用于产生三磷酸腺苷的系统技术方案

本发明专利技术涉及用于产生ＡＴＰ的系统。该系统由支持物和偶联到支持物的能够共同从葡萄糖或果糖代谢产生ＡＴＰ的一种或更多种酶组成。本发明专利技术另外涉及一种装置，其包括该系统，以及一种使用该系统进行包含ＡＴＰ到ＡＤＰ的转变的反应的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于产生三磷酸腺苷的系统本申请要求2007年10月17日提交的美国临时专利申请序列号60/980，636的权 益，其通过引用以其整体在此并入。本专利技术在政府支持下由国立卫生研究院给予的奖助金编号K01-RR00188和 HD-33052产生。政府具有本专利技术中的某些权利。专利
本专利技术涉及用于产生三磷酸腺苷(〃 ATP)的系统。专利技术背景生物技术的一个最引人注目的前景用途是产生可以执行生物学功能的杂合有 机-无机装置。对于这样的装置的应用是众多的。例如，它们可以被植入并执行诊断或治 疗的功能，例如提供需要的酶活性或释放药物至特定组织。这些装置可以在血液内循环并 在通过暴露至特定分子、病原体、患病细胞或组织类型的刺激时释放药物或催化反应。它们 甚至可以进入其中它们可以补偿有缺陷的或缺乏的生物反应的单个细胞。可选择地，它们 可以以纳米机器人(nanobot)的方式执行机械功能。纳米颗粒递送载体的实例存在于现有技术中(Franzen等的美国专利号 7，332，586和美国专利申请公开号2008/0199529)。然而，可以执行生物学功能的自供动力 的有机_无机装置的应用更加广泛。例如，执行生物学功能的杂合有机_无机装置可以携 带酶以替代失去的功能，例如患者出生而没有特定酶的先天性缺陷。这将提出其中患者的 DNA必须被改变的基因治疗的一种替代方案。可选择地，人们潜在地可以使用这样的装 置以携带能够降解毒素或识别并消灭病原体的酶。另一种潜在的功能将是产生可以与病原 体或癌细胞结合，然后直接在那些细胞特异性泵出药物或代谢物的装置。类似地，人们可以 产生外科医生可以将其包装进感染性创口以在缺乏血管供应的区域中泵出抗生素的装置。 两种方法都将增加药物的局部浓度并减少全身毒性。然而，如何为这样的装置一特别是在 非常小的，纳米尺度上一提供动力的问题仍然是这样的装置的发展和实际使用的关键性 障碍。杂合有机-无机纳米装置的实例已经被报道了。例如，重组体Fl-ATP酶已经产 生，其一端拴(tether)到固体表面而另一端支持小的镍杆(Soong et al. , “ Powering an Inorganic Nanodevice with a BiomolecularMotor, Science, 290 :1555-8(2000))。 Soong证明依靠水解ATP (对于生物反应最常见的细胞能量形式)，该分子进行旋转运动并 且该杆可以被看出移动。可逆结合位点形式的开关(on-off switch)“已经被设计进该 相同的分子马达(Liu et al. , “ Control of a BiomolecularMotor-powered Nanodevice with an Engineered Chemical Switch, Nat. Mater.，1 :173-7 (2002))，显示这样的装置 可以被调控。类似地，其它纳米马达基于RNA螺旋酶、驱动蛋白、动力蛋白或肌球蛋白。然 而，为了有功能，ATP必须外源提供或者在该装置本身局部地产生。