CN101854214B - 膜囊泡分裂体系 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膜囊泡分裂体系。所述膜囊泡分裂体系包括:具有包含阳离子脂质的脂双层膜的膜囊泡;和将具有疏水性基团的阴离子材料应用于所述膜囊泡的单元。
Description
技术领域
本发明涉及膜囊泡分裂体系、分子通信体系、膜囊泡分裂方法和分子通信方法。
背景技术
分子通信体系是公知的,该分子通信体系具有分子送信机和分子受信机,前者释放其中包含有信息分子的分子胶囊,后者接受由分子送信机释放的包含在分子胶囊中的信息分子(参见专利文献1)。
另外,专利文献2和非专利文献1公开了使用由卵磷脂等磷脂构成的脂质体作为分子送信机并分裂脂质体以从该分子送信机中释放信息分子的方法。
此外,非专利文献2公开了应用具有单一长烃链基团的表面活性剂以使表面活性剂的浓度不低于阈值且不高于临界胶束浓度(CMC),从而分裂具有液态有序相的脂双层膜的巨大单层囊泡(GUV)。此处,使用溶血磷脂酰胆碱(lyso-PC)、溶血磷脂酸(lyso-PA)、十二烷基硫酸钠(SDS)和辛基葡萄糖苷作为具有单一长烃链基团的表面活性剂。
不过,问题是由于存在对具有单一长烃链基团的表面活性剂的浓度的限制以及构成GUV的脂双层膜的限制,不能在通用条件下分裂GUV。
专利文献1:日本特开第2008-68347号公报
专利文献2:日本特开第2007-296609号公报
非专利文献1:Y.Moritani等,″Molecular Communication amongNanomachines Using Vesicles″,Proceedings on NSTI NanotechnologyConference and Trade Show 2006,第2卷,第705-708页,2006年5月。
非专利文献2:Y.Inaoka等,″Vesicle Fission of Giant UnilamellarVesicles of Liquid-Ordered-Phase Membranes Induced by Amphiphiles with aSingle Long Hydrocarbon Chain,″Langmuir,第23卷,第720-728页,2007。
考虑到上述的现有技术的问题,本发明的一个目的是提供使得能够在通用条件下分裂膜囊泡的膜囊泡分裂体系和膜囊泡分裂方法。此外,本发明的另一个目的是提供使用膜囊泡分裂体系的分子通信体系和使用膜囊泡分裂方法的分子通信方法。
发明内容
为了解决上述问题,在本发明中提供一种膜囊泡分裂方法,所述方法包括将具有疏水性基团的阴离子材料应用于具有包含阳离子脂质的脂双层膜的膜囊泡的步骡。
根据本发明,可以提供膜囊泡分裂体系和膜囊泡分裂方法从而使得能够在通用条件下分裂膜囊泡。此外,根据本发明,可以提供具有所述膜囊泡分裂体系的分子通信体系和使用所述膜囊泡分裂方法的分子通信方法。
附图说明
图1是描述本发明的膜囊泡分裂体系的一个实例的概念图;
图2是描述图1的膜囊泡中的脂双层膜的图;
图3是描述图1中的膜囊泡分裂的过程的图;
图4是描述图1的膜囊泡的变体的图;
图5是描述本发明的分子通信体系的一个实例的概念图;
图6是描述图5中的膜囊泡分裂的过程的图;和
图7A、7B、7C和7D是描述添加本发明的实例的8-羟基-1,3,6-芘三磺酸三钠(pyranine)水溶液之后的膜囊泡的光学显微镜照片。
具体实施方式
下面结合附图描述本发明的实施方式。
图1中说明了本发明的膜囊泡分裂体系的一个实例。膜囊泡分裂体系100具有膜囊泡110;和水溶液应用装置120,该装置将具有疏水性基团的阴离子材料的水溶液121应用于膜囊泡110。
