JP2006506059A - Artificial biofilm storage device - Google Patents

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JP2006506059A JP2004546750A JP2004546750A JP2006506059A JP 2006506059 A JP2006506059 A JP 2006506059A JP 2004546750 A JP2004546750 A JP 2004546750A JP 2004546750 A JP2004546750 A JP 2004546750A JP 2006506059 A JP2006506059 A JP 2006506059A
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storage device
virus
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phage
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アンジェラ エム. ベルチャー
スン−ウク リー
ブレント エル. アイバーソン
スー−クワン リー
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ボード オブ リージェンツ ユニバーシティ オブ テキサス システム
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    • C12N1/00Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/02Separating microorganisms from their culture media
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12N11/14Enzymes or microbial cells immobilised on or in an inorganic carrier
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    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2750/00MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA ssDNA viruses
    • C12N2750/00011Details

Abstract

本発明には、高密度情報を入力および出力するための生物膜を貯蔵および保存する方法および組成物が含まれる。本発明の1つの形態は、例えば極めて長期にわたり室温で安定性の乾燥薄膜を形成するために、基質に適用された生物学的材料を備える作製された生物膜貯蔵装置である。本発明のまた別の形態は、基質上での生物学的材料の整列を促進する条件下で生物学的材料が基質に適用される、生物膜貯蔵装置を作製する方法である。本発明の組成物、方法、およびキットは、生物学、磁気学、光学およびマイクロエレクトロニクスにおいて広範囲の用途を有する。The present invention includes methods and compositions for storing and preserving biofilms for inputting and outputting high density information. One form of the present invention is a biofilm storage device made with a biological material applied to a substrate, for example to form a dry film that is stable at room temperature for a very long time. Yet another aspect of the present invention is a method of making a biofilm storage device in which biological material is applied to a substrate under conditions that facilitate alignment of the biological material on the substrate. The compositions, methods and kits of the present invention have a wide range of applications in biology, magnetics, optics and microelectronics.

Description

関連出願
本特許出願は、これによりその全体が参照として本明細書に組み入れられるLee et al.に対する米国特許仮出願第60/413,081号の優先権を主張する。
Related Applications This patent application claims priority to US Provisional Application No. 60 / 413,081 to Lee et al., Which is hereby incorporated by reference in its entirety.

連邦政府による研究支援に関する陳述
米国連邦政府は、全米科学財団(NSF)および米国陸軍研究事務所(ARO)の条件(補助金番号第DA 10-01-0456号)にしたがって、本発明に一定の所有権を有する。
Statement on federal research support The United States federal government agrees that the present invention is consistent with the terms of the invention in accordance with the terms of the National Science Foundation (NSF) and the US Army Research Office (ARO) (Grant No. DA 10-01-0456). Has ownership.

発明の分野
本発明は、一般には分子貯蔵装置の分野に、および詳細には、高密度情報を入力および出力するための人工生物膜の貯蔵および保存に向けられる。
The present invention is generally directed to the field of molecular storage devices, and in particular to the storage and preservation of artificial biofilms for inputting and outputting high density information.

ヌクレオチドおよび/またはアミノ酸配列表は、コンピュータ読取り可能形式にある材料を参照として組み入れられる。   Nucleotide and / or amino acid sequence listings are incorporated by reference with material in computer readable form.

発明の背景
次世代マイクロエレクトロニクスデバイスを製造するための「生物学的」材料の使用は、慣習的な加工処理および貯蔵方法の制約を取り除くことを可能にする解決策を提供する。いわゆる有機-無機ハイブリッド材料の開発の成功を目指すこのアプローチにおいて極めて重要な要素は、生物学的材料および無機材料の適切な適合性および組み合わせの同定、適切な材料の合成および適用、ならびにこれらの生物学的貯蔵装置の長期貯蔵である。生物学的材料を適切に長期貯蔵できれば、特にそれが重量および貯蔵スペースを減少させ、さらに材料安定性を上昇または維持する場合は、経済的に極めて有益である。
BACKGROUND OF THE INVENTION The use of “biological” materials to fabricate next generation microelectronic devices provides a solution that allows the limitations of conventional processing and storage methods to be removed. A crucial element in this approach aimed at the successful development of so-called organic-inorganic hybrid materials is the identification of the appropriate compatibility and combination of biological and inorganic materials, the synthesis and application of appropriate materials, and their organisms. The long-term storage of the storage device. If the biological material can be stored properly for long periods of time, it is extremely economically beneficial, especially if it reduces weight and storage space and further increases or maintains material stability.

ウイルスおよびそれらの産物(例、DNAおよびタンパク質)などの生物学的材料、または他の生物学的材料を貯蔵するために使用される現代のテクノロジーには高額の費用がかかる、および/または広範囲に及ぶ扱いにくい化学修飾技術を必要とする。生物学的材料は、一般にそれらの環境に対して高度に感受性であるため、それらの安定性、活性、および寿命を保証するためには高度に特異的かつしばしば高価な材料を必要とする。大幅に長い期間にわたり室温で安定性である生物学的材料は少ない。実際に、生物学的材料は室温では不安定性であることが多いと考えられる。例えばウイルスおよび細菌は、温度および代謝産物に対して高感受性であり、活性を維持するためには持続的な栄養補給および適切な空気(ガス)条件を必要とし、さらに増殖および密度の変化について高頻度でモニターされなければならない。   Modern technologies used to store biological materials such as viruses and their products (eg, DNA and proteins), or other biological materials, are expensive and / or extensively Requires unwieldy chemical modification techniques. Since biological materials are generally highly sensitive to their environment, highly specific and often expensive materials are required to guarantee their stability, activity, and lifetime. Few biological materials are stable at room temperature over a much longer period. In fact, biological materials are often considered unstable at room temperature. For example, viruses and bacteria are highly sensitive to temperature and metabolites, require sustained nutrition and appropriate air (gas) conditions to maintain activity, and are highly resistant to growth and density changes. Must be monitored at a frequency.

生物学的材料を貯蔵および保存するためには、数種の方法が存在する。一般には、低温貯蔵法またはフリーズドライ法(例、-20℃から-80℃のような低温下で10%グリセロール中に材料を懸濁させる)またはポリエチレングリコール修飾法が使用される。また別の選択肢には乾燥法があるが、乾燥法には利点と欠点のどちらも備わっている。乾燥法は高額の費用を必要としないが、大量生産(すなわち、工業的量での製造)を許容しない。他方、フリーズドライ法は大量生産に使用できる。しかし、この工程は高感受性の生物学的材料を極度に損傷させる。さらにフリーズドライ法は、材料を1つの施設から他の施設へ移す場合でさえ高価な物質(例、ドライアイスまたは他の冷却剤)を使用する必要があるため、非常に不便で、無菌性を保証できず、費用効果性が極めて低い。   There are several methods for storing and preserving biological material. Generally, cold storage or freeze-drying methods (eg, suspending the material in 10% glycerol under low temperature such as -20 ° C to -80 ° C) or polyethylene glycol modification methods are used. Another option is the drying method, which has both advantages and disadvantages. Drying methods do not require high costs, but do not allow mass production (ie, production in industrial quantities). On the other hand, freeze-drying can be used for mass production. However, this process severely damages sensitive biological materials. In addition, freeze-drying is very inconvenient and sterilizable because it requires the use of expensive substances (eg, dry ice or other coolants) even when transferring material from one facility to another. It cannot be guaranteed and is not very cost effective.

生物学的材料を保存および貯蔵するために使用されている現行方法にはいくつかの限界がある。現在の方法は長期については耐久性ではなく、貯蔵後の生物学的材料の回収率が極度に低いことが多く、回収された生物学的材料の品質および活性は概して低下する。このため、材料の安定性および活性を維持しながら、そして大量の材料またはその活性を消失することなく、生物学的材料を貯蔵および保存するための長期的かつ費用効果的な方法を提供する必要が依然として存在する。特に生物学的材料が半導体、光学記憶装置、およびその他のマイクロエレクトロニクス機器の代替品として使用される場合は、適切な長期貯蔵が不可欠である。   Current methods used to store and store biological material have several limitations. Current methods are not durable for long periods of time, the recovery rate of biological material after storage is often extremely low, and the quality and activity of the recovered biological material is generally reduced. Thus, there is a need to provide a long-term and cost-effective method for storing and preserving biological material while maintaining the stability and activity of the material and without losing large quantities of the material or its activity Still exists. Proper long-term storage is essential, especially when biological materials are used as replacements for semiconductors, optical storage devices, and other microelectronic devices.

発明の概要
本発明の対象には、工学技術により特別に設計および製造することのできる人工膜としての、様々な密度の有機および無機情報の貯蔵が含まれる。生物膜とも呼ばれる本明細書で使用する「生物学的材料膜作製物」は、一つまたは複数の生物学的材料からの有機および無機情報の両方を貯蔵するために使用できるが、一つまたは複数の生物学的材料はさらに他の有機分子または無機分子へ結合することができる。本発明の用途は、医薬、工学技術、コンピュータテクノロジーおよび光学にまで及ぶ。さらに、貯蔵される情報は、生物学的情報、電気的情報、磁気情報、光学情報、マイクロエレクトロニクス情報、機械的情報、およびそれらの組み合わせであってよい。
SUMMARY OF THE INVENTION The subject matter of the present invention includes the storage of various densities of organic and inorganic information as artificial membranes that can be specifically designed and manufactured by engineering techniques. A “biological material film construct” as used herein, also referred to as a biofilm, can be used to store both organic and inorganic information from one or more biological materials, Multiple biological materials can be further bound to other organic or inorganic molecules. Applications of the present invention extend to medicine, engineering, computer technology and optics. Further, the stored information may be biological information, electrical information, magnetic information, optical information, microelectronic information, mechanical information, and combinations thereof.

1つの形態では、本発明は安定した膜を形成するために、接触面に塗布された生物学的材料でコーティングされた基質を含む人工生物膜貯蔵装置である。   In one form, the present invention is an artificial biofilm storage device that includes a substrate coated with a biological material applied to a contact surface to form a stable membrane.

本発明のまた別の形態は、接触面上での生物学的材料の一様な整列を促進して安定した膜の形成を可能にする接触面を備える基質へ生物学的材料を適用する段階を含む生物膜貯蔵装置を作製する方法である。   Yet another aspect of the present invention is the step of applying the biological material to a substrate with a contact surface that facilitates uniform alignment of the biological material on the contact surface to enable the formation of a stable membrane. A biofilm storage device comprising:

また別の形態では、本発明は表面を備える基質と、乾燥薄膜を形成するためにその表面に特異的に結合することのできる生物学的材料と、を含む生物膜貯蔵装置を作製するためのキットである。   In yet another form, the present invention is for making a biofilm storage device comprising a substrate comprising a surface and a biological material that can specifically bind to the surface to form a dry film. It is a kit.

本発明のさらにまた別の形態は、表面を備える無機材料を含む基質と安定した薄膜を形成するためにその表面に適用された生物学的材料と、を含むハイブリッド人工膜貯蔵装置であり、この膜は生物学的に活性であってよい、または生物学的成分と相互作用してよい。   Yet another aspect of the present invention is a hybrid artificial membrane storage device comprising a substrate comprising an inorganic material comprising a surface and a biological material applied to the surface to form a stable thin film. The membrane may be biologically active or may interact with biological components.

発明の詳細な説明
本特許出願は、これにより詳細な説明、図面、例、および特許請求の範囲を含めてその全体が参照として本明細書に組み入れられるLee et al.に対する米国特許仮出願第60/413,081号の優先権を主張する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION This patent application is hereby incorporated by reference into US Patent Provisional Application No. 60 to Lee et al., Which is hereby incorporated by reference in its entirety, including detailed descriptions, drawings, examples, and claims. Insist on / 413,081 priority.

さらに、Belcher et al.に対する2002年5月29日に出願された米国特許出願第10/157,775号ならびに2001年10月2日に出願された優先権米国特許出願(provisional priority patent application)第60/326,583号は、これによりその全体が参照として本明細書に組み入れられる。詳細には、生物膜の調製および特性解析に関する実施例IIが参照として本明細書に組み入れられる。   In addition, US patent application Ser. No. 10 / 157,775 filed May 29, 2002 to Belcher et al. And provisional priority patent application No. 60/90 filed Oct. 2, 2001. No. 326,583 is hereby incorporated herein by reference in its entirety. Specifically, Example II relating to biofilm preparation and characterization is incorporated herein by reference.

本発明の様々な態様の作成方法および使用方法について考察するが、本発明は多種多様な特定状況において実施されてよい数多くの進歩的概念を提供すると理解されたい。本明細書で考察する特異的態様は、本発明を作成および使用するための方法を単に例示しているだけであり、本発明の範囲を限定することは決して意図していない。   Although the methods of making and using the various aspects of the present invention will be discussed, it should be understood that the present invention provides a number of inventive concepts that may be implemented in a wide variety of specific situations. The specific embodiments discussed herein are merely illustrative of methods for making and using the invention and are in no way intended to limit the scope of the invention.

本明細書で使用する用語は、一般に本発明が関連する分野における当業者に理解されている意味を有する。「1つの」および「その」などの用語は、単数の実体だけに関するとは意図されておらず、特定例を例として使用できる一般クラスが含まれる。本明細書における専門用語は本発明の特定態様を説明するために使用されているが、それらの使用は、特許請求の範囲に記述されたものを除いて、本発明を限定しない。本明細書の全体を通して使用するように、用語「膜」および「生物膜」は互換的に使用される。   Terms used herein have meanings as commonly understood by a person of ordinary skill in the areas to which the present invention pertains. Terms such as “a” and “that” are not intended to relate only to a single entity, but include a general class that can be used as a specific example. Although the terminology herein is used to describe specific embodiments of the invention, their use does not limit the invention except as set forth in the claims. As used throughout this specification, the terms “membrane” and “biofilm” are used interchangeably.

本明細書で使用する用語「生物学的材料」は、ウイルス、バクテリオファージ、細菌、ペプチド、タンパク質、アミノ酸、ステロイド、薬剤、発色団、抗体、酵素、一本鎖または二本鎖の核酸、ワクチン、およびそれらの化学修飾物を意味する。生物学的材料は、自己集合して基質の接触面上で乾燥薄膜を形成することができる。乾燥薄膜は、従来型の乾燥の検出限界内では完全に乾燥しているように実質的に溶媒を含有していない、または膜が固体様かつ自己支持性であるがそれでも溶媒からの残留湿潤度を有するように乾燥工程からの残留溶媒を維持している、のどちらかであってよい。多くの場合、膜は部分水和状態にとどまっていてよく、水和状態は所与の用途に合わせて最適化することができる。自己集合は、表面上の生物学的材料のランダムな配列または一様な整列を可能にする。さらに、生物学的材料は、溶媒濃度、電場および/または磁場の印加、光学機器、または化学的相互作用もしくは電場や磁場の相互作用によって外部から制御される乾燥薄膜を形成することができる。   As used herein, the term “biological material” refers to viruses, bacteriophages, bacteria, peptides, proteins, amino acids, steroids, drugs, chromophores, antibodies, enzymes, single-stranded or double-stranded nucleic acids, vaccines. , And chemical modifications thereof. The biological material can self-assemble to form a dry film on the contact surface of the substrate. The dry film is substantially free of solvent so that it is completely dry within the limits of detection of conventional drying, or the film is solid-like and self-supporting but still has a residual wetness from the solvent. The residual solvent from the drying process is maintained to have either In many cases, the membrane may remain in a partially hydrated state, which can be optimized for a given application. Self-assembly allows for a random arrangement or uniform alignment of biological material on the surface. Furthermore, the biological material can form a dry film that is controlled externally by solvent concentration, application of electric and / or magnetic fields, optical instruments, or chemical or electric or magnetic field interactions.

用語「無機分子」または「無機化合物」は、例えばインジウム錫酸化物、ドーピング剤、金属、鉱物、放射性同位体、塩、およびそれらの組み合わせなどの化合物を意味する。金属には、Ba、Sr、Ti、Bi、Ta、Zr、Fe、Ni、Mn、Pb、La、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Nb、Tl、Hg、Cu、Co、Rh、Sc、またはYが含まれてよい。無機化合物には、例えばチタン酸バリウムストロンチウム、ジルコン酸チタン酸バリウム、ジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸鉛ランタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、フッ化バリウムマグネシウム、チタン酸ビスマス、ストロンチウムビスマスタンタライト、およびニオブ酸ストロンチウムビスマスタンタライト、または当業者に知られているそれらの変形が含まれてよい。   The term “inorganic molecule” or “inorganic compound” means a compound such as, for example, indium tin oxide, doping agents, metals, minerals, radioisotopes, salts, and combinations thereof. Metals include Ba, Sr, Ti, Bi, Ta, Zr, Fe, Ni, Mn, Pb, La, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Nb, Tl, Hg, Cu, Co, Rh, Sc, or Y may be included. Inorganic compounds include, for example, barium strontium titanate, barium zirconate titanate, lead titanate zirconate, lead lanthanum titanate, strontium titanate, barium titanate, barium fluoride magnesium, bismuth titanate, strontium bismastantarite, And strontium bismastantalite niobate, or variations thereof known to those skilled in the art.

