[發明專利]由囊泡-線結合體形成的生物模擬膜

有效

• 申請號: 200980148890.8
• 申請日: 2009-10-06
• 公開（公告）號: CN102238998A
• 公開（公告）日: 2011-11-09
• 發明（設計）人: C.D.蒙特馬格諾
• 申請（專利權）人: 阿夸茲有限公司
• 主分類號: B01D71/80
• 分類號: B01D71/80
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉鍇;林毅斌

發明背景

本發明涉及一種生產人造裝置的方法，該人造裝置具有生物膜和膜蛋白質的性能和功能，以及涉及這樣的裝置的結構。

生物膜蛋白質具有大的多種功能，包括充當泵、通道、閥門、能量轉化器、和機械、熱和電子傳感器等等。因為這些蛋白質是納米尺寸的和高效的，因此它們對于用于人造裝置中來說是非常吸引人的。但是，它們的天然脂質膜環境具有缺點例如低強度，需要含水環境，和易于化學或者細菌降解。

發明內容

簡而言之，在本發明的一方面，將天然或者遺傳工程化蛋白質加入到聚合物囊泡中，該囊泡結合到線上來形成囊泡-線結合體。該工程化蛋白質優選是一種植入到該聚合物囊泡壁中的跨膜蛋白質。該囊泡-線結合體然后形成具有廣泛多種固有功能性的膜或者薄織物，包括在流體之間選擇性傳輸和/或過濾化合物的能力。通過選擇具有特定性能的蛋白質，能夠制作具有規定功能性的膜，包括經由靜電力，電磁力和化學力的分子尺寸的尋址能力。

可以設計和制造本發明的囊泡-線結合體，以使得它們具有下面的期望性能：形成期望厚度的膜的能力；形成期望的化學組成的膜的能力；形成高強度膜的能力；和根據期望提高已經形成的膜的強度的能力。該囊泡-線結合體的一個最重要的性能是它們能夠包封處于功能態的天然生物膜蛋白質，和這些結合體對于通過將生物膜蛋白質插入該囊泡中來說是結實的和長壽命的，產生了具有該蛋白質的性能和功能的裝置。合適的囊泡應當充分的類似于天然脂質膜，來在它們正確定向時允許蛋白質容易的插入，并且不危及蛋白質的天然功能。滿足這些條件的囊泡優選是由脂化聚合物或者具有親水性外嵌段和疏水性內嵌段的一般性能的三嵌段共聚物形成的。

本發明的一方面涉及產生一種囊泡-線結合體，其中該囊泡包括兩種不同的蛋白質，它們在協同作用時產生了一種由光來產生電的裝置，“生物太陽能電池”。本發明的另一方面利用水傳輸蛋白質，這樣能夠凈化任意水源的水。這些方面的說明在下面給出。

隨著工藝革新產生的裝置小型化使其更小、更輕和更有效，但是用于這些裝置的功率源的進步并未進行的這樣快。二十一世紀的功率源面臨著這樣的挑戰，即，為越來越多數目的裝置提供能量，同時降低尺寸和重量。另外，納米工藝和生物工藝明日的產品將需要這樣的電源，其甚至不類似于今天所用的電源的形式或者功能。

這里迫切的需要一種更輕和更緊湊的電功率源來用于廣泛的多種新興應用。這樣的功率源將能夠具有比現代的電池工藝能夠實現的更大范圍的游戲目標，使得功率密度最大，進行給定功率需求所需的重量最小。重量需求是至關重要的，因為對于常規燃料源來說，該燃料源必須接近于所述裝置，并且如果是可移動的時，還要隨著該裝置傳輸。還可以發生燃料耗盡，因此必需更換供給。這會對用戶的范圍和移動性產生限制。

當代科學已經顯示出在納米生物工藝開發中所展示的令人激動的潛能。利用其中沒有原子浪費的部件的裝置的制造將允許最高水平的效率和小型化。雖然與功率源有關的最近的技術發展是有希望的，但是它們來自于現有工藝的逐漸發展。適于下一代裝置的理想的功率源將納米生物工藝用于它們的功能，并且還能夠以高性能水平為現代裝置提供能量。

僅僅最近開發第一臺納米生物工藝裝置所必需的工藝和知識才變得能夠實現，并且已經報到了由生物化學燃料ATP提供能量的納米尺寸有機/無機混雜裝置的工程化和構造(Soong，R.K.，Bachand，G.D.，Neves，H.P.，Olkhovets，A.G.，Craighead，H.G.，和Montemagno，C.D.(2000)，Science?290，第1555-1558頁)。用于這些裝置的ATP的產生以及這些裝置為其他機器提供功率的用途使得人們開始關注宏觀和納米尺寸之間的功率轉移以及不同類型能量的互相轉化。

在本發明的另一方面，不同功能性的其他蛋白質可以用于傳輸電子/質子，以便能夠轉換電能和化學能，并且充當了機械閥和傳感器。

在本發明一種優選的形式中，該膜被用于提供生物太陽能供能的材料和織物，其的組成為囊泡-線結合體，該結合體具有包括生物相容的聚合物膜的囊泡，該膜植入有兩種能量轉化蛋白質，細菌視紫紅質和細胞色素氧化酶，其將轉化光能為電能，并且將這種能量傳遞給外部負荷。使用薄的(小于1μm)聚合物膜以及功率源不需要攜帶燃料極大地重量節省。因此，可以開發一種系統，其能夠整合到衣物和大部分材料的表面中，這為效率等于或者大于太陽能電池能夠實現的效率的能源提供了有效的重量減少(小于1?kg/m²)。該生物太陽能功率材料因此形成了混雜的有機/無機功率源，其由光來獲得它的能量。