可调控分子马达微动力生物传感器制造技术

本发明专利技术属于纳米器件动力引擎的纳米生物传感器领域，更具体地涉及一种可调控分子马达微动力生物传感器。另外，本发明专利技术还涉及该可调控分子马达微动力生物传感器在生物大分子、病毒分子等的检测中的应用。本发明专利技术用荧光探针作为分子马达旋转的灵敏信号传感器，并利用抗体技术实现对分子马达旋转的调控。本发明专利技术提供的分子马达微动力生物传感器具有灵敏度高、可调控等优点，有望发展成新一代微动力分子传感器，有极其广泛的应用和巨大的经济与社会效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米器件动力引擎的纳米生物传感器领域，更具体地涉及一种可调控分子马达微动力生物传感器。另外，本专利技术还涉及该可调控分子马达微动力生物传感器在生物大分子、病毒分子等的检测中的应用。
技术介绍
无论电子器件的发展、化学反应机理的研究还是对生命过程的认识，当今科学技术已全面进入微纳尺度时代，奇特功能的分子马达是新型的纳米机械材料等新技术的生长点，生物马达-纳米器件的动力引擎，纳米器件要投入实用，离不开能量的传递，也就是说需要分子数量级的微小马达。有些技术革命是以新发现的能量-机械功转化的方式为标志，例如蒸汽机的专利技术驱动了工业革命。分子马达(纳米马达)这一最新发现的能量转化技术，勿庸置疑地将会驱动一场不亚于工业革命的另一场革命-纳米器件革命，从而将人类带入一个崭新的纪元。现阶段合成纳米马达刚刚处于雏形，所以目前人类还没有能力制造纳米引擎。但是大自然已经给我们提供了能够高效率地执行特定功能的生物纳米马达。生物马达产生动力的机理研究是当今科学研究最激动人心的领域。生物膜中的F-ATP酶分子马达是多亚基复合物(如图1)，膜区部分的基本组成为a∶b∶c＝1∶2∶10~12，称为F0-ATP酶；F1在膜区外与F0相偶联，称F1-ATP酶；F1-ATP酶分子马达的组成α∶β∶γ∶δ∶ε＝3∶3∶1∶1∶1。F0F1-ATP酶当质子从膜内向膜外流动时通过F0-C环旋转启动F1的γ亚基顺时针方向而旋转运动，并在F1部分的三个催化位点上将ADP和无机磷合成ATP；反之，当F1水解时，α3β3驱动α3β3γ、ε和c环的F0，偶联启动反时针方向旋转，将质子从细胞膜外向细胞膜内转运，因此F0F1-ATP酶是一对互为可逆分子机器。在生理条件下，F0F1-ATP酶在线粒体内主要进行氧化磷酸化，在光合菌中进行光合磷酸化，分别将电子能(或光能)转化成质子梯度差，驱动ATP合成(Trends in Biochemical Sciences，卷27，2002，154-160)。自1997年日本科学家公开世界上最小、最快、效率最高的旋转马达之后，世界上已有多个实验室重复和发展了分子马达的研究成果(J.Biol.Chem.，276，1665-1668，2001)。上述研究用荧光标记的蛋白微丝(大约1-2μM长度)连接到分子马达的γ亚基上，在荧光显微镜直接观察分子马达的旋转。但由于蛋白微丝(大约1-2μM长度)对于10nm的分子马达来说显然是很大的负荷，检测的灵敏度低，且不可调控。因此，尽管分子马达具有重要的应用前景，但是存在两个关健问题(1)缺乏对分子马达的调控技术；(2)不能灵敏地将分子马达旋转的信号传递出来。这限制了分子马达研究和应用领域的发展。
技术实现思路
针对上述研究背景，本专利技术人深入研究，用荧光探针作为分子马达旋转的灵敏信号传感器，在不需要外接很重的负荷下就可以方便地获得分子马达的旋转信号，并利用抗体技术实现对分子马达旋转功能的调控，和作为生物微动力传感器件的应用。因此，本专利技术的一个目的是提供一种可调控分子马达作为微动力生物传感器件(如图2)，其包含以下部分(1)旋转马达F0F1-ATP酶，如图2中的3和4所示；(2)光能转换装置光反应中心与复合物(RC)和泛醌，如图2中的9所示；(3)电子转换装置与光能转换装置为同一体系，如图2中的11所示，例如以复合物(Chromatophores)为例，其本身含有直径为大约30-60nm的双层磷脂酶体，内有一个F0F1-ATP酶，6-11个RC光能转换复合物；(4)信号分子输出装置是由光激发与发射装置(如图2中的10所示)和荧光探针(如图2中的5所示)组成；(5)能源系统由水，ATP，ADP，无机磷，和可见光组成(如图2中的12所示)；(6)保护层双层脂膜作位内膜的功能性的保护层(如图2中的6所示)；(7)支架材料和双层脂膜的固定材料分别如图2中的7和8所示。