Вирус нанотехнологии
Нанотехнология вируса - это использование вирусов в качестве источника наночастиц для биомедицинских целей. Вирусы состоят из генома и капсида ; и некоторые вирусы окутываются. Большинство вирусных капсидов измеряются от 20 до 500 нм диаметром . Из -за размеров их нанометра вирусы рассматривались в качестве природных наночастиц. Наночастицы вируса подвергаются дисциплинам нанонауки и наноинженерии. Вирусы можно рассматривать как сборные наночастицы . Многие различные вирусы были изучены для различных применений в нанотехнологиях : например, вирусы млекопитающих разрабатываются в качестве векторов для доставки генов, а бактериофаги и вирусы растений использовались при доставке лекарств и применениях визуализации , а также в вакцинах и иммунотерапии . [ 1 ]
Обзор
[ редактировать ]Нанотехнология вируса является одной из очень многообещающих и возникающих дисциплин в нанотехнологии. Высокометрисциплинарная область, вирусная нанотехнология занимает интерфейс между вирусологией, биотехнологией, химией и материаловедением. Поля используют вирусные наночастицы (VNP) и ее аналоги вирус-подобных наночастиц (VLP) для потенциальных применений в различных областях электроники, датчиков и наиболее значительно в клинической области. [ 2 ] VNP и VLP являются привлекательными строительными блоками по нескольким причинам. Обе частицы находятся в масштабе нанометра; Они монодисперс с высокой степенью симметрии и поливалентности; Они могут быть изготовлены с легкостью в больших масштабах; Они исключительно стабильны и надежны, и они биосовместимы, а в некоторых случаях перорально биодоступны. [ 3 ] Это «программируемые» единицы, которые могут быть модифицированы либо методами генетической модификации или химической биоконъюгации. [ 4 ] [ 5 ]
Что такое нанотехнология?
[ редактировать ]Нанотехнология-это манипуляция или самосборка отдельных атомов, молекул или молекулярных кластеров в структуры для создания материалов и устройств с новыми или совершенно разными свойствами. Нанотехнология может работать сверху вниз (что означает уменьшение размера наименьших структур на наноразмер) или снизу вверх (что включает в себя манипулирование индивидуальными атомами и молекулами в наноструктуры). Определение нанотехнологий основано на предварительном виде «нано» от греческого слова, означающего «карликовый». В более технических терминах слово «нано» означает 10 −9 , или один миллиард чего -то. Для значимого сравнения вирус составляет примерно 100 нанометров (нм) по размеру. Так что вирус также может назвать наночастица. Слово нанотехнология обычно используется при ссылке на материалы с размером от 0,1 до 100 нанометров, однако также присуще, что эти материалы должны отображать различные свойства из объемных (или микрометрических и более крупных) материалов в результате их размера. [ 2 ] Эти различия включают физическую прочность, химическую реактивность, электрическую проводимость, магнетизм и оптические эффекты.
