Enumere 20 términos de biotecnología.
2. Ingeniería enzimática: por ejemplo, agregar proteasa a la carne de res pertenece a la industria alimentaria, y la ingeniería enzimática se usa ampliamente en la fermentación en industrias alimentarias a gran escala.
3. Ingeniería de fermentación: La expresión de esta tecnología es muy vaga, por lo que mucha gente la ha utilizado para decir que sus productos provienen de la biotecnología, lo cual es correcto. Podríamos decir que la producción de cerveza y salsa de soja es biotecnología, pero es una tecnología temprana. Hoy en día, muchos líquidos orales son producto de la tecnología de fermentación, por lo que el término utilizado es biotecnología.
4. Ingeniería genética: De hecho, muchas de las biotecnologías de las que hablamos ahora hacen referencia a la ingeniería genética. Si conoce este término, podrá distinguir entre biotecnología y bioingeniería. La bioingeniería se refiere principalmente a la ingeniería genética.
5. Ingeniería de proteínas: La ingeniería de proteínas es la segunda generación de la ingeniería genética. Las proteínas se transforman mediante ingeniería genética.
La nanobiotecnología es la fusión de la ingeniería y la biología molecular, y su aparición ha llevado al nacimiento de una nueva clase de equipos y sistemas de análisis bioquímicos multifuncionales. Estos dispositivos y sistemas tienen mayor sensibilidad y especificidad, y las velocidades de reconocimiento también son más rápidas.
La nanobiotecnología, como término recién acuñado, describe el resultado de la fusión de la ingeniería y la biología molecular, dos campos que originalmente coexistieron pero que estaban muy separados. Durante los últimos 60 años, los ingenieros han seguido reduciendo el tamaño de las estructuras de fabricación para crear chips electrónicos de densidad cada vez mayor. Si estas disciplinas se pueden combinar orgánicamente, nacerá un nuevo dispositivo y sistema multifuncional, que será superior a los métodos existentes en términos de sensibilidad, especificidad y eficiencia de reconocimiento y que podrá usarse para análisis biológicos y químicos.
En la actualidad, la nanotecnología ha mostrado algunas ventajas y también ha mostrado un valor de aplicación considerable en separación, secuenciación, detección, etc. Los nanomateriales como los nanotubos de carbono y los puntos cuánticos han avanzado mucho en el proceso de desarrollo, especialmente en la aplicación de nanomateriales al reconocimiento molecular. En este artículo, intentamos describir los contornos futuros de estas tecnologías emergentes y especular sobre sus aplicaciones en bioanálisis en función de su potencial existente.
Pruebas moleculares
La reforma en el campo de las pruebas moleculares tiene los siguientes objetivos. En primer lugar, y lo más notable, la atención actual suele centrarse en: ① ya no utilizar sitios de reconocimiento inmutables impresos en superficies sólidas para el análisis y el desarrollo gradual de tecnologías de reconocimiento molecular altamente diversificadas a través de análisis reconfigurables (2) el desarrollo de nuevas técnicas para; registrar y cuantificar eventos de unión específicos mediante mediciones electroquímicas o electrónicas y no requieren el uso de marcadores como óptimo. Para lograr estos arduos objetivos, los nanotúneles, nanoporos, puntos cuánticos, nanotubos, nanocables y nanocondensadores en nanoherramientas han demostrado una importancia y un valor cada vez mayores como posibles soluciones técnicas.
Múltiples etiquetas moleculares:
Puntos cuánticos, nanobarras y nanoprismas
Múltiples etiquetas de moléculas desconocidas (como diferentes fragmentos de ADN o proteínas) en una misma muestra. y el posterior reconocimiento de etiqueta a etiqueta en sistemas de flujo, brindan opciones atractivas para monitorear eventos de unión específicos en matrices fijas planas y detección de un solo color dependiente de la posición. Etiquetas muy diversas han evolucionado a partir de muchas otras tecnologías, basadas en tecnologías de códigos de barras como puntos cuánticos, metales y vidrio. El etiquetado de moléculas con puntos cuánticos ofrece varias ventajas sobre el etiquetado con fluoróforo estándar. El espectro de absorción de los puntos cuánticos (como los nanocristales semiconductores inorgánicos coloidales compuestos de un núcleo de CdSe y una capa de sulfuro de zinc) varía desde la región ultravioleta hasta la región de la luz visible. Su rango de espectro de absorción en la región de la luz visible depende del tamaño de la partícula (cuanto mayor sea el tamaño, mayor será la longitud de onda de la luz visible que puede absorberse) y la composición de su núcleo. La luz dispersada está limitada a una sección transversal muy estrecha (generalmente el ancho de la intensidad máxima es de 20 a 40 nm) y la longitud de onda en el centro de esta área depende del tamaño de la partícula. Los puntos cuánticos pueden excitarse con una sola longitud de onda de luz, produciendo luz policromática con poco fotoblanqueo. Se pueden distinguir miles de señales de etiquetas diferentes basándose en diferencias sutiles en el color, la intensidad y el ancho espectral de la luz dispersada. El grupo de investigación de Nie desarrolló microesferas compuestas con puntos cuánticos implantables y afirmó que su capacidad teórica de etiquetado diversificada alcanza 654,38+0 millones.
