專利名稱：仿生膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生產(chǎn)人造器件的方法，所述人造器件具有生物膜和膜蛋白的性 質(zhì)和功能；還涉及這種器件的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
生物膜蛋白具有各種各樣的功能，包括作為泵、通道、閥、換能器和機(jī)械、 熱及電傳感器，等等。由于這些蛋白質(zhì)尺寸是納米級，而且效率高，所以它們 在用于人造器件方面頗具吸引力。但是，它們的天然脂質(zhì)膜環(huán)境有缺點，如強(qiáng) 度低，需要水環(huán)境，對化學(xué)或微生物降解敏感。

發(fā)明內(nèi)容
簡言之，本發(fā)明一方面將天然或基因工程膜蛋白摻入嵌段共聚物基體，產(chǎn) 生具有各種遺傳功能的膜，包括在流體之間選擇性輸運和/或濾過化合物的能 力。通過選擇具有特定性質(zhì)的蛋白質(zhì)，可制成具有特定功能度的膜，包括通過 定向靜電力、電磁力和化學(xué)力的分子標(biāo)度尋址性。
可設(shè)計和產(chǎn)生本發(fā)明的嵌段共聚物，使它們按要求具有以下性質(zhì)形成具
有所需厚度的膜的能力；形成所需化學(xué)成分的膜的能力；形成高強(qiáng)度膜的能力； 按需要提高已經(jīng)形成的膜的強(qiáng)度的能力。這些膜的最重要的性質(zhì)之一是它們能 夠容納處于一種功能狀態(tài)的天然生物膜蛋白，這些復(fù)合膜堅固且壽命長，因為通過這種聚合物膜中插入生物膜蛋白，可以產(chǎn)生具有蛋白質(zhì)的性質(zhì)和功能的器 件。合適的聚合物只需形成這樣的膜，即將膜蛋白分成上下兩半，充分類似于 天然脂質(zhì)膜，當(dāng)它們適當(dāng)定向時容易插入蛋白質(zhì)，而且它們不兼顧蛋白質(zhì)的天 然功能。滿足這些條件的聚合物包括三嵌段共聚物，它們具有親水外部嵌段和 疏水內(nèi)部嵌段的一般性質(zhì)。
本發(fā)明一方面涉及含有兩種不同蛋白質(zhì)的復(fù)合膜的產(chǎn)生，當(dāng)一致作用時， 得到光生電的器件一一 "生物太陽能電池"。本發(fā)明另一方面利用水轉(zhuǎn)運蛋白 使任意水源的水凈化。以下將詳細(xì)描述這些方面。
由于器件微型化方面的技術(shù)革新使電子器件更小、更輕和更高有效，但這 些器件所用電源方面的進(jìn)展則相對緩慢。21世紀(jì)的電源面臨給越來越多的器件 供能，但尺寸和重量要不斷減小的挑戰(zhàn)。此外，明天納米技術(shù)和生物技術(shù)產(chǎn)品 對電源的要求在形式或功能上甚至不類似于今天使用的電源。
當(dāng)前迫切需要更輕、更小型的電源，以滿足條件不斷出現(xiàn)的新應(yīng)用的需求。 這種電源或許能比當(dāng)代的電池技術(shù)實現(xiàn)更大范圍的功能目標(biāo)，使功率密度最 大，重量最輕，需要推行特定的電源要求。重量要求是關(guān)鍵的，因為對傳統(tǒng)燃 料來源燃料來源必須靠近器件，如果可移動的話，還要運輸器件。燃料還可能 耗盡，因此必需補(bǔ)充供給。這對使用者的范圍和流動性造成一定限制。
當(dāng)代科學(xué)表明，發(fā)展納米生物技術(shù)具有激動人心的潛力。利用不浪費原子 的組分制造器件在效率和最高水平的微型化方面是有希望的。雖然是近有關(guān)電 源技術(shù)的進(jìn)展令人振奮，但它們只是在現(xiàn)有技術(shù)得到遞增的改進(jìn)。理想地適合 下一代器件的電源將采用納米技術(shù)增進(jìn)它們的功能，也能夠以最高水平的性能 驅(qū)動當(dāng)前這一代器件。
僅最近才具備了開發(fā)第一個納米生物技術(shù)器件所需要的技術(shù)和知識，已報 道由生化燃料ATP驅(qū)動納米尺度有機(jī)/無機(jī)混合器件的工程和構(gòu)造(Soong， R. K. ， Bachand， G. D. ， Neves, H. P. ， Olkhovets， A. G. ， Craighead, H. G.禾口 Monteraagno, C. D. (2000), Science, 290, 1555-1558頁)。用于這些器件的 ATP的產(chǎn)生以及用這些器件驅(qū)動其他機(jī)械，在宏觀尺度和納米尺度之間能量的 轉(zhuǎn)移以及不同類型的能量的互換方面引起興趣。
在本發(fā)明的另一方面，具有不同功能度的其他蛋白質(zhì)可用于輸送電子/質(zhì) 子，使電能和化學(xué)能轉(zhuǎn)導(dǎo)，并且起機(jī)械閥和傳感器的作用。
在本發(fā)明優(yōu)選實施方式中，可用膜提供生物太陽能材料和織物，它由薄織物構(gòu)成，其中摻有具有生物相容性聚合物膜，所述聚合物膜包埋了兩種能量轉(zhuǎn) 換蛋白質(zhì)，細(xì)菌紫紅質(zhì)和細(xì)胞色素氧化酶，它們能將光能轉(zhuǎn)化為電能，并將此 能量傳遞到外負(fù)載。由于使用薄(小于lurn)聚合物膜，以及不需要攜帶具有 電源的燃料，所以大大省去了重量。因此，可以開發(fā)一種系統(tǒng)，可將它整合入 布料和多數(shù)材料的表面，提供重量輕(小于lkg/m2)的能源，其效率等于或大
于用太陽能電池所達(dá)到的效率。這樣，生物太陽能材料形成了混合有機(jī)/無機(jī) 電源，它可從光獲取能量。
本發(fā)明工藝涉及一種薄織物的生產(chǎn)，該織物由包埋兩種能量轉(zhuǎn)換蛋白質(zhì)， 細(xì)菌紫紅質(zhì)和細(xì)胞色素氧化酶的生物相容性聚合物膜組成，它們能將光能轉(zhuǎn)換 為電能并將此能量傳遞到外負(fù)載。經(jīng)過數(shù)百萬年的自然選擇，已經(jīng)分離和優(yōu)化 了這些蛋白質(zhì)，能將光和電能轉(zhuǎn)換為電化學(xué)能。裝入器件，它們能不確定地提 供有用量的電力，并且足夠輕、小型、和穩(wěn)定，在有利和不利環(huán)境下，均適合 要求流動性高的應(yīng)用。
細(xì)菌紫紅質(zhì)是一種細(xì)菌蛋白質(zhì)，吸收光線時，它能將質(zhì)子輸送過細(xì)胞膜。 細(xì)胞色素氧化酶是一種膜蛋白，能用高能電子輸送質(zhì)子。協(xié)同使用這些蛋白質(zhì)， 可將光能轉(zhuǎn)換為電化學(xué)質(zhì)子梯度，該梯度隨后轉(zhuǎn)化為可用于外部工作的電動 力。由于該器件是傳統(tǒng)太陽能電池的生物"版本"，電源不需要攜帶"燃料"， 顯著地提高了功率密度。此外，從這種器件理論上可用推斷的最大能量是無限 的，只要有太陽或器件存在，它就能工作。最終器件的估計面積量密度為