Нанотехнология имеет почти безграничную череду применений в области биологии, биотехнологии и биомедицины. [ 6 ] Нанотехнология породила растущее чувство волнения из -за способности производить и использовать материалы, устройства и системы посредством контроля вещества по шкале нанометра (от 1 до 50 нм). Этот подход снизу вверх требует меньше материала и вызывает меньшее загрязнение. Нанотехнологии имели несколько коммерческих применений в области передовых лазерных технологий, твердых покрытий, фотографии, фармацевтических препаратов, печати, химической-механической полировки и косметики. [ 7 ] Вскоре будут более легкие автомобили с использованием армированных наночастиц полимеров, перорально применимых инсулина, искусственных суставов, изготовленных из наночастных материалов, и низкокалорийных продуктов с наночастными энхансерами вкуса. [ 8 ]
Вирусы как строительные блоки в нанотехнологии
[ редактировать ]Вирусы уже давно изучались как смертельные патогены, чтобы вызвать заболевание во всех живых формах. [ 9 ] К 1950 -м годам исследователи начали думать о вирусах как о инструментах в дополнение к патогенам. Геномы бактериофагов и компоненты механизма экспрессии белка широко используются в качестве инструментов для понимания фундаментального клеточного процесса. На основании этих исследований несколько вирусов использовались в качестве системы экспрессии в биотехнологии. Позже, в 1970 -х годах, вирусы используются в качестве вектора в пользу людей. [ 10 ] Поскольку часто вирусы используются в качестве векторов для генной терапии, контроля рака и контроля вредных или разрушительных организмов, как в сельском хозяйстве, так и в медицине. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]
В последнее время новый подход к эксплуатации вирусов и их капсидов для биотехнологии начал изменяться в направлении их использования для применения нанотехнологий. Исследователи Дуглас и Янг (Университет штата Монтана, Бозман, MT, USA) первыми рассматривали полезность вирусного капсида как наноматериал. [ 16 ] Они взяли вирус вируса вируса хлоротического вируса звена (CCMV) для своего исследования. CCMV показал высоко динамическую платформу с ионо -зависимыми pH и металлическими структурными переходами. Дуглас и Янг использовали эту капсидную динамику и обменялись естественным грузом (нуклеиновой кислотой) с помощью синтетических материалов. С тех пор многие материалы были инкапсулированы в CCMV и другие VNP. Примерно в то же время исследовательская группа во главе с Манном (Университет Бристоля, Великобритания), пионела новой области, используя частицы в форме стержня TMV (вирус табачной мозаики). Частицы использовались в качестве шаблонов для изготовления диапазона металлированных структур нанотрубок с использованием методов минерализации. [ 17 ] Частицы TMV также использовались для создания различных структур (нанотрубки и нанопроволок) для использования в батареях и устройствах хранения данных. [ 18 ] [ 19 ]
Вирусные капсиды вызвали большой интерес к области нанобиологии из-за их наноразмерных размеров, симметричной структурной организации, способности нагрузки, контролируемой самосборки и простоты модификации. Вирусы по сути являются естественными наноматериалами, способными к самосборке с высокой степенью точности. [ 4 ] Гибридные структуры вирусных капсид-наночастиц, которые сочетают в себе био-активативность вирусных капсидов с функциями наночастиц, представляют собой новый класс биоономатериалов, которые имеют много потенциальных применений в качестве терапевтических и диагностических векторов, агентов визуализации и продвинутых реакторов синтеза наноматериализации. [ 4 ]
Вирусы растений в нанотехнологиях
[ редактировать ]Системы на основе вирусов растений, в частности, являются одними из наиболее продвинутых и эксплуатируемых для их потенциального использования в качестве структурированных наноматериалов биоинтизиации и нано-ректоров. Наночастицы вируса растений неинфекционны к клеткам млекопитающих, также подтвержденных Raja Muthuramalingam et al. 2018. [ 20 ] Вирусы растений имеют размер, особенно подходящий для наноразмерных применений, и могут предложить несколько преимуществ. На самом деле, они являются структурно однородными, надежными, биоразлагаемыми и простыми в производстве. [ 4 ] Более того, многие являются примерами, касающимися функционализации наночастиц на основе вирусов растений с помощью модификации их внешней поверхности и загрузки молекул груза в их внутреннюю полость. Эта пластичность с точки зрения наночастиц инженерии является основой, на которой могут быть полностью эксплуатированы многовалентные, сдерживание полезной нагрузки и целевая доставка. [ 21 ]
