用于生成具有人工代谢的动态材料的系统和方法技术方案

本公开涉及具有有序结构和人工代谢的动态材料的生成。本文所公开的方法允许通过同时结合不可逆合成(和任选地分解)和耗散组装过程，但以人工方式进行自主且动态生成具有结构层次的材料。作为示例性实施方式，已生成基于DNA的层次组装和合成(或“DASH”)材料。公开了用于生成所述材料的系统、装置、试剂和方法，以及本发明专利技术方法的额外应用。及本发明专利技术方法的额外应用。及本发明专利技术方法的额外应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生成具有人工代谢的动态材料的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2019年4月5日提交的美国临时申请第62/829,702号的优先权益，其全部内容以引用的方式并入本文中。
[0003]关于联邦资助的研究或开发的声明
[0004]本专利技术是在以美国国家科学基金会(National Science Foundation，NSF)授予的批准号EFRI
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1331583和SNM
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1530522的政府支持下进行的。政府享有本专利技术的某些权利。
[0005]以引用的方式并入序列表
[0006]ASCII文本文件形式的序列表名为37255PCT_7787_02_PC_SequenceListing.txt，大小为6KB，创建于2020年3月30日且通过EFS
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Web提交给美国专利商标局(United States Patent and Trademark Office)，以引用的方式并入本文中。

技术介绍

[0007]生命的特征特性，如生物体的动态自我生成，通过代谢维持。使用物质和能量通量，通过一系列生物反应从成分不可逆合成分子且随后将其进一步动态组装成大分子以及其它物质，产生生命材料的结构层次。尽管已报道通过生物工程来工程化动态材料各种方法，但尚未实现通过从头开始模拟代谢来构建材料。举例来说，工程化的活材料允许通过生命进行材料生成，但报道的方法依赖于外部活系统，如细胞来生成材料。类似地，其它动态生物材料，如活性细胞骨架，直接使用由生命设计的现有代谢。一般来说，尽管生物工程方法具有产生具有复杂活动行为的新颖动态生物材料的潜力，但当前方法构建在生命的现有代谢上且因此从根本上受其限制。各种化学方法，尤其耗散自组装，已允许使用化学反应从头开始构建动态材料。

