一種生物分子馬達磁調控裝置的製作方法

2023-06-15 06:01:11 7

專利名稱：一種生物分子馬達磁調控裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於生物微電機系統，具體地講涉及一種無機生物馬達，納米水平的生物微電子磁調控裝置。
背景技術：
自1997年日本科學家Noji在Nature發表單分子水平直接觀察F1-ATP酶旋轉的實驗以後，世界上已有多個實驗室在不同的條件與環境下重複和發展了單分子水平的研究成果。用單分子技術可以觀察到ATP酶的水解過程中其F1-ATPγ亞基連接的一種蛋白微絲螢光分子快速的旋轉當一個ATP分子水解，它可以產生螢光表記的蛋白微絲(actin)120o旋轉。眾所周知，單分子水平研究F1-ATP酶結構與功能除了有重要科學意義，另一個十分重要的價值在於它是至今為止世界上已發現的最小分子發動機，它的能量利用率幾乎達100％，是無磨損的無機生物馬達。這些特點被納米電機系統(NENS)科學家們所看好，但是上述的蛋白微絲無法在外加磁力調控，因此不能進一步推廣應用。為了發展納米電機設備。今天，特別是納米科技飛速發展的21世紀，納米分子機械裝置應用的前景十分光明。因此對該研究目前已成為國際高科技領域的制高點。

發明內容
鑑於上述分子馬達的缺點，本發明目的在於提供一種生物微電機系統，具體地講涉及一種無機生物馬達，納米水平的生物微電機磁調控裝置。將該技術進一步向納米微電機系統發展，是本發明主要目的。本發明的特徵是在顯微鏡平臺上安裝一個可調控的有磁性的旋轉裝置，在外加電機下可以快速旋，從而帶動樣品平臺內分子馬達旋轉。
本發明的生物微電機磁調控裝置主要有兩部份組成(1)一個磁調控裝置基座板和轉盤之間通過軸承連接，在轉盤正盤面上設有微型磁調控室，調控室內裝載微型永磁片或永磁材料，這些磁性材料是，和調控室配有調節螺絲便於調節調控室的大小。附加一套磨擦輪，直流電微型電機，電源及其相配合的螢光顯微鏡平臺連結螺扣，，倒置螢光顯微鏡。(2)ATP馬達分子與磁性納米金屬絲或金屬球聯接並安裝在蓋玻片上。將(1)與(2)組裝成為一個整體稱為分子馬達磁調控裝置。
首先將ATP馬達分子與磁性納米金屬絲(或金屬球)連接並安裝在蓋玻片上，並用載玻片封片後將其裝入螢光顯微鏡平臺上的磁調控裝置內，然後在螢光顯微鏡下觀察到ATP馬達分子與磁性納米金屬絲連結後的磁性納米金屬絲，將其調節到顯微鏡的中心處，然後直接觀察其旋轉的過程可以被磁調控裝置所調控。
該裝置可以作為分子馬達用於醫學，環境分析以及納米微機電系統提供重要應用裝置。同時也可以將該發明推廣到其它的領域，如細胞，分子水平的藥物篩選以及微流體池，生物晶片等領域有著十分廣範應用前景。