用語「有機分子」または「有機化合物」は、炭素を単独で、またはヌクレオチド、ポリヌクレオチド、ヌクレオシド、ステロイド、DNA、RNA、ペプチド、タンパク質、抗体、酵素、炭水化物、脂質、導電性ポリマー、薬剤、およびそれらの組み合わせなどと組み合わせて含有する化合物を意味する。薬剤には、抗生物質、抗菌薬、抗炎症薬、鎮痛薬、抗ヒスタミン剤、および哺乳動物の病的(または潜在的に病的な)状態を治療または予防するために使用される薬剤が含まれてよい。   The term “organic molecule” or “organic compound” refers to carbon alone or nucleotides, polynucleotides, nucleosides, steroids, DNA, RNA, peptides, proteins, antibodies, enzymes, carbohydrates, lipids, conducting polymers, drugs, and It means a compound contained in combination with such a combination. Drugs include antibiotics, antibacterial drugs, anti-inflammatory drugs, analgesics, antihistamines, and drugs used to treat or prevent pathological (or potentially pathological) conditions in mammals Good.

本明細書で使用する用語「基質」は、共有結合または非共有結合のどちらかを通してそれに分子が付着する微細加工固体表面であってよく、例えばシリコン、ラングミュア・ブロジェット膜、機能性ガラス、ゲルマニウム、セラミック、半導体材料、PTFE、炭素、ポリカーボネート、雲母、マイラー、プラスチック、石英、ポリスチレン、ヒ化ガリウム、金、銀、金属、合金、織物、ならびにその表面上に組み込まれたアミノ基、カルボキシル基、チオール基もしくはヒドロキシル基などの官能基を有することのできるそれらの組み合わせであってよい。同様に、基質は、それに生物学的材料が付着できる表面を備えるタンパク質、哺乳動物の細胞、器官、もしくは組織などの有機材料であってよい。その表面は大きくても小さくてもよく、必ずしも一様である必要はないが、接触面(単層である必要はない)として機能しなければならない。基質は多孔性、平面状または非平面状であってよい。基質には、基質自体、または有機もしくは無機分子から作製されてそれに有機もしくは無機分子が接触できる第二層(例、接触面を備える基質または生物学的材料)であってよい接触面が含まれる。基質は円筒状または非平坦状であってよい。基質は、それらの機械的強度または表面積対体積比を向上させるために支持されてよい。アレイが作製されてよい。ガラスビーズやポリスチレンビーズを含む多孔性ビーズが使用されてよい。高密度で充填したピンが使用されてよい。基質表面は、溝を掘ったり、微細加工したり、さもなければ非平坦性に作製されてよい。   The term “substrate” as used herein may be a microfabricated solid surface to which molecules are attached, either covalently or non-covalently, such as silicon, Langmuir-Blodgett film, functional glass, germanium. , Ceramics, semiconductor materials, PTFE, carbon, polycarbonate, mica, mylar, plastic, quartz, polystyrene, gallium arsenide, gold, silver, metals, alloys, fabrics, as well as amino groups, carboxyl groups incorporated on its surface, It may be a combination thereof that may have a functional group such as a thiol group or a hydroxyl group. Similarly, the substrate can be an organic material such as a protein, mammalian cell, organ, or tissue with a surface to which biological material can adhere. The surface can be large or small and need not be uniform, but must function as a contact surface (not necessarily a single layer). The substrate can be porous, planar or non-planar. Substrates include the contact surface, which can be the substrate itself or a second layer (eg, a substrate or biological material with a contact surface) made from and contactable by organic or inorganic molecules. . The substrate may be cylindrical or non-planar. Substrates may be supported to improve their mechanical strength or surface area to volume ratio. An array may be made. Porous beads including glass beads and polystyrene beads may be used. High density filled pins may be used. The substrate surface may be grooved, microfabricated, or otherwise made non-planar.

一般に、生物膜は基質の接触面に生物学的材料を適用することによって作製される。この接触は生物学的材料の自己集合によってであってよい、または表面自体もしくは溶媒濃度、磁場、電場、光学素子、およびそれらの組み合わせなどの外部条件によって制御されてよい。一部の場合では、基質自体が接触面として機能でき、さらに生物学的材料の接触の性質および量を制御することができる。他の態様では、接触面はその接触面に適用され、それに生物学的材料が接触する一つまたは複数の有機および/または無機分子を含んでいてよい第二基質であってよい。   In general, biofilms are made by applying biological material to the contact surface of a substrate. This contact may be by self-assembly of biological material or may be controlled by external conditions such as the surface itself or solvent concentration, magnetic field, electric field, optical elements, and combinations thereof. In some cases, the substrate itself can function as a contact surface and can further control the nature and amount of contact of the biological material. In other embodiments, the contact surface may be a second substrate that may include one or more organic and / or inorganic molecules applied to the contact surface to which the biological material contacts.

本明細書で使用する用語「溶媒」には、生物学的材料の高密度アレイまたは配列を促進するために適切なイオン強度の溶液が含まれる。これらのアレイは規則化されてもランダムであってもよい。規則化される場合、溶媒(外部制御を行う場合または行わない場合)濃度は生物学的材料の液晶形成を促進する濃度であってよい。生物学的材料は接触面および/または一つまたは複数の有機分子もしくは無機分子と一緒にプレインキュベートされてよい。プレインキュベーションは、ナノメートルスケールでの微粒子形成を促進できる。このプレインキュベーションはさらに上記のような外部条件によってさらに制御することができる。   As used herein, the term “solvent” includes solutions of appropriate ionic strength to facilitate high density arrays or arrangements of biological materials. These arrays may be ordered or random. When ordered, the solvent (with or without external control) concentration may be a concentration that promotes liquid crystal formation of the biological material. The biological material may be preincubated with the contact surface and / or one or more organic or inorganic molecules. Preincubation can promote microparticle formation on the nanometer scale. This preincubation can be further controlled by external conditions as described above.

本明細書で使用する全ての技術用語および科学用語は、他に特別に規定しない限り、本発明が属する当業者が一般に理解している意味と同一の意味を有する。本発明の実践または試験には本明細書に記載の方法および材料に類似または等価である方法および材料を使用できるが、以下では一般に使用される方法および材料について記載する。   Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Although methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used in the practice or testing of the present invention, the methods and materials that are commonly used are described below.

ナノ長さスケールで十分に規則化かつ十分に制御された二次元および三次元構造を構築かつ保存することは、次世代の光学材料、電子材料および磁気材料ならびに光学デバイス、電子デバイスおよび磁気デバイスを構築する主要目標である。多くの研究者や企業は、慣習的な材料(例、無機化合物)だけを使用してそのような構造を構築することに焦点を当ててきた。本明細書で開示するように、本発明者らは、軟質材料(例、有機材料および生物学的材料)がナノスケールレベルで有機材料および無機材料の両方を集合させる自己組織体として機能できることを証明した。しかし、これらの軟質(有機および無機)混合材料の貯蔵は、骨の折れる挑戦的課題であることが実証されている。   Building and preserving well-ordered and well-controlled two-dimensional and three-dimensional structures at the nano-length scale will enable next-generation optical materials, electronic materials and magnetic materials and optical devices, electronic devices and magnetic devices. The main goal to build. Many researchers and companies have focused on building such structures using only conventional materials (eg, inorganic compounds). As disclosed herein, the inventors have shown that soft materials (eg, organic materials and biological materials) can function as self-organized bodies that assemble both organic and inorganic materials at the nanoscale level. certified. However, the storage of these soft (organic and inorganic) mixed materials has proven to be a challenging task.

本発明は、軟質混合材料から構成される費用効果的な長期貯蔵装置を提供する。本発明を医療、工学技術、材料化学および光学用途において使用することにはいくつかの利点がある。本発明には、以前の研究では容易に解決されなかったいくつかの効果が含まれる。第一に、乾燥薄膜作製法は多額の資金を必要とせず最小限の費用で実施できる。さらに、これらの膜は所要スペースが小さいために容易に貯蔵することができ、室温条件に順応性であり、このため特に費用効果的である。その上、これらの膜は活性、構造またはその他の重要な特性を長期にわたりほとんど損失することがないために大量生産するための労力を余り必要としない。最後に、本発明の薄膜作製物は高容量貯蔵装置である。例えば、バクテリオファージを用いて作製された生物膜は、1平方センチメートルの膜中に4×1013個を超えるウイルスを貯蔵できる。 The present invention provides a cost-effective long-term storage device composed of a soft mixed material. There are several advantages to using the present invention in medical, engineering, material chemistry and optical applications. The present invention includes several effects that were not easily solved by previous studies. First, the dry thin film preparation method can be carried out at a minimum cost without requiring a large amount of funds. Furthermore, these membranes can be easily stored due to their small space requirements, are adaptable to room temperature conditions and are therefore particularly cost effective. In addition, these membranes require little effort for mass production, with little loss of activity, structure or other important properties over time. Finally, the thin film product of the present invention is a high capacity storage device. For example, biofilms made using bacteriophage can store more than 4 × 10 13 viruses in a square centimeter membrane.

薄膜の膜厚は特別には限定されないが、例えば好ましくは約100nmから約100ミクロン、より好ましくは約500nmから約50ミクロン、およびさらにより好ましくは約1ミクロンから約25ミクロンであってよい。   The thickness of the thin film is not particularly limited, but may be, for example, preferably from about 100 nm to about 100 microns, more preferably from about 500 nm to about 50 microns, and even more preferably from about 1 micron to about 25 microns.

本発明者らは、以前に、ペプチドおよびバクテリオファージなどの生物学的材料が半導体材料に結合できることを証明した。これらの生物学的材料は、外観特異性を用いて他の有機および無機材料を認識かつ結合する、サイズ制限された結晶半導体材料に核形成させる、および核形成ナノ微粒子の結晶相を制御する能力を備えるそれらの自己集合を指示できる核形成ナノ粒子に発達させられた(Lee S-W,Mao C,Flynn CE,Belcher AM.Ordering of Quantum Dots Using Genetically Engineered Viruses.2002 Science 296:892-895を参照。自己支持性ポリマー膜、および細菌宿主に感染する能力の損失を伴わずに、そして力価の損失をほとんど伴わずに少なくとも7ヵ月間にわたる室温でのウイルス膜の貯蔵についての説明を含む、その中の関連する部分は参照して本明細書に組み込まれる)。さらに、ナノ粒子の縦横比は制御できるので、このため電気特性、磁気特性および光学特性も制御できる。生物学的材料が、1つの表面または同等に生物学的材料の薄層を形成する薄層基質(例、半導体材料)へ結合したものは生物膜と呼ばれる。   We have previously demonstrated that biological materials such as peptides and bacteriophages can bind to semiconductor materials. These biological materials use appearance specificity to recognize and bind other organic and inorganic materials, nucleate into size-limited crystalline semiconductor materials, and control the crystalline phase of nucleating nanoparticles (See Lee SW, Mao C, Flynn CE, Belcher AM. Ordering of Quantum Dots Using Genetically Engineered Viruses. 2002 Science 296: 892-895.) Includes descriptions of self-supporting polymer membranes and storage of viral membranes at room temperature for at least 7 months without loss of ability to infect bacterial hosts and with little loss of titer The relevant parts of which are incorporated herein by reference). Furthermore, since the aspect ratio of the nanoparticles can be controlled, the electrical, magnetic and optical properties can therefore be controlled. A biological material bound to one surface or equivalently a thin substrate (eg, a semiconductor material) that forms a thin layer of biological material is called a biofilm.

一般に、本発明の生物膜は有機材料および/または無機材料(または分子)の両方を含有していてよい。この生物膜は、基質、有機層、第二有機層、および無機層、またはそれらの様々な組み合わせを含んでいてよい。各有機層は一つまたは複数の相違するタイプの生物学的材料および/または有機材料を含んでいてよい;同様に、各無機層は一つまたは複数の相違するタイプの無機材料を含んでいてよい。一般に、生物膜の表面は良好に規則化しており、その膜に生物学的特性、電気特性、磁気特性、および/または光学特性を提供できるので、その生物膜が生物学的情報、電気的情報、磁気情報、および/または光学情報を保持かつ貯蔵することが可能になる。   In general, the biofilm of the present invention may contain both organic and / or inorganic materials (or molecules). The biofilm may include a substrate, an organic layer, a second organic layer, and an inorganic layer, or various combinations thereof. Each organic layer may include one or more different types of biological materials and / or organic materials; similarly, each inorganic layer includes one or more different types of inorganic materials. Good. In general, the surface of a biofilm is well-ordered and can provide biological, electrical, magnetic, and / or optical properties to the film, so that the biofilm is biological information, electrical information It is possible to hold and store magnetic information and / or optical information.

実際には、生物膜は表面に付着した生物学的材料または微生物の群生であると定義されている。生物膜の成長は、生物学的材料または微生物(例、培養物)の年齢、潜在的に有害(毒性)な副産物または代謝産物の集積、ならびに成長、安定性または維持のための他の材料または栄養素の消費または使用に左右される。生物膜は、天然の、または遺伝子操作された生物学的材料から構成されてよい。特に関心対象であるのは、自己集合性の生物学的材料の使用である。例えば、他の材料(例、半導体材料)に結合するように遺伝子操作されるバクテリオファージはさらに良好に規則化された構造に組織化する。   In practice, a biofilm is defined as a population of biological material or microorganisms attached to a surface. Biofilm growth involves the age of biological materials or microorganisms (eg, cultures), the accumulation of potentially harmful (toxic) by-products or metabolites, as well as other materials for growth, stability or maintenance, or Depends on nutrient consumption or use. A biofilm may be composed of natural or genetically engineered biological material. Of particular interest is the use of self-assembling biological materials. For example, bacteriophages that are genetically engineered to bind to other materials (eg, semiconductor materials) organize into a more ordered structure.

そこで、自己集合性の生物学的材料(例、バクテリオファージ)は、特定表面への特異的結合特性に基づいて選択することができ、選択された材料の良好に規則化された構造を作製するために使用できる。これらの良好に規則化された構造を使用すると、層を形成することができる、および/またはその膜へ生物学的特性、磁気特性、光学特性、または電気特性を付与することができる。そこで、この生物膜は、どちらも数ビットのデータを貯蔵したり読み取ったりするために使用できる情報記憶装置またはメモリ用の光学記憶媒体として機能でき、データは生物学的データ、磁気データ、光学データ、電気的データおよびそれらの組み合わせである。   Thus, self-assembling biological materials (eg, bacteriophage) can be selected based on specific binding properties to a particular surface, creating a well-ordered structure of the selected material. Can be used for. Using these well ordered structures can form layers and / or impart biological, magnetic, optical, or electrical properties to the film. So this biofilm can function as an information storage device or an optical storage medium for memory, both of which can be used to store and read several bits of data, the data being biological data, magnetic data, optical data , Electrical data and combinations thereof.

磁気的、光学的、または電気的条件を支持することで、本発明は特異的整列特性を備える生物学的材料貯蔵装置になる。例えば、特異的結合特性を有するM13バクテリオファージを使用すると、ネマチック相内の方向規則性、コレステリック相内のねじれネマチック構造、およびスメクチック相内での方向秩序および位置秩序両方の、3種中1種の液晶相で生物膜貯蔵装置を作製することができる。そこで良好に規則化された生物膜貯蔵装置は、例えば1つのタイプの薄膜トランジスタを作製するために、生物学的材料だけを用いて、または他の有機もしくは無機分子(材料)と組み合わせて作製される。   By supporting magnetic, optical or electrical conditions, the present invention becomes a biological material storage device with specific alignment characteristics. For example, using M13 bacteriophage with specific binding properties, one of three types: directional regularity within the nematic phase, twisted nematic structure within the cholesteric phase, and both directional and positional order within the smectic phase. A biofilm storage device can be produced with the liquid crystal phase. So well-ordered biofilm storage devices are made using only biological materials or in combination with other organic or inorganic molecules (materials), for example to make one type of thin film transistor .

