксія 2. Газофазна епітаксія 3. Електронно-променева літографія

ТОФ - триоктилфосфин

Біологічні системи, що дозволяють отримувати КТ Бактерії та дріжджі Локалізація Clostridium thermoaceticum Cd. S Позаклітинна Candida glabrata Cd. S Внутрішньоклітинна Schizosaccharomyces Cd. S pombe Внутрішньоклітинна Escherichia coli Rhodopseudomonas palustris Rhodobacter sphaeroides Pseudomonas aeruginosa Cd. S; Cd. Te Внутрішньоклітинна Cd. S Внутрішньоклітинна Zn. S Позаклітинна Zn. S; Pb. S Внутрішньоклітинна Мікроводорості та гриби Phaeodactylum Cd. S tricornutum Cd. S; Fusarium Cd. Se oxysporum Локаліза ція Внутрішньо клітинна Позаклітин на

Переваги біологічного синтезу КТ 1. 2. 3. 4. Відсутність токсичних стабілізаторів Відсутність високих температур та тиску Екологічність КТ Значно менша коштовність синтезу Використання екологічних напівпровідникових нанокристалів може стати основою нових неруйнуючих методів візуалізації рецепторних молекул та маркерів захворювань, що дозволить не лише проводити їх детекцію, але й відслідковувати їх еволюцію та взаємодію у реальному часі. Використання напівпровідникових нанокристалів здатне забезпечити швидке визначення окремих біологічних молекул, що необхідно для розвитку медичної діагностики та розробки нових лікарських засобів.

Важливість використання квантових точок в біологічних та медичних дослідженнях Квантові точки у медицині Квантові точки у клітинній біології 1. Комплекс КТ з тубуліном – візуалізація перебудов мікротрубочок цитоскелету протягом клітинного поділу Діагностика онкологічних захворювань: Як контрастуючі речовини для магнітно-резонансної терапії та флуоресцентної томографії 2. КТ як маркери для дослідження внутрішньоклітинної поведінки молекул 3. КТ як ДНК-сенсори: дозволяють визначати позицію та орієнтацію окремих молекул ДНК в клітині Нанокристал квантової точки як біомаркер

Синтез квантум дот наночастинок за допомогою Pleurotus ostreatus (глива звичайна) А n Б В Рис. Міцелій гриба Pleurotus ostreatus, що росте на різних середовищах. А – вода, Б – 10 -3 M розчин Cd. SO 4, В – 10 -3 M розчин Cd. SO 4 із наступним додаванням еквімолярного розчину Na 2 S

А Б В К он тр ол ь З до да ва нн ям C d. S O 4 n Рис. Флуоресцентна мікроскопія міцелію Pleurotus ostreatus, що росте на середовищі із додаванням Cd. SO 4 та без нього (контроль). Діапазон довжин хвиль, нм (світлофільтри): А – біле світло (380 – 780 нм); Б – синє світло (440 – 485 нм); В – червоне світло (625 – 740 нм). 4 А, 5 Б, 6 В – на гіфах чітко візуалізуються пухирці.

n Спектр флуоресценції одного з розчинів, що містить Cd. S квантум дот частинки.

n Атомно-силова мікроскопія (AFM) наночастинок Cd. S

n TEM наночастинок Cd. S, отриманих за допомогою біологічних систем