如图2中所描述,水中存在具有脂双层膜的膜囊泡110,所述脂双层膜中具有阳离子脂质111和共存的两性磷脂112。阳离子脂质111和两性磷脂112存在的状态使得疏水性基团经由疏水相互作用而自动对齐并且离子基曝露于表面(参见图2)。膜囊泡110可通过搅拌阳离子脂质111和两性磷脂112而形成,或者通过使阳离子脂质111和两性磷脂112进行超声分散而形成。此外,膜囊泡110还可通过如下方式形成:将其中溶解有阳离子脂质111和两性磷脂112的如氯仿或甲醇等有机溶剂置于玻璃管中,然后向通过蒸发有机溶剂而得到的脂质膜添加水以使脂质膜溶胀而形成膜囊泡。
阳离子脂质111可包括但不特别限于具有两个长烃链基团、季铵盐型阳离子基团或吡啶盐型阳离子基团的脂质等,可以将两种以上的这类脂质组合使用。其中,由于通过脂质之间的氢键效应得到的聚集形式的稳定化对于脂双层膜的形成很重要,因而阳离子脂质111优选N+C3U2C16,由以下化学式表示:
化学式1
脂双层膜中的阳离子脂质111的含量通常为5摩尔%~95摩尔%,优选为大约50摩尔%。该含量小于5摩尔%时,分裂膜囊泡110所必需的域的形成不足,而当含量超过95摩尔%时膜囊泡110不会有效分裂。
两性磷脂112可包括但不特别限于卵磷脂、鞘磷脂等,可将两种以上的这些磷脂组合使用。其中,重要的是与阳离子脂质的相分离易于发生从而诱发膜囊泡110的分裂,因而两性磷脂112优选DMPC(二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱),其由下列化学式表示:
化学式2
脂双层膜中的两性磷脂112的含量通常为5摩尔%~95摩尔%,优选为大约50摩尔%。该含量小于5摩尔%或超过95摩尔%时,膜囊泡110可能不分裂。
水溶液应用装置120不限于任何特定的装置,只要该水溶液应用装置能够使用控制单元(未示出)以控制在预定的时机将预定量的具有疏水性基团的阴离子材料的水溶液121应用于膜囊泡110即可,因而可以使用如自动滴定装置等已知装置。作为水溶液应用装置120的替代装置,可以使用移液管、滴液漏斗等将具有疏水性基团的阴离子材料的水溶液121应用于膜囊泡110。
具有疏水性基团的阴离子材料可包括但不特别限于具有其中从芘、蒽等芳香烃除去有氢原子的基团的阴离子材料,可将两种以上这类阴离子材料组合使用。其中,所述阴离子材料优选8-羟基-1,3,6-芘三磺酸三钠,由以下化学式表示:
化学式3
相对于阳离子脂质111,待应用于膜囊泡110的具有疏水性基团的阴离子材料的含量通常为0.1摩尔%~10摩尔%,优选为约0.5摩尔%。该含量小于0.1摩尔%或超过10摩尔%时,膜囊泡110可能不分裂。
下面描述使用膜囊泡分裂体系100分裂膜囊泡110的机理。当使用控制单元从水溶液应用装置120向膜囊泡110应用预定量的具有疏水性基团的阴离子材料的水溶液121时,所述阴离子材料与存在于膜囊泡110的双层脂质层中的阳离子脂质111相互作用。更具体而言,在阴离子材料的阴离子基团与阳离子脂质111的阳离子基团之间发生静电相互作用,由此引发阴离子材料的疏水性基团与阳离子脂质111的疏水性基团之间的疏水相互作用。结果,膜囊泡110变形,然后分裂,从而产生具有膜囊泡110的脂双层膜的一部分的膜囊泡110’(图3)。然后,由于使用水溶性材料作为具有疏水性基团的阴离子材料时不必考虑CMC,因而膜囊泡110可以在通用条件下分裂。
膜囊泡110具有其中具有阳离子脂质111和共存的两性磷脂112的脂双层膜,由此脂双层膜并不限于特定的膜,只要其包含阳离子脂质111即可,并且该脂双层膜不必包含两性磷脂112。此外,脂双层膜还可包含胆固醇,并可在其中形成有脂筏(lipid raft)。
通常,已知膜囊泡可由数十纳米(nm)至数十微米(μm)的各种尺寸进行人工构造,并且还可以使用合成脂质进行构造(例如参见P.Luigi等,″Giant Vesicles″,第1-5章,ISBN:0471979864,John Wiley & Sons Inc.,2000)。
图4中说明了膜囊泡110的变体。膜囊泡130具有硅制成形体(siliconcompact)131和其中具有阳离子脂质111和共存的两性磷脂112的脂双层膜。此处,以与膜囊泡110的类似的方式,膜囊泡130中也包含能够与阴离子材料相互作用的阳离子脂质111,从而可适用于膜分裂体系100。