化学組成に関して、バクテリオファージ(または対象となるいずれかのウイルスもしくは他の生物学的材料)は、それ自体に粘着性で付着して1つのタイプの薄膜表面を形成することのできる天然「生体高分子」の1つのタイプである。一般に、最高の生体高分子はそのサイズおよび化学組成を精密に制御できる生体高分子であり、1つの制御方法は遺伝子操作法である。制御された生体高分子は正確に分かっている構造および組成物を提供する。その結果として、制御された生体高分子を使用する膜作製物は必要に応じて特別設計することができる。例えばバクテリオファージは、2,700コピーの主要タンパク質単位(pVIIIとして知られる)によって被覆された表面を備えており、形状はフィラメント状(長さ880nmおよび幅6.6nm)である。以下の例では、本発明の生物膜作製法、装置およびキットについて記載する。   In terms of chemical composition, a bacteriophage (or any virus or other biological material of interest) can adhere to itself and form a type of thin film surface that can adhere to itself. A type of “molecule”. In general, the best biopolymer is a biopolymer whose size and chemical composition can be precisely controlled, and one control method is a gene manipulation method. Controlled biopolymers provide precisely known structures and compositions. As a result, membrane preparations using controlled biopolymers can be specially designed as needed. For example, a bacteriophage has a surface covered by 2,700 copies of the major protein unit (known as pVIII), and the shape is filamentous (length 880 nm and width 6.6 nm). In the following examples, the biofilm production method, apparatus and kit of the present invention are described.

生物膜作製物貯蔵装置の例
高濃度ウイルス懸濁液を得るために、以前に記載した方法を使用して109個のファージ集団を含有するNew England Biolab社から入手したPh.D.12mer系を使用してウイルス膜を大量に増幅させた(J.Sambrook,E.F.Fritsch,T.Maniatis,Molecular Cloning A Laboratory Manual,Cold Spring Harbor Laboratory Press:New York,ed.2,1989)。3.2mLのファージライブラリー懸濁液(濃度:ファージが少なくとも109個/μL)および4mLの一晩培養物を400mLのLB培地へ添加し、37℃で4時間半かけてインキュベートした。ファージの精製後、約30mgのペレットを入手した。このペレットを1mLのトリス緩衝液(TBS)(pH7.5)へ再懸濁させた。この高濃度懸濁液(約5mg/mL)を使用してウイルス膜を作製した。
Example of Biofilm Product Storage Device Ph.D.12mer system obtained from New England Biolab containing 10 9 phage population using previously described method to obtain high concentration virus suspension Was used to amplify virus membranes in large quantities (J. Sambrook, EFFritsch, T. Maniatis, Molecular Cloning A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press: New York, ed. 2,1989). 3.2 mL of phage library suspension (concentration: at least 10 9 phage / μL) and 4 mL overnight culture were added to 400 mL of LB medium and incubated at 37 ° C. for 4 and a half hours. After purification of the phage, approximately 30 mg pellet was obtained. The pellet was resuspended in 1 mL Tris buffer (TBS) (pH 7.5). This high concentration suspension (about 5 mg / mL) was used to make a viral membrane.

ウイルス膜は、デシケータ内での溶媒の蒸発による液相の勾配低下を用いて液体/固体界面上で作製した。溶媒が徐々に除去されるにつれて、ファージ粒子は固体基質表面上でエピタキシャル層ドメインを形成した。   Viral membranes were made on the liquid / solid interface using a liquid phase gradient reduction by evaporation of the solvent in a desiccator. As the solvent was gradually removed, the phage particles formed an epitaxial layer domain on the solid substrate surface.

形成されたファージ層の偏光顕微鏡写真(POM)データは、センチメートルスケールへ続く約34μmの繰返しパターンを示した。図1BおよびCは各々、ウイルス膜のPOM画像および個別ファージ粒子のAFM画像を示している。図1Dは、膜に集合した場合のウイルスの規則化構造のAFM画像を示している。   Polarized micrograph (POM) data of the formed phage layer showed a repeating pattern of about 34 μm that followed the centimeter scale. FIGS. 1B and C show a POM image of the viral membrane and an AFM image of individual phage particles, respectively. FIG. 1D shows an AFM image of the ordered structure of the virus when assembled on the membrane.

ファージ粒子が約500nmのドメインを形成することは明白である。さらに、ファージ粒子は相互に横向きに積み重なっている。これらの横向きの積み重なりは充填されたミクロドメインを形成し、バルク膜内で薄板状層を形成する(図1Dを参照)。これらの粒子から入手された配列を表1に示した。   It is clear that the phage particles form a domain of about 500 nm. Furthermore, the phage particles are stacked side by side. These lateral stacks form filled microdomains and form lamellar layers within the bulk membrane (see FIG. 1D). The sequences obtained from these particles are shown in Table 1.

(表1)スクリーニング前の懸濁液からのシーケンス結果

Figure 2006506059
(Table 1) Sequence results from suspension before screening
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重要なのは、ウイルス膜が感染能力を失うことなく元来のファージライブラリーを完全に維持することである。これは、ウイルス膜を再懸濁させ、それをHis-Pro-Glnなどの特異的結合モチーフを有することが知られている標的であるストレプトアビジン標的に対して生物学的パンニング(バイオパンニング)するために使用することによって実証される。第2回のシーケンシング後の結果は、pIIIユニットの最後にHis-Pro-Gln配列が現れることを示している。第4回のスクリーニング後、全ペプチド配列がHis-Pro-Glnのコンセンサス配列を示すことが見出された。   What is important is that the viral membrane fully maintains the original phage library without loss of infectivity. This resuspends the viral membrane and biologically pans it against a streptavidin target, a target known to have a specific binding motif such as His-Pro-Gln. Proven by using for. The results after the second sequencing show that the His-Pro-Gln sequence appears at the end of the pIII unit. After the fourth round of screening, the entire peptide sequence was found to exhibit a His-Pro-Gln consensus sequence.

以下では、この膜における乾燥ファージの感染所要時間(時間依存性感染能力)について考察する。時間依存性力価数を比較するために、サイズの小さな10枚の膜を作製した。比較するために、1μLの上記の懸濁液を約1日間、デシケータ内でエッペンドルフチューブの無菌表面上で乾燥させた。各膜についての力価数は、5ヵ月間にわたり相違する日に1mLのTBS緩衝液(pH7.5)中へ各1μLの膜を懸濁させた後に測定した。測定した力価数は、少なくとも7週間にわたりほとんど変化を示さなかった(図2)。   In the following, the time required for infection of the dry phage in this membrane (time-dependent infection ability) will be considered. In order to compare the time-dependent titers, 10 small-sized membranes were prepared. For comparison, 1 μL of the above suspension was dried for about 1 day on a sterile surface of an Eppendorf tube in a desiccator. The titer for each membrane was determined after suspending 1 μL of each membrane in 1 mL of TBS buffer (pH 7.5) on different days for 5 months. The titers measured showed little change over at least 7 weeks (Figure 2).

5ヵ月後、力価数は1日齢膜懸濁液から入手した力価数と比較して10%へ低下した。当業者であれば、過度の実験を行わずに、あらゆる生物膜の伸長および/または最適感染所要時間を容易に最大化できる。   After 5 months, the titer dropped to 10% compared to the titer obtained from the 1 day old membrane suspension. One of ordinary skill in the art can readily maximize any biofilm extension and / or optimal infection time without undue experimentation.

膜上の乾燥ファージが感染する持続的能力を含むバイオパンニングの結果は、この膜作製物法が分子情報の高度に効率的な貯蔵装置であることを証明している。例えば、この膜は長期にわたり高密度遺伝子操作DNAおよびタンパク質情報を容易に貯蔵する。さらに、細菌宿主を使用すると、ウイルス成分をいつでも容易に複製することができる。   The results of biopanning, including the lasting ability to infect dry phage on the membrane, demonstrate that this membrane preparation method is a highly efficient storage device for molecular information. For example, the membrane easily stores high density genetically engineered DNA and protein information over time. Furthermore, viral components can be easily replicated at any time using a bacterial host.

この生物膜は、一つまたは複数の相違するタイプのウイルスおよび/またはその構成要素を機能化するために役立つことができ、さらに特定のタンパク質またはタンパク質単位を発現させるために使用できる。この生物膜は、新薬発見、ハイスループットスクリーニング、一つまたは複数の病的状態の診断、および疾患の治療を最適化するためを含む数多くの治療手段において使用できるので、この技術の医療用途は広範囲に及ぶ。   This biofilm can serve to functionalize one or more different types of viruses and / or components thereof, and can be used to express specific proteins or protein units. Because this biofilm can be used in numerous therapeutic approaches, including new drug discovery, high-throughput screening, diagnosis of one or more pathological conditions, and optimizing treatment of disease, the medical applications of this technology are wide It extends to.

ストレプトアビジン標的に対するバイオパンニング
ファージ膜(図1A)をほぼ1cm×1cmの寸法に破砕し、1mLのTBS緩衝液中に懸濁させた。この懸濁液(1.1×109PFU)をPh.D.12merシステム(New England Biolab社性)が供給される方法によってストレプトアビジン固定化ペトリ板に暴露させた。第2回のバイオパンニング後、ランダムに選択したプラークはストレプトアビジンに対する特異的結合ペプチド配列である配列パターン、His-Pro-Glnを示し始めた(表2)。
Biopanning against streptavidin target The phage membrane (FIG. 1A) was crushed to approximately 1 cm × 1 cm dimensions and suspended in 1 mL of TBS buffer. This suspension (1.1 × 10 9 PFU) was exposed to a streptavidin-immobilized Petri plate by the method supplied with the Ph.D.12mer system (New England Biolab). After the second round of biopanning, randomly selected plaques began to show the sequence pattern, His-Pro-Gln, which is a specific binding peptide sequence for streptavidin (Table 2).

(表2)ストレプトアビジン標的を使用したシーケンシングの結果

Figure 2006506059
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配列内のイタリック体の文字はストレプトアビジン結合配列モチーフを表している。 Table 2: Sequencing results using streptavidin targets
Figure 2006506059
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The italicized letters in the sequence represent the streptavidin binding sequence motif.

膜状態にある乾燥ファージの時間依存性感染能力
1μLの懸濁液をデシケータ内のエッペンドルフチューブの無菌表面上で乾燥させた。力価数は、5ヵ月間にわたり相違する日に1mLのTBS液(pH7.5)液中へこれらの1μLの膜を再懸濁させた後に計数した(図2)。
Time-dependent infectivity of dry phage in membrane state
1 μL of the suspension was dried on the sterile surface of an Eppendorf tube in a desiccator. Titers were counted after resuspending these 1 μL membranes in 1 mL TBS solution (pH 7.5) on different days over 5 months (FIG. 2).

ファージの乾燥薄膜の完全性は極めて高い。この薄膜は1平方センチメートル当たり4×1013個のファージを貯蔵する。さらに、貯蔵できるタンパク質単位数は4×1013個のファージの7200倍を超える。結果として、この乾燥膜作製法は、長期にわたり高度に組織化された方法で、例えばDNA、ペプチドおよびタンパク質などの極めて大量の生物学的材料を貯蔵するための安価かつ最適な方法を提起する。 The integrity of the dried thin film of phage is very high. This film stores 4 × 10 13 phage per square centimeter. Furthermore, the number of protein units that can be stored is more than 7200 times that of 4 × 10 13 phages. As a result, this dry membrane preparation method presents an inexpensive and optimal method for storing very large amounts of biological material such as DNA, peptides and proteins in a long and highly organized manner.

本明細書に記載したように、乾燥薄膜を作製することによって遺伝子操作ウイルスライブラリーを作製し、保存し、そして再使用することができる。遺伝子操作M13ファージライブラリーは、高濃度懸濁液から膜状で作製した。生物膜を適切な溶液中に再び懸濁させると、M13ファージは活性なままであり、細菌宿主に感染することができた。重要なのは、本発明を使用することにより、特定の生物学的材料が膜状で保存され、安定性で、さらになお活性であることにある。この生物膜は7ヵ月間より多く安定性のままであり、95%を超える感染能力によって証明されたように少なくとも5ヵ月間にわたりその活性を維持する。   As described herein, a genetically engineered virus library can be created, stored, and reused by creating a dry film. A genetically engineered M13 phage library was prepared in the form of a membrane from a high concentration suspension. When the biofilm was resuspended in the appropriate solution, the M13 phage remained active and was able to infect the bacterial host. Importantly, by using the present invention, certain biological materials are stored in a membrane, are stable, and are still active. This biofilm remains stable for more than 7 months and maintains its activity for at least 5 months as evidenced by an infectivity of over 95%.

バイオパンニングの結果は、109個のファージライブラリー情報の大部分がこの膜上に保存されたことを示している。さらに、この生物膜の作製は、高密度遺伝子操作分子情報(例、DNA、ペプチドまたはタンパク質)を貯蔵するための容易に使用可能な用途を備える可逆的工程である。 Results of biopanning, the majority of the 10 9 phage library information indicating that stored on the film. Furthermore, the creation of this biofilm is a reversible process with readily usable applications for storing high density genetically engineered molecular information (eg, DNA, peptides or proteins).

本発明の遺伝子操作生物膜を用いると、3つまでの空間寸法を有する三次元メモリを形成することができる。生物学的材料および/または生物学的材料と組み合わせた無機化合物もしくはナノ粒子の特性に依存して、複数のビット情報を生物学的データ、光学データ(色波長など)、磁気データ、または電気的データとして「読み取る」(出力する)ことができる。データは、特定の(例、ナノ粒子)場所で化学反応、光学反応、磁気反応、または電気的反応を作り出すことによって生物膜に「書き出される」(入力される)。本発明を使用すると、一つまたは複数のファージ添加物(または他の生物学的材料)を設計して、極めて特異的な結合パターンおよび/または配列パターンを備える膜を作製することができる。結果として生じる膜は、下記で詳細に記載するように、独特の光学特性、電気特性、および/または磁気特性を備える情報を(データビットとして)入力および出力するための記憶装置として機能する。生物学的材料が、例えばヒドロゲル状態におけるように多孔性である場合は、溶解性標識を用いて読取りおよび書込みを実施できる。   Using the genetically engineered biofilm of the present invention, a three-dimensional memory having up to three spatial dimensions can be formed. Depending on the properties of the biological material and / or inorganic compound or nanoparticle combined with the biological material, multiple bits of information can be converted into biological data, optical data (such as color wavelength), magnetic data, or electrical It can be “read” (output) as data. Data is “written” (input) to the biofilm by creating chemical, optical, magnetic, or electrical reactions at specific (eg, nanoparticle) locations. Using the present invention, one or more phage additives (or other biological materials) can be designed to create membranes with very specific binding and / or sequence patterns. The resulting film functions as a storage device for inputting and outputting information (as data bits) with unique optical, electrical, and / or magnetic properties, as described in detail below. If the biological material is porous, such as in the hydrogel state, it can be read and written using a soluble label.

ナノ粒子を用いて規則化された生物膜貯蔵装置の例
ウイルスまたはバクテリオファージ(ファージ)などの遺伝子操作生物学的材料は、接触面上のそれらの外観を規則化するのに役立つ一つまたは複数の特異的接触面をしばしば認識することができる。例えばバクテリオファージの場合は、これはコンビナトリアル・ファージディスプレイの選択を通して行われる。この例では、接触面の認識が、例えば硫化亜鉛(ZnS)などの追加の無機分子またはナノ粒子を含有している、または含有していない自己支持性生物膜内へのファージの規則化を生じさせる。ナノ粒子の存在は、ファージ整列を磁気的および電気的に制御するのに役立つ追加の利点を提供する。この外力による制御は追加の無機分子の存在を必ずしも必要としない;一部の生物学的材料は、無機化合物の支援なしに接触面上で外部から規則化することができる。
Examples of biofilm storage devices ordered using nanoparticles Genetically engineered biological materials such as viruses or bacteriophages (phages) are used to help regulate their appearance on the contact surface It is often possible to recognize specific contact surfaces. For example, in the case of bacteriophages, this is done through combinatorial phage display selection. In this example, contact surface recognition results in ordering of phage into self-supporting biofilms that contain or do not contain additional inorganic molecules or nanoparticles such as zinc sulfide (ZnS). Let The presence of nanoparticles provides an additional advantage that helps to control phage alignment magnetically and electrically. This external force control does not necessarily require the presence of additional inorganic molecules; some biological materials can be ordered externally on the contact surface without the aid of inorganic compounds.