I00g/m2，提供了輕的能源，而效率等于或大于太陽能電池的效率。此生物太陽
能電池的材料成分和尺寸使得它最終得到大功率密度(>250W/kg)和大能量 密度(800Whr/kg 3小時，9500Whr/kg 3天，32000Whr/kg 10天)，足以驅(qū)動 大量設(shè)備，而有效占有體積和重量為0。此外，其工作時產(chǎn)生可忽略的聲、熱 和電子特征。
本發(fā)明電源與傳統(tǒng)太陽能電池之間有重要的區(qū)別。因為本發(fā)明電源由大規(guī) 模生產(chǎn)的蛋白質(zhì)和普通聚合物構(gòu)成，它重量輕、靈活、堅固，可以低成本大量。 此器件的相關(guān)長度是包裝的厚度，小于ly m。通常含有這些酶的膜厚度為5nm。 生物太陽能電池的層狀板可摻入布料和其他表面，而不會在重量方面增加成 本，因為它們無論如何必須穿著。適當(dāng)?shù)哪K設(shè)計織物中的動力產(chǎn)生電池，將 使電力織物保持明顯的防損和維持功能的能力。利用電能和生化能之間的相互 轉(zhuǎn)換能力可構(gòu)造電動生物器件，以及使生化燃料轉(zhuǎn)化為電。利用電、生化和光形式之間轉(zhuǎn)換能源的能力，可以設(shè)計和生產(chǎn)納米生物技術(shù)器件，而不受輸入能 量類型的限制。


借助下面的附圖和對優(yōu)選實施方式的詳盡描述，將能最好地理解本發(fā)明的 上述及其他目的、特點和優(yōu)點，其中
圖1是細(xì)菌紫紅質(zhì)的簡化主鏈帶結(jié)構(gòu)的示意圖，其中質(zhì)子通過中心內(nèi)通道
輸送穿過膜。
圖2說明一種過程，在鹽制品鹽桿菌(Halobacteriam salinarium)中，-在吸收綠光的光子時BR泵將質(zhì)子從細(xì)菌中抽出，產(chǎn)生電化學(xué)梯度，而ATP合 酶使這些質(zhì)子回到細(xì)胞中，利用它們的電化學(xué)能由ADP制備ATP，提供從光能
到化學(xué)能的凈轉(zhuǎn)換。
圖3A和3B說明C0X的主鏈帶結(jié)構(gòu)，其中圖3A是膜，圖3B是胞質(zhì)體，打 星號的三個區(qū)域是公認(rèn)為質(zhì)子輸送通道的"孔"。
圖4A說明脂質(zhì)體摻入平面固體支持的脂質(zhì)雙層；圖4B說明囊泡與C0X結(jié) 合合并入平面膜中。
圖5是本發(fā)明生物太陽能電池的示意圖。
圖6是純化的細(xì)菌紫紅質(zhì)的層析圖。
圖7是含細(xì)菌紫紅質(zhì)(▽)和不含細(xì)菌紫紅質(zhì)(□)的脂質(zhì)體在30分鐘 內(nèi)形成的pH梯度圖。
圖8說明因存在ATP而發(fā)出的熒光素?zé)晒?，所述ATP由含有不同量的細(xì)菌 紫紅質(zhì)和F。F,-ATP酶的脂質(zhì)體產(chǎn)生。圖9是硅尖陣列的SEM顯微圖(尖小于lmn，軸約ly.m)。
圖10是C0X的超量表達(dá)和純化方法的示意圖。
圖11是可測定和控制的質(zhì)子與電子輸送通過C0X的設(shè)備的部分截面示意圖。
圖12是水通道蛋白的示意圖。
圖13是圖12的部分蛋白的放大圖。
圖14說明用膜摻入水通道蛋白進(jìn)行水凈化池。
圖15是傳統(tǒng)水凈化系統(tǒng)的示意圖。 '
具體實施例方式
在本發(fā)明的一種實施方式中，將細(xì)菌紫紅質(zhì)和細(xì)胞色素氧化酶整合入生物 相容性聚合物膜，與微制造的電極接觸。所提出的器件的操作在整合入組菌紫 紅質(zhì)、細(xì)胞色素氧化酶之后可得到最好的理解，同時也理解它們整合入脂質(zhì)和 聚合物膜。所有這三者都已經(jīng)廣泛研究，有許多有關(guān)它們的合成和功能的文獻(xiàn)。
細(xì)菌紫紅質(zhì)(BR)，作為最廣泛研究的離子轉(zhuǎn)運蛋白，是分子量為26kD 的質(zhì)子轉(zhuǎn)運蛋白，如圖1中標(biāo)號10所示，它在鹽制品鹽桿菌的細(xì)胞膜內(nèi)發(fā)現(xiàn)， 是一種在明亮光照的鹽水和沼澤中孳生的嗜鹽古細(xì)菌。BR允許鹽制品鹽桿菌在 厭氧環(huán)境中生存；當(dāng)沒有足夠的氧氣進(jìn)行呼吸過程時，BR就發(fā)生作用。如圖2 所示，BR 12細(xì)胞吸收綠光光子18 (入=500 — 600nm)時，使質(zhì)子14輸送穿 過細(xì)胞膜16，并從細(xì)胞中出來。每個BR分子在受到光激發(fā)并輸送質(zhì)子的過程 中，經(jīng)歷了各種電子中間狀態(tài)，BR回復(fù)到其初始狀態(tài)的總時間為3ms的級。這 是能量轉(zhuǎn)移的最短時標(biāo)。
隨著質(zhì)子14從細(xì)胞12中泵出，形成的電荷和pH梯度(低H+ —高H+)穿 過細(xì)胞膜16，形成電化學(xué)勢。此電化學(xué)勢為驅(qū)動ATP合酶(ATP酶)提供了能 量，如標(biāo)號20所示。ATP酶在將質(zhì)子14轉(zhuǎn)回穿過膜中，利用其電化學(xué)能產(chǎn)生 三磷酸腺苷(ATP)，如圖2標(biāo)號22所示。ATP是普遍存在的生物燃料，它推 動了大部分對生命必需的細(xì)胞過程。這種天然的生物系統(tǒng)已經(jīng)在實驗室得到復(fù) 制，具體方法是在脂小泡中構(gòu)建由BR和ATP酶組成的體系(Pitard, B.， Richard, P., Dunarch， M. , &禾口 Riguard， J. (1996)， Eur. J. Biochem. ， 235, 769-788頁)，其中BR在40°C下可在小泡邊界那邊形成并維持1. 25的pH差 異。在2(TC，可以得到ApH二2。較高的pH差異則無法得到，因為BR受到質(zhì) 子梯度的及饋抑制。質(zhì)子梯度用來產(chǎn)生ATP，并測定體系中兩種酶的性能。此 項工作還表明，在脂質(zhì)體膜中加入帶負(fù)電荷的磷脂，可以提高BR與ATP酶之 間的偶合效率。