在本专利技术的一个优选实施方案中，上述荧光探针是位于膜外侧的Lipids-荧光素(DHPE，(Flurescein(N-(fluorescein-5-thiocarbamoyl)-1，2-dihexadecanoyl-sn-glycero-3-phosphosphoethanolamine，triethyl-ammonium salt)(Molecular Probes公司，美国，F362)。Lipids-荧光素可以特异性地标记到细胞膜外侧，其对环境pH变化极其敏感(Biocheim，biophys，Acta 939，289，17，J.phys Chem.81，1755(1977))。当标记在细胞膜外侧时，ATP酶水解导致F1-ATP马达逆时针旋转，同时将质子向细胞膜内转运，使胞外的pH值上升，在光激发下Lipids-荧光素的荧光信号增加。反之，荧光素荧光信号降低。在本专利技术的另一个优选实施方案中，上述荧光探针是位于膜内侧的荧光素(Molecular Probes公司，美国，F1300，fluorescein)。当将荧光素特异性地标记在细胞膜内侧时，分子马达旋转水解导致质子向细胞膜内转运，使胞内的pH值降低；反之当ATP合成时，质子向细胞膜外转运，使胞内的pH值升高，同样可以得到类似的结果。因此用该细胞膜单向pH值荧光探针技术可以将荧光强度与分子马达的旋转(或称质子转移能力)直接相关(如图3所示)。在本专利技术的一个实施方案中，分子马达旋转是由ATP水解驱动的。在本专利技术的另一个实施方案中，分子马达旋转是由能转换的跨膜电化学电位差驱动的。所述跨膜电化学电位差是由光能或化学能转换的。在本专利技术的另一个实施方案中，通过将F0F1-ATP酶的β亚基与该β亚基的抗体(第一抗体)结合，和备选地进一步与第二抗体(特异性识别第一抗体的IgG)结合来调控分子马达的旋转速度。本专利技术还提供上述可调控分子马达微动力生物传感器在生物大分子、病毒分子等的检测中的应用，其中(1)将按照权利要求1-7中任何一项的分子马达微动力生物传感器与生物大分子、病毒分子特异性抗原的抗体结合；(2)将(1)中获得的分子马达微动力生物传感器与待测样品接触；(3)比较(2)中获得的分子马达微动力生物传感器和未与待测样品接触的分子马达微动力生物传感器在光激发下的荧光强度。在本专利技术的一个实施方案中，所述分子马达微动力生物传感器是通过β亚基抗体-生物素-链酶抗生物素-生物素与生物大分子、病毒分子特异性抗原的抗体结合。本专利技术提供的分子马达微动力生物传感器具有灵敏度高、可调控等优点，在经过适当修饰后(如结合生物大分子、病毒分子特异性抗原的抗体)，可以在单分子水平上检测目标生物大分子或病毒分子等。本专利技术的分子马达微动力生物传感器有望发展成新一代微动力单分子传感器，将使生物传感器的功能材料、纳米器件的制造技术水平跃上一个新台阶，并推动生物芯片、生物医药、环境、国防、能源、信息等众多领域的革命性进步，有极其广泛的应用和巨大的经济与社会效益。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细描述，但不应理解为是对本专利技术进行限定。图1是F0F1-ATP分子马达的主要组成；图2是本专利技术分子马达微动力生物传感器的示意图(1待测的样品(抗原)；2β亚基抗体；3F1-ATP马达；4F0-ATP马达；5信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可调控分子马达微动力生物传感器，其包含以下部分：（１）旋转马达：Ｆ↓［０］Ｆ↓［１］－ＡＴＰ酶；（２）光能转换装置：光反应中心与复合物（ＲＣ）和泛醌；（３）电子转换装置：与光能转换装置为同一体系；（４）信 号分子输出装置：由光激发与发射装置和荧光探针组成；（５）能源系统：由水，ＡＴＰ，ＡＤＰ，无机磷，和可见光组成；（６）保护层：双层脂膜作位内膜的保护层；（７）支架材料和双层脂膜的固定材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：乐加昌，
申请(专利权)人：中国科学院生物物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]