基質の接触面(例、半導体表面)のファージ認識は、さらにまたペプチド認識成分などの第二生物学的材料で基質をプレコーティングすることによって制御することもできる。プレコーティングされた基質の例は、例えば、インジウム錫酸化物(ITO)などの追加の化合物でプレプレコーティングされた半導体表面である。この追加の化合物は、無機であっても無機でなくてもよい。例えば、一部の基質(例、ガラス)は、生物学的材料の規則化された整列を促進するために有機化合物(例、導電性ポリマー)でプレプレコーティングされてよい。例えば電場および/または磁場などの外部制御の適用もまた、生物学的材料の規則化された整列を促進するために、そして高度に一様な生物膜を作製するために使用できるが、一様性には接触表面(または基質)上での生物学的材料のランダムではない規則化が含まれる。本発明を使用すると、そのような本発明の生物膜が、安定性、活性、またはファージが宿主に感染する能力を失わずに6ヵ月間より多く保存できることが証明されている。以下では、生物学的材料を調製するために使用される方法の例を含む、生物学的材料を規則化することに関係するまた別の工程の例について説明する。   Phage recognition of the substrate contact surface (eg, semiconductor surface) can also be controlled by pre-coating the substrate with a second biological material such as a peptide recognition component. An example of a pre-coated substrate is a semiconductor surface that is pre-pre-coated with an additional compound such as, for example, indium tin oxide (ITO). This additional compound may or may not be inorganic. For example, some substrates (eg, glass) may be pre-coated with organic compounds (eg, conductive polymers) to promote ordered alignment of biological materials. External control applications such as electric and / or magnetic fields can also be used to promote ordered alignment of biological materials and to create highly uniform biofilms, Sex includes non-random ordering of biological material on a contact surface (or substrate). Using the present invention, it has been demonstrated that such biofilms of the present invention can be stored for more than 6 months without losing stability, activity, or the ability of the phage to infect the host. In the following, another example of the steps involved in ordering the biological material will be described, including an example of a method used to prepare the biological material.

ファージディスプレイライブラリー
ランダム有機層を提供する1つの方法は、M13大腸菌ファージのpIIIコートタンパク質に融合した7アミノ酸から12アミノ酸を含有するランダムペプチドのコンビナトリアルライブラリーに基づいて、様々なペプチドが結晶半導体構造と反応することを前提に、ファージディスプレイライブラリーを使用する。10〜16nmの粒子からなるファージ粒子の一方の端部には5コピーのpIIIコートタンパク質が位置している。このファージディスプレイ・アプローチは、ペプチド-基質相互作用とその相互作用をコードするDNAとの物理的結合を提供した。本明細書に記載の例では、例として5種の単結晶半導体:GaAs(100)、GaAs(111)A、GaAs(lll)B、InP(100)およびSi(100)を使用した。これらの基質はペプチド-基質相互作用の体系的評価を可能にし、様々な結晶構造についての本発明の方法の一般的適用性を確証した。
Phage Display Library One method of providing a random organic layer is based on a combinatorial library of random peptides containing 7 to 12 amino acids fused to the pIII coat protein of M13 E. coli phage. The phage display library is used on the assumption that it reacts with. Five copies of pIII coat protein are located at one end of a phage particle consisting of 10-16 nm particles. This phage display approach provided a physical association between the peptide-substrate interaction and the DNA encoding the interaction. In the examples described herein, five single crystal semiconductors: GaAs (100), GaAs (111) A, GaAs (lll) B, InP (100), and Si (100) were used as examples. These substrates allowed systematic evaluation of peptide-substrate interactions, confirming the general applicability of the method of the present invention for various crystal structures.

特定の結晶へ首尾よく結合するタンパク質配列を表面から溶出させ、例えば100万倍に増幅させ、そしてよりストリンジェントな条件下で基質に対して反応させた。最も特異的な結合を備えるライブラリー内でファージを選択するために、この結合方法を5回繰り返した。例えば第3回、第4回、および第5回のファージ選択後に、結晶特異的ファージを単離し、それらのDNAについてシーケンシングした。結晶組成(例えば、GaAsには結合するがSiには結合しない)および結晶面(例えば、GaAs(100)には結合するが、GaAs(III)Bには結合しない)に対して選択的であるペプチド結合が同定された。   Protein sequences that successfully bind to specific crystals were eluted from the surface, amplified, for example, 1 million fold, and reacted to the substrate under more stringent conditions. This binding method was repeated 5 times in order to select phage within the library with the most specific binding. For example, after the third, fourth, and fifth phage selections, crystal-specific phages were isolated and sequenced for their DNA. Selective for crystal composition (eg, bonded to GaAs but not Si) and crystal plane (eg, bonded to GaAs (100) but not GaAs (III) B) Peptide bonds were identified.

GaAs表面へのエピトープ結合ドメインを決定するために、GaAs(100)から選択した20個のクローンを分析した。修飾されたpIIIまたはpVIIIタンパク質の部分ペプチド配列は図3(SEQ ID NO:1〜11)に示されており、この図からGaAsへ暴露させたペプチド間のアミノ酸配列が類似であることが明らかである。GaAs表面への暴露回数が増加するに伴って、非荷電極性およびルイス塩基官能基の数が増加した。第3回、第4回、および第5回シーケンシングからのファージクローンは平均して各々30%、40%、および44%の極性官能基を含有していたが、他方ルイス塩基官能基の割合は同時に41%から48%、そして55%へ増加した。使用されたライブラリーからのランダム12merペプチド中に官能基が34%しか占めていないルイス塩基中で観察された増加は、ペプチド上のルイス塩基とGaAs表面上のルイス酸部位との相互作用がこれらのクローンにより示された選択的結合を媒介する可能性があることを示唆した。   To determine the epitope binding domain to the GaAs surface, 20 clones selected from GaAs (100) were analyzed. The partial peptide sequence of the modified pIII or pVIII protein is shown in Figure 3 (SEQ ID NO: 1-11), which clearly shows that the amino acid sequences between the peptides exposed to GaAs are similar. is there. As the number of exposures to the GaAs surface increased, the number of uncharged polar and Lewis base functional groups increased. Phage clones from the 3rd, 4th, and 5th sequencing contained on average 30%, 40%, and 44% polar functional groups, respectively, while the proportion of Lewis base functional groups Increased from 41% to 48% and 55% at the same time. The increase observed in Lewis bases with only 34% functional groups in the random 12mer peptide from the library used was due to the interaction between the Lewis base on the peptide and the Lewis acid site on the GaAs surface. This suggests that it may mediate the selective binding shown by the clones.

このライブラリーから選択された修飾12merの予測される構造は大きな構造である可能性があるが、これは、ペプチドをGaAsの単位格子(5.65Å)よりはるかに長くする小さなペプチドについても同様であると思われる。このため、このペプチドがGaAs結晶を認識するために必要なのは小さな結合ドメインだけであろう。図3において強調表示したこれらの短いペプチドドメインは、アスパラギンおよびグルタミンなどのアミンルイス塩基の存在に加えて、セリンに富む、およびトレオニンに富む領域を含有している。正確な結合配列を決定するために、7merおよびジスルフィド拘束7merライブラリーを含む短いライブラリーを用いてスクリーニングした。結合ドメインのサイズおよび柔軟性を低下させるこれらの短いライブラリーを用いると、より小数のペプチド-表面相互作用が許容され、選択世代間の相互作用の強度において予測される増加が生み出される。   The predicted structure of the modified 12mer selected from this library may be large, as is the case with small peptides that make the peptide much longer than the GaAs unit cell (5.655.6) I think that the. Thus, only a small binding domain will be required for this peptide to recognize GaAs crystals. These short peptide domains highlighted in FIG. 3 contain regions rich in serine and threonine in addition to the presence of amine Lewis bases such as asparagine and glutamine. To determine the correct binding sequence, a short library was screened, including 7mer and disulfide restricted 7mer libraries. With these short libraries that reduce the size and flexibility of the binding domain, a smaller number of peptide-surface interactions are tolerated and produce an expected increase in the strength of interaction between selected generations.

ファージ(M13コートタンパク質に対するビオチン化抗体を通してファージへ結合したストレプトアビジン標識20nmコロイド状金粒子を用いて標識した)を使用して、特異的結合を定量的に評価した。金4f-電子シグナルの強度を通してファージ-基質相互作用をモニターする、X線光電子分光法(XPS)による元素組成決定を実施した(図4A〜C)。G1-3ファージが存在しない場合は、この抗体および金ストレプトアビジンはGaAs(100)基質に結合しなかった。このため金-ストレプトアビジン結合はファージに特異的であり、基質へのファージ結合の指標であった。XPSを使用して、GaAs(100)から単離されたG1-3クローンがGaAs(100)には特異的に結合するが、Si(100)には結合しないことも見出された(図4A参照)。S1クローンは、(100)Si表面に対してスクリーニングすると、相補的方法でGaAs(100)表面への不良な結合を示した。   Specific binding was assessed quantitatively using phage (labeled with streptavidin-labeled 20 nm colloidal gold particles conjugated to the phage through a biotinylated antibody against M13 coat protein). Elemental composition determination was performed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), monitoring phage-substrate interactions through the intensity of the gold 4f-electron signal (FIGS. 4A-C). In the absence of G1-3 phage, this antibody and gold streptavidin did not bind to the GaAs (100) substrate. For this reason, gold-streptavidin binding was specific for phage and was an indicator of phage binding to the substrate. It was also found that G1-3 clones isolated from GaAs (100) using XPS bind specifically to GaAs (100) but not to Si (100) (FIG. 4A). reference). The S1 clone, when screened against the (100) Si surface, showed poor binding to the GaAs (100) surface in a complementary manner.

一部のGaAsクローンはさらに、別の閃亜鉛鉱構造であるInP(100)の表面にも結合した。選択的結合の原理が化学的、構造的、または電子的のいずれであるかについては、未だ研究中である。さらに、基質表面上の自然酸化物の存在は、ペプチド結合の選択性を変化させる可能性がある。   Some GaAs clones also bound to the surface of another sphalerite structure, InP (100). Whether the principle of selective bonding is chemical, structural, or electronic is still under investigation. Furthermore, the presence of native oxide on the substrate surface can change the selectivity of peptide bonds.

GaAsの(111)A(末端がガリウム)表面または(111)B(末端がヒ素)表面に比較して優るGaAs(100)表面へのG1-3の優先的結合が証明された(図4Bおよび4C)。G1-3クローン表面濃度は、ガリウムに富む(111)A表面またはヒ素に富む(111)B表面上よりその選択に使用された(100)表面上の方が高かった。これらの相違する表面は相違する化学反応性を示すことが知られているので、様々な結晶面へのファージ結合において選択性が証明されたことは驚くことではない。両方の111表面のバルク末端は同一の幾何学的構造を与えるが、表面再構成を比較すると、GaまたはAs原子を有する表面二重層における最外層間の相違がより明白になる。様々なGaAs表面の酸化物の組成もまた相違すると予想されており、そしてこれは順にペプチド結合の性質に影響を及ぼす可能性がある。   Preferential binding of G1-3 to a GaAs (100) surface superior to a (111) A (gallium terminated) or (111) B (arsenic terminated) surface of GaAs has been demonstrated (Figure 4B and 4C). The G1-3 clone surface concentration was higher on the (100) surface used for the selection than on the (111) A surface rich in gallium or the (111) B surface rich in arsenic. Since these different surfaces are known to exhibit different chemical reactivity, it is not surprising that selectivity has been demonstrated in phage binding to various crystal planes. Although the bulk ends of both 111 surfaces give the same geometric structure, the difference between the outermost layers in the surface bilayer with Ga or As atoms becomes more evident when comparing the surface reconstructions. The composition of the oxides on the various GaAs surfaces is also expected to be different and this in turn can affect the nature of the peptide bond.

G1-3ファージクローンへ暴露させた基質からの結合エネルギーに対するGa 2p電子の強度は、図4Cにプロットされている。図4Bに示した結果から予測されるように、GaAs(100)表面、(lll)A表面および(111)B表面上で観察されたGa 2p強度は金濃度と反比例している。金-ストレプトアビジン濃度の上昇に伴う表面上のGa 2p強度の低下は、ファージによる表面被覆の増加に起因した。XPSはサンプリング深さが約30Åである表面技術である。このため、有機層の厚さが増加するにつれて、無機基質からのシグナルは減少する。この観察を使用して、金-ストレプトアビジンの強度が実際にGaAsの表面上に結晶特異的結合配列を含有するファージが存在することに起因したことが確認された。同数の特異的ファージクローンを同等の表面積を備える様々な半導体基質へ暴露させて、XPSデータと相関する結合試験を実施した。野生型クローン(非ランダムペプチド挿入断片)はGaAsに結合しなかった(プラークが検出されなかった)。G1-3クローンについては、溶出したファージ集団は、GaAs(lll)A表面からに比較してGaAs(100)表面からの方が12倍大きかった。   The intensity of Ga 2p electrons versus binding energy from the substrate exposed to the G1-3 phage clone is plotted in FIG. 4C. As predicted from the results shown in FIG. 4B, the Ga 2p intensity observed on the GaAs (100) surface, (lll) A surface, and (111) B surface is inversely proportional to the gold concentration. The decrease in Ga 2p intensity on the surface with increasing gold-streptavidin concentration was attributed to increased surface coverage by phage. XPS is a surface technology with a sampling depth of about 30 mm. Thus, as the organic layer thickness increases, the signal from the inorganic substrate decreases. Using this observation, it was confirmed that the strength of gold-streptavidin was actually due to the presence of phage containing crystal specific binding sequences on the surface of GaAs. The same number of specific phage clones were exposed to various semiconductor substrates with comparable surface areas and binding studies correlated with XPS data were performed. Wild-type clones (non-random peptide inserts) did not bind to GaAs (no plaques were detected). For the G1-3 clone, the eluted phage population was 12 times larger from the GaAs (100) surface than from the GaAs (lll) A surface.

原子間力顕微鏡(AFM)を使用して、GaAs(100)およびInP(100)へ結合したG1-3、G12-3およびG7-4クローンを描出した。InP結晶は、GaAsと同型構造である閃亜鉛鉱構造を有しているが、In-P結合はGaAs結合より大きなイオン性を有している。AFMで観察されたファージの10nmの幅および900nmの長さは透過型電子顕微鏡検査(TEM)によって観察されたM13ファージの寸法に一致しており、M13抗体に結合した金球がファージに結合していることが観察された(データは示していない)。InP表面は高濃度のファージを有していた。これらのデータは、原子のサイズ、電荷、極性および結晶構造を含む多数の要素が基質の認識(または接触面の認識)に関係することを示唆している。   Atomic force microscopy (AFM) was used to delineate G1-3, G12-3 and G7-4 clones bound to GaAs (100) and InP (100). The InP crystal has a zinc blende structure that is the same structure as GaAs, but the In-P bond has a larger ionicity than the GaAs bond. The 10 nm width and 900 nm length of the phage observed with AFM correspond to the size of the M13 phage observed by transmission electron microscopy (TEM), and gold spheres bound to the M13 antibody bind to the phage. (Data not shown). The InP surface had a high concentration of phage. These data suggest that a number of factors, including atomic size, charge, polarity and crystal structure, are involved in substrate recognition (or contact surface recognition).

TEM画像では、G1-3クローン(ネガティブ染色)がGaAs結晶性ウェハーへ結合していることが明らかである。このデータは、この結合が主要コートタンパク質との非特異的相互作用を通してではなく、G1-3の修飾pIIIタンパク質によって指示されることを確証した。このため、本発明のペプチドを使用すると、ナノ構造およびヘテロ構造を組み立てる際の特異的ペプチド-半導体相互作用を指示することができる(図5E)。   In the TEM image, it is clear that the G1-3 clone (negative staining) is bound to the GaAs crystalline wafer. This data confirmed that this binding was directed by the modified pIII protein of G1-3, but not through non-specific interactions with the major coat protein. Thus, using the peptides of the present invention can direct specific peptide-semiconductor interactions in assembling nanostructures and heterostructures (FIG. 5E).

X線蛍光顕微鏡を使用すると、種々の化学組成および構造組成の表面の極めて近位においてファージが閃亜鉛鉱表面へ優先的に付着することが証明された。ネスト化四角形パターンをGaAsウェハー内にエッチングした;このパターンはGaAsの1μmのライン、および各ライン間にSiO2の4μmの間隔を含んでいた(図5Aおよび5B)。G12-3クローンをGaAs/SiO2パターン化基質と相互作用させ、洗浄して非特異的結合を減少させ、そして免疫蛍光プローブであるテトラメチルローダミン(TMR)を用いて標識した。標識化ファージは、GaAsにしか結合しないG12-3に対応して、図5Bでは、3本の赤いラインおよび中央のドットとして見出された。このパターンのSiO2領域はファージには未結合のままであり、暗色である。この結果は、ファージには暴露させず、一次抗体およびTMRに暴露させた対照では観察されなかった(図5A)。非ファージ結合G12-3ペプチドを使用した場合も、同様の結果が得られた。 Using X-ray fluorescence microscopy, it was demonstrated that phage preferentially attached to the sphalerite surface very close to the surface of various chemical and structural compositions. A nested square pattern was etched into the GaAs wafer; this pattern contained 1 μm lines of GaAs and 4 μm spacing of SiO 2 between each line (FIGS. 5A and 5B). The G12-3 clone was interacted with a GaAs / SiO 2 patterned substrate, washed to reduce non-specific binding, and labeled with the immunofluorescent probe tetramethylrhodamine (TMR). Labeled phage were found as three red lines and a central dot in FIG. 5B, corresponding to G12-3, which only binds to GaAs. The SiO 2 region of this pattern remains unbound to the phage and is dark. This result was not observed in controls not exposed to phage and exposed to primary antibody and TMR (FIG. 5A). Similar results were obtained when non-phage bound G12-3 peptide was used.