BR是器件集成的理想候選者，因為蛋白質(zhì)作為二維晶體，可以高濃度存在 于細(xì)胞膜中。就此而言，在視網(wǎng)膜蛋白質(zhì)中，它是獨一無二的。它在這種形式 下稱為"紫膜"，質(zhì)量比例中蛋白質(zhì)占7%，脂質(zhì)占25% ( 10個脂質(zhì)分子/ 蛋白質(zhì))。觀察到，這些紫膜的膜片尺寸為0. 5um或更大。由于這些蛋白質(zhì) 聚集體在如此高的濃度下是穩(wěn)定的(以自然狀態(tài)存在)，它們提高了能量產(chǎn)量， 為任何制造的器件提供了冗余度、工程安全性的元件。此外，鹽制品鹽桿菌的進(jìn)化優(yōu)化了BR的功能，因為它可在高溫、大光通量下操作更長的時間。
上面提到的Pitard等的工作利用在小(150nm)脂質(zhì)膜中高度稀釋的BR， 結(jié)果表明，ATP的產(chǎn)率與BR/脂質(zhì)質(zhì)量比成反比。將他們得到的有關(guān)紫膜的BR/ 脂質(zhì)質(zhì)量比的數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，發(fā)現(xiàn)每毫克BR每分鐘產(chǎn)生320nmo1 ATP。 ATP酶 用圖2中標(biāo)號24所示ADP和無機(jī)磷酸合成ATP，增加35kJ/mol能量。只考慮 紫膜和脂質(zhì)的質(zhì)量，這種光驅(qū)動的ATP合成系統(tǒng)提供的功率密度是140W/kg。 如果ATP合酶將質(zhì)子泵出的速度與BR將它們泵入的速度一樣快，則產(chǎn)生的功 率將增加到180 —280W/kg。
由于大量有關(guān)BR及其強(qiáng)度和壽命的學(xué)識，在開發(fā)BR作為光學(xué)器件和計算 機(jī)存儲應(yīng)用中的活性光學(xué)元件方面引起了廣泛的興趣和研究。已經(jīng)表明，紫膜 在光照下有數(shù)年的活性，在高達(dá)18(TC的聚合物基質(zhì)中，在pH值0—12之間， 在有機(jī)溶劑存在下，當(dāng)完全脫水時，紫膜是穩(wěn)定的(Vsevolodov， N(1998)，
《生物分子電子學(xué)光敏蛋白質(zhì)概論》(Biomolecular Electronics: An Introduction via Photosensitive Proteins), 125頁，Birkhauser， Boston)。 由于科學(xué)界和工程界的關(guān)注，制定了鹽制品鹽桿菌的BR超產(chǎn)菌株的生產(chǎn)和分 離的方案(Lorber， B.禾卩DeLucas, L.J. (1990) FEBS Lett. 261， 14-18頁)。 對紫膜進(jìn)行大量提取和純化方法，以及加工和搬運是熟知的(例如Stuart, J. A.; Vought, B.W. ， Schmidt, E. J. ; Gross, R. B. ; Tallent, J. R. ; Dewey, T, G.; Birge， R.R. ， IEEE EMBS，付印中)。有關(guān)它與非生物材料結(jié)合的實驗表明， BR可與普通聚合物配合使用，如聚(乙烯醇)和聚(丙烯酰胺)(Birge, R.， Gillespie, N. ， Izaguirre, E. ， Kusnetzow， A. ， Lawrence, A. , Singh, D., Song, W. , Schmidt, E. ， Stuart, J. ， Seetharaman, S. , Wise, K. (1999)， J. Phys. Chem. B 103， 10746-10766)。
第二種酶——細(xì)胞色素氧化酶(COX)是電子和質(zhì)子轉(zhuǎn)運蛋白，使呼吸發(fā) 生的四種酶中的最后一種。圖3A中標(biāo)號30所示COX主鏈帶的膜圖，而圖3B 中標(biāo)號32所示其胞質(zhì)體圖，打星號的區(qū)域34表示"孔"，或者質(zhì)子轉(zhuǎn)運通道。 在呼吸中，NADH的高能電子(一開始由葡萄糖的氧化產(chǎn)生)轉(zhuǎn)移到02，因為它 還原產(chǎn)生IW)。
C0X從呼吸過程的前階段接受電子，電子由細(xì)胞色素c攜帶，且轉(zhuǎn)移到兩 個含鐵離子和銅離子的內(nèi)部血紅素基團(tuán)上。這些血紅素基團(tuán)被接受自細(xì)胞色素 c的電子還原，在電子轉(zhuǎn)移到停靠有血紅素之一的分子02之后，這些血紅素基團(tuán)被去氧。02獲附加得附加的電子，成為與外圍質(zhì)子氧化反應(yīng)的目標(biāo)，反應(yīng)之
后，02就從血紅素上脫離。隨著這些高能電子的轉(zhuǎn)移，從其460mV的電壓降獲 得的能量(Nicholls， D. (1982),《生物能學(xué)化學(xué)滲透理論導(dǎo)論》 (Bioenergetics: An Introduction to the Chemiosraotic Theory) ， 123頁， Academic Press, London)用于將質(zhì)子轉(zhuǎn)移到線粒體空間，質(zhì)子與電子的轉(zhuǎn)移 比例通常為l:l(Lee， H. ， Das T. ， Rousseau, D. ， Mills D. ， Ferguson-Miller, S. ， Gennis, R. (2000)， Biochemistry 29， 2989-2996)，雖然已討論過其他 比例(Papa, S. , Lorusso， M.,禾口 Capitanio, N. (1994)， J. Bioenerg. Biomembr. 26， 609-617頁，Michel, H. ， Behr， J. ， Harrenga, A.，禾口 Ka皿t， A. ， (1998)， Ann. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 27, 329—356頁)，該比 例通常是膜電勢的函數(shù)(Murphy, M.，禾P Brand, M. (1998)， Eur. J. Biochem. 173' 645-651頁)。
當(dāng)質(zhì)子從線粒體基質(zhì)中泵出時，產(chǎn)生了電化學(xué)質(zhì)子梯度。ATP酶借助此質(zhì) 子梯度產(chǎn)生ATP。 BR和COX在產(chǎn)生質(zhì)子梯度方面非常相似；不同之處是BR由 光驅(qū)動，而C0X由化學(xué)能驅(qū)動。這可從圖2看出，以C0X替換BR12，以來自細(xì) 胞色素c的高能電子替換綠光子18，并加上氧還原成水。實際上，BR和COX 均用于鹽制品鹽桿菌，并起到相同的目的當(dāng)沒有足夠氧氣供應(yīng)呼吸時BR用 于鹽制品鹽桿菌中，而COX則用于生物體。
