生物电子电路、系统及其制备和使用方法技术方案

用于组装和电连接蛋白质以制造生物电子检测器和逻辑电路、探索配体

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】生物电子电路、系统及其制备和使用方法
[0001]联邦资助的研究或开发
[0002]本专利技术是在National Institutes of Health(国立卫生研究院)授予的R01HG009180的政府支持下完成的。政府对此项专利技术有一定的权利。

技术介绍

[0003]使用链霉抗生物素蛋白
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生物素链接来构建分子组装体在本领域是众所周知的，许多试剂可在市场上买到。众所周知的还有，蛋白质与电极的化学偶联增强了金属电极与蛋白质之间的电子传递。这可以利用特定共价链接的形式1，或者用小分子(例如氨基酸)对电极进行功能化，使得电极亲水，从而能够与蛋白质形成氢键。2[0004]尽管已知一些蛋白质具有超长距离的导电性2‑4，但最近已经清楚，这种传导性只有在电极和蛋白质之间进行特定的化学接触时才明显，特别是，基于同源配体相互作用的连接，该同源配体与已进化为与其相互作用的蛋白质的疏水内部相互作用。5另外，这一最近的工作显示，高电子传导性(在多个(2
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20)nm的距离上为nS)似乎是蛋白质的共同性质，而不仅是已进化为执行电子传递功能的蛋白质。此类行为在本文中被称为准金属传导。最后，这一工作还显示，与蛋白质自身经由该蛋白质的表面硫醇修饰直接附接到电极相比，特定配体分子(其自身通过硫醇链接与电极结合)与蛋白质的结合产生了与蛋白质的更好接触。因此，相比于与蛋白质亲水外部上的残基的强不可逆共价键，可经由弱且可逆键结合但这样做时接触蛋白质疏水内部的配体是更好的电连接物。在蛋白质与电极之间或者在一个蛋白质与另一个蛋白质之间形成电接触的最稳健方法是利用蛋白质进化形成的特定化学接触：即，配体
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受体相互作用。另外，有理论依据6认为蛋白质内部表现出作为电子传输材料的准金属性质。这与Zhang等人的发现一致，即，在非电子传递蛋白质的一系列蛋白质中，电导过高以致无法测量(即，接触受限)。5在电子传递蛋白质中存在同样的性质(在这里，根据生物需要，它们可能是被期望的)。有趣地，所有被检测的功能蛋白都具有这种准金属性质，尽管目前还不知道该性质在不执行电子传输功能的蛋白质中的进化作用。