成形体131可由玻璃等制成,并不限于硅。
本发明的膜囊泡分裂体系可广泛应用于使用膜囊泡来输送材料的各种体系。下面描述分子通信体系。
图5中说明了本发明的分子通信体系的一个实例。分子通信体系200具有:作为分子送信机的膜囊泡220,膜囊泡220中包含有信息分子210;水溶液应用装置120,该装置将具有疏水性基团的阴离子材料的水溶液121应用于膜囊泡220;作为分子受信机的膜囊泡230;水溶液应用装置240,该装置将Cu2+水溶液241应用于膜囊泡230;水溶液应用装置250,该装置将抗菌肽水溶液251应用于膜囊泡230。膜囊泡220、220’和230存在于水中(也参见图6)。
信息分子210包括但不限于DNA、离子、肽等。此处,DNA被编码为如碱基序列、发夹结构、突出结构等信息。此外,离子被编码为如离子类型等信息。此外,肽被编码为如氨基酸序列等信息。
膜囊泡220与膜囊泡110类似,不同之处在于在膜囊泡220中嵌入了具有假冠醚作为间隔区的双子型肽脂(Gemini peptide lipid)221。膜囊泡220可通过搅拌阳离子脂质111、两性磷脂112和双子型肽脂221而在水中形成,或通过使阳离子脂质111、两性磷脂112和双子型肽脂221进行超声分散而在水中形成。此外,可通过将其中溶解有阳离子脂质111、两性磷脂112和双子型肽脂221的有机溶剂(如氯仿或甲醇)置于玻璃管中,然后向通过蒸发有机溶剂而得到的脂质膜添加水而形成膜囊泡220。
膜囊泡230具有包含除阳离子脂质之外的其他脂质的脂双层膜,并在其中嵌入了具有假冠醚作为间隔区的双子型肽脂231。所述除阳离子脂质之外的其他脂质包括糖脂、如卵磷脂等磷脂等。膜囊泡230可通过搅拌脂质或使脂质进行超声分散而在水中形成。此外,可通过将氯仿或甲醇等其中溶解有脂质的有机溶剂放入玻璃管等中然后向通过蒸发有机溶剂得到的脂质膜添加水而形成膜囊泡230。
水溶液应用装置240并不特别限定于任何特定装置,只要该水溶液应用装置能够使用控制单元以控制在预定的时机将预定量的Cu2+水溶液241应用于膜囊泡230即可,因而可以使用如自动滴定装置等已知装置。作为水溶液应用装置240的替代装置,可以使用移液管、滴液漏斗等将Cu2+水溶液241应用于膜囊泡230。
水溶液应用装置250并不特别限定于任何特定装置,只要该水溶液应用装置能够使用控制单元以控制在预定的时机将预定量的抗菌肽水溶液251应用于膜囊泡230即可,因而可以使用如自动滴定装置等已知装置。作为水溶液应用装置250的替代装置,可以使用移液管、滴液漏斗等将抗菌肽水溶液251应用于膜囊泡230。
下面描述使用分子通信体系200来进行分子通信的机理。当使用控制单元从水溶液应用装置120向其内包含有信息分子210的膜囊泡220应用预定量的具有疏水性基团的阴离子材料的水溶液121时,膜囊泡220变形然后分裂,从而产生其内包含有信息分子210的膜囊泡220’(参见图6)。可以通过形成水流来输送产生的散布的膜囊泡220’。然后,当使用控制单元从水溶液应用装置240向膜囊泡220’和230应用预定量的Cu2+水溶液241时,膜囊泡220’聚集于膜囊泡230的表面。随后,当使用控制单元从水溶液应用装置250向聚集的膜囊泡220’和230应用预定量的抗菌肽水溶液251时,分别在膜囊泡220’和230中诱导产生微孔,使得信息分子210被带入膜囊泡230中。抗菌肽水溶液251随时间流逝在环境中扩散,因而膜囊泡220’和230中形成的微孔在预定的时间历程后闭合。然后,可以将预定量的K+水溶液从类似于水溶液应用装置240和250的水溶液应用装置应用于膜囊泡220’和230,以使膜囊泡220’与230分离。
作为双子型肽脂221和231的替代物,可以使用具有其中从偶氮苯移除有氢原子的基团作为间隔区的双子型肽脂。在该情况中,不是由水溶液应用装置240向膜囊泡220’和230应用预定量的Cu2+水溶液241,而是当照射预定量的紫外线时,膜囊泡220’聚集至膜囊泡230的表面。然后,由光照装置向膜囊泡220’和230照射预定量的可见光,以使膜囊泡220’与230分离。