將C0X整合入固體基質(zhì)支持的脂質(zhì)膜40，如圖4A和4B所示，表明有可能 利用電學(xué)方法測定電子輸運以及控制質(zhì)子輸運(Nauraann, R. ， Schmidt, E.， Jonezyk, A. ， Fendler， K. ， Kadenbach， B. ， Liebermann, T. ， Offenhausser， A. ， Knoll (1999)， Biosensors & Bioelectronics 14, 651-662頁)。這些實 驗用與金膜44相連的硫功能化肽鏈42作為二豆蔻酰磷脂酰乙醇胺(DMPE)的 脂質(zhì)膜單層46。將C0X和細(xì)胞色素c摻入DMPE的脂質(zhì)體小泡48，后者熔合到 肽表面上，如圖4A中標(biāo)號50所示。電學(xué)測定表明，電子通過C0X轉(zhuǎn)移進(jìn)出金 基基質(zhì)，以及通過施加電流控制質(zhì)子的輸運。
雖然體外實驗提供最準(zhǔn)確重現(xiàn)膜結(jié)合蛋白質(zhì)的自然環(huán)境，但這些條件并非 最有助于測量被其他細(xì)胞過程所模糊的現(xiàn)象，或者這些在實驗時間尺度不頻繁 發(fā)生的現(xiàn)象。此外，用蛋白質(zhì)作為活性元件生產(chǎn)有用器件需要容易生產(chǎn)和維護(hù) 支持體，它不能使蛋白質(zhì)變性，而且要使蛋白質(zhì)的功能保持得盡可能與體內(nèi)一 樣密切，同時容易使用和制造。在實驗中已經(jīng)將大量生物酶摻入人造脂質(zhì)膜，它們在有效實驗時間里保持功能；本發(fā)明涉及使用脂質(zhì)和聚合物膜生產(chǎn)BR/C0X 光驅(qū)動器件。
由卵磷脂或匿PE制備的人造脂質(zhì)膜復(fù)制天然細(xì)胞膜的兩親組分。加入洗 滌劑如Triton-X或十二烷基硫酸鈉使膜蛋白溶解且對蛋白質(zhì)/脂質(zhì)溶液輕度超 聲處理摻入脂質(zhì)體。脂質(zhì)體可以保持小泡狀(Pitard等，1996)，也可以在平 整基質(zhì)存在下形成平面(M細(xì)纖等，1999禾n Steinber-Yfrach, G. ， Rigaud, 了. ， Durantini， E. ， Moore， A. , Gust, D. ， Moore， T. (1998), Nature, 392, 479-482頁)。保持蛋白質(zhì)的生物功能，可達(dá)到蛋白質(zhì)的濃度比體內(nèi)的濃度高 數(shù)千倍，使實驗高度靈敏和精確。蛋白質(zhì)濃度高對于構(gòu)建電源和生物傳感器也 是必要的，因為它們利用各分子的集體效應(yīng)。
定下服的性質(zhì)，就可以預(yù)計器件利用BR和C0X可能發(fā)生的功率。地球表 面上每平方米的面積上每秒鐘入射綠光范圍中的太陽光子約為7.5x10,或者 在BR分子面積(25nm2)上有1.9xl(T個。BR的吸收系數(shù)是66000/mol/cm (Vsevolodov， N. (1998)，《生物分子電子學(xué)光敏蛋白質(zhì)概論》 (Biomolecular Electronics:An Introduction via Photosensitive Proteins) ， 125頁，Birkhauser， Boston)，或約4. 4x10 7單層BR。 BR的量 子效率為0.7，質(zhì)子輸運概率為3. 08xl(T。因此，可以預(yù)期每個BR分子每秒 鐘在陽光中約發(fā)生5. 8次輸運事件。
在li^的面積上，BR:C0X為57:1時，得到穩(wěn)態(tài)的質(zhì)子輸送率，COX每輸運 一個質(zhì)子，BR就輸運一個質(zhì)子。在這個比例下，每平方米單層有3.9xlO"BR。 由于COX中每個質(zhì)子輸運一個電子，因此得到37mA/m7單層的電流。1千個堆 積的單層只利用36%的光，但在760mV的電流增加到37A/m2，得到28W/m2。雖 然這些電流和電壓不適用于所有器件，器件的電流輸出是高度可配置的，大范 圍的電壓和電流組合對任何功率輸出是可能的。此體系中蛋白質(zhì)和脂質(zhì)(或等 價物)的質(zhì)量是2. 3g/m2。由于金電極和聚乙烯醇的聚合物層厚度相同(5mn)， 得到105. 3g/i^的區(qū)域質(zhì)量密度，產(chǎn)生的功率密度超過265W/kg。這種器件3 小時的可供能量是795Whr/kg， 3天的可供能量是9540Whr/kg， 10天的可供能 量是31800Whr/kg。由于能量獲得自太陽，獲得的能量直接隨著日光曝露的持 續(xù)時間而增加
這些功率和能量密度可隨著交替選擇電極和聚合物材料而增加，但由于附 加的重量增加和光散射，也可隨著不同選擇的層厚度而減少。電極和聚合材料的光散射效應(yīng)可以忽略不計，原因如下(1)所用聚合物在A =500 — 650nra 范圍內(nèi)活性最??；(2)金屬電極不吸收通過器件起始層的部分非透射光；如 果光與電極相互作用，它僅僅在器件內(nèi)反射，最終被BR所吸收。
如上所述，BR和COX都是質(zhì)子轉(zhuǎn)運蛋白，它們分別將光和高能電子的能量 轉(zhuǎn)換為驅(qū)動ATP酶和產(chǎn)生ATP的質(zhì)子梯度。使C0X反向作用，可將質(zhì)子梯度轉(zhuǎn) 化為電動勢(EMF)，將能量傳給電子。消除氧和細(xì)胞色素C，以連接到外部負(fù) 載的電極替換，然后EMF可以起作用。電極過載膜中BR和COX的組合在圖5 所示過程和結(jié)構(gòu)中達(dá)到頂點。該圖是生物太陽能電池60的示意圖，其中細(xì)菌 紫紅質(zhì)62吸收綠光的光子68時，將質(zhì)子64輸送過聚合物膜66。這增加了膜 的上側(cè)70上的質(zhì)子濃度，使細(xì)胞色素氧化酶(黃色)72發(fā)生反向作用。結(jié)果， 獲得自質(zhì)子64的電化學(xué)能輸送到膜的下側(cè)74，此能量用來將質(zhì)子76從膜上側(cè) 上的上電極78輸送到膜下側(cè)上的下電極80，產(chǎn)生電動勢穿過電極，此電動勢 力用來做外部工作。
電子轉(zhuǎn)移結(jié)束時，該體系回復(fù)到其初始狀態(tài)COX已還原又被再氧化，聚 合物膜66的兩側(cè)上的質(zhì)子濃度不變，電極沒有獲得到或者沒有消耗任何凈電 荷。EMF做外部工作，己吸收光子。該體系準(zhǔn)備將下一個光子的光能轉(zhuǎn)化為電 能。