Джордж П. Ломоносфофф написал в «Недавних достижениях в области вирусологии растений», Капсиды большинства вирусов растений являются простыми и надежными структурами, состоящими из нескольких копий одного или нескольких типов белковой субъединицы, расположенной с икосаэдрической или спиральной симметрией. Капсиды могут быть произведены в больших количествах либо инфекцией растений, либо экспрессией субъединицы (ов) в различных гетерологичных системах. В связи с их относительной простотой и простотой продукции частицы вируса растений или вирусные частицы (VLP) привлекли большой интерес за последние 20 лет для применения как в био-, так и в нанотехнологиях [Lomonossoff, 2011 [ 22 ] ] В результате частицы вируса растений подвергались как генетической, так и химической модификации, использовались для инкапсуляции постороннего материала и самих, были включены в супрамолекулярные структуры. Примечательно, что изучаемые вирусы растений не являются патогенами человека, которые не имеют естественной тенденции взаимодействия с рецепторами клеточной поверхности человека. [ 23 ] В последнее время, как сообщается, был использован патогенный вирус растения для синтеза наноматериалов благородных гибридных металлов, используемых в качестве биосемисемического института. [ 20 ]
Растительные вирусы
[ редактировать ]Вирусы вызывают несколько разрушительных заболеваний растений и несут ответственность за массовые потери в производстве и качеством сельскохозяйственных культур во всех частях мира. Инфицированные растения могут демонстрировать ряд симптомов в зависимости от заболевания, но часто существует тяжелое керлинг листьев, задержка (аномалии во всем растении) и пожелтения листьев (либо из всего листа, либо в схеме полос или пятен). [ 24 ] Следовательно, большинство вирусов растений передаются векторным организмом (насекомые, нематоды, плазмодиофориды и клещи), который питается растением или (при некоторых заболеваниях) вводится посредством ранов, полученных, например, во время методов сельского хозяйства (например, обрезка). Многие растительные вирусы, например, вирус табачной мозаики, использовались в качестве модельных систем, чтобы обеспечить базовое понимание того, как вирусы экспрессируют гены и реплицируются. Другие разрешили разъяснение процессов, лежащих в основе молчания РНК, в настоящее время признанное как основной эпигенетический механизм, лежащий в основе многочисленных областей биологии. [ 25 ]
Некоторые свойства вирусных наночастиц
[ редактировать ]- Вирусы растений бывают разных форм и размеров: например, вирус вируса растительного вируса табака (TMV) размером 300x18 нм; он образует полый стержень. [ 26 ] Вирус растений вирус картофеля x (PVX) образует гибкие нити 515x13 нм. [ 27 ] Следующие вирусы имеют икосаэдрическую симметрию и измерение между 25-30 нм: вирус вируса вируса вируса вируса вируса (CPMV), [ 28 ] Бактериофаг Qbeta и адено-ассоциированный вирус млекопитающих (AAV). [ 29 ]
- Это всего лишь некоторые примеры, много разных вирусов спроектированы и изучаются для их потенциальных применений в медицине, некоторые примеры вирусов растений включают вирус из каппии хлоротичный вирус пятна , некротический вирус красно -клеверного вируса, вирус Mosaic Physalis, вирус папайи мозаики .
- Вирусы растений и бактериофаги не инфекционны по отношению к млекопитающим. В отличие от вирусов млекопитающих, нет риска вирусной инфекции.
- вирусные частицы Можно продуцировать (VLP), которые не имеют вирусного генома; Эти VLP неинфекционны также по отношению к растениям и, таким образом, считаются безопасными также с сельскохозяйственной точки зрения. [ 5 ]
- Вирусы и их неинфекционные аналоги могут быть получены путем молекулярного сельского хозяйства в растениях или ферментации в клеточной культуре.
- Наночастицы на основе вирусов могут быть адаптированы для конкретных применений с использованием ряда подходов к химической биологии:
- Генетическая модификация может быть использована для модификации аминокислотной последовательности капсидного белка (также известного как белок Coat). [ 30 ]
- Химия биоконъюгата может быть использована для введения небиологических или биологических грузов. [ 31 ]
- Наконец, хотя часто показаны в виде жестких материалов, вирусы представляют собой динамические материалы, которые подвергаются отекам, и другие конформационные изменения, позволяющие внедрять или инкапсулировать груз в их вирусные капсиды. [ 32 ]
Технологии и изучаются технологии платформы вирусной платформы завода [ 1 ] включая:
- Вакцины : VLPS или VLPS или эпитоп платформы дисплея
- Иммунотерапия : вакцины на месте вакцины
- молекулярной визуализации Контрастные агенты
- Доставка лекарств : нацеливание как на здоровье человека, так и здоровье растений
- батареи Электроды
- Датчики приложения
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а беременный Вэнь, Эми М; Steinmetz, Nicole F (2016). «Дизайн наноматериалов на основе вирусов для медицины, биотехнологии и энергии» . Обзоры химического общества . 45 (15): 4074–126. doi : 10.1039/c5cs00287g . PMC 5068136 . PMID 27152673 .