技术实现思路

[0005]本公开提供了生物电子电路、系统及其制备和使用方法。
[0006]在一个实施方式中，提供了生物电子电路。在该实施方式的一个方面，生物电子电路包含(a)至少一个电极，(b)至少一种对蛋白质具有特异性的配体，其中该配体经修饰以使其附接到至少一个电极，和(c)至少一种与该配体结合的蛋白质，从而在电极和蛋白质之间形成电子接触。
[0007]在第二方面，生物电子电路包含(a)第一和第二电极，(b)对蛋白质具有特异性的第一和第二配体，其中该配体经修饰以使第一配体附接到第一电极并且第二配体附接到第二电极，和(c)经修饰以与第一和第二配体结合的蛋白质，其中该蛋白质与第一和第二配体之间的结合在电极和蛋白质之间形成电子接触。
[0008]在第三方面，生物电子电路包含(a)第一和第二电极，(b)对蛋白质具有特异性的
第一配体，其中该第一配体经修饰以使其附接到第一电极，(c)蛋白质，该蛋白质与第一配体结合并且经修饰以与第二配体结合，和(d)第二配体，该第二配体与蛋白质结合并且经修饰以使其附接到第二电极，从而在第一和第二电极与蛋白质之间形成电子接触。
[0009]在第四方面，生物电子电路包含(a)第一和第二电极，(b)第一蛋白质，其中第一蛋白质经由生物素
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链霉抗生物素蛋白相互作用附接到第一电极，(c)第二蛋白质，其中第二蛋白质经由生物素
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链霉抗生物素蛋白相互作用附接到第一蛋白质，并且经修饰以与配体结合，(d)配体，该配体与第二蛋白质结合并且经修饰以使其附接到第二电极，从而在第一和第二电极与第一和第二蛋白质之间形成电子接触。
[0010]在第五方面，生物电子电路包含(a)第一和第二电极，(b)第一和第二蛋白质，其中第一和第二蛋白质中的一个或二者通过生物素
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链霉抗生物素蛋白相互作用附接到第一和第二电极，从而在第一和第二电极与第一和第二蛋白质中的一个或二者之间形成电子接触。
[0011]在第六方面，生物电子电路包含(a)第一和第二电极，(b)第一蛋白质，其中第一蛋白质经由生物素
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链霉抗生物素蛋白相互作用附接到第一电极，(c)第二蛋白质，其中第二蛋白质经由生物素
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链霉抗生物素蛋白相互作用附接到第一蛋白质并且经由生物素
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链霉抗生物素蛋白相互作用附接到第二电极，(d)第三蛋白质，其中第三蛋白质经由生物素
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链霉抗生物素蛋白相互作用附接到第一和第二蛋白质，从而在第一和第二电极与第一、第二和第三蛋白质之间形成电子接触。
[0012]在第七方面，生物电子电路包含(a)第一电极，(b)第一蛋白质，其中第一蛋白质经由生物素
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链霉抗生物素蛋白相互作用附接到第一电极，(c)第二蛋白质，其中第二蛋白质经由生物素
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链霉抗生物素蛋白相互作用附接到第一蛋白质并且经由生物素
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链霉抗生物素蛋白相互作用附接到第二电极，(d)第二电极，该第二电极与电解质接触并且连接到第一电极，(e)用于施加偏压的装置，(f)用于感测电流的装置，从而在第一和第二电极与第一和第二蛋白质之间形成电子接触。
[0013]在第八方面，生物电子电路如本文中所述，其中蛋白质包含位于蛋白质表面的两个或更多个Avitag序列和来自蛋白质内的酪氨酸、色氨酸或组氨酸的不超过10个氨基酸残基。
[0014]在第九方面，生物电子电路包含(a)第一和第二电极，(b)对蛋白质具有特异性的第一和第二配体，其中该配体经修饰以使第一配体附接到第一电极并且第二配体附接到第二电极，和(c)与第一配体和第二配体结合的第一蛋白质和第二蛋白质，和(d)经修饰以与第一和第二蛋白质结合的第三蛋白质，其中第三蛋白质与第一和第二蛋白质的结合在电极和蛋白质之间形成电子接触。
[0015]在第十方面，生物电子电路包含(a)第一和第二电极，(b)对蛋白质有特异性的第一和第二配体，其中该配体经修饰以使第一配体附接到第一电极并且第二配体附接到第二电极，(c)至少第一蛋白质和第二蛋白质，它们与第一配体和第二配体结合，并且可以经由配体偶联到其他蛋白质，从而扩大获得传导的范围。
[0016]在另一实施方式中，提供了用于蛋白质活性的电测量的系统。系统包含(a)本文所述的生物电子电路，(b)用于在第一和第二电极之间施加偏压的装置，和(c)用于检测通过生物电子电路的电流的装置。
[0017]在另一实施方式中，提供了制备生物电子电路的方法。在一个方面，方法包括(a)将至少一个链霉抗生物素蛋白分子附接到至少一个电极上，(b)将生物素化蛋白质引入到来自步骤(a)的链霉抗生物素蛋白
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电极中以形成包含至少一个电极、至少一个链霉抗生物素蛋白分子和生物素化蛋白质的复合体。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.生物电子电路，包含：(a)第一和第二电极，(b)对蛋白质有特异性的第一和第二配体，其中所述配体经修饰以使得所述第一配体附接到所述第一电极并且所述第二配体附接到所述第二电极，和(c)经修饰以与所述第一和第二配体结合的蛋白质，其中所述蛋白质与所述第一和第二配体的结合在所述电极和所述蛋白质之间形成电子接触。2.根据权利要求1的生物电子电路，其中所述电极包含选自下组的金属：钯、铂或金。3.根据权利要求1或权利要求2的生物电子电路，其中所述配体选自下组：HSCH2CH2‑
二硝基苯酚，CALDRWEKIRLR(SEQ ID NO:1)，CHNTPVYKLDISEATQV(SEQ ID NO:2)，环状RGDfC，硫化链霉抗生物素蛋白，和HSCH2CH2‑
生物素。4.根据权利要求1或权利要求2的生物电子电路，其中所述蛋白质选自下组：IgE抗DNP，IgG抗HIV，IgG抗Ebola，Fab抗Ebola，α
V
β3整合素，和链霉抗生物素蛋白。5.根据权利要求1或权利要求2的生物电子电路，进一步包括其中所述蛋白质是聚合酶、内切核酸酶、解旋酶或蛋白酶体。6.根据权利要求1的生物电子电路，其中至少一个配体经修饰为包含硫醇、胺、二硫化物或氰化物部分。7.权利要求1的生物电子电路，其中所述配体是硫化链霉抗生物素蛋白。8.权利要求1或权利要求7的生物电子电路，其中所述蛋白质经修饰为含有生物素。9.权利要求1或权利要求2的生物电子电路，其中所述蛋白质是双生物素化聚合酶。10.生物电子电路，包含：(a)第一和第二电极，(b)对蛋白质有特异性的第一配体，其中所述第一配体经修饰以使其附接到所述第一电极，(c)蛋白质，所述蛋白质与所述第一配体结合并且经修饰以与第二配体结合，和(d)第二配体，所述第二配体与所述蛋白质结合并且经修饰以使其附接到所述第二电极，从而在所述第一和第二电极与所述蛋白质之间形成电子接触。11.权利要求10的生物电子电路，其中所述蛋白质上与所述第一配体的结合位点靠近柔性接头序列。12.权利要求10的生物电子电路，其中所述蛋白质上与所述第二配体的第二结合位点靠近柔性接头序列。13.权利要求11或12的生物电子电路，其中所述柔性接头序列包含GNSTNGTSNGSS(SEQ ID NO:3)。14.生物电子电路，包含：(a)第一和第二电极，(b)第一蛋白质，其中所述第一蛋白质经由生物素
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链霉抗生物素蛋白相互作用附接到所述第一电极，(c)第二蛋白质，其中所述第二蛋白质经由生物素
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链霉抗生物素蛋白相互作用附接到所述第一蛋白质并且经修饰以与配体结合，(d)配体，所述配体与所述第二蛋白质结合并且经修饰以使其附接到所述第二电极，从
而在所述第一和第二电极与所述第一和第二蛋白质之间形成电子接触。15.根据权利要求14的生物电子电路，其中所述第一蛋白质包含两个生物素。16.权利要求15的生物电子电路，其中所述第二蛋白质包含两个生物素化Avitag序列。17.生物电子电路，包含：(a)第一和第二电极，(b)第一和第二蛋白质，其中所述第一和第二蛋白质中的一个或二者通过生物素
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链霉抗生物素蛋白相互作用附接到所述第一和第二电极，从而在所述第一和第二电极与所述第一和第二蛋白质中的一个或二者之间形成电子接触。18.权利要求17的生物电子电路，...

【专利技术属性】
技术研发人员：S林德赛，B张，H邓，
申请(专利权)人：代表亚利桑那大学的亚利桑那校董事会，
类型：发明
国别省市：