將質(zhì)子動力轉(zhuǎn)換為電動力的核心過程是通過COX 72反向作用。文獻(xiàn)中有 許多可逆能量轉(zhuǎn)換蛋白質(zhì)的例子，如F。F,-ATP酶(Hamraes. G. (1983) ， Trends Biochem. Sci. 8. 131-134頁)和離子轉(zhuǎn)運蛋白(Nicholls， D. ， (1982)，《生 物能學(xué)化學(xué)滲透理論導(dǎo)論》 (Bioenergetics: An Introduction to the Chemiosmotic Theory, 123頁，Academic Press, London)。 然而，也有不能
反向作用的能量轉(zhuǎn)換蛋白質(zhì)，例如細(xì)菌紫紅質(zhì)對質(zhì)子梯度的反應(yīng)不發(fā)出綠光。 在Wikstrom所做的工作中(Wikstrom， (1981)， Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78， 4051-4054頁)，在加入ATP的線粒體中，觀察到COX中電子流動的 部分反向。F。F廣ATP酶是具有以下功能的可逆質(zhì)子泵ATP酶將外部質(zhì)子轉(zhuǎn)移 到線粒體基質(zhì)中生產(chǎn)ATP。反過來，它可以消耗ATP而將質(zhì)子泵出。如Wikstrom 所述，ATP酶將質(zhì)子轉(zhuǎn)穿過膜，加入ATP時與C0X平行。此反應(yīng)在膜的外側(cè)上 產(chǎn)生高質(zhì)子濃度，反向在COX上形成電滲質(zhì)子壓力梯度。當(dāng)產(chǎn)生這種條件時， 觀察到吸收光譜中的偏移，表明電子從水轉(zhuǎn)移到血紅素中，這是典型過程的逆 轉(zhuǎn)。以下分析為什么會發(fā)生這種情況。在電化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)過程中能量過?；虿蛔阌上率浇o出(例如，參見
例子，De Vault, D. ，(1971)， Biochira. Bi叩hys. Acta 226， 193-199頁): 一 AE= AG/(nF)
其中，AE是供電子前后氧化還原電勢中的變化，AG是反應(yīng)中的自由能變化， n是電子轉(zhuǎn)移的數(shù)量，F(xiàn)是法拉第常數(shù)。在電子從細(xì)胞色素c (還原電勢=+ 220mV)通過COX轉(zhuǎn)移的過程中，電子的自由能連續(xù)地下降，直到它們最終將 02 (還原電勢=+ 860mV )還原為H20 。每轉(zhuǎn)移的電子，自由能變化為 -14. 8kcal/rao1。此能量用于輸運質(zhì)子，且產(chǎn)生電化學(xué)梯度。Wikstrom充分地 提高外部質(zhì)子濃度，使AG對COX的正常作用為陽性，使向前泵送質(zhì)子所需的 能量比02還原所能提供的能量更多。通過利用"氧化還原緩沖液"，細(xì)胞色素 c的氧化還原電勢保持恒定；這意味著&0/02的氧化還原電勢隨AG的改變而改 變。由于產(chǎn)生了足夠高的外部質(zhì)子濃度，電子發(fā)生反向轉(zhuǎn)移，從水接收電子并 供給COX。然而，電子的完全逆向轉(zhuǎn)移并沒有完成，因為02還沒有產(chǎn)生。
在本發(fā)明體系中，如圖5所示，COX既沒有Wikstrom所述體系的起始電子 供體一一細(xì)胞色素c，也沒有最終的電子受體一一02。因為電子源是電極78而 不是水，與H20的820mV相比，電子獲得成本最低。電子到達(dá)血紅素a:,上時， 受到正氧化還原電勢+ 380mV，血紅素可用于做外部工作。到血紅素a,時，此 電勢下降了 140到+ 240mV，這時需要從質(zhì)子梯度輸入能量。到CuJ寸，電勢進(jìn) -一步下降50到+ 190mV，最終在0V轉(zhuǎn)移到電極80上，要求輸入能量。由于電 子從起始電極78轉(zhuǎn)移到血紅素a:,是還原電勢增加(自由能下降)，此反應(yīng)自 發(fā)地發(fā)生。電子從a3轉(zhuǎn)移到反電極是還原電勢下降380mV，需要外部能量輸入 (質(zhì)子動力)才能發(fā)生。利用BR 62并對膜66進(jìn)行適當(dāng)摻雜，可增大質(zhì)子動 力。由于電極是電子供體，從它們獲得電子比從H20獲得容易，而且避免在水 和氧之間的任何化學(xué)中間體。
因為膜表面上的離子擴(kuò)散大，并且通過合適選擇的膜組成可以更大，膜表 面本身就需要生物太陽能電池的獲得成功的功能(Pitard等，1996)。脂質(zhì)膜， 如膜40 (圖4A)或許多生物相容性聚合物基質(zhì)的任何一種包含蛋白質(zhì)，且作 為質(zhì)子載體。這些聚合物基質(zhì)非常普通，只要求(a)它們形成可將蛋白質(zhì)分 為上下一半的膜，(b)它們形成充分類似于天然脂質(zhì)膜的環(huán)境，使得蛋白質(zhì) 容易插入具有適當(dāng)定向的膜，(c)蛋白質(zhì)所受到的聚合物膜的局部化學(xué)環(huán)境 不會使蛋白質(zhì)展開或變形，以這樣的方式構(gòu)成蛋白質(zhì)的天然功能。滿足這些條件的聚合物包括但不限于三嵌段共聚物，它們具有親水外嵌段和疏水內(nèi)嵌段的
一般性質(zhì)。BR 62和COX 72在聚合物膜66中定向和結(jié)，膜是用電極78和80覆蓋。
圖2所示為光驅(qū)動ATP生產(chǎn)體系的構(gòu)造、執(zhí)行過程和評定，該體系可連續(xù) 為F1-ATP酶驅(qū)動的納米化學(xué)器件提供能量。如圖5所示，本發(fā)明涉及包含BR 和ATP酶的脂質(zhì)體小泡66的構(gòu)造，ATP酶以這樣的方式定向，即利用來自綠光 的能量連續(xù)從ADP產(chǎn)生ATP。己經(jīng)建立了一套系統(tǒng)，用于大規(guī)模生產(chǎn)和純化細(xì) 菌紫紅質(zhì)(BR)，從超產(chǎn)的鹽桿菌中分離出來，用凝膠過濾色譜純化(圖6中 曲線90)。
根據(jù)本發(fā)明，用純化的卵磷脂、磷脂酸和膽固醇，按照前述方法(Pitard 等，1996)重構(gòu)脂質(zhì)體。脂質(zhì)體依次用0.45和0.2" ni過濾器挑選尺寸，使溶 液中留下的脂質(zhì)體小于200nm。 F。F,-ATP酶和BR的摻入在Triton X-100的存 在下進(jìn)行。為保證脂質(zhì)體的形成，加入Pyranine作為pH敏感指示劑，該指示 劑利用熒光顯微鏡通過肉眼評定。此項工作顯示，大到1.5的pH梯度可在20 'C獲得，如圖7中曲線92和94所示，含細(xì)菌紫紅質(zhì)(曲線92)和不含細(xì)菌紫 紅質(zhì)(曲線94)的脂質(zhì)體在30分鐘內(nèi)形成的pH梯度。