已经报道了产生ATP的系统，使用细菌视紫红质和F0F1-ATP合酶(Luo et al. , “ Photo-Induced Proton Gradients and ATP BiosynthesisProduced byVesicles Encapsulated in a Silica Matrix, Nat. Mater. , 4 :220_4(2005) ；Choi et al. , Advances in Nano Biotic/Abiotic HybridSystems Protein-Based Engineered Devices, “ Nanobiotechnol 3:66-75(2007))。然而，该系统需要外源光，其对于体内的 医学应用是不实际的。纳米生物机器的第二个实例从微管和具有丙酮酸激酶的异_双功能聚合物粒子 产生，其通过利用自给的ATP在涂有驱动蛋白的玻璃表面上驱动(Du et al, “ Motor Protein Nano-biomachine Powered bySe If-supplying ATP, Chem Commun., 2080-82(2005))。然而，该纳米机器涉及与越过玻璃表面的微管一起体外用于运动性测定。 它不需要葡萄糖或果糖作为起始物料，而需要外源二磷酸腺苷(“ADP)和磷酸烯醇丙酮 酸盐(“PEP)以产生ATP。把蛋白质附着或连接到固体支持物在本领域是众所周知的。然而，维持偶联到固 体支持物的蛋白质的活性挑战了本领域的科学家，而只有少数连接单个蛋白质到固体支持 物并且维持该蛋白质活性的情况已经被显示。本专利技术涉及克服本领域的这些和其它缺陷。专利技术概述本专利技术的一个方面涉及用于产生ATP的系统。该系统包括支持物和偶联到该支持 物的能够共同从葡萄糖或果糖代谢产生ATP的一种或更多种酶。本专利技术的另一个方面涉及用于进行包括ATP到ADP转化的反应的装置。该装置包 括用于产生ATP的系统，其包括支持物和偶联到该支持物的能够共同从葡萄糖或果糖代谢 产生ATP的一种或更多种酶。该装置另外包括与该系统相关并且能够把ATP转变为ADP和 进行该反应的部件。本专利技术还涉及用于进行包括ATP到ADP转化的反应的方法。该方法包括提供用于 从葡萄糖或果糖代谢产生ATP的系统。该系统包括支持物和偶联到该支持物的能够共同从 葡萄糖或果糖代谢产生ATP的一种或更多种酶。该系统在从葡萄糖或果糖代谢有效产生 ATP的条件下与葡萄糖或果糖接触。ATP被转变成ADP，并且该反应进行。本专利技术的一个进一步的实施方案还涉及用于产生ATP的方法。这包括提供用于从 葡萄糖或果糖代谢产生ATP的系统。该装置包括支持物和偶联到该支持物的能够共同从葡 萄糖或果糖代谢产生ATP的一种或更多种酶。该系统在从葡萄糖或果糖代谢有效产生ATP 的条件下与葡萄糖或果糖接触。本专利技术涉及改进的用于体内医学应用的产生ATP的机制。这构成了在把一个途径 中的酶顺序拴到固体支持物并且让那些酶连续地执行它们的功能中的重要进步。这构成了 用于从存在于血清的葡萄糖或果糖体内产生ATP的新方法。附图简述图1显示潜在的医学纳米装置设计的示意图。在该图像中，把支持物包封在脂质 体内，葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白(GLUT)进入，并且拴住的糖酵解途径加工葡萄糖成为 ATP，其可以1)催化共拴到该支持物的需要的酶促反应，或2)为膜泵(例如ABC转运蛋 白)提供动力，其将释放负荷(cargo)(例如包含在该脂质体内的化学疗法药物或抗生素)。 丙酮酸盐形式的废物将通过添加另外的酶(LDH)被转变为乳酸盐，然后将通过另一种 转运蛋白(MCT)去除。添加该能力将允许补充糖酵解需要的中间产物以继续发挥功能。还将把启动数量的ATP、和ADP、无机磷酸盐、以及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)共包封入该 装置中以支持需要的反应。图2显示使用芯片亚组装件代替在单个芯片上具有全部10种(或11种，如果包 括LDH)酶。图3显示在整个糖酵解途径中代谢葡萄糖或果糖的酶的位置。