[发明专利]仿生膜

说明书

本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2003/019879，国际申请日为2003 年7月28日，进入中国国家阶段的申请号为03817994.6，名称为“仿生膜” 的发明专利申请的分案申请。

本申请要求提交于2002年7月29日的美国临时申请号60/398784和提交 于2003年1月9日的临时申请号60/438784的权利，这两项申请的内容纳入 本文作为参考。

技术领域

本发明涉及生产人造器件的方法，所述人造器件具有生物膜和膜蛋白的性 质和功能；还涉及这种器件的结构。

背景技术

生物膜蛋白具有各种各样的功能，包括作为泵、通道、阀、换能器和机械、 热及电传感器，等等。由于这些蛋白质尺寸是纳米级，而且效率高，所以它们 在用于人造器件方面颇具吸引力。但是，它们的天然脂质膜环境有缺点，如强 度低，需要水环境，对化学或微生物降解敏感。

发明内容

简言之，本发明一方面将天然或基因工程膜蛋白掺入嵌段共聚物基体，产 生具有各种遗传功能的膜，包括在流体之间选择性输运和/或滤过化合物的能 力。通过选择具有特定性质的蛋白质，可制成具有特定功能度的膜，包括通过 定向静电力、电磁力和化学力的分子标度寻址性。

可设计和产生本发明的嵌段共聚物，使它们按要求具有以下性质：形成具 有所需厚度的膜的能力；形成所需化学成分的膜的能力；形成高强度膜的能力； 按需要提高已经形成的膜的强度的能力。这些膜的最重要的性质之一是它们能 够容纳处于一种功能状态的天然生物膜蛋白，这些复合膜坚固且寿命长，因为 通过这种聚合物膜中插入生物膜蛋白，可以产生具有蛋白质的性质和功能的器 件。合适的聚合物只需形成这样的膜，即将膜蛋白分成上下两半，充分类似于 天然脂质膜，当它们适当定向时容易插入蛋白质，而且它们不兼顾蛋白质的天 然功能。满足这些条件的聚合物包括三嵌段共聚物，它们具有亲水外部嵌段和 疏水内部嵌段的一般性质。

本发明一方面涉及含有两种不同蛋白质的复合膜的产生，当一致作用时， 得到光生电的器件——“生物太阳能电池”。本发明另一方面利用水转运蛋白 使任意水源的水净化。以下将详细描述这些方面。

由于器件微型化方面的技术革新使电子器件更小、更轻和更高有效，但这 些器件所用电源方面的进展则相对缓慢。21世纪的电源面临给越来越多的器件 供能，但尺寸和重量要不断减小的挑战。此外，明天纳米技术和生物技术产品 对电源的要求在形式或功能上甚至不类似于今天使用的电源。

当前迫切需要更轻、更小型的电源，以满足条件不断出现的新应用的需求。 这种电源或许能比当代的电池技术实现更大范围的功能目标，使功率密度最 大，重量最轻，需要推行特定的电源要求。重量要求是关键的，因为对传统燃 料来源燃料来源必须靠近器件，如果可移动的话，还要运输器件。燃料还可能 耗尽，因此必需补充供给。这对使用者的范围和流动性造成一定限制。

当代科学表明，发展纳米生物技术具有激动人心的潜力。利用不浪费原子 的组分制造器件在效率和最高水平的微型化方面是有希望的。虽然是近有关电 源技术的进展令人振奋，但它们只是在现有技术得到递增的改进。理想地适合 下一代器件的电源将采用纳米技术增进它们的功能，也能够以最高水平的性能 驱动当前这一代器件。

仅最近才具备了开发第一个纳米生物技术器件所需要的技术和知识，已报 道由生化燃料ATP驱动纳米尺度有机/无机混合器件的工程和构造(Soong， R.K.，Bachand，G.D.，Neves，H.P.，Olkhovets，A.G.，Craighead，H.G.和 Montemagno，C.D.(2000)，Science，290，1555-1558页)。用于这些器件的 ATP的产生以及用这些器件驱动其他机械，在宏观尺度和纳米尺度之间能量的 转移以及不同类型的能量的互换方面引起兴趣。

在本发明的另一方面，具有不同功能度的其他蛋白质可用于输送电子/质 子，使电能和化学能转导，并且起机械阀和传感器的作用。