分析證明，用脂質(zhì)體產(chǎn)生ATP，如圖8中標(biāo)號96所示。此圖顯示了由于存 在脂質(zhì)體產(chǎn)生的ATP而發(fā)生的熒光素?zé)晒?，脂質(zhì)體包含不同量的BR和F"F,-ATP 酶。將ADP加入溶液之前，脂質(zhì)體在光照下培養(yǎng)2. 5小時。目標(biāo)是優(yōu)化電化學(xué) 梯度，使穩(wěn)態(tài)ATP的產(chǎn)生速率增加到前面所述的水平(Pitard等，1996)。
用帶有原子級尖頂?shù)目招膱A筒陣列一一"納米注射器" 一一將上述納米級 復(fù)合分子器件注射到活細(xì)胞中。此過程的第一步是構(gòu)建納米注射器的非空心型 式。圖9是硅尖陣列100的部分顯微圖，它包括直徑小于10nm的尖102和直 徑約l"m的軸104。用這些陣列100作為電極，用電化方法沉積納米級鎳點的 陣列，作為各種分子器件的載體。這些陣列也允許直接在布滿蛋白質(zhì)的膜頂部 沉積微米級或納米級電極。
服的生產(chǎn)和合成是常規(guī)的。鹽桿菌以50L批發(fā)酵，發(fā)酵處理和純化之后， 得到100mg以上的紫膜。這與約60m2的蛋白質(zhì)單層面積相符合，它足以應(yīng)付原 型器件。
可采用Zhen, Y. ， Qian, J. ， Follmann, K. ， Hayward, T. ， Nilsson， T.， Dahn， M. ， Hilmi， Y. ， Hamer， A. , Hosier, J. , Ferguson-Miller, S. (1998)，Prot. Expr. & Pur. 13， 326-336所述方法生產(chǎn)COX (Zhen等，1998)。此方 法涉及由類球紅細(xì)菌(Rhodobacter sphaeroides)超表達(dá)和純化C0X，如圖10 中標(biāo)號90所示。構(gòu)建超表達(dá)質(zhì)粒pRK-pYJ123H的過程包括由類球紅細(xì)菌將細(xì) 胞色素c氧化酶的亞單位I基因(coxl)亞克隆入PUC19，利用pJS2-X6H2中 的SmaI位點，產(chǎn)生pJS3-SH，如圖所示。標(biāo)記His-tag的六一組氨酸序列位于 coxl的C-端，通過將來自pYJ100的Pstl/Pstl片段連接入pJS3-SH上的獨特 Pstl位點中而產(chǎn)生pYJ124H。接著，用EcoRI和HindIII位點將三個亞單位基 因放入表達(dá)載體Prk415-1中。此過程產(chǎn)生61mg/10L培養(yǎng)液，相對于大的單層 面積而言，這是一個大的量。
產(chǎn)生和合成BR和摻入BR的脂質(zhì)體小泡是常規(guī)的。用均勻的泡加電場插入 脂質(zhì)之前，BR的定向是最容易促進(jìn)通過具有平面對稱性的膜，雖然它是球形 小泡方面的問題。圖11中標(biāo)號120所示設(shè)備是用于測定阻抗光譜的電化學(xué)池， 且設(shè)計用來測定由質(zhì)子轉(zhuǎn)運引起的電子輸運和電勢，且用于平面膜。此外，容 易適合于在膜/蛋白質(zhì)復(fù)合物上施加電場。此池包括塞子121， Ag:AgCl飽和KC1 參考電極122，液體出口123，特氟龍間隔物124，高爾夫支持體125，液體進(jìn) 口 126和鉬反電極127，如Naumann所述。
關(guān)于紫膜和BR的定向，文獻(xiàn)中報道了許多技術(shù)靜電層一層組裝；電場 增強(qiáng)的Lang則ir-Blodgett膜形成；在空氣冷凝器的電場中BR的定向；在懸 浮體上直接施加電場；和電場和磁場的組合。多數(shù)技術(shù)利用PM的大的天然永 久電偶極矩(直徑為lum顆粒的 106德拜)。這種大電偶極矩源自單個BR 偶極矩的相加性(從理論計算估計為570德拜和實驗為55德拜)。只需對膜 垂直施加 20V/cm的電場就足以使BR定向，這種電場容易獲得。
已定位的COX的偶極矩要足夠大，以增強(qiáng)細(xì)胞色素c的?？俊OX利用其 內(nèi)部偶極穿過膜吸引和推開膜，就像BR那樣。因為COX的胞質(zhì)體部分是親水 的，酶對脂質(zhì)中旋轉(zhuǎn)有一道屏障。橢圓形蛋白質(zhì)也阻止這種運動。因此，有必 要在COX摻入脂質(zhì)膜中之前就使其定向。COX摻入脂質(zhì)膜后加入PM，定向需顯 著較低的電場，這樣不會干擾COX的排列。如果COX的排列需要電壓與實驗的 其他部分不相容，如脂質(zhì)膜、BR或水的水解，反電極移動更近，并將施加的電 壓保持在安全水平，確保既產(chǎn)生所需電場，又不擾動該過程的剩余部分。
上面用來各自在脂質(zhì)膜中使PM和COX定向的設(shè)備也可用來測定BR中質(zhì)子 的輸運和電子通過COX的輸運。只用摻入脂質(zhì)膜中的定向BR的初步實驗是使用上述圖5的結(jié)構(gòu)進(jìn)行的。
質(zhì)子泵送穿過膜得到易檢測的信號。用cox重復(fù)這些實驗。
在圖5所示設(shè)備中，電極78和80的作用是提供電子和接收電子，作為器 件中不存在的細(xì)胞色素c和02的替代物。因為電流通過COX 72泵送質(zhì)子會使 質(zhì)子流量的測定復(fù)雜，因而采用了類似于前面脂質(zhì)體BR的實驗中所用的PH敏 感熒光指示劑。電極與COX連系的能力通過將蛋白質(zhì)單獨放在脂質(zhì)膜中測定。 用上述(Na咖ann等，1999)相同的方法監(jiān)控BR的質(zhì)子泵送情況，研究了利用 轉(zhuǎn)移自所連電極COX泵送質(zhì)子的能力。用和不用施加定向電場進(jìn)行的實驗表明， 定向是成功的。通過電場引導(dǎo)質(zhì)子泵送的一個主要結(jié)果是ATP酶可摻入具有COX 的脂質(zhì)膜中?；罨疌OX產(chǎn)生質(zhì)子梯度，然后ATP酶可用來制備ATP。這說明用 電方法可以合成ATP，這是生物學(xué)上的一個主要里程碑，對于進(jìn)一步開發(fā)ATP 驅(qū)動的納米器件具有重要意義。
為測試酶的逆向功能，產(chǎn)生了一個人工pH梯度，即使膜空間一側(cè)的酸性 大于另一側(cè)。通過測定質(zhì)子輸運確定COX定向后，測定因質(zhì)子逆向流動產(chǎn)生的 電壓和通過COX的電流。如果電極的構(gòu)造如圖11所示，則電子流動不發(fā)生。 在這種情況下，可使上電極更靠近膜的頂部表面。