GaAsクローンG12-3は、AlGaAsよりもGaAsに対して基質特異的であることが観察された(図5C)。AlAsおよびGaAsは室温では各々5.66Åおよび5.65Åの実質的には同一の格子拘束を有しているので、そこでAlxGal-xAsの三元合金はGaAs基質上でエピタキシャル的に成長することができる。GaAsおよびAlGaAsは閃亜鉛鉱結晶構造を有するが、G12-3クローンはGaAsにしか結合しないことで選択性を示した。GaAsおよびAl0.98Ga0.02Asの交互層からなる多層基質を使用した。この基質材料を劈開させ、引き続いてG12-3クローンと反応させた。 GaAs clone G12-3 was observed to be more substrate specific for GaAs than AlGaAs (FIG. 5C). Since AlAs and GaAs have substantially identical lattice constraints of 5.66 and 5.65 respectively at room temperature, an AlxGal-xAs ternary alloy can then be grown epitaxially on a GaAs substrate. GaAs and AlGaAs have zinc blende crystal structure, but the G12-3 clone showed selectivity by binding only to GaAs. A multilayer substrate consisting of alternating layers of GaAs and Al 0.98 Ga 0.02 As was used. This substrate material was cleaved and subsequently reacted with the G12-3 clone.

G12-3クローンを20nmの金-ストレプトアビジンナノ粒子により標識した。走査型電子顕微鏡(SEM)による検査は、ヘテロ構造内のGaAsおよびAl0.98Ga0.02Asの交互層を示している(図5C)。ガリウムおよびアルミニウムのX線元素分析を使用してヘテロ構造のGaAs層へ金-ストレプトアビジン粒子だけを対象にマッピングしたところ、化学組成に対する高度の結合特異性が証明された。図5Dでは、蛍光画像およびSEM画像において見られるように、半導体ヘテロ構造のためのファージを識別するためのモデルを表示した(図5A〜C)。 The G12-3 clone was labeled with 20 nm gold-streptavidin nanoparticles. Scanning electron microscope (SEM) inspection shows alternating layers of GaAs and Al 0.98 Ga 0.02 As in the heterostructure (FIG. 5C). Using X-ray elemental analysis of gallium and aluminum to map only gold-streptavidin particles to heterostructure GaAs layers, a high degree of binding specificity for chemical composition was demonstrated. In FIG. 5D, a model for identifying phage for semiconductor heterostructures was displayed (FIGS. 5A-C), as seen in fluorescence and SEM images.

本発明は、有機ペプチド配列と無機半導体基質との結合を同定する、発生させる、および増幅させるために、ファージディスプレイライブラリーの使用が極めて有効であることを証明している。この無機結晶のペプチド認識および特異性は、ペプチドライブラリーを使用してGaN、ZnS、CdS、Fe3O4、Fe2O3、CdSe、ZnSeおよびCaCO3を含む他の基質に拡大されてきた。現在は2成分認識を備える二価合成ペプチド(図5E)が設計されている。このようなペプチドは、ナノ粒子を半導体構造上の特定位置へ方向付ける能力を有している。これらの有機および無機対は、新世代の複雑かつ洗練された電子構造を作製するための強力な構築ブロックを提供する。特にバイオパンニング後の、CdS(図6〜9)、ZnS(図8、9)、およびPbS(図9〜10)結晶のペプチド認識についての特異的アミノ酸配列(SEQ ID NO:12〜95)の例は図6〜10に示されている。 The present invention demonstrates that the use of phage display libraries is extremely effective for identifying, generating, and amplifying the binding of organic peptide sequences to inorganic semiconductor substrates. Peptide recognition and specificity of inorganic crystals have been enlarged using peptide libraries GaN, ZnS, CdS, Fe 3 O 4, Fe 2 O 3, CdSe, other substrates including ZnSe and CaCO 3 . Currently, bivalent synthetic peptides with two-component recognition (FIG. 5E) have been designed. Such peptides have the ability to direct nanoparticles to specific locations on the semiconductor structure. These organic and inorganic pairs provide a powerful building block for creating a new generation of complex and sophisticated electronic structures. Specific amino acid sequences (SEQ ID NO: 12-95) for peptide recognition of CdS (Figures 6-9), ZnS (Figures 8, 9), and PbS (Figures 9-10) crystals, especially after biopanning Examples are shown in FIGS.

ペプチドの作製、単離、選択、および特性解析
ペプチドの選択
表面上のファージ間相互作用を減少させるために、ファージディスプレイまたはペプチドライブラリーを、0.1% TWEEN-20を含有するトリス緩衝液(TBS)中の半導体、またはその他の結晶と接触させた。室温で1時間にわたり振動させた後、トリス緩衝液(pH7.5)および0.1%から0.5%(v/v)へ濃度を増加させながらTWEEN-20へ10回暴露させて表面を洗浄した。グリシン-HCl(pH2.2)の添加によって10分間かけて表面からファージを溶出させた後、新しいチューブへ移し、次にトリス-HCl(pH9.1)を用いて中和した。溶出したファージを滴定し、結合効率を比較した。
Peptide generation, isolation, selection, and characterization Peptide selection To reduce phage-to-phage interactions on the surface, phage display or peptide libraries can be added to Tris buffer (TBS) containing 0.1% TWEEN-20. Contact with the semiconductor or other crystals inside. After shaking for 1 hour at room temperature, the surface was washed with 10 exposures to TWEEN-20 with increasing concentrations from Tris buffer (pH 7.5) and 0.1% to 0.5% (v / v). Phages were eluted from the surface over 10 minutes by the addition of glycine-HCl (pH 2.2), then transferred to a new tube and then neutralized with Tris-HCl (pH 9.1). The eluted phage was titrated and the binding efficiency was compared.

第3回の基質暴露後に溶出したファージをそれらの大腸菌ER2537と混合し、LB XGal/IPTG平板上でプレーティングした。ライブラリーファージはlacZα遺伝子を有するベクターM13mp19に由来したので、Xgal(5-ブロモ-4-クロロ-3-インドイル-β-D-ガラクトシド)およびIPTG(イソプロピル-β-D-チオガラクトシド)を含有する媒質上でプレーティングすると、ファージプラークは青色を呈した。青色/白色スクリーニングを使用して、ランダムペプチド挿入断片を備えるファージプラークを選択した。プラークを採取し、これらの平板からDNAをシーケンシングした。   Phages eluted after the third substrate exposure were mixed with their E. coli ER2537 and plated on LB XGal / IPTG plates. Since the library phage was derived from the vector M13mp19 with the lacZα gene, it contains Xgal (5-bromo-4-chloro-3-indoyl-β-D-galactoside) and IPTG (isopropyl-β-D-thiogalactoside) When plated on the medium, the phage plaques turned blue. Blue / white screening was used to select phage plaques with random peptide inserts. Plaques were collected and DNA was sequenced from these plates.

基質の調製
X線回折法により基質の配向性を確認し、適切な特異的化学エッチングにより自然酸化物を取り除いた。次のエッチング液:NH4OH:H2O(1:10)、HC1:H2O(1:10)、H3PO4:H2O2:H2O(3:1:50)について、GaAsおよびInP表面上で各々1分後および10分後に試験した。GaAsおよびInPのエッチング表面についての最高元素比および最小酸化物形成率(XPSを使用して)は、HCl:H2Oを1分間使用し、次に1分間にわたる脱イオン水による洗浄を行って入手した。ライブラリーの初期スクリーニングでは、GaAsに対して水酸化アンモニウムエッチング液を使用した。このエッチング液は、他の全てのGaAs基質標本に対しても使用できるが、当業者であれば使用可能なエッチング液を認識できる。Si(100)ウエハーは、HF:H2O(1:40)溶液中で1分間エッチングし、その後に脱イオン水による洗浄処理を実施した。表面は洗浄処理液から直接取り出し、直ちにファージライブラリーへ導入することができる。ファージに暴露させていない対照基質の表面を特性解析し、エッチング工程の有効性ならびにAFMおよびXPSのによる表面の形態についてマッピングした。
Substrate preparation
The orientation of the substrate was confirmed by X-ray diffraction, and the native oxide was removed by appropriate specific chemical etching. About the following etchants: NH 4 OH: H 2 O (1:10), HC1: H 2 O (1:10), H 3 PO 4 : H 2 O 2 : H 2 O (3: 1: 50) Tested on the GaAs and InP surfaces after 1 minute and 10 minutes, respectively. Maximum element ratios and minimum oxide formation rates (using XPS) for GaAs and InP etched surfaces are as follows: use HCl: H 2 O for 1 minute, then clean with deionized water for 1 minute. obtained. In the initial screening of the library, an ammonium hydroxide etchant was used for GaAs. This etchant can be used for all other GaAs substrate specimens, but those skilled in the art will recognize usable etchants. The Si (100) wafer was etched for 1 minute in an HF: H 2 O (1:40) solution, and then washed with deionized water. The surface can be removed directly from the wash solution and immediately introduced into the phage library. The surface of the control substrate not exposed to the phage was characterized and mapped for the effectiveness of the etching process and the surface morphology by AFM and XPS.

GaAsの多層基質およびAl0.98Ga0.02Asの多層基質をGaAs(100)上への分子線エピタキシーにより成長させた。エピタキシャル成長層は、5×1017cm-3のレベルでSiドーピング(n型)した。 A multilayer substrate of GaAs and a multilayer substrate of Al 0.98 Ga 0.02 As were grown by molecular beam epitaxy on GaAs (100). The epitaxial growth layer was Si-doped (n-type) at a level of 5 × 10 17 cm −3 .

抗体および金による標識化
XPS、SEMおよびAFM標本のために、基質をTBS中で1時間にわたりファージに暴露させ、次にFdファージのpIIIタンパク質に対する抗体である抗Fdバクテリオファージ-ビオチンコンジュゲート(リン酸緩衝液中で1:500、Sigma社製)へ30分間導入し、次にリン酸緩衝液中で洗浄処理した。ストレプトアビジン-20nmコロイド状金標識(リン酸緩衝液(PBS)中で1:200)をビオチン-ストレプトアビジン相互作用によりビオチン結合ファージへ付着させた。これらの表面を30分間にわたり標識へ暴露させ、次にPBSを用いて数回洗浄処理した。
Labeling with antibodies and gold
For XPS, SEM and AFM specimens, the substrate was exposed to phage in TBS for 1 hour and then anti-Fd bacteriophage-biotin conjugate (1 in phosphate buffer, which is an antibody to the FIII phage pIII protein). : 500, manufactured by Sigma) for 30 minutes, and then washed in a phosphate buffer. Streptavidin-20 nm colloidal gold label (1: 200 in phosphate buffer (PBS)) was attached to biotin-binding phages by biotin-streptavidin interaction. These surfaces were exposed to the label for 30 minutes and then washed several times with PBS.

X線光電子分光法(XPS)
XPSにおいて見出された金シグナルがファージに結合した金からであり、GaAs表面との非特異的抗体相互作用からではないことを確認するために、XPS標本に対して次の対照実験を実施した。調製したGaAs(100)表面を次の、(1)ファージを含まない、抗体およびストレプトアビジン-金標識、(2)抗体を含まない、G1-3ファージおよびストレプトアビジン-金標識、および(3)G1-3ファージまたは抗体のどちらかを含まない、ストレプトアビジン-金標識に暴露させた。
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)
To confirm that the gold signal found in XPS was from gold bound to phage and not from non-specific antibody interactions with the GaAs surface, the following control experiment was performed on XPS specimens: . Following the prepared GaAs (100) surface, (1) phage-free antibody and streptavidin-gold label, (2) antibody-free G1-3 phage and streptavidin-gold label, and (3) Exposed to streptavidin-gold label without either G1-3 phage or antibody.

使用したXPS機器は、単色1,487eV X線を生成するアルミニウム陽極を備えるPhysical Electronics社製Phi ESCA 5700であった。全試料は、GaAs表面の酸化を制限するためにファージの金標識化後直ちにチャンバ内に導入し(上記のとおりに)、次にXPSチャンバ内での試料のガス放出を減少させるために高真空で一晩排気した。   The XPS equipment used was a Phi ESCA 5700 manufactured by Physical Electronics with an aluminum anode that produces monochromatic 1,487 eV X-rays. All samples are introduced into the chamber immediately after gold labeling of the phage to limit oxidation of the GaAs surface (as described above) and then high vacuum to reduce sample outgassing in the XPS chamber. And evacuated overnight.

原子間力顕微鏡(AFM)
使用したAFMは、Gスキャナーを用いてチップ走査モードで作動するZeiss社製Axiovert 100s-2tv上に取り付けられたDigital Instruments社製Bioscopeであった。画像はタッピングモードを使用して空気中で撮影した。AFMプローブは、それらの200±400kHzの共鳴周波数の近くで駆動させた125mmカンチレバーおよび20±100Nm-1のバネ定数を用いてエッチングされたシリコンであった。スキャン速度はおよそ1±5mms-1であった。画像は、試料の傾斜を取り除くために一次平面を使用して水平にした。
Atomic force microscope (AFM)
The AFM used was a Digital Instruments Bioscope mounted on a Zeiss Axiovert 100s-2tv operating in chip scan mode using a G scanner. Images were taken in air using tapping mode. The AFM probes were silicon etched using 125 mm cantilevers and 20 ± 100 Nm −1 spring constants driven near their 200 ± 400 kHz resonance frequency. The scan speed was approximately 1 ± 5mms- 1 . The image was leveled using a primary plane to remove sample tilt.

透過型電子顕微鏡検査(TEM)
TEM画像は、Philips社製EM208を60kVで使用して撮影した。Gl-3ファージ(TBS中の希釈率1:100)をGaAs細片(500mm)と一緒に30分間インキュベートし、遠心して未結合ファージから粒子を分離し、TBSを用いて洗浄処理し、TBS中に再懸濁させた。試料を2%酢酸ウラニルにより染色した。
Transmission electron microscopy (TEM)
TEM images were taken using Philips EM208 at 60 kV. Gl-3 phage (dilution ratio 1: 100 in TBS) is incubated with GaAs strips (500 mm) for 30 minutes, centrifuged to separate particles from unbound phage, washed with TBS, and washed in TBS And resuspended. Samples were stained with 2% uranyl acetate.

走査型電子顕微鏡検査(SEM)
G12-3ファージ(TBS中の希釈率1:100)を新しく劈開させたヘテロ構造表面と一緒に30分間インキュベートし、TBSを用いて洗浄処理した。G12-3ファージを20nmコロイド状金により標識した。Hitachi社製4700電界放出走査型電子顕微鏡上に取り付けたNorian社製検出システムを5kVで使用することによりSEMおよび元素マッピング画像を収集した。
Scanning electron microscopy (SEM)
G12-3 phage (dilution ratio 1: 100 in TBS) was incubated with the newly cleaved heterostructure surface for 30 minutes and washed with TBS. G12-3 phage was labeled with 20 nm colloidal gold. SEM and elemental mapping images were collected using a Norian detection system mounted on a Hitachi 4700 field emission scanning electron microscope at 5 kV.

規則化されたバイブリッド生物膜貯蔵装置の作製
本発明者らは、有機-無機ハイブリッド材料(有機化合物および無機化合物の両方を含むハイブリッド材料)が新規の材料開発のための新しい手段を提供することを認識した。ナノスケール範囲にあるサイズ制御された構造(ナノ構造)は、マイクロエレクトロニクスにおいて特に有用であり、半導体などの材料へ調整可能な光学特性、磁気特性および電気特性を提供する。有機成分を備える生物学的材料は、特にナノスケールレベルにおいて、構造の無機形態、位相および核形成方向をさらに修飾することができる。このハイブリッドは、位置特異的情報またはデータを備える高度に独特の微小環境を作り出す。この情報を極めて長期にわたり貯蔵する能力は、情報を処理し、収集し、さらに分析するための貯蔵ツールとして成功するために極めて重要である。
Creation of Ordered Vibrid Biofilm Storage Devices We have provided that organic-inorganic hybrid materials (hybrid materials containing both organic and inorganic compounds) provide a new means for new material development. Recognized. Size-controlled structures in the nanoscale range (nanostructures) are particularly useful in microelectronics and provide tunable optical, magnetic and electrical properties to materials such as semiconductors. Biological materials with organic components can further modify the inorganic morphology, phase and nucleation direction of the structure, especially at the nanoscale level. This hybrid creates a highly unique microenvironment with location specific information or data. The ability to store this information for a very long time is critical to succeed as a storage tool for processing, collecting and further analyzing information.