Las señales de puntos cuánticos pueden identificarse mediante métodos ópticos, pero Wang demostró recientemente que también pueden usarse para codificar en esquemas de detección electroquímica.
Los puntos cuánticos se pueden hacer solubles en agua en su forma de núcleo o cubierta incorporando una capa de sílice unida o conectores como ácido mercaptoico, ácido dihidrolipoico o ácido poliacrílico modificado, lo que permite la unión a macromoléculas y ligandos. Algunos han combinado con éxito puntos cuánticos con células marcadas y macromoléculas intracelulares, superando así algunas de las primeras dificultades técnicas, como la reproducibilidad de la fabricación, la extinción en solución, la adsorción y la degradación celular cuando se utilizan en células vivas. Hay otras preguntas que deben abordarse con respecto a los puntos cuánticos, incluido cómo acceder a los sitios objetivo dentro de intervalos celulares limitados o en complejos moleculares multicomponentes; su uso para medir la asociación y conformación molecular mediante aplicaciones de vida útil de fluorescencia o transferencia de energía vibratoria de fluorescencia; .
La buena noticia para la comunidad científica es que estos reactivos prometedores finalmente se han desarrollado y están disponibles comercialmente, acelerados por la introducción de núcleos y capas de puntos cuánticos opcionales. También esperamos que pronto se hagan realidad varias ideas para la detección de paso alto, análisis biológicos muy diversos y aplicaciones de puntos cuánticos en otros campos.
A medida que la tecnología de puntos cuánticos madura gradualmente, correspondiente a este tipo de etiqueta, otro desarrollo de la nanotecnología aparece gradualmente ante el público como un desafío. Por ejemplo, se ha comprobado que las nanobarras multimetálicas con escalas de códigos de barras pueden identificarse mediante un instrumento de medición de la reflectancia. Las nanobarras se fabrican mediante fotolitografía y luego se depositan diferentes tiras de metal (códigos de barras) en los poros de la película de óxido de aluminio (AiyOg) mediante galvanoplastia. El proceso de lectura posterior es mediante microscopía óptica. Este etiquetado con nanobarras se puede realizar simultáneamente con el etiquetado óptico porque no hay sospecha de interferencia mutua entre ellos, lo que aumenta aún más la capacidad de diversificación.
Otro atractivo de la diversidad de etiquetas proviene de la diversidad de formas de nanopartículas. Un ejemplo temprano en este campo son los nanoprismas (de 100 nm de longitud lateral) tejidos con plata. Las nanopartículas de esta forma interactúan con la luz de manera diferente a las partículas esféricas ordinarias, por lo que aparecen en diferentes colores. Esta diferencia proporciona la base para diversos análisis, porque aunque las nanopartículas utilizadas como etiquetas están todas hechas del mismo material, su identificación se basa en su forma especial, consiguiendo así señales ópticas diferentes y únicas.
Mejora de la sensibilidad de detección:
Usos de nanotubos y matrices de nanotubos
El potencial de una mayor sensibilidad en la identificación de eventos de hibridación de ADN puede provenir de los nanotubos de carbono (CNT). basada en ) tecnología que utiliza electrodos de tamaño nanométrico. Li et al. desarrollaron una tecnología de análisis de microarrays de ADN mediante el uso de nanotubos de carbono polimerizados de paredes múltiples (MW-CNT) para formar una matriz en una plantilla de nitruro de silicio mediante un crecimiento controlado de la densidad para construir una plataforma sensora. El extremo superior (abertura) del nanotubo sirve como nanoelectrodo, que se funcionaliza uniéndose a una sonda de ADN monocatenario (ssDNA). El ADN objetivo puede hibridarse con sondas de ADN monocatenario incorporadas en CNT conductores y, por lo tanto, puede detectarse mediante un método electroquímico basado en la reacción de oxidación de ornitina. Los autores demostraron que este método tiene una sensibilidad de detección ultraalta en el rango de concentración de attomol (10-18 mol), lo que idealmente reduce la relación señal-ruido (S:N) al tiempo que reduce el tamaño del electrodo. Para garantizar niveles de señal detectables y al mismo tiempo mantener esta relación señal-ruido ideal mejorada, se depositaron múltiples conjuntos de CNT en cada plataforma de detección.