圖1 ATP馬達工作原理圖1 ATP酶固定在玻璃上的連接處，2玻璃(蓋玻片)，3 ATP酶，4特殊生物素(biotin-PEAC5-maleimide)，5磁性材料，6鏈酶抗生物素(streptavidin)。
圖2.磁調控裝置圖1磁調控裝置基座板，2與軸承連接的磁調控轉盤，3軸承，4微型磁調控室，5微型永磁片(或永磁材料)和調節螺絲，6流動小池；7ATP馬達。
圖3.實驗工作原理圖；1螢光顯微鏡，2磨擦輪，直流電機與電源，3磁調控裝置基座板，4流動小池，5 ATP馬達，6與軸承連接的磁調控轉盤，7微型磁調控室，微型永磁片(或永磁材料)和調節螺絲，8軸承。
圖4A磁性材料(金屬微絲)旋轉的直接觀察。
圖4B磁性材料(金屬微絲)旋轉的速度。
圖4C磁性材料(金屬微絲)旋轉角度累加。
具體實施方案實施例分子馬達磁調控裝置的製作一個磁調控裝置基座板通過軸承連接裝有轉盤，在轉盤正盤面上設有微型磁調控室，通過調節螺絲控制調節室的大小，調控室內裝載微型永磁片或永磁材料，磁性材料可選用，磨擦輪(大，小各一套)，及其相配合的螢光顯微鏡平臺連結螺扣，直流電微型電機，電源，倒置螢光顯微鏡分子馬達組裝金屬微絲(20nm直經)的預處理用雙蒸水洗三遍後加入含His-tag的小肽(該小肽預先被螢光和生物素化50μM(biotin-PEAC5-maleimide)在1mM PH7.2 Hepes-KOH，100mM KCl，2mM MgCl2體系中室溫下反應2h)，反應10h。然後buffer A(pH 7.2 10mM Hepes-NaOH/25mM KCl/5mM MgCl2)洗五次。生物素化F1-ATP酶將0.02μM的F1複合物加入0.06μM的特殊生物素(biotin-PEAC5-maleimide)在室溫中處理2h(反應在20mM PH7.2 Hepes-KOH緩衝體系中進行)。
包埋載波片用硝酸纖維素(5.45ng/ml)包埋載波片10min，後用雙蒸水衝洗小池，再用BufferA洗三次。載波片連接Ni-NTA將溶於Buffer A的0.2μM Ni-NTA加入流動小池中，室溫放置2h，後用Buffer A洗三次。載波片用BSA處理將流動小池中加入10mg/ml BSA，4℃過夜，後用BufferA洗三次。
Ni-NTA上連接生物素化的F1將約2nM生物素化的F1加入流動小池中室溫放置1h，後用50mM咪唑Buffer洗三次。
生物素化的F1上連接鏈酶抗生物素(streptavidin)流動小池中加入溶於Buffer A的0.2μM streptavidin，連接30min，後用Buffer A洗三次。
鏈酶抗生物素連接螢光標記生物素化的金屬微絲將螢光標記生物素化的金屬微絲加入流動小池中，室溫連接1h，後用Buffer A洗五次。
啟動反應流動小池中加入10mM ATP/50μg/ml丙酮酸激酶(PK，pyruvate kinase)/1mM磷酸烯醇丙酮酸(PEP，phosphoenol pyruvate)/10mM MgCl2/10mM KCl(溶於Buffer A中)。其中一組不加NaN3，另一組分別加入1mM、5mM NaN3。觀察F1-ATP的γ亞基聯結的金屬微絲旋轉，然後在外加磁調控裝置繼續觀察。在倒置螢光顯微鏡Olympus-71(or-BO3)40倍螢光顯微鏡下觀察，用CCD(MicroMax782YHS，PrincetonInstruments)記錄(27幀/s)後用電腦程式處理實驗結果。
結果(1)鎳絲(20nm)標記His-Tag螢光蛋白(含biotin)(見圖4A)(2)生物素化的F1上連接鏈酶抗生物素(streptavidin)(3)鏈酶抗生物素連接螢光標記生物素化的金屬微絲啟動反應流動小池中加入10mM ATP/50μg/ml丙酮酸激酶(PK，pyruvate kinase)/1mM磷酸烯醇丙酮酸(PEP，phosphoenol pyruvate)/10mM MgCl2/10mM KCl(溶於Buffer A中)。其中一組不加NaN3，另一組分別加入1mM、5mM NaN3。觀察F1-ATP的γ亞基聯結的金屬微絲旋轉，然後在外加磁調控裝置繼續觀察。在倒置螢光顯微鏡Olympus-IX71(or-BO3)40倍螢光顯微鏡下觀察，用CCD(MicroMax782YHS，PrincetonInstruments)記錄(27幀/s)後用電腦程式處理實驗結果(圖4A)。
權利要求
1.一種磁調控的生物微電機系統裝置，該裝置由如下兩部分組成(1)一塊磁調控裝置基座板通過軸承和一個轉盤連接，在轉盤正盤面上設有微型磁調控室，調控室內裝載微型永磁片或永磁材料，和配有控制調控室空間大小的調節螺絲，磨擦輪，及其相配合的螢光顯微鏡平臺連結螺扣，直流電微型電機，電源，倒置螢光顯微鏡；(2)ATP馬達分子與磁性納米金屬絲或金屬球連接並安裝在蓋玻片上，將(1)與(2)組裝成為一個整體稱為分子馬達磁調控裝置。
2.根據權利要求1所述的一種磁調控的生物微電機系統裝置，該裝置作為分子馬達在醫學，細胞，分子水平的藥物篩選以及微流體池，生物晶片領域，環境分析以及納米微電機系統中的應用。
全文摘要
本發明的目的在於提供一種生物微電機系統，具體地講涉及一種無機生物馬達，納米水平的生物微電子磁調控裝置。將該技術進一步向納米微電子機械系統發展，是本發明主要任務。本發明的特徵是在顯微鏡平臺上安裝一個可調控的有磁性的旋轉裝置，在外加電機下可以快速旋，從而帶動樣品平臺內分子馬達旋轉。該裝置可以為分子馬達作用醫學，環境分析以及納米微機電系統提供重要應用裝置。
文檔編號B82B3/00GK1513752SQ02160270
公開日2004年7月21日 申請日期2002年12月31日 優先權日2002年12月31日
發明者樂加昌, 聶稜, 張春野, 張英豪, 王興勝, 崔元波 申請人:中國科學院生物物理研究所