1つの例としてファージを使用すると、一般に単分散性質を備える生物学的材料がその中に様々な情報を貯蔵する独特の新規基準を新規材料に提供することが明らかになる。本発明を用いると、ナノメートルスケール規模の規則化を備える高度に規則化された構造が構成された。遺伝子操作自己集合性生物学的分子(例、特異的半導体表面の認識成分を有するM13バクテリオファージ)を使用したII-VI半導体材料の複合長スケール整列は、長期データ貯蔵のために最適なデバイスを作り出す。そこで、異方性形状を有する単分散バイオマテリアルは、良好に規則化された構造を構築するためのまた別の方法である。特異的半導体表面に対する認識成分(ペプチドまたはアミノ酸オリゴマー)を有する遺伝子操作M13バクテリオファージを使用して、II-VI半導体材料のナノ長さスケールおよび複合長スケール整列を実施した。   The use of phage as an example reveals that biological materials, which generally have monodisperse properties, provide new materials with a unique new standard for storing various information therein. With the present invention, a highly ordered structure with nanometer scale ordering was constructed. Complex length scale alignment of II-VI semiconductor materials using genetically engineered self-assembling biological molecules (eg, M13 bacteriophage with specific semiconductor surface recognition components) makes it an ideal device for long-term data storage produce. Thus, monodisperse biomaterials with anisotropic shapes are yet another way to build well ordered structures. Nanolength scale and composite length scale alignments of II-VI semiconductor materials were performed using genetically engineered M13 bacteriophages with recognition components (peptides or amino acid oligomers) for specific semiconductor surfaces.

位置秩序および方向秩序の両方を有するFdウイルススメクチック規則化構造は特性解析されている。Fdウイルスのスメクチック構造には、ナノメートルスケール(以下ナノ粒子と呼ぶ)において粒子の二次元(2D)および三次元(3D)整列を構築するための構造のマルチスケール規則化およびナノスケール規則化の両方において潜在的用途がある。バクテリオファージM13を使用したのは、遺伝子操作が可能であり、Fdウイルスと同一形状を有するように選択するのに成功しており、そしてII-VI半導体表面に対する特異的結合親和性を有するためであった。このため、M13は、ナノ粒子のマルチスケールおよびナノスケール規則化に役立つスメクチック構造にとって理想的供給源である。   Fd virus smectic ordered structures with both positional and directional order have been characterized. The smectic structure of the Fd virus includes multiscale and nanoscale ordering of structures to build two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) alignments of particles at the nanometer scale (hereinafter referred to as nanoparticles). There are potential uses in both. Bacteriophage M13 was used because it is genetically engineered, has been successfully selected to have the same shape as the Fd virus, and has specific binding affinity for II-VI semiconductor surfaces. there were. For this reason, M13 is an ideal source for smectic structures that aid in multiscale and nanoscale ordering of nanoparticles.

本発明者らは、コンビナトリアルスクリーニング法を使用して、半導体表面へ結合できるペプチド「挿入断片」を含有するM13バクテリオファージを見出した。これらの半導体表面は、硫化亜鉛、硫化カドミウムおよび硫化鉄などの材料を含有していた。当業者に知られている分子生物学の技術を使用して、特異的半導体材料表面に結合するバクテリオファージ・コンビナトリアルライブラリークローンなどの生物学的材料を使用した。一般に、生物学的材料は容易に大量に入手できる、または大量生産のために容易に増幅させることのできる材料である。ファージを増幅させ、クローン化し、液晶形成のために十分な高濃度まで増幅させた。   The present inventors have used combinatorial screening methods to find M13 bacteriophages containing a peptide “insert” that can bind to a semiconductor surface. These semiconductor surfaces contained materials such as zinc sulfide, cadmium sulfide and iron sulfide. Biological materials such as bacteriophage combinatorial library clones that bind to specific semiconductor material surfaces were used using molecular biology techniques known to those skilled in the art. In general, biological materials are materials that are readily available in large quantities or that can be easily amplified for mass production. Phages were amplified, cloned and amplified to a high enough concentration for liquid crystal formation.

生物学的選択性および自己集合性を使用することによって良好に規則化されたナノ粒子層を構築するための方法として、バクテリオファージの異方性形状を活用した。例えば、フィラメント状のバクテリオファージであるFdは、高濃度溶液中でバクテリオファージのリオトロピック液晶挙動を生じさせる長い棒状(長さ:880nm;直径:6.6nm)および単分散分子量(分子量:1.64×107)を有する。本発明では、類似のフィラメント状バクテリオファージであるM13を硫化亜鉛、硫化カドミウムおよび硫化鉄などのナノ粒子に結合するように遺伝子操作した。単分散バクテリオファージであるM13は、標準増幅法により調製した。 The anisotropic shape of bacteriophage was exploited as a method to construct well ordered nanoparticle layers by using biological selectivity and self-assembly. For example, filamentous bacteriophage Fd is a long rod (length: 880 nm; diameter: 6.6 nm) and monodisperse molecular weight (molecular weight: 1.64 × 10 7 ) that causes the lyotropic liquid crystal behavior of the bacteriophage in highly concentrated solutions. ). In the present invention, M13, a similar filamentous bacteriophage, was genetically engineered to bind to nanoparticles such as zinc sulfide, cadmium sulfide and iron sulfide. A monodispersed bacteriophage, M13, was prepared by standard amplification methods.

ナノスケールおよびメソスケールでの規則化
ナノスケールおよびメソスケールレベル上でのバクテリオファージの規則化は、この生物学的材料がナノ粒子のナノスケールアレイを形成できることを証明している。これらのナノ粒子はさらに、ミクロンドメインおよびセンチメートル長さスケールに組織化される。半導体ナノ粒子は、量子閉込め作用を示し、そして液晶内で合成かつ規則化できる。
Ordering on the nanoscale and mesoscale The ordering of bacteriophages on the nanoscale and mesoscale levels demonstrates that this biological material can form nanoscale arrays of nanoparticles. These nanoparticles are further organized into micron domains and centimeter length scales. Semiconductor nanoparticles exhibit quantum confinement and can be synthesized and ordered in liquid crystals.

標準分子生物学的技術を使用して、半導体表面への特異的結合特性を有する遺伝子操作M13バクテリオファージを増幅させ、精製した。質量増幅のために、3.2mLのバクテリオファージ懸濁液(濃度:ファージ〜107個/μL)および4mLの一晩培養液を400mLのLB培地へ添加した。増幅後、〜30mgのペレットが沈降した。懸濁液は、ZnCl2でドーピングしたA7ファージ懸濁液に室温でNa2S溶液を添加することによって調製した。最高濃度のA7-ファージ懸濁液は、各々〜30mgのファージペレットへ20μLの1mM ZnCl2およびNa2S溶液を添加することによって調製した。濃度は、269nmで3.84mg/mLの吸光係数を使用して測定した。 Using standard molecular biology techniques, engineered M13 bacteriophages with specific binding properties to semiconductor surfaces were amplified and purified. For mass amplification, 3.2 mL bacteriophage suspension (concentration: phage ~ 10 7 cells / μL) and 4 mL overnight culture were added to 400 mL LB medium. After amplification, ˜30 mg pellet settled. The suspension was prepared by adding Na 2 S solution at room temperature to the A7 phage suspension doped with ZnCl 2 . The highest concentration A7-phage suspension was prepared by adding 20 μL of 1 mM ZnCl 2 and Na 2 S solution to ˜30 mg of phage pellet each. The concentration was measured using an extinction coefficient of 3.84 mg / mL at 269 nm.

等方性懸濁液の濃度が増加するにつれて、方向秩序を有するネマチック相、ねじれネマチック構造を有するコレステリック相、並びに方向秩序および位置秩序を同様に有するスメクチック相が観察された。これらの相は、ナノ粒子を有していないFdウイルス内で観察されていた。特異的ペプチド挿入断片を含有するM13バクテリオファージ懸濁液を作製し、特性解析した。全試料を通してナノ粒子の一様な2Dおよび3D規則化が観察された。   As the concentration of the isotropic suspension increased, a nematic phase with directional order, a cholesteric phase with a twisted nematic structure, and a smectic phase with similar directional and positional order were observed. These phases have been observed in Fd viruses that do not have nanoparticles. M13 bacteriophage suspensions containing specific peptide inserts were made and characterized. Uniform 2D and 3D ordering of the nanoparticles was observed throughout the sample.

原子間力顕微鏡(AFM)
使用したAFMは、以前に記載したものと同一であった。図11Aおよび11Bは、AFMを使用して観察されたM13ファージのスメクチック整列の略図である。さらに、M13バクテリオファージ懸濁液の5μLのM13懸濁液(濃度:30mg/mL)をデシケータ内で4時間にわたり3-アミノプロピルトリエチルシランによってシリル化された8mm×8mm雲母基質上で24時間かけて乾燥させた。画像はタッピングモードを使用して空気中で撮影した。長さ880nmおよび幅6.6nmのM13バクテリオファージの異方性形状のために、自己集合性規則化構造が観察された。図12Cでは、M13ファージは写真の平面内にあり、スメクチック整列を形成している。
Atomic force microscope (AFM)
The AFM used was the same as previously described. FIGS. 11A and 11B are schematic diagrams of smectic alignments of M13 phage observed using AFM. In addition, 5 μL of M13 bacteriophage suspension (concentration: 30 mg / mL) over 24 hours on 8 mm x 8 mm mica substrate silylated with 3-aminopropyltriethylsilane in a desiccator for 4 hours And dried. Images were taken in air using tapping mode. Due to the anisotropic shape of the M13 bacteriophage with a length of 880 nm and a width of 6.6 nm, self-assembled ordered structures were observed. In FIG. 12C, the M13 phage is in the plane of the photograph and forms a smectic alignment.

透過型電子顕微鏡検査(TEM)
TEM画像は以前に記載した通りに撮影した。
Transmission electron microscopy (TEM)
TEM images were taken as previously described.

走査型電子顕微鏡検査(SEM)
試料の調製およびSEMの使用は、以前に記載した通りである。バクテリオファージおよびZnSナノ粒子スメクチック懸濁液の臨界点乾燥試料(バクテリオファージ懸濁液の濃度:127mg/mL)を調製した。図12Dでは、ナノ粒子に富む領域およびバクテリオファージに富む領域が観察された。ナノ粒子とバクテリオファージとの分離の長さはバクテリオファージの長さに対応した。ZnSウルツ鉱結晶構造は、TEMを用いてスメクチック懸濁液の希釈試料を使用して電子回折パターンによって確証された。
Scanning electron microscopy (SEM)
Sample preparation and use of SEM are as previously described. A critical point dry sample of bacteriophage and ZnS nanoparticle smectic suspension (concentration of bacteriophage suspension: 127 mg / mL) was prepared. In FIG. 12D, a region rich in nanoparticles and a region rich in bacteriophages were observed. The separation length of nanoparticles and bacteriophage corresponded to the length of bacteriophage. The ZnS wurtzite crystal structure was confirmed by electron diffraction pattern using a diluted sample of smectic suspension using TEM.

偏光顕微鏡検査(POM)
M13ファージ懸濁液をPOMによって特性解析した。各懸濁液を直径0.7mmのガラス製毛細管に充填した。高濃度懸濁液(127mg/mL)は、図12Aのように、平行偏光下で虹色[5]を示し、交差偏光下ではスメクチックテクスチャー構造を示した。図12Bから明らかなように、コレステリックピッチは表3に示したように懸濁液の濃度を変化させることにより制御できる。ピッチ長を測定し、顕微鏡写真は試料調製から24時間後に撮影した。
Polarization microscopy (POM)
M13 phage suspension was characterized by POM. Each suspension was filled into a glass capillary tube having a diameter of 0.7 mm. The high-concentration suspension (127 mg / mL) showed iridescent [5] under parallel polarization and a smectic texture structure under cross polarization as shown in FIG. 12A. As is apparent from FIG. 12B, the cholesteric pitch can be controlled by changing the concentration of the suspension as shown in Table 3. The pitch length was measured and micrographs were taken 24 hours after sample preparation.

(表3)コレステリックピッチと濃度との関係

Figure 2006506059
(Table 3) Relationship between cholesteric pitch and concentration
Figure 2006506059

ナノ結晶生物膜の調製
バクテリオファージペレットは、400μLのトリス緩衝液(TBS、pH7.5)およびそれに1mM Na2Sを添加した200μLの1mM ZnCl2を用いて懸濁させた。室温で24時間振動させた後、1mLのエッペンドルフチューブ中に含まれていた懸濁液を1週間にわたりデシケータ内で緩徐に乾燥させた。チューブの内部で、膜厚〜15μmの半透明膜を形成させた。図13Aに示したこの膜は、ピンセットを使用して注意深く取り出した。
Preparation of nanocrystalline biofilm The bacteriophage pellet was suspended using 400 μL Tris buffer (TBS, pH 7.5) and 200 μL 1 mM ZnCl 2 supplemented with 1 mM Na 2 S. After shaking for 24 hours at room temperature, the suspension contained in a 1 mL Eppendorf tube was slowly dried in a desiccator for 1 week. A translucent film having a film thickness of ˜15 μm was formed inside the tube. The membrane shown in FIG. 13A was carefully removed using tweezers.

SEMによるナノ結晶生物膜の観察
SEMを使用してA7-ZnS膜のバクテリオファージのナノスケール整列を観察した。SEM分析を実施するために、膜を切断し、アルゴン雰囲気中で真空蒸着法により2nmのクロムをコーティングした。試料全体で最密構造が観察された(図13Dを参照)。個々のファージの平均長895nmはファージの平均長880nmに合理的に類似している。この膜は、ナノ粒子層およびバクテリオファージ層間の周期性を示したスメクチックA様またはC様層状形態を示した。周期性の長さは、バクテリオファージの長さに対応していた。ナノ粒子の平均サイズは、TEMによる個別粒子についての観察に類似して〜20nmであった。
Observation of nanocrystalline biofilm by SEM
SEM was used to observe the nanoscale alignment of bacteriophages in A7-ZnS films. To perform SEM analysis, the film was cut and coated with 2 nm of chromium by vacuum deposition in an argon atmosphere. A close-packed structure was observed throughout the sample (see FIG. 13D). The average length of individual phages 895 nm is reasonably similar to the average length of phages 880 nm. The film exhibited a smectic A-like or C-like layered morphology that exhibited periodicity between the nanoparticle layer and the bacteriophage layer. The length of the periodicity corresponded to the length of the bacteriophage. The average size of the nanoparticles was ˜20 nm, similar to the observation for individual particles by TEM.

TEMによるナノ結晶生物膜の観察
TEMを使用してZnSナノ粒子整列を調査した。この膜をエポキシ樹脂(LR white)内に1日間包埋し、10μLの促進剤を添加して重合させた。硬化後、Leica社製ウルトラミクロトームを使用して樹脂から薄切片を作製した。これらの〜50nm切片を蒸留水上に浮動させ、ブランク金格子上に取り上げた。略図におけるx-z平面に対応する、平行に整列したナノ粒子が少量観察された(図13E)。各バクテリオファージは5コピーのA7成分を有していたので、各A7は1個のナノ粒子(サイズ2〜3nm)を認識し、幅約20nmで整列し、長さは2μmより多く伸展した。2μm×20nmのバンドが平行に形成され、各バンドは〜700nmずつ離れていた。この不一致は、TEMにおける観察に比較してファージ層の傾斜したスメクチック整列から生じると思われる。y-z軸様ナノ粒子層平面もまた図5Fと同様に観察された。整列した粒子のSAEDパターンは、ZnS粒子がウルツ鉱の六方晶形構造を有することを証明した。
Observation of nanocrystalline biofilm by TEM
TEM was used to investigate ZnS nanoparticle alignment. This membrane was embedded in an epoxy resin (LR white) for 1 day and polymerized by adding 10 μL of accelerator. After curing, thin sections were prepared from the resin using a Leica ultramicrotome. These ˜50 nm sections were floated on distilled water and taken up on a blank gold grid. A small amount of parallel aligned nanoparticles was observed, corresponding to the xz plane in the schematic (FIG. 13E). Since each bacteriophage had 5 copies of the A7 component, each A7 recognized one nanoparticle (size 2-3 nm), aligned at about 20 nm in width, and extended more than 2 μm in length. Bands of 2 μm × 20 nm were formed in parallel, and each band was separated by ˜700 nm. This discrepancy appears to arise from a tilted smectic alignment of the phage layer compared to observations in TEM. The yz-axis-like nanoparticle layer plane was also observed as in FIG. 5F. The SAED pattern of the aligned particles proved that the ZnS particles have a wurtzite hexagonal structure.