- ^ Jump up to: а беременный Steinmetz, Nicole F (2010). «Вирусные наночастицы как платформы для терапии и устройств для изображений следующего поколения» . Наномедицина: нанотехнология, биология и медицина . 6 (5): 634–641. doi : 10.1016/j.nano.2010.04.005 . PMC 2948632 . PMID 20433947 .
- ^ Steinmetz, NF; Манчестер, М. (2011). Вирусные наночастицы: инструменты для материаловедения и биомедицины . Пан Стэнфорд. ISBN 978-981-4267-45-8 . [ страница необходима ]
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Кришнан, Катираван; Тангавелу, Раджа Мутурамалингам; Сундараджан, Дипан; Су, Мухаммед Рияз; Денисон, Майкл Иммануэль Дж. Эссе; Гунасекаран, Дхаранивасан; Ганапати, Раджендран; Duraisamy, Nallusamy (25 октября 2018 г.). «Разработка программируемых, самосборных капсидных белков из капсидных вирусных вирусных листьев в фарфоре (SLCCNV) в« Нано-карго », подобную архитектуре:« нанотолы »следующего поколения». ACS применял биологические материалы . 1 (5): 1741–1757. Doi : 10.1021/acsabm.8b00543 . PMID 34996223 . S2CID 91613162 .
- ^ Jump up to: а беременный Тангавелу, Раджа Мутурамалингам; Сундараджан, Дипан; Саваас Умар, Мохаммед Рияз; Денисон, Майкл Иммануэль Джесси; Гунасекаран, Дхаранивасан; Раджендран, Ганапати; Duraisamy, Nallusamy; Катираван, Кришнан (2018-11-02). «Разработка программируемых, самосборных капидных белков с капюсом из капитиза в виде листьев капиты в« нанокарго »в« нанокарго ». ACS применял биологические материалы . 1 (5): 1741–1757. Doi : 10.1021/acsabm.8b00543 . ISSN 2576-6422 . PMID 34996223 . S2CID 91613162 .
- ^ Раджа Мутурамалингам, Тангавелу; Шанмугам, Чандирасекар; Гунасекаран, Дхаранивасан; Duraisamy, Nallusamy; Нагапп, Раджендран; Кришнан, Катираван (2015). «Биоактивная желчная солевая наночастицы с серебром в отношении разрушительных растительных патогенных грибов через систему in vitro». RSC Advances . 5 (87): 71174. DOI : 10.1039/C5RA13306H .
- ^ Тангавелу, Раджа Мутурамалингам; Гунасекаран, Дхаранивасан; Джесси, Майкл Иммануэль; Су, Мухаммед Рияз; Сундараджан, Дипан; Кришнан, Катираван (2018). «Нанобиотехнологический подход с использованием гормонов укоренения растений синтезировал наночастицу серебра в качестве« нанобуллетов »для динамических применений в садоводстве - исследование in vitro и ex vitro» . Аравийский журнал химии . 11 : 48–61. doi : 10.1016/j.arabjc.2016.09.022 .
- ^ Луонг, Джон (2 февраля 2001 г.). «Карьера в нанобиотехнологии: нанонаук в биотехнологии» . Наука.
- ^ Борденав, Гай (2003). «Луи Пастер (1822–1895)». Микробы и инфекция . 5 (6): 553–60. doi : 10.1016/s1286-4579 (03) 00075-3 . PMID 12758285 .