En sus experimentos de detección electroquímica, Wang y Musamah utilizaron electrodos sintéticos que dispersaban nanotubos de carbono en una matriz de politetrafluoroetileno. Este material sintético combina las ventajas de los nanotubos de carbono y los grandes electrodos sintéticos para acelerar la transferencia de electrones y minimizar la contaminación de la superficie en la detección con amperímetro de glucosa y etanol.
Los nanotubos de carbono también se pueden utilizar como tubos estrechos en análisis basados en procesos. El chip contador Coulter desarrollado por Ito consta de una única capa de membrana que contiene un único túnel MW-CNT. La película se preparó anclando grupos epoxi que contenían túneles MW-CNT individuales a una estructura de soporte de polidimetilsilano (PDMS), lo que permitió medir el tamaño y la carga superficial de nanopartículas de poliestireno terminadas en grupos carboxilo. Este método de medición es adecuado para partículas entre 60 y 100 nm y tiene una alta relación señal-ruido.
Los nanotubos de carbono también se utilizan para completar imágenes de alta resolución de fragmentos de ADN en microscopía atómica (AFM).
El grupo de investigación de Lieber diseñó sondas de oligonucleótidos especiales para que sólo se unieran a fragmentos de ADNss perfectamente complementarios en condiciones de hibridación específicas. Incluso si hay una discrepancia de una sola base, la sonda no puede unirse. Luego utilizaron nanotubos de carbono de pared simple para lograr una detección diversa y de alta resolución de diferentes marcadores.
Uno de los retos que debe afrontar la tecnología de nanotubos es que debe permanecer a la vanguardia de este campo en rápida evolución. La estructura y propiedades de los nanotubos varían ampliamente e incluyen grupos de pared simple y de pared múltiple. Desde el descubrimiento independiente de los nanotubos de carbono, se ha formado gradualmente un campo completo y los materiales de los nanotubos también se han expandido a una amplia gama, incluidos el nitruro de boro (BN), el nitruro de galio (GaN), el carburo de boro (BC), Polímeros orgánicos, etc. La diversidad de los nanotubos se puede ampliar aún más mediante la funcionalización, uniendo diferentes tipos de moléculas y llenando los nanotubos con otras moléculas (como llenar los CNT con etiquetas de enzimas o usar CNT rellenos como etiquetas para anticuerpos). Una variedad tan amplia de tipos de nanotubos ciertamente ofrecerá un gran potencial para las herramientas de nanobiotecnología, al igual que la impresionante diversidad revelada en las aplicaciones actuales.
Nanodiagnóstico
En todas las áreas del diagnóstico, una capacidad crítica es la capacidad de analizar múltiples secuencias de nucleótidos simultáneamente y descubrir mutaciones de manera rápida y precisa. Algunos estudios han demostrado que las tecnologías basadas en nanopartículas pueden detectar con sensibilidad mutaciones en secuencias de ADN. Los primeros estudios demostraron que la identificación del ADN basada en el análisis de matrices se puede lograr mediante la hibridación de oligonucleótidos específicos de alelo, uniendo oligonucleótidos complementarios al ADN objetivo con nanopartículas de oro. El método de detección es un método de sinergia de plata, que deposita plata en la superficie de las nanopartículas para que el escáner pueda detectar la posición de las nanopartículas de oro en la matriz. Después del método de sinergia de plata, el tinte se adsorbe en la superficie de las nanopartículas a través de la conexión con el oligonucleótido, y también se puede utilizar la espectroscopía Raman de ganancia de superficie (SEES) para la detección. Los espectros Raman de diferentes tintes adsorbidos serán significativamente diferentes, lo que indica que se pueden escribir dos alelos diferentes simultáneamente en el mismo registro de matriz. Sin embargo, actualmente se necesita más trabajo de investigación en esta área para explorar todo su potencial en el análisis diverso de mutaciones genéticas en genomas con alta complejidad de secuencia.
También se implementa la detección de objetivos basada en proteínas comparativas (desde attomoles hasta fetotomoles). Se utilizó el análisis de códigos de barras biológicos de oligonucleótidos conjugados con nanopartículas para detectar el antígeno prostático específico (PSA) libre mediante el uso de partículas magnéticas recubiertas con anticuerpos monoclonales de PSA. El PSA es capturado por partículas magnéticas y reacciona con nanopartículas de oro recubiertas con una mezcla de anticuerpos policlonales de PSA y ADN con código de barras. El complejo sándwich de PSA se captura magnéticamente y se libera el código de barras de ADN que contiene. Después de que el ADN del código de barras se hibrida con la hebra complementaria, la matriz lo detecta y el oligonucleótido complementario utilizado en la detección se combina con las nanopartículas de oro. Antes de la detección de la matriz, también se realizó una reacción de amplificación de la señal de PCR intermedia, reduciendo así el límite de detección de PSA de 30 attomoles a 3 attomoles. El límite de detección inferior es seis órdenes de magnitud menor que el método de inmunoensayo PSA tradicional existente, pero este análisis requiere varios pasos y requiere mucho tiempo, y no es necesariamente necesario lograr un nivel de sensibilidad tan alto clínicamente. Sin embargo, también confirma el gran potencial de esta técnica analítica, mostrando su valor para proteínas emergentes y de baja abundancia que a menudo están involucradas en estudios proteómicos en curso.