此外,不采用水溶液应用装置250向聚集的膜囊泡230和220’应用抗菌肽水溶液251以形成微孔,而是应用La3+水溶液或双链DNA水溶液以使膜囊泡220’和230融合。
实施例1
将1ml的0.3mM N+C3U2C16的氯仿溶液与1ml的0.7mM DMPC的氯仿溶液混合,然后蒸发氯仿以形成薄膜,向其添加预定量的水以便进行温育,由此制备膜囊泡。随后,当使用水溶液应用装置将10μl的2.5μM的8-羟基-1,3,6-芘三磺酸三钠的水溶液应用至10μl膜囊泡溶液时,膜囊泡变形然后分裂,从而产生具有膜囊泡的脂双层膜的一部分的膜囊泡(参见图7A、7B、7C和7D)。图7A、7B、7C和7D分别描述了加入8-羟基-1,3,6-芘三磺酸三钠的水溶液之后即刻、10秒、15秒和25秒时的膜囊泡。
本申请基于于2009年3月31日向日本专利局提交的日本优先权专利申请第2009-087377号,此处以引用的方式引入其全部内容。
Claims (10)
1.一种膜囊泡分裂体系,所述体系包括:
具有包含5摩尔%~95摩尔%阳离子脂质的脂双层膜的第一膜囊泡,其中,所述阳离子脂质包括具有两个长烃链基团、季铵盐型阳离子基团或吡啶盐型阳离子基团的脂质;和
将具有疏水性基团的阴离子材料应用于所述第一膜囊泡的单元,其中,所述具有疏水性基团的阴离子材料为不是具有单一长烃链基团的表面活性剂的材料并且是具有从芳香烃除去有氢原子的基团的阴离子材料,
将相对于所述阳离子脂质为0.1摩尔%~10摩尔%的所述具有疏水性基团的阴离子材料应用于所述第一膜囊泡,由此在所述第一膜囊泡的外部使具有所述脂双层膜的一部分的第二膜囊泡分裂。
2.如权利要求1所述的膜囊泡分裂体系,其中所述具有疏水性基团的阴离子材料是8-羟基-1,3,6-芘三磺酸三钠。
3.如权利要求1所述的膜囊泡分裂体系,其中所述阳离子脂质是溴化N,N-双十六烷基-N'-(3-(三甲氨基)丙基)脲。
4.如权利要求1所述的膜囊泡分裂体系,其中所述脂双层膜还包含两性磷脂。
5.一种具有如权利要求1所述的膜囊泡分裂体系的分子通信体系,所述第一膜囊泡内包含信息分子,所述分子通信体系还包括:
将其内包含有所述信息分子的第二膜囊泡输送至第三膜囊泡的单元,所述第二膜囊泡通过将相对所述阳离子脂质为0.1摩尔%~10摩尔%的所述具有疏水性基团的阴离子材料应用于所述第一膜囊泡而分裂;和
使输送的所述第二膜囊泡内包含的所述信息分子被带入所述第三膜囊泡的单元。
6.一种膜囊泡分裂方法,所述方法将相对所述阳离子脂质为0.1摩尔%~10摩尔%的具有疏水性基团的阴离子材料应用于具有包含5摩尔%~95摩尔%阳离子脂质的脂双层膜的第一膜囊泡,由此在所述第一膜囊泡的外部使具有所述脂双层膜的一部分的第二膜囊泡分裂,其中,所述阳离子脂质包括具有两个长烃链基团、季铵盐型阳离子基团或吡啶盐型阳离子基团的脂质,所述具有疏水性基团的阴离子材料为不是具有单一长烃链基团的表面活性剂的材料并且是具有从芳香烃除去有氢原子的基团的阴离子材料。
7.如权利要求6所述的膜囊泡分裂方法,其中所述具有疏水性基团的阴离子材料是8-羟基-1,3,6-芘三磺酸三钠。
8.如权利要求6所述的膜囊泡分裂方法,其中所述阳离子脂质是溴化N,N-双十六烷基-N'-(3-(三甲氨基)丙基)脲。
9.如权利要求6所述的膜囊泡分裂方法,其中所述脂双层膜还包含两性磷脂。
10.一种使用如权利要求6所述的膜囊泡分裂方法的分子通信方法,所述第一膜囊泡内包含信息分子,所述分子通信方法包括下列步骤:
将其内包含有所述信息分子的第二膜囊泡输送至第三膜囊泡,所述第二膜囊泡通过将相对所述阳离子脂质为0.1摩尔%~10摩尔%的所述具有疏水性基团的阴离子材料应用于所述第一膜囊泡而发生分裂;和
使输送的所述第二膜囊泡内包含的所述信息分子被带入所述第三膜囊泡。
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