AFMによるナノ結晶生物膜の観察
AFMを使用してウイルス膜の表面配向を調査した。図5Cでは、ファージがスメクチックOと称される表面の大部分で隣接ダイレクター標準(バクテリオファージ軸)間でほぼ直角を有する平行に整列したヘリンボーンパターンを形成していることが示されている。この膜は、数十μmまで持続する標準ダイレクターの広範囲の規則化を示した。2つのドメイン層が相互に交わる一部の領域では、2複合長スケールもしくは3複合長スケールのバクテリオファージが、スメクチックC規則化構造へ平行にかつ持続的に整列していた。
Observation of nanocrystalline biofilm by AFM
AFM was used to investigate the surface orientation of the viral membrane. In FIG. 5C, it is shown that the phage form a parallel aligned herringbone pattern with approximately a right angle between adjacent director standards (bacteriophage axis) over most of the surface termed smectic O. This membrane showed a wide range of regularization of standard directors lasting up to tens of μm. In some areas where the two domain layers intersect each other, two or three complex length scale bacteriophages were aligned in parallel and persistently to the smectic C ordered structure.

本発明の認識および自己規則化の方法ならびに組成物を使用した半導体材料のナノ長さスケールおよび複合長スケール整列は、将来の電子デバイスの微細加工を増進する。これらのデバイスは、現在のフォトリソグラフィー能力を超える潜在能力を有する。これらの材料にとっての他の潜在的用途には、発光ディスプレイ、光学検波器、およびレーザーなどの光電子デバイス、高速相互接続器、ナノメートルスケールのコンピューター部品および生物学的センサーが含まれる。   The nano-length scale and composite length scale alignment of semiconductor materials using the recognition and self-ordering methods and compositions of the present invention will enhance the microfabrication of future electronic devices. These devices have potential beyond current photolithography capabilities. Other potential uses for these materials include light emitting displays, optical detectors, and optoelectronic devices such as lasers, high speed interconnectors, nanometer scale computer components and biological sensors.

生物膜貯蔵装置の安定化および生物学的活性の維持
本発明の生物膜貯蔵装置を使用すると、酵素および抗体などの生物学的(例、有機)材料を貯蔵することができる。本発明の1つの態様では、それらの生物学的活性を保持する酵素などの生物学的分子が生物膜として貯蔵される。この活性は、酵素の知られている特性に基づいて経時的に容易にモニターされる。1つの態様では、レポーター酵素であるβ-ガラクトシダーゼが生物膜内で調製され、長期の酵素安定性および活性を保持することが見出されている。
Stabilization of Biofilm Storage Device and Maintenance of Biological Activity The biofilm storage device of the present invention can be used to store biological (eg, organic) materials such as enzymes and antibodies. In one embodiment of the invention, biological molecules such as enzymes that retain their biological activity are stored as a biofilm. This activity is easily monitored over time based on the known properties of the enzyme. In one embodiment, the reporter enzyme β-galactosidase is prepared in a biofilm and found to retain long-term enzyme stability and activity.

本発明のまた別の態様では、保存液(例、スクロース)が生物学的材料(例、酵素)の安定性および長期活性を強化するために使用される。その上、本例は、安定剤として使用される保存液の添加が生物膜貯蔵装置の保存を強化すること、そして生物学的活性がその生物膜の主要構成要素である場合には特に重要な可能性があることを例証している。   In yet another aspect of the invention, a preservative solution (eg, sucrose) is used to enhance the stability and long-term activity of the biological material (eg, enzyme). Moreover, this example is particularly important when the addition of a preservative solution used as a stabilizer enhances the preservation of the biofilm storage device and when biological activity is a major component of the biofilm. Illustrates the possibility.

生物膜貯蔵装置として使用される生物学的材料の構造および機能を視覚化するためには、生物学的材料またはその生物学的材料に付着する発光分子の光特性をモニターすることができる。例えば、生物学的材料(例、酵素または抗体)に付着させるために、509nmの最大発光波長で緑色光を発光する緑色蛍光タンパク質変異体(GFPuv)を使用することができる。その上に、発光特性は生物学的イメージングの分野の当業者に周知の器械を使用して描出できる。イメージング器械の1つの例は、共焦点顕微鏡である。   In order to visualize the structure and function of a biological material used as a biofilm storage device, the optical properties of the biological material or luminescent molecules attached to the biological material can be monitored. For example, a green fluorescent protein variant (GFPuv) that emits green light at a maximum emission wavelength of 509 nm can be used to attach to biological material (eg, an enzyme or antibody). In addition, the luminescent properties can be visualized using instruments well known to those skilled in the field of biological imaging. One example of an imaging instrument is a confocal microscope.

本発明のまた別の態様では、貯蔵装置として使用される生物学的材料がまた別の生物学的材料と接触させられる。生物膜を必要に応じてカスタマイズするためには、どちらかの生物学的材料を全体として、または部分的に修飾することができる。例えば、バクテリオファージなどの生物学的材料を含む生物膜は、生物学的材料(例、バクテリオファージ)表面で表示されるタンパク質を変化させることによって、または生物学的材料に特異的に付着し、さらにまた他の標的(例、タンパク質、抗体、薬剤、もしくは核酸などの生物学的材料)または生物膜貯蔵装置の安定性の強化を生じさせる他の安定剤に付着できるペプチドをターゲティングすることによって修飾できる。   In yet another aspect of the invention, a biological material used as a storage device is contacted with another biological material. Either biological material can be modified in whole or in part to customize the biofilm as needed. For example, a biofilm containing biological material such as bacteriophage attaches specifically to the biological material by altering the protein displayed on the surface of the biological material (eg, bacteriophage), or Further modified by targeting peptides that can be attached to other targets (eg, biological materials such as proteins, antibodies, drugs, or nucleic acids) or other stabilizers that result in enhanced stability of the biofilm storage device it can.

貯蔵温度は、例えばほぼ室温であってよい。貯蔵温度は、例えば約10℃から約40℃、およびより特別には約20℃から約30℃であってよい。これらの貯蔵温度は、少なくとも7週間、少なくとも5ヵ月間、少なくとも6ヵ月間、または少なくとも7ヵ月間を含む期間にわたって維持できる。   The storage temperature may be approximately room temperature, for example. The storage temperature may be, for example, from about 10 ° C to about 40 ° C, and more particularly from about 20 ° C to about 30 ° C. These storage temperatures can be maintained for a period that includes at least 7 weeks, at least 5 months, at least 6 months, or at least 7 months.

安定した酵素を含有する生物膜貯蔵装置の調製
濃度が0.5mg/mL β-ガラクトシダーゼ、5mg/mL グルコース、50mg/mL スクロース、および1.25mg/mL ファージを入手するために、リン酸緩衝液(PBS)(pH7.0)中の酵素β-ガラクトシダーゼをグルコース、スクロース、およびM13ファージのストック液と混合した。この溶液のアリコート(20μL)を1.5mLのエッペンドルフチューブに入れ、デシケータ内で2日間かけて乾燥させ、室温で保存した。乾燥させたウイルス膜を500μLのPBS溶液(pH7.0)中に懸濁させた。100μLの懸濁液および700μLのo-ニトロフェニルガラクトシド(ONPG)(1.5×10-2M)をディスポーザブルのキュベット内で結合した。酵素活性(単位数)は、30秒間隔で10分間にわたり420nmでo-ニトロフェノール(ONP)の吸光度の増加をモニターすることによって入手した。1単位の活性は、25℃で1分間中に1μmolのONPGからONPへの転換を触媒できる酵素の量として定義された(pH7.0)。
Preparation of biofilm storage device containing stable enzyme Concentration of 0.5 mg / mL β-galactosidase, 5 mg / mL glucose, 50 mg / mL sucrose, and 1.25 mg / mL phage to obtain phosphate buffer (PBS ) The enzyme β-galactosidase in (pH 7.0) was mixed with glucose, sucrose, and M13 phage stock. An aliquot (20 μL) of this solution was placed in a 1.5 mL Eppendorf tube, dried in a desiccator for 2 days, and stored at room temperature. The dried virus membrane was suspended in 500 μL of PBS solution (pH 7.0). 100 μL of suspension and 700 μL of o-nitrophenyl galactoside (ONPG) (1.5 × 10 −2 M) were bound in a disposable cuvette. Enzyme activity (units) was obtained by monitoring the increase in absorbance of o-nitrophenol (ONP) at 420 nm for 10 minutes at 30 second intervals. One unit of activity was defined as the amount of enzyme capable of catalyzing the conversion of 1 μmol of ONPG to ONP in 1 minute at 25 ° C. (pH 7.0).

生物膜中での生物学的活性および安定性のモニター
DNAをコードするGFPuv(Clontech社製)をPCRによって増幅させ、大腸菌中でGFPuv-FLAGを発現させるためにpFLAG-CTCベクター(Sigma社製)内にサブクローニングした。全細胞抽出物を調製し、抗FLAG M2アフィニティーゲルカラム(Sigma社製)を使用して、発現したGFPuv-FLAGを精製した。100μg/mLのGFPuv-FLAG、5mg/mLのファージ、5mg/mLのグルコース、および50mg/mLのスクロースの最終濃度を備えるGFPuv-FLAG、ファージ、およびグルコース:スクロース(1:10(w/w))の混合物を調製した。少なくとも約10μLの混合物をスライドガラス上に分散させ、1日間デシケータ内で乾燥させた。共焦点蛍光顕微鏡を使用して、GFPuv-FLAGの安定性をモニターした。グルコース:スクロースの濃度は2.5および25mg/mLであった。
Monitor biological activity and stability in biofilms
GFPuv encoding DNA (Clontech) was amplified by PCR and subcloned into pFLAG-CTC vector (Sigma) to express GFPuv-FLAG in E. coli. Whole cell extracts were prepared and the expressed GFPuv-FLAG was purified using an anti-FLAG M2 affinity gel column (Sigma). GFPuv-FLAG with a final concentration of 100 μg / mL GFPuv-FLAG, 5 mg / mL phage, 5 mg / mL glucose, and 50 mg / mL sucrose, phage and glucose: sucrose (1:10 (w / w) ) Was prepared. At least about 10 μL of the mixture was dispersed on a glass slide and dried in a desiccator for 1 day. A confocal fluorescence microscope was used to monitor the stability of GFPuv-FLAG. The glucose: sucrose concentrations were 2.5 and 25 mg / mL.

調製した生物膜貯蔵装置の貯蔵後に、保存液または安定剤としてグルコース:スクロースを添加した場合は測定したβ-ガラクトシダーゼの活性が向上することが見出された(図14Aおよび14B)。対照として使用した試料は、バクテリオファージおよび糖の不在下で上記のとおりに調製してデシケータ内で乾燥させた生物学的材料(例、β-ガラクトシダーゼ)であった。生物膜貯蔵装置としての酵素の貯蔵は明らかに酵素活性に影響を及ぼさなかった。β-ガラクトシダーゼを含有し、フリーズドライまたは風乾後に貯蔵した生物膜貯蔵装置は類似の酵素活性を示した。興味深いことに、酵素活性は他の生物学的材料(例、バクテリオファージ)の存在下ならびに安定剤(例、保存液)の存在下においても向上した。   After storage of the prepared biofilm storage device, it was found that the added activity of β-galactosidase was improved when glucose: sucrose was added as a preservation solution or stabilizer (FIGS. 14A and 14B). The sample used as a control was biological material (eg, β-galactosidase) prepared as described above and dried in a desiccator in the absence of bacteriophage and sugar. Enzyme storage as a biofilm storage device obviously had no effect on enzyme activity. Biofilm storage devices containing β-galactosidase and stored after freeze-drying or air-drying showed similar enzyme activity. Interestingly, enzyme activity was improved in the presence of other biological materials (eg, bacteriophage) as well as in the presence of stabilizers (eg, stock solutions).

図15は、361nmでの励起後にGFPuvを用いた共焦点顕微鏡画像を示している。これらの画像は、グルコース:スクロース保存液などの安定剤の添加が生物膜表面を向上させ、作製(調製)工程中の生物学的材料の潜在的変形を防止することを例証している。図15Aは、強力なGFPuvシグナルおよび均質な生物膜表面を示している。グルコース:スクロース保存液の不在下では、この膜は膜表面で極めて多数の変形を示す(図15Bおよび15C)。   FIG. 15 shows a confocal microscope image using GFPuv after excitation at 361 nm. These images illustrate that the addition of a stabilizer such as glucose: sucrose stock solution improves the biofilm surface and prevents potential deformation of the biological material during the production (preparation) process. FIG. 15A shows a strong GFPuv signal and a homogeneous biofilm surface. In the absence of a glucose: sucrose stock solution, the membrane exhibits numerous deformations at the membrane surface (FIGS. 15B and 15C).

さらに、生物学的材料が多数の表示部位を含む場合、生物学的材料は一つまたは複数のこれらの表示部位が修飾されるように遺伝子操作できる。例えば、M13バクテリオファージは、特異的結合ペプチドを含むためにpIII、P7、p8、またはp9部位で修飾できる。例えば、生物学的材料の一方の端部は表面に特異的に結合するように修飾でき、生物学的材料の他方の端部はワクチンまたは機能的タンパク質などの安定した貯蔵を目標として貯蔵される構成要素に結合するように修飾できる。   Furthermore, if the biological material includes multiple display sites, the biological material can be genetically manipulated such that one or more of these display sites are modified. For example, M13 bacteriophage can be modified at the pIII, P7, p8, or p9 sites to include specific binding peptides. For example, one end of the biological material can be modified to specifically bind to the surface, while the other end of the biological material is stored for stable storage, such as a vaccine or functional protein Can be modified to bind to a component.

そこで本発明は、全貯蔵期間を通して持続する活性を備える生物学的に活性な生物学的材料を貯蔵することができる。追加の修飾を用いると、生物膜の生物学的特性および/または他の活性特性(例、電気特性、磁気特性、光学特性、機械的特性)を必要に応じて容易に操作できる。活性は、表面結合特性を変化させることにより、貯蔵安定剤および/または阻害剤の添加を通して、および他の有機分子もしくは無機分子の添加によって、生物学的表面を変化させずに不要な実験を行わずにさらに修飾できる。生物学的材料を安定化させる保存液には、グルコース、スクロース、グリコール、グリセロール、ポリエチレングリコールなどの糖含有溶液が含まれる。   Thus, the present invention is capable of storing biologically active biological material with activity that lasts throughout the entire storage period. With additional modifications, the biological properties and / or other activity properties (eg, electrical properties, magnetic properties, optical properties, mechanical properties) of the biofilm can be easily manipulated as needed. Activity is performed unnecessarily without changing the biological surface by changing the surface binding properties, through the addition of storage stabilizers and / or inhibitors, and by the addition of other organic or inorganic molecules. Can be further modified. Stock solutions that stabilize biological materials include sugar-containing solutions such as glucose, sucrose, glycol, glycerol, polyethylene glycol and the like.

本発明は、最初の情報および/または活性を維持しながら長期貯蔵できる生物学的材料(一つまたは複数の有機および/または無機材料を含む)から構成される安定した膜を作製することによって、生物膜テクノロジーを向上させる。遺伝子操作材料を使用すると、生物学的情報、電気情報、磁気情報、および/または光学情報を保持および貯蔵する、長期にわたる活性および安定性を備える規則化膜(生物膜)を作製することができる。より重要なことに、情報は特別仕立てすることができ、極めて高密度であるので、それによりナノスケールデータを貯蔵する効率的かつ費用効果的方法として機能する。これらの生物膜の使用は、一部の例として医療、エレクトロニクス、コンピュータテクノロジーおよび光学などの用途に及ぶ。   The present invention creates a stable membrane composed of biological materials (including one or more organic and / or inorganic materials) that can be stored for long periods while maintaining initial information and / or activity. Improve biofilm technology. Using genetically engineered materials can create ordered membranes (biofilms) with long-term activity and stability that retain and store biological, electrical, magnetic, and / or optical information . More importantly, the information can be tailored and extremely dense, thereby functioning as an efficient and cost effective way to store nanoscale data. The use of these biofilms extends to applications such as medical, electronics, computer technology and optics, as some examples.