技术实现思路

[0008]本公开涉及用于生成具有有序结构和人工代谢的动态材料的系统和方法。类似于自然界中发现的代谢，本文所公开的方法允许通过同时结合不可逆合成(和任选地分解)和耗散组装过程，但以人工方式进行自主且动态生成具有结构层次的材料。归因于合成与组装组合的自下而上设计，人工代谢使用分子和反应，例如生物分子和生物反应进行工程化，但不受生命自身限制的束缚。
[0009]为了说明本专利技术系统和方法，并且作为示例性实施方式，已使用中尺度方法以使用人工代谢从生物分子构建块产生动态材料，生成基于DNA的层次组装和合成(DNA
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based Assembly and Synthesis of Hierarchical，或“DASH”)材料(图1A)。类似于活生物体中的材料，由DASH生成的材料可通过合成代谢合成且组装成预编码图案。此外，通过整合合成代谢(生成)与分解代谢(退化)，生成的材料可响应于内置时空反馈通过以有序方式组合生成和退化两者自主退化，并且原位循环再生。已生成具有多种图案的DASH材料。另外，已生成显示类似于滑动模的突现“运动”行为的DASH材料。此外，还已生成具有显示突现竞速行为的两个运动主体的DASH材料。本文所公开的动态材料可用作支架以便进一步官能化以形成
混杂材料。在材料为DASH材料的实施方式中，材料可充当在无细胞环境(如无细胞蛋白质表达)中提供DNA功能的平台。此外，本文所公开的用于生成动态材料的本专利技术的系统和方法可应用于病原体检测。
[0010]在一个方面，本公开提供一种用于生成具有有序结构和人工代谢的材料的系统。所述系统包含装置和生成混合物，其中所述生成混合物是包含用于形成聚合物的成分的试剂，其中所述装置包含主室，其被设计为允许溶液的定向流通过其中，并且具有以预定图案隔开且具有允许在包含生成混合物的溶液的定向流中生成涡流的形状和大小的障碍物，以便引发和促进所述装置中合成的聚合物的组装，从而形成所述材料。
[0011]在一些实施方式中，装置呈流动池形式，并且主室包含至少一个入口和至少一个出口。可引导包含生成混合物的溶液从至少一个入口通过主室，即，通过障碍物之间的通道或空间流动到至少一个出口。在一些实施方式中，主室具有在微米范围内的尺寸，例如微流体室。在一些实施方式中，主室具有平面形状。
[0012]在一些实施方式中，除生成混合物和装置之外，系统进一步包含退化混合物，其中退化混合物包含解聚由生成混合物形成的聚合物的试剂。
[0013]在一些实施方式中，主室被设计为允许接收和引导包含生成混合物的溶液和包含退化混合物的溶液的流。在一些实施方式中，主室包含至少两个入口，其用于分开地输注包含生成混合物的溶液和包含退化混合物的溶液，以及至少一个出口，其中在溶液的定向流通过主室时，自主且组合地发生聚合物的合成和组装的过程以及聚合物退化的过程，引起具有有序结构和人工代谢的材料的形成。
[0014]在一些实施方式中，由本专利技术的系统生成的材料具有静态图案，其可采用任何形状和形式。在一些实施方式中，生成的材料具有移动图案，例如显示突现运动行为，或具有显示竞速行为的两个运动主体。
[0015]在一些实施方式中，装置包含多个主室，其扩增可生成的材料的图案类型。
[0016]在一些实施方式中，聚合物为DNA，并且生成的材料也称为DASH材料。在一些实施方式中，生成混合物包含脱氧核苷酸(dNTP)、模板核酸(DNA或RNA)、引物和DNA聚合酶。在一些实施方式中，引物和模板可在输注到主室中之前退火。在一些实施方式中，模板核酸为环状DNA。在一些实施方式中，模板核酸为在引物和连接酶存在下由线性DNA形成的环状DNA。在一些实施方式中，退化混合物包含脱氧核酸酶，包括例如核酸外切酶、核酸内切酶，或其组合。
[0017]在一些实施方式中，生成混合物包含产生有助于观察生成的材料的可检测信号(例如荧光)的试剂。
[0018]在另一方面，本公开提供一种用于生成具有有序结构和人工代谢的材料的方法。
[0019]在一些实施方式中，所述方法包括提供本文所描述的装置和生成混合物，将包含生成混合物的溶液供应到装置的主室中并且引导溶液的流通过主室，从而允许聚合物的合成和合成的聚合物的组装以形成材料。在一些实施方式中，所述方法利用呈流动池形式的装置，并且主室包含至少一个入口和至少一个出口。可引导包含生成混合物的溶液从至少一个入口通过主室，即，通过障碍物之间的通道或空间流动到至少一个出口。
[0020]在一些实施方式中，所述方法包括提供本文所描述的装置、生成混合物和退化混合物，将包含生成混合物的溶液和包含退化混合物的溶液供应到装置的主室中，并且引导
