生物奈米技術

生物分子的自組裝 生物分子的自組裝 生物分子的自組裝

劉玉山 劉玉山

劉玉山

生物奈米技術

(Bionanotechnology)

‧定義—結合奈米科學和生物技術兩個領域 的研究工作

‧生物自組裝—蛋白質、核酸和其他生物分子

‧縮小化的微電子元件製法—

bottom down —傳統製程

bottom up —生命科學與材料科學的結合

生物模板(Biotemplate)

• 定義—選擇特定結構的生物組織和大分子為模板，

利用生物自組裝來產生整齊排列的奈米結構

• 種類—

類病毒膠囊(viroid capsules)和蛋白質囊(protein cages)

細胞表面層蛋白質(S-layer) 細胞骨架微管(microtubules) 病毒(virus)

DNA 分子

蛋白質囊(Protein cages)

• 蛋白質特性—尺寸小、能夠自組裝 可進行高效率能量轉移

• 生物礦化—利用蛋白質分子，容納無機材料

• 製程—利用蛋白質為模板，當其合成蛋白質無機 奈米粒子複合物時，再利用熱處理或 UV 照射除去蛋白質，以獲得高維的奈米結構

www.cmmr.uah.edu/protein/ graphics/ferritin.gif

鐵蛋白分子(ferritin molecule)

• 結構— 24 個多肽鏈所組成三維結構空心球殼

• 直徑—6 nm

• 特性—具有分離和貯存鐵等無機物的功能

可形成大面積二維結晶排列的奈米結構

• 產品—氧化錳、硫化鐵、

硫化鎘等奈米元件

‧優點—鐵蛋白的孔洞大小一定 製造出粒子大小一致

http://www.cdc.gov/hemochromatosis

細胞表面層蛋白質(S-layer)

• 分布—細菌細胞表面

• 結構—二維結構

• 大小—厚度 5-15 nm 孔洞 2-6 nm

• 特性—同一 S-layer 孔洞大小形狀一致 不同 S-layer 可以產生不同晶形

• 優點—S-layer 能在懸浮液、氣液介面、固態基板上 自組裝

http://academic.sun.ac.za/foodsci/S-layer.jpg S-layer 蛋白

細胞表面層蛋白質(S-layer)

圖片來源 http://www.foresight.org/Conferences/

TEM 下經過冷凍刻蝕處理的 細菌 S-layer呈六角形晶格狀

S-layer在不同環境下的自組裝

S-layer 實驗方法

‧研究者—New York 的 Sleytr 等(2000)

• 步驟— S-layer 在矽基板上自組裝成單層 使用 DUV 照射，經由光罩做光蝕刻 照射部分 S-layer去除，形成不同形狀 利用孔洞保留金屬鹽離子

還原劑或電子束還原形成金屬奈米粒子

S-layer 實驗方法

利用光罩做光蝕刻

構成許多不同形狀的S-layer ^{SEM 下}矽基板上製成的奈米元件

圖片來源 http://www.foresight.org/Conferences/

病毒(virus)

‧構造—蛋白質外鞘形成空腔，合成無機或有機材料

‧優點—可以形成更大範圍的尺寸和型態

‧常用材料—

小兒麻痺病毒(poliovirus 30nm)

http://www.panspermia.org http://oak.ppws.vt.eduTMV病毒(300nm) CCMV病毒

http://www.chem.ucla.edu

CCMV 病毒的利用

• 研究者—Douglas 1999

• 方法—以去除其 RNA的蛋白衣為生物模板

‧產品—V10O28^6-和H2W12O42^10-的奈米化合物

使用CCMV合成奈米化合物

http://www.chemistry.montana.edu CCMV 病毒

TMV病毒的利用

‧研究者—Mann 1996

• 構造—直徑18nm，長300nm，中空孔道4nm

• 優點—構造穩定，能承受高溫和不同pH值 合成 Pt, Au, 或 Ag等奈米管狀結構

http://www.cemes.fr 酸性環境下合成奈米管

中性環境下合成的奈米Ag 顆粒

DNA 模板

• 特性—DNA 分子具有特別的辨識能力 物理和化學性質的穩定性

DNA 具自組裝能力

• 應用—DNA骨架製造半導體等無機或有機化合物

• 核苷酸可與過渡金屬結合的部位—

磷酸基上帶負電的氧原子 核糖上的氫氧基

含氮鹽基上的氮原子

http://asm.wku.edu/pix/cells

DNA 模板的應用

• 研究者—Coffer 1996

• 材料—Plasmid DNA pUCLeu4，圓周1.17μ

• 方法—製造 Cd²⁺-DNA 錯合物 將此錯合物吸附於玻璃板上

通入H₂S 氣體，產生QCdS-DNA

• 奈米產品—QCdS-DNA 直徑約 5nm 生長沒有方向性

Q-CdS環的TEM圖

http://www.chemnet.com.tw

DNA模板的應用

• 研究者—Braun 1998， Richter 2001

• 材料—λ-DNA (雙股，寬 2 nm ，長16 μ)

• 方法—將 DNA 懸掛在100 nm 溝槽上 利用蒸氣法等礦化

合成 AuPd 奈米線

SEM 成像，導電性測量 http://www.physics.uiuc.edu DNA 懸掛在 100 nm 溝槽上

DNA合成奈米線

• 特性—連續的，不同覆蓋物的奈米線

• 大小—寬度小於 5nm〜30 nm 以上 最小厚度約 10 nm

AuPd sputtered on λ DNA

Osmium plasma coated on λ DNA http://www.physics.uiuc.edu

利用DNA組裝金粒子

• 研究者—Mirkin 1996

• 方法—

13 nm Au 粒子(暗紅色)

加入 修飾 thiol基的兩種不互補 DNA

Au 連接兩種不互補的DNA(形成兩種Au-DNA)

加入含單股黏性端且與兩 Au-DNA 互補的雙股DNA 產生Au 奈米結晶(紫色)

加熱至 80℃，DNA 脫離，溶液變回暗紅色(可逆反應)

利用DNA組裝金粒子

圖片來源 https://engineering.purdue.edu Mirkin 的實驗方法

TEM下自組裝的Au-DNA 晶體

當法拉第遇到了克里克…………

當材料科學碰到了分子生物學……

當DNA 與奈米金粒子開始攜手合作……

許多不可能的夢想終將實現…