可采用許多方法提高電極與蛋白質(zhì)的接近度。可將電極柵直接放在脂質(zhì)頂 部，其形式為細(xì)絲網(wǎng)，可外連接進(jìn)行電學(xué)測量。從頂部表面上除去液體后，可 直接在膜上噴鋁或鎳的薄透明層，形成反電極。或者，通過光柵圖9所示的尖 端陣列將電極用電化學(xué)方法沉積在脂質(zhì)表面上。這種沉積可在膜的頂部表面上 形成上百萬的納米線。重復(fù)和組合以上步驟，導(dǎo)致定向的COX和BR釓含在脂 質(zhì)膜中。
BR和COX的定向有兩種可能的方案平行和逆平行偶極定向。如果偶極是 平行的，施加一個電場就同時取得兩者的排列。如果它們是逆平行的，就要用 大的PM集合偶極矩。在高電場中使COX初始定向，接著在一個電場中使PM定 向，這個電場足夠小，以避免干擾COX，大得足夠充分地操作，PM片段這樣就 獲得了適合的定向。
最初，測定電壓應(yīng)表明BR適當(dāng)?shù)仄鹱饔茫⑶倚纬闪速|(zhì)子梯度。來自此 梯度的跨膜電壓預(yù)計為數(shù)百mV。隨后電流的測定表明成功，并且可通過膜中的 電極估計可以接近部分起作用的COX蛋白質(zhì)。
因為質(zhì)子通過COX反轉(zhuǎn)移，因此電流取決于BR所提供的質(zhì)子濃度，電流
15應(yīng)與光強(qiáng)度成正比?？傠娏饕才c起作用的cox分子數(shù)成正比，由于脂質(zhì)膜中COX
分子的平行構(gòu)型。如上所述，所產(chǎn)生的電壓應(yīng)恒定，〉200mV，同樣產(chǎn)生的功 率由光強(qiáng)度和以適當(dāng)方向定向的凈數(shù)COX所確定。
使功率的最大化的方法集中在優(yōu)化COX的定向以及適當(dāng)選擇并改進(jìn)膜層。 該器件可在各種照射條件下傳遞功率，例如在高強(qiáng)度和低強(qiáng)度下連續(xù)照射，周 期性照射等。
宜采用聚合物膜，理由如下它們比脂質(zhì)膜具有更長的壽命；它們更加堅 固；它們有更容易制備的性質(zhì)，如電子和離子導(dǎo)電性及通透性。這些膜的內(nèi)部 必須是疏水和有彈性的，以便可以模擬盡可能接近天然的蛋白質(zhì)環(huán)境。
許多生物相容性膜具有廣泛的性質(zhì)，如吸光性、極性、電子和離子導(dǎo)電性， 等等。能提高本發(fā)明太陽能電池性質(zhì)的聚合物必須與蛋白質(zhì)和電極相容。對質(zhì) 子的不通過也是重要的。聚合物表面的摻雜能力也很重要，因為它在質(zhì)子導(dǎo)電 性和跨膜傳導(dǎo)性中扮演主要角色。聚合物的壽命以及它對其中所含蛋白質(zhì)的壽 命的影響也是相關(guān)的，是選擇聚合物時的因素。選擇壽命短但性能高的聚合物 可用于特殊應(yīng)用。
前面介紹了用生物組分制備高效、高產(chǎn)太陽能電源的方法，表明能量轉(zhuǎn)換 生物蛋白質(zhì)與外部器件整合起來；且指出了有助于能大規(guī)模生產(chǎn)生物太陽能電 池、能驅(qū)動各種器件的制造途徑的方法。
另一方面，通過使用水通道蛋白族蛋白質(zhì)掾入三嵌段共聚物膜，產(chǎn)生了只 允許水通過的穩(wěn)定膜，因此促進(jìn)水的凈化、脫鹽和通過透析進(jìn)行分子濃縮。水 通道蛋白隔斷任何污染物的通過，包括細(xì)菌、病毒、礦物、蛋白質(zhì)、DNA、鹽、 洗滌劑、溶解氣體，甚至來自水溶液的質(zhì)子，但水通道蛋白分子因其結(jié)構(gòu)而能 夠輸運水。如圖12所示，每個水通道蛋白130包含6個跨膜a螺旋區(qū)域132 一137，它們將蛋白質(zhì)錨定在膜中，和兩個高度保守的NPA環(huán)138和140，它們 在蛋白質(zhì)中心頂點到頂點聚集在一起，形成一種沙漏形狀。此沙漏的狹窄處是 水分子以一行通過膜的地方，如圖13中標(biāo)號142所示。已表明，水的移動是 對稱的，且可在兩個方向中進(jìn)行；這一事實是重要的，因為此過程不消耗能量。 水以特定方向通過膜是因為水壓或滲透壓的緣故。如圖14所示，水的凈化和 脫鹽可用雙室器件150實現(xiàn)，該器件有室152和154，中央被剛性膜156隔開， 膜中填滿了水通道蛋白。此膜本身不滲水，它將室152中的污水158和室154 中的純凈水160隔開。只有純水能夠在兩個室之間流動。因此，與將膜一側(cè)上的海水或其他污水158置于合適的壓力下時，純水就自然地流進(jìn)另一室154。 因此，純水可從非飲用水源獲得，或者，如果水源中含有感興趣的化學(xué)物質(zhì)， 則可以選擇地除去水，將所需的高濃度化學(xué)物質(zhì)留在輸入室中。但重要的是， 水通道蛋白也適用于本發(fā)明，其原因不是它對水有專一選擇性。此蛋白質(zhì)家族 的許多成員(如水通道蛋白Z (AqpZ))非常穩(wěn)定，可經(jīng)受污水源中的惡劣條 件，而不喪失功能。AqpZ在酸、電壓、洗滌劑和熱存在下也不會變性或分解。 因此，該器件可用于凈化被物質(zhì)污染的水源，這些物質(zhì)可能弄臟或破壞別的膜， 它還能用于持續(xù)有高溫的地區(qū)。
AqpZ也是可變的。由于此蛋白質(zhì)在宿主細(xì)菌中根據(jù)基因序列專一地表達(dá)， 此基因序列影響其最終形狀和功能，所以技術(shù)人員容易改變其基因密碼，以便 改變蛋白質(zhì)的特性。因此，可對蛋白質(zhì)進(jìn)行加工，以滿足所需的應(yīng)用，這種應(yīng) 用可能不同于蛋白質(zhì)原來的功能。例如，簡單地將圖13中靠近水通道142中 心的特定氨基酸殘基換成半胱氨酸，所產(chǎn)生的水通道蛋白或許結(jié)合溶液中的任 何自由汞，且由于阻斷而停止輸水。因此，膜器件中所用的這些突變蛋白質(zhì)可 檢測水樣中的汞污染，當(dāng)有毒物質(zhì)的濃度上升太高時，水簡單地停止流動。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方式是傳統(tǒng)濾盤的形式，因為它最容易測定功能。為制 備這種盤，可用Langmuir-Blodgett槽在25mm商業(yè)超濾盤的表面上沉積5nm 厚的單層合成的三嵌段共聚物和蛋白質(zhì)。然后用254nm UV光照射盤上的單層， 使聚合物交聯(lián)，增加其耐受性。最后，用環(huán)氧化物將孔徑為220nm的PVDF膜 粘到盤表面上，以確保安全搬運并防止邊緣處滲漏。