溶液的流通过主室，从而生成材料。在一些实施方式中，主室包含至少两个入口，其用于分开地输注包含生成混合物的溶液和包含退化混合物的溶液，以及至少一个出口，其中在溶液的定向流通过主室时，自主且组合地发生聚合物的合成和组装的过程以及聚合物退化的过程，引起具有有序结构和人工代谢的材料的形成。包含生成混合物的溶液和包含退化混合物的溶液可同时、依序或以预定次序输注到主室中。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于生成具有有序结构和人工代谢的材料的系统，其包含装置和生成混合物，其中所述生成混合物是包含用于形成聚合物的成分的试剂，并且其中所述装置包含主室，其被设计为允许溶液的定向流通过其中，所述主室包含障碍物以在包含所述生成混合物的溶液的定向流中引起涡流，以便引发和促进所述装置中合成的聚合物的组装以形成所述材料。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述主室包含至少一个入口和至少一个出口，以允许包含所述生成混合物的所述溶液通过所述至少一个入口输注到所述主室中，并且从所述至少一个入口通过所述主室流动到所述至少一个出口。3.根据权利要求1或2所述的系统，其进一步包含退化混合物，所述退化混合物包含用于解聚所述聚合物的试剂。4.根据权利要求3所述的系统，其中所述主室包含至少两个入口，其用于分开地输注包含生成混合物的溶液和退化混合物的溶液。5.根据权利要求3所述的系统，其中所述主室包含三个入口，其中中间入口用于输注包含生成混合物的溶液，并且其中两个外侧入口用于输注包含退化混合物的溶液。6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述装置包含多个主室。7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中所述材料具有静态图案。8.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中所述材料具有移动图案。9.根据权利要求8所述的系统，其中所述图案是运动行为，或两个运动主体之间的竞速行为。10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中所述聚合物为DNA。11.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中所述聚合物为RNA。12.根据权利要求10所述的系统，其中所述生成混合物包含dNTP、模板核酸、引物和DNA聚合酶。13.根据权利要求12所述的系统，其中所述引物和所述模板核酸在供应到所述主室之前退火。14.根据权利要求12或13所述的系统，其中所述模板核酸为环状DNA。15.根据权利要求12至14中任一项所述的系统，其中所述DNA聚合酶为Phi29 DNA聚合酶。16.根据权利要求10至15中任一项所述的系统，其中所述退化混合物包含一种或多种核酸酶。17.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述生成混合物包含产生可检测信号的试剂。18.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述聚合物为DNA，并且所述生成混合物包含(i)dNTP、模板核酸和DNA聚合酶，(ii)dNTP、引物和DNA聚合酶，或(iii)dNTP、模板DNA、引物、DNA聚合酶和连接酶。19.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述主室具有至少基本上平面的形状。20.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述主室沿定向流的方向具有微米
至毫米范围的尺寸。21.一种用于生成具有有序结构和人工代谢的材料的方法，其包括提供装置和生成混合物，其中所述生成混合物是包含用于形成聚合物的成分的试剂，并且其中所述装置包含主室，其被设计为允许溶液的定向流通过其中，所述主室包含障碍物以在溶液的定向流中引起涡流；以及将包含所述生成混合物的溶液供应到所述主室中并且引导所述溶液的流通过所述主室，从而允许聚合物的合成和合成的聚合物的组装以形成所述材料。22.根据权利要求21所述的方法，其中所述主室包含至少一个入口和至少一个出口，其中包含所述生成混合物的所述溶液通过所述至少一个入口输注到所述主室中，并且被引导以从所述至少一个入口通过所述主室流动到所述至少一个出口。23.一种用于生成具有有序结构和人工代谢的材料的方法，其包括提供装置、生成混合物和退化混合物，其中所述生成混合物是包含用于形成聚合物的成分的试剂，并且所述退化混合物包含用于解聚所述聚合物的成分，并且其中所述装置包含主室，其被设计为允许溶液的定向流通过其中，并且具有以预定图案隔开且具有允许在溶液的定向流中生成涡流的形状和大小的障碍物；以及将包含所述生成混合物的溶液和包含所述退化混合物的溶液供应到所述装置的所述主室中，并且引导所述溶液的流通过所述主室以允许自主且组合地发生聚合物的合成和组装的过程和聚合物退化的过程，从而形成所述材料。24.根据权利要求23所述的方法，其中所述主室包含至少两个入口，其用于分开地输注包含生成混合物的所述溶液和包含退化混合物的所述溶液。25.根据权利要求24所述的方法，其中所述主室包含三个入口，其中中间入口用于输注包含生成混合物的溶液，并且其中两个外侧入口用于输注包含退化混合物的溶液。26.根据权利要求24或25所述的方法，其中将包含所述生成混合物的所述溶液和包含所述退化混合物的所述溶液同时、依序或以预定次序输注到所述主室中。27.根据权利要求21至26中任一项所述的方法，其进一步包括观测生成的所述材料的图...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：康奈尔大学，
类型：发明
国别省市：