Detección sin etiquetas: nanocondensador, nanoporo, nanotúnel, nanomaquinaria.
La mayoría de las técnicas de reconocimiento molecular se basan en el evento de unión y el posterior proceso de reconocimiento de diversas etiquetas ópticas, electroquímicas o magnéticas de las moléculas implicadas en el proceso de unión. Una mejora atractiva de este tipo de enfoque sería intentar eliminar el paso de etiquetado y, en su lugar, detectar cambios en las propiedades intrínsecas del analito en sí o cambios en la forma agregada de la molécula al unirse.
El grupo de investigación de Lee desarrolló un condensador nanogap (distancia entre electrodos de 50 nanómetros) utilizando tecnología de fotolitografía de silicio. La sonda SsDNA se fija en la superficie del electrodo. Las propiedades dieléctricas del ADNbc formado después de la hibridación de la sonda de ADNmc con su cadena objetivo son diferentes, por lo que la capacitancia de estos nanoespacios se puede distinguir mediante mediciones de capacitancia. Una perspectiva de aplicación inmediata de este enfoque es la medición simultánea capacitiva y sin etiquetas de ácidos nucleicos en la misma muestra utilizando grandes conjuntos bidimensionales de condensadores.
Las desviaciones nanomecánicas en brazos espirales de silicio micromecanizados también se utilizan para identificar la aparición de eventos moleculares como la hibridación del ADN y la unión de proteínas.
Para la hibridación de ADN de reconocimiento, el ADNss se inmoviliza en la superficie de los brazos helicoidales y luego se agrega el ADNss objetivo. Los brazos espirales funcionan como "balanzas" en miniatura cuyas desviaciones son proporcionales a la cantidad total de ADN objetivo hibridado. Esta pequeña desviación se mide mediante un dispositivo de detección óptica. Ampliar este enfoque para la identificación múltiple y la inhibición de la unión no específica sigue siendo una tarea desafiante. Pero el enfoque en sí es una clara demostración de cómo se pueden combinar orgánicamente complejas técnicas de microfabricación y métodos analíticos.
Se han construido dispositivos nanoporosos para interrogar inmunoensayos no etiquetados en partículas en sistemas de proceso. El equipo de Sohn utilizó la técnica Coulter para medir el tamaño de las partículas basándose en la "firma electrónica" de la partícula, que proviene de cómo se comporta la partícula cuando pasa a través de agujeros PDMS microfabricados. Estos chips nanoporosos se pueden detectar si un anticuerpo se une a un antígeno inmovilizado en la superficie de la partícula y el diámetro del complejo cambia.
Se recomienda que la secuenciación de fragmentos de ADNss se base en electroforesis para transferir hebras de ADN a través de poros individuales formados en membranas de nitruro de silicio o a través de poros hemolíticos formados en bicapas de fosfolípidos. En ambos casos, el diámetro de los poros debe ser inferior a 10 nm. Al medir el momento de paso a través del poro, se confirmó que los polinucleótidos individuales muestran una señal de "firma" única durante su paso a través del poro. El descubrimiento podría conducir eventualmente a un método rápido, directo y de bajo costo para analizar secuencias de ADN. Actualmente hay nanotúneles en etapa de investigación que pueden estirar moléculas de ADN y simplificar los pasos de la secuenciación del ADN. Las evaluaciones de las tasas de secuenciación utilizando tecnología de nanoporos han pasado de una estimación conservadora de 65.438+0.000 pb por segundo a una optimizada de 65.438+0.000 pb por segundo, que es significativamente mayor que la tasa diaria actual que utiliza secuenciadores tradicionales con una capacidad de secuenciación de 30.000 BP. Sin embargo, todavía hay un problema que debe resolverse en la tecnología de nanoporos, que es distinguir diferentes señales basándose únicamente en las diferencias entre secuencias. La tecnología debe perfeccionarse aún más para alcanzar el nivel de distinción de nucleótidos individuales.
También existen los alimentos modificados genéticamente, la clonación y la terapia génica.
Ya basta.