測驗器件時，將它固定在如圖14所示室內(nèi)，迫使加壓水源穿過膜。當(dāng)只 有純水通過膜的另一側(cè)和污染溶質(zhì)仍集中在開始的室中時，認(rèn)為該器件有功 能。必須對污染的溶液加壓，以克服純水自然流到大量溶解顆粒的室中。水通 道蛋白Z膜的目的是發(fā)生反滲透，且將純水從污染溶質(zhì)中分離出來。系統(tǒng)的這 種趨勢，或者滲透壓可用磅/平方英寸(psi)表示。例如，海水的滲透壓約為 360psi。
有若干方法可用來使器件承受這些類型的壓力。 一些聚合物天生比其他聚 合物更耐受，并且可用UV光交聯(lián)，以提供超剛性。另一種方法是在淡水室中 加入高濃度的無毒、易除去的溶質(zhì)，以促正常滲透穿過膜，同時由于室增壓， 也發(fā)生返滲透。最后，減少返滲透所需壓力的方法可以是在含有污染物濃度依 次減少的一串密封、相連的室中使用多個AqpZ器件。所得壓力是凈化每對室所需的壓力，它是反滲透所需總壓力的一部分。因此，每個室只需經(jīng)受小壓力， 保持完整的可能性很大。因此，如果每對室之間的濃度差只是10%，而不是 100%，只需10%的上述高壓即可凈化每個連接處的水源。最后的室中可以恒 定的壓力和流速連續(xù)產(chǎn)生純水。
水通道蛋白反滲透膜只需一步即可凈化具有幾種不同類型的污染物的水。
如圖15中標(biāo)號170所示傳統(tǒng)高純系統(tǒng)需要數(shù)個組分，包括水軟化劑172、碳過 濾器、離子交換劑、UV或化學(xué)滅菌174和雙通道反滲透過濾器裝置176在產(chǎn)生 水(即沒有水通道蛋白純化水那樣清晰)之前可聯(lián)合使用。這種復(fù)雜的裝置不 能像水通道蛋白膜那樣從水源中除去溶解氣體或小于150道爾頓的物質(zhì)。此外， 所有這些組件均需要維護(hù)。UV燈泡需要更換和能量。當(dāng)離子交換劑充滿葉后需 要化學(xué)再生。軟化劑需要鹽。碳和反滲透筒堵塞時必需更換。最后，與典型凈 化系統(tǒng)相比，單步器件所需空間小得多，且輕得多，這個優(yōu)點使本發(fā)明的水通 道蛋白凈水器件便于攜帶。
水通道蛋白膜也比常規(guī)系統(tǒng)快。常規(guī)髙速反滲透(R.O.)單位每分鐘能產(chǎn) 生約28. 4升(7. 5加侖)凈水。當(dāng)前的研究表明，水分子通過AqpZ飽和脂質(zhì) 膜(O. 0177mm2)的速率為54u mol/s(Pohl， P. ， Saparov， S. M. ， Borgnia, M. J.， 禾口 Agre. P. (2001) Proceedings of the National Academy of Science 98, 9624-9629頁)。因此，表面積為1. 0平方米的水通道蛋白Z反滲透膜每分鐘 能過濾3295升純凈水。此速率比常規(guī)凈水器快116倍。
最后，生產(chǎn)新的基于蛋白質(zhì)的膜也很廉價。從大腸桿菌工程菌株中容易得 到毫克量的該過程的核心一一AqpZ。從每升培養(yǎng)液中平均可以得到2. 5mg純蛋 白質(zhì)。從約5美元的生長培養(yǎng)基中可以產(chǎn)生10mg蛋白質(zhì)。這對于幾個滿尺寸 器件是足夠的蛋白質(zhì)。包埋AqpZ的聚合物可在同一實驗室中制備，每個器件 所用化學(xué)試劑只值幾個美分。水通道蛋白Z反滲透膜是新型、有效、廉價的水 凈化工具。
因此，已經(jīng)公開了用生物組分從臟水、鹽水或其他污染的水中以高效率生 產(chǎn)完全純凈水的方法和設(shè)備。本發(fā)明說明了整合水輸運生物蛋白質(zhì)和外部器 件，并指出了能大規(guī)模生產(chǎn)水凈化水器件的制造途徑。
雖然上面結(jié)合優(yōu)選實施方式對本發(fā)明作了描述，但應(yīng)當(dāng)理解，可以對所述 方法和器件進(jìn)行各種變動和修改，只要不背離本發(fā)明的精神和范圍，如以下權(quán) 利要求書所述。
權(quán)利要求
1.一種仿生膜，它包含模擬天然生物膜和天然蛋白質(zhì)環(huán)境的三嵌段共聚物基質(zhì)；和摻入所述基質(zhì)形成膜/蛋白質(zhì)復(fù)合物的膜蛋白；其中，一些蛋白質(zhì)可結(jié)合不是水的物質(zhì)。
2. 權(quán)利要求l所述膜，其特征在于蛋白質(zhì)的功能包括閥、通道、傳感器、檢 測器、泵和換能器。
3. 權(quán)利要求l所述膜，其特征在于選擇的所述膜蛋白質(zhì)只輸運水分子，所述 仿生膜是過濾含水溶液的濾水器，且所述物質(zhì)不是水。
4. 權(quán)利要求3所述膜，其特征在于當(dāng)不是水的物質(zhì)的濃度太高時，所述可以 結(jié)合游離物質(zhì)的蛋白質(zhì)由于堵塞而停止運輸水。
5. 權(quán)利要求3所述膜，其特征在于所述可以結(jié)合不是水的游離物質(zhì)的蛋白質(zhì) 是基因工程蛋白質(zhì)。
6. 權(quán)利要求5所述膜，其特征在于所述基因工程蛋白質(zhì)變異成具有結(jié)合特定 游離物質(zhì)的功能。
7. 權(quán)利要求6所述膜，其特征在于所述膜蛋白質(zhì)包括選自水通道蛋白族的蛋 白質(zhì)。
8. 權(quán)利要求7所述膜，其特征在于所述基質(zhì)不滲水，選擇的所述膜蛋白允許 水分子在壓力下通過。
9. 權(quán)利要求8所述膜，其特征在于所述基質(zhì)固定在水凈化器件中，將所述器 件分隔成第一室和第二室，所述膜蛋白只允許水在所述室之間流動。
10. 權(quán)利要求9所述膜，其特征在于對要過濾的溶液施壓，由此，所述過濾 是反滲透。
11. 權(quán)利要求l所述膜，其特征在于將所述基質(zhì)摻入薄織物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種仿生膜。將生物膜蛋白摻入共聚物基體中，以產(chǎn)生具有另種功能的膜。在本發(fā)明的一種實施方式中，復(fù)合膜摻入兩種不同的蛋白質(zhì)，它們協(xié)作從光產(chǎn)生電。在另一實施方式中，水轉(zhuǎn)運蛋白包埋在膜中，可以使水凈化。
文檔編號B01D71/80GK101301583SQ20081000979
公開日2008年11月12日 申請日期2003年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月29日
發(fā)明者C·D·蒙特馬格諾, J·J·施米特, S·P·托齊 申請人:Mt技術(shù)股份有限公司