丙酮酸盐通过乳酸 脱氢酶转变为乳酸盐显示为另外的步骤，因为如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生三磷酸腺苷的系统，所述系统包括：支持物和能够共同从葡萄糖或果糖代谢产生三磷酸腺苷的一种或更多种酶，其中所述一种或更多种酶偶联到所述支持物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-10-17 60/980636中限定的本发明的范围之内。权利要求一种用于产生三磷酸腺苷的系统，所述系统包括支持物和能够共同从葡萄糖或果糖代谢产生三磷酸腺苷的一种或更多种酶，其中所述一种或更多种酶偶联到所述支持物。2.权利要求1的系统，其中所述支持物包括复数的分离的表面，不同组的复数的酶附 着到该分离的表面。3.权利要求2的系统，其中附着到单个表面的不同酶各自通过不同的偶联化学作用附4.权利要求1的系统，其中所述一种或更多种酶是己糖激酶、葡萄糖6-磷酸异构酶、 6-磷酸果糖激酶、醛缩酶、丙糖_磷酸_异构酶、甘油醛-3-磷酸-脱氢酶、磷酸甘油酸激 酶、磷酸甘油酸变位酶、烯醇化酶和丙酮酸激酶。5.权利要求4的系统，其中复数的酶以选择的位置连续地偶联到支持物上以连续地进 行从葡萄糖或果糖代谢生产三磷酸腺苷的步骤。6.权利要求1的系统，进一步包括在适合转变丙酮酸盐为乳酸盐的位置偶联到该支持物的乳酸脱氢酶。7.权利要求1的系统，其中所述一种或更多种酶通过用能够使所述一种或更多种酶靶 向该支持物的结构域替代所述一种或更多种酶的靶向/支架结构域偶联到该支持物。8.权利要求7的系统，其中用组氨酸标签替代所述一种或更多种酶的靶向/支架结构 域并且该支持物具有与组氨酸标签结合的连接剂和/或用GST融合标签替代所述一种或更 多种酶的所述靶向/支架结构域并且该支持物具有与GST融合标签结合的连接剂。9.权利要求8的系统，其中该连接剂是次氮基三乙酸镍或谷胱甘肽。10.权利要求1的系统，其中该支持物被聚乙二醇或金涂布。11.一种用于进行包括三磷酸腺苷到二磷酸腺苷的转变的反应的装置，所述装置包括用于产生三磷酸腺苷的系统，所述系统包括 支持物和能够共同从葡萄糖或果糖代谢产生三磷酸腺苷的一种或更多种酶，其中所述一种或更 多种酶偶联到所述支持物和与所述系统相关并且能够把三磷酸腺苷转变为二磷酸腺苷和进行该反应的部件。12.权利要求11的装置，进一步包括 围绕所述系统和所述部件的包封试剂。13.权利要求12的装置，其中该包封试剂选自脂质体、硅橡胶植入物和特氟隆植入物。14.权利要求12的装置，进一步包括以下之一或两者定位于包封试剂中把葡萄糖或果糖运送至偶联到该支持物的酶的溶质载体家族2转 运蛋白或葡萄糖转运蛋白；和/或定位于包封试剂中从所述装置转运丙酮酸盐和/或乳酸盐的单羧酸盐转运蛋白。15.权利要求12的装置，进一步包括 包封试剂中底物的进口和包封试剂中作为与该装置相关的酶活性的结果从底物生产的反应产物的出口，其中该活性需要三磷酸腺苷到二磷酸腺苷的转变。16.权利要求15的装置，其中该进口和出口独立地选自通道、转运蛋白和孔。17.权利要求15的装置，进一步包括 定位在支持物上使底物磷酸化的酶。18.权利要求12的装置，进一步包括包封试剂中的三磷酸腺苷结合盒家族转运蛋白的成员，其中该转运蛋白与三磷酸腺苷 相互作用以从该装置释放试剂。19.权利要求11的装置，其中所述一种或更多种酶是己糖激酶、葡萄糖6-磷酸异构酶、 6-磷酸果糖激酶、醛缩酶、丙糖_磷酸_异构酶、甘油醛-3-磷酸-脱氢酶、磷酸甘油酸激 酶、磷酸甘油酸变位酶、烯醇化...

【专利技术属性】
技术研发人员：A特拉维斯，
申请(专利权)人：康乃尔研究基金会有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]