本発明の組成物および方法を使用して、本明細書に記載の認識および自己規則化系を用いて半導体材料のナノ長さスケールおよび複合長スケールの整列が達成された。半導体の認識および自己規則化を使用すると、現在のフォトリソグラフィー能力を超える電子デバイスの微細加工を増強することができる。これらの材料の用途には、発光ディスプレイ、光学検波器、およびレーザーなどの光電子デバイス;高速相互接続器;ならびにナノメートルスケールのコンピューター部品および生物学的センサーが含まれる。本発明を使用して作製された生物膜のその他の使用には、一部の例として、良好に規則化された液晶ディスプレイ、有機-無機ディスプレイテクノロジー、およびハイスループットプロセッシング、スクリーニングおよび新薬発見のための膜、診断、医学的検査および分析用の装置;データ記憶および特異的データ認識のためのインプラント表面が含まれる。   Using the compositions and methods of the present invention, nano-length and composite length-scale alignment of semiconductor materials has been achieved using the recognition and self-ordering systems described herein. Using semiconductor recognition and self-ordering can enhance the microfabrication of electronic devices beyond current photolithography capabilities. Applications for these materials include optoelectronic devices such as light-emitting displays, optical detectors, and lasers; high-speed interconnects; and nanometer-scale computer components and biological sensors. Other uses of biofilms made using the present invention include, as some examples, well-ordered liquid crystal displays, organic-inorganic display technologies, and high-throughput processing, screening and new drug discovery Membranes, devices for diagnosis, medical examination and analysis; implant surfaces for data storage and specific data recognition.

本発明の生物膜から開発された膜、ファイバーおよびその他の構造には、生物学的毒素を含む小分子を検出するための高密度センサーさえ含めることができる。その他の使用には、光学コーティングおよび光学スイッチが含まれる。任意で、医用インプラントのための足場または骨インプラントさえ、当業者には明白であるように、本明細書に開示した一つまたは複数の材料を単層または多層で、あるいは線条もしくはこれらのいずれかの組み合わせで使用して構築できる。本発明のその他の使用には電気界面および磁気界面、または例えば量子計算に使用するためのように高密度記憶のための3D電子ナノ構造の組織化さえ含まれる。または、例えば生物学的に適合するワクチン、アジュバントおよびワクチン容器などの医療用途のウイルスの様々な密度および安定した貯蔵は、本発明により作製された膜および/またはマトリックスを用いて作製できる。   Membranes, fibers and other structures developed from the biofilms of the present invention can even include a high density sensor for detecting small molecules including biological toxins. Other uses include optical coatings and optical switches. Optionally, scaffolds or even bone implants for medical implants, as would be apparent to one of ordinary skill in the art, can include one or more of the materials disclosed herein in a single layer or multiple layers, or in a strip or any of these It can be constructed using any combination of these. Other uses of the invention include the organization of electrical and magnetic interfaces, or even 3D electronic nanostructures for high density storage, such as for use in quantum computing. Alternatively, various densities and stable storage of viruses for medical use, such as biologically compatible vaccines, adjuvants and vaccine containers, can be made using the membranes and / or matrices made according to the present invention.

例えば国防総省による敵と味方の識別のような同定のための量子ドットパターンに基づく情報記憶を防護服の生地またはコード化に組み込むことができる。この生物膜はお金をコード化および識別するためにさえ使用できる。   Information storage based on quantum dot patterns for identification, such as identification of enemies and allies by the Department of Defense, can be incorporated into the fabric or coding of protective clothing. This biofilm can even be used to encode and identify money.

その他の用途には、例えば薬剤カプセル内の層状膜組立体を備えるDepomedなどの系を含む薬剤送達;医用装置コーティング剤;および例えば口臭除去ミントなどの徐放性用途が含まれる。   Other applications include drug delivery including systems such as Depomed with a layered membrane assembly in drug capsules; medical device coatings; and sustained release applications such as bad breath mint.

追加の説明および例は、以下の態様Aおよび態様Bで提供される。態様Aには1組の参考文献が含まれ、態様Bにも1組の参考文献が含まれる。   Additional descriptions and examples are provided in Aspect A and B below. Aspect A includes a set of references, and Aspect B also includes a set of references.

追加の説明および例(態様A)
論文Lee et al.「Chiral Smectic C Structures of Virus-Based Films」Langmuir,2003,19,1592-1598は、これにより要約、図面、表、緒言、実験の部、参考文献、結果および考察のセクションを含めてその全体が参照として本明細書に組み入れられる。
Additional description and examples (Aspect A)
The paper Lee et al. “Chiral Smectic C Structures of Virus-Based Films” Langmuir, 2003, 19, 1592-1598 provides a summary, drawings, tables, introductions, experimental section, references, results and discussion sections. The entirety of which is incorporated herein by reference.

貯蔵用途ならびに他の用途において膜として使用できる追加の材料を調製した。これらの追加の実験では、メニスカス現象を使用して整列かつ集合したM13ファージ(ウイルス)を使用して広範囲の規則化されたウイルスに基づく膜を作製した。それらの規則化された構造および形態は、偏光顕微鏡(POM)、原子間力顕微鏡(AFM)および走査型電子顕微鏡(SEM)を使用して試験し、特性解析した。長さが880nmであるM13ウイルス粒子が、人工膜の基本構築ブロックであった。ウイルスは独特のマイクロメートル長さスケールをもつために、ウイルス粒子のスメクチック規則化は、従来型の顕微鏡検査技術を使用して容易に視覚化し、キラル液晶構造の理論モデルと比較することができた。POM、AFMおよびSEMの検査結果から、ウイルス膜はキラルスメクチックC構造を有すると決定された。ウイルス薄膜中で見出されたウイルス濃度の関数としての膜形成の規則化およびバンドル様ドメイン構造の形成を比較することによって、膜形成のメカニズムを提案することができる。これらのウイルスに基づく膜構造は複合長スケール上で組織化され、容易に作製され、そして整列した半導体および磁気ナノ結晶の統合を可能にする。これらの自己集合性ハイブリッド材料は、例えば超小型自己集合型電子デバイスに使用できる。   Additional materials were prepared that could be used as membranes in storage applications as well as other applications. In these additional experiments, M13 phage (viruses) aligned and assembled using the meniscus phenomenon were used to create a wide range of ordered virus-based membranes. Their ordered structure and morphology were examined and characterized using a polarizing microscope (POM), atomic force microscope (AFM) and scanning electron microscope (SEM). M13 virus particles with a length of 880 nm were the basic building blocks of artificial membranes. Because viruses have a unique micrometer length scale, the smectic ordering of virus particles could be easily visualized using conventional microscopy techniques and compared with theoretical models of chiral liquid crystal structures. . From the test results of POM, AFM and SEM, it was determined that the viral membrane had a chiral smectic C structure. By comparing the ordering of film formation as a function of virus concentration found in virus thin films and the formation of bundle-like domain structures, a mechanism of film formation can be proposed. These virus-based membrane structures are organized on a composite length scale, easily fabricated, and allow for the integration of aligned semiconductor and magnetic nanocrystals. These self-assembling hybrid materials can be used, for example, in microminiature self-assembling electronic devices.

ナノメートルスケール上で良好に規則化された欠陥のない二次元および三次元構造を構築することは、次世代の光学、電子および磁気の材料およびデバイスを構築するために極めて重要な問題となってきた1-5。新しく開発されたDNAリンカー系への慣習的な水素結合認識を含むスモール長さスケールでナノ粒子および他のナノメートルサイズの物体を組織化するための多数の技術が試みられてきたが、そのようなパターンをマイクロメートルスケールへ拡げるのは困難であることが実証されている6-7。生物学的材料の使用は、超小型ナノスケールデバイスを構築するための従来型作製法に対する代替手段を提供することができる5,8。生物学的系の望ましい幾つかの機能には、精確な自己集合構造を組織化する能力、有機および無機両方の材料に対する高度に進化した分子認識および無機材料を階層的構造に合成する能力が含まれる。複雑な構造のナノスケール組立体においては数種のタイプの生体材料が開発されている5,8-13。近年、ナノ結晶機能化M13ファージを使用して、規則化ナノ結晶膜内で量子ドットを自己集合させるための新規の方法が報告されている5。M13ウイルスの一方の端部で核形成させる、または所望の材料に結合させるためにM13ウイルスを遺伝子操作した。これらのナノ結晶機能化ウイルス液晶構築ブロックはハイブリッド規則化自己支持膜に成長させられた。結果として生じたナノ結晶ハイブリッド膜はナノメートルスケールおよびマイクロメートルスケールで72μm周期的パターンへ規則化された。ナノ結晶ハイブリッド膜の表面上のスメクチックO構造およびバルク内でのスメクチックAまたはC構造が報告された。 Building well-ordered defect-free 2D and 3D structures on the nanometer scale has become a critical issue for building the next generation of optical, electronic and magnetic materials and devices. 1-5 . Numerous techniques have been tried to organize nanoparticles and other nanometer-sized objects on a small length scale, including conventional hydrogen bond recognition to newly developed DNA linker systems. It has proved difficult to extend simple patterns to the micrometer scale 6-7 . The use of biological materials can provide an alternative to conventional fabrication methods for constructing microminiature nanoscale devices 5,8 . Some desirable functions of biological systems include the ability to organize precise self-assembled structures, highly evolved molecular recognition for both organic and inorganic materials, and the ability to synthesize inorganic materials into hierarchical structures. It is. Several types of biomaterials in nanoscale assembly of complex structures have been developed 5,8-13. Recently, a novel method for self-assembling quantum dots in ordered nanocrystal films using nanocrystal-functionalized M13 phage has been reported 5 . The M13 virus was engineered to nucleate at one end of the M13 virus or to bind to the desired material. These nanocrystalline functionalized viral liquid crystal building blocks were grown into hybrid ordered self-supporting membranes. The resulting nanocrystalline hybrid film was ordered into a 72 μm periodic pattern at the nanometer and micrometer scales. Smectic O structure on the surface of nanocrystal hybrid film and smectic A or C structure in bulk have been reported.

ここで、ウイルス構築ブロックのキラル作用を含むこれらのウイルスに基づく膜の極めて広範囲の特性解析が報告されており、そしてこれはこれらのウイルスに基づく膜がキラルスメクチックC構造に組織化されるという強力な証拠を提供する。種々の濃度から作製されたウイルス膜は、膜厚に依存して様々な他のテクスチャーを提供する。ウイルス膜の結果を、以前に報告したZnSナノ結晶ハイブリッドウイルス膜と比較した。   Here, a very extensive characterization of these virus-based membranes, including the chiral action of the viral building blocks, has been reported, and this is the powerful that these virus-based membranes are organized into a chiral smectic C structure. Provide proof. Viral membranes made from various concentrations provide various other textures depending on the film thickness. Viral membrane results were compared with previously reported ZnS nanocrystal hybrid virus membranes.

これは、広範囲に規則化されたリオトロピック液晶キラルスメクチックC膜の新規の例を表している。これはさらに、キラル分子から形成されたスメクチックC構造がキラルスメクチックC構造を有するというMeyerの理論的提案を支持している証拠である14。規則化液晶材料を視覚化するために数種の顕微鏡検査技術が使用されてきたが、液晶規則化構造の分子配向に関する理解は一般に従来型液晶材料のメソゲン単位の小さなサイズおよび柔らかさによって一般に制限されてきた15,16,30,34。しかしマイクロメートルスケールの生体分子(ウイルス)を使用すると、キラルスメクチックC構造の表面欠陥は容易に特性解析された。さらに、ウイルス構築ブロックを使用して欠陥のない良好に規則化された複雑な構造を作製するためには、これらの材料の表面およびバルク構造についての基本的理解が半導体のナノ結晶ハイブリッドウイルス膜のまた別の用途のために重要である。 This represents a novel example of a widely ordered lyotropic liquid crystal chiral smectic C film. This is further evidence in support of Meyer's theoretical proposal that smectic C structures formed from chiral molecules have a chiral smectic C structure 14 . Although several microscopy techniques have been used to visualize ordered liquid crystal materials, understanding of the molecular orientation of liquid crystal ordered structures is generally limited by the small size and softness of mesogenic units of conventional liquid crystal materials Has been 15, 16, 30, 34 . However, using micrometer-scale biomolecules (viruses), surface defects in chiral smectic C structures were easily characterized. Furthermore, in order to create well-ordered and complex structures without defects using virus building blocks, a basic understanding of the surface and bulk structure of these materials is required for semiconductor nanocrystal hybrid virus membranes. It is also important for other uses.

(表1)初期のバルク濃度の関数としてのウイルス膜の膜厚

Figure 2006506059
Table 1 Viral membrane thickness as a function of initial bulk concentration
Figure 2006506059

(表2)
A.偏光顕微鏡(POM)およびレーザー光回折によって測定したキラルスメクチックCピッチ

Figure 2006506059
B.POMによって測定した周期的なジグザグのスメクチックAパターン
Figure 2006506059
(Table 2)
A. Chiral smectic C pitch measured by polarizing microscope (POM) and laser light diffraction
Figure 2006506059
B. Periodic zigzag smectic A pattern measured by POM
Figure 2006506059

実験(態様A)
ウイルス膜の調製
M13ファージは、以前に記載した増幅および精製に関する標準的な生物学的方法を使用して調製した5。表1に示されているように、12種の濃度のM13ファージ(各800μL)を調製した。エッペンドルフチューブ(径1cmおよび長さ4cm)へ移した後、懸濁液を3週間にわたりデシケータ内で乾燥させておいた(乾燥工程中の減量:1日につき〜l00mg)。溶媒が蒸発するにつれてエッペンドルフチューブの壁にキャスト膜が形成された。
Experiment (Aspect A)
Preparation of viral membrane
M13 phage was prepared using standard biological methods for amplification and purification described previously 5 . As shown in Table 1, 12 concentrations of M13 phage (800 μL each) were prepared. After being transferred to an Eppendorf tube (1 cm in diameter and 4 cm in length), the suspension was allowed to dry in a desiccator for 3 weeks (weight loss during the drying process: ˜100 mg per day). As the solvent evaporated, a cast film was formed on the wall of the Eppendorf tube.

偏光顕微鏡検査
Olympus社製偏光顕微鏡を使用してPOM画像を入手した。顕微鏡写真は、SPOTデジタルカメラ(Diagnostic社製)を使用して撮影した。ポラライザーとアナライザーとの間の角度を変化させることによって光学活性もまた観察した。キラルスメクチックC間隔パターンは、偏光顕微鏡を使用して測定した。
Polarization microscopy
POM images were obtained using an Olympus polarizing microscope. The micrograph was taken using a SPOT digital camera (Diagnostic). Optical activity was also observed by changing the angle between the polarizer and the analyzer. The chiral smectic C spacing pattern was measured using a polarizing microscope.

走査型電子顕微鏡
走査型電子顕微鏡(LEO1530)を使用してウイルス膜の表面形態を観察した。コントラストを増強して電子線下の表面荷電作用を回避するために、ウイルス膜はプラズマイオンビームスパッタリング装置を使用してクロムコーティングした。膜試料の膜厚を測定するために、試料ホルダーを水平面から〜80度傾斜させ、SEM試料ステージへ載せた。
Scanning Electron Microscope The surface morphology of the viral membrane was observed using a scanning electron microscope (LEO1530). In order to enhance contrast and avoid surface charging effects under the electron beam, the virus film was chromium coated using a plasma ion beam sputtering apparatus. In order to measure the film thickness of the film sample, the sample holder was tilted ~ 80 degrees from the horizontal plane and placed on the SEM sample stage.

原子間力顕微鏡検査
原子間力顕微鏡(AFM)(Digital Instruments社製)を使用して、ウイルス膜の表面形態を試験した。画像はタッピングモードを使用して空気中で撮影した。AFMプローブは、それらの250〜350kHzの共鳴周波数の近くで駆動させた125μmのカンチレバーおよび20〜100N/mのバネ定数を備えるエッチングされたシリコンであった。スキャン速度はおよそ1〜40μm/sであった。
Atomic Force Microscopy An atomic force microscope (AFM) (Digital Instruments) was used to examine the surface morphology of the viral membrane. Images were taken in air using tapping mode. The AFM probes were etched silicon with 125 μm cantilevers and 20-100 N / m spring constants driven near their 250-350 kHz resonance frequency. The scan speed was approximately 1-40 μm / s.

レーザー光回折
レーザー光回折(He-Niレーザー:632.8nm)を使用してウイルス膜のキラルスメクチックCピッチを測定した。スクリーンと試料との間隔は200cmであった。回折パターンは、Sony社製Mavicaデジタルカメラによって記