- ^ Гофф, С. (1976). «Строительство гибридных вирусов, содержащих сегменты SV40 и $ lambda; Фаж -ДНК и их распространение в культивируемых клетках обезьян». Клетка . 9 (4): 695–705. doi : 10.1016/0092-8674 (76) 90133-1 . PMID 189942 . S2CID 41788896 .
- ^ Харпер, Дэвид Р. (2013). «Биологический контроль микроорганизмов». Эл . doi : 10.1002/9780470015902.a0000344.pub3 . ISBN 978-0-470-01590-2 Полем S2CID 83896359 .
- ^ Харпер, Дэвид Р; Норки, Бенджамин Х; Kutter, Elizabeth M (2014). «Бактериофаг: терапевтическое использование». Эл . doi : 10.1002/9780470015902.a0020000.pub2 . ISBN 978-0-470-01590-2 .
- ^ Häusler, Thomas (2006). Вирусы против супербогов: раствор кризиса антибиотиков? Полем ISBN 978-0-230-55228-9 . [ страница необходима ]
- ^ Лейси, Ла; Кая, HK (EDS) Полевое руководство по методам при патологии беспозвоночных: применение и оценка патогенов для контроля насекомых и других беспозвоночных вредителей. Springer, Нидерланды, 2007 . [ страница необходима ]
- ^ Templeton, NS (ed.) Ген и клеточная терапия: терапевтические механизмы и стратегии, 3 -е изд. CRC Press, Boca Raton, 2008 . [ страница необходима ]
- ^ Дуглас, Тревор; Янг, Марк (1998). «Инкапсуляция материалов -хозяина - гром -хозяина с помощью собранных вирусных белковых клеток». Природа . 393 (6681): 152–5. Bibcode : 1998natur.393..152d . doi : 10.1038/30211 . S2CID 205000305 .
- ^ Шентон, Уэйн; Дуглас, Тревор; Молодой, Марк; Стаббс, Джеральд; Манн, Стивен (1999). «Композиты неорганических нанотрубков из шаблона минерализации вируса табачной мозаики». Продвинутые материалы . 11 (3): 253. DOI : 10.1002/(SICI) 1521-4095 (199903) 11: 3 <253 :: AID-ADMA253> 3.0.CO; 2-7 .
- ^ Ли, Ю. Дж; Yi, h; Ким, W.-J; Кан, К; Юн Д. С; Страно М. С; Седер, G; Белчер, А. М. (2009). «Изготовление генетически спроектированных мощных литий-ионных батарей с использованием нескольких генов вируса» . Наука . 324 (5930): 1051–5. Bibcode : 2009Sci ... 324.1051L . doi : 10.1126/science.1171541 . PMID 19342549 . S2CID 32017913 .
- ^ Нам, К. Т; Ким Д. У; Yoo, P. J; Чиан, C. Y; Meethong, n; Хаммонд, П. Т; Чиан, Ю. М; Белчер, А. М. (2006). «Синтез с поддержкой вируса и сборка нанопроволоков для электродов литий-ионной батареи». Наука . 312 (5775): 885–8. Bibcode : 2006sci ... 312..885n . Citeseerx 10.1.1.395.4344 . doi : 10.1126/science.1122716 . PMID 16601154 . S2CID 5105315 .
- ^ Jump up to: а беременный Тангавелу, Раджа Мутурамалингам; Ганапати, Раджендран; Рамасами, Пандиан; Кришнан, Катираван (2020). «Изготовление гибридных наноматериалов вирусных металлов: идеальная ссылка для биопроводника» . Аравийский журнал химии . 13 : 2750–2765. Doi : 10.1016/j.arabjc.2018.07.006 .
- ^ Lico, c; Шуббен, а; Башиери, S; Blasi, P; Санти Л. (2013). «Наночастицы в биомедицине: новые идеи вирусов растений». Текущая лекарственная химия . 20 (28): 3471–87. doi : 10.2174/09298673113209990035 . PMID 23745557 .
- ^ Lomonossoff Virus Virus Partics и использование таких частиц в био- и нанотехнологиях. Кэрол Каранта, Мигель А. Аранда, Марк Тепфер и Лопес-Моя (Эд). Последние достижения в области вирусологии растений . 2011 , 363-379, Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-75-2 .
- ^ Блум, Эми Сухмахер; Сото, Карисса М; Уилсон, Чармейн Д; Коул, Джон Д; Ким, Луна; Гнаде, Брюс; Чаттерджи, Анжу; Ochoa, Wendy F; Лин, Тяньвей; Джонсон, Джон Э; Ратна, Б. Р. (2004). «Вирус мозаики вируса в качестве каркаса для трехмерного паттерна наночастиц золота». Нано буквы . 4 (5): 867. Bibcode : 2004nanol ... 4..867b . doi : 10.1021/nl0497474 .
- ^ Халл, Р. Сравнительная вирусология растений, второе издание, Academic Press, 2001 . ISBN 9780123741547 . [ страница необходима ]
- ^ Адамс, Майкл Дж; Antoniw, John F (2005). «DPVWEB: интернет -ресурс с открытым доступом по вирусам растений и болезням вируса». Образцы по борьбе с вредителями . 16 (6): 268. doi : 10.1564/16dec08 .
- ^ Pattanayek, R; Stubbs, G (1992). «Структура штамма U2 вируса табачной мозаики уточняется при 3,5 разрешении с использованием дифракции рентгеновского волокна». Журнал молекулярной биологии . 228 (2): 516–28. doi : 10.1016/0022-2836 (92) 90839-c . PMID 1453461 .
- ^ Кендалл, а; Макдональд, м; Bian, W; Боулз, т; Baumgarten, S. C; Ши, J; Стюарт, П. Л; Bullitt, E; Гор, D; Ирвинг, Т. С; Havens, W. M; Габриал, С. А; Уолл, J. S; Stubbs, G (2008). «Структура гибких нитевидных вирусов растений» . Журнал вирусологии . 82 (19): 9546–54. doi : 10.1128/jvi.00895-08 . PMC 2546986 . PMID 18667514 .
- ^ Лин, Тяньвей; Чен, Чжунгуа; Уша, Рамакриш; Чисточер, Синтия V; TOI, Джин-би; Шмид, Тим; Джонсон, Джон Э. (1999). «Остаток рефлексии вируса мозаики молики при разрешении 2,8 Å» . Вирусология . 265 (1): 20–34. DOO : 10.1006/viro.199.0038 . PMID 10603314 .
- ^ Лерч, Томас Ф; О'Доннелл, Джейсон К; Мейер, Нэнси Л; Се, Цин; Тейлор, Кеннет А; Стагг, Скотт М; Чепмен, Майкл С. (2012). «Структура AAV-DJ, вектор генной терапии ретаргии: криоэлектронная микроскопия при разрешении 4,5 Å» . Структура 20 (8): 1310–20. doi : 10.1016/j.str.2012.05.004 . PMC 3418430 . PMID 22727812 .
- ^ Ван, Q; Лин, Т; Джонсон, Дж. Э; Финн, М. Г. (2002). «Природные супрамолекулярные строительные блоки. Мутанты с добавлением цистеина вируса мозаики вируса вируса» . Химия и биология . 9 (7): 813–9. doi : 10.1016/s1074-5521 (02) 00166-7 . PMID 12144925 .
- ^ Поорски, Джонатан К; Steinmetz, Nicole F (2011). «Искусство инженерных наночастиц» . Молекулярная фармацевтика . 8 (1): 29–43. doi : 10.1021/mp100225y . PMC 3156490 . PMID 21047140 .
- ^ Солнце, J; Dufort, c; Даниэль, М.-С; Мурали, а; Чен, C; Гопинатх, К; Stein, B; De, m; Ротелло, В. М; Холценбург, а; Као, С. С; Dragnea, B (2007). «Контролируемый ядро полиморфизм в вирусных частицах» . Труды Национальной академии наук . 104 (4): 1354–9. Bibcode : 2007pnas..104.1354S . doi : 10.1073/pnas.0610542104 . PMC 1783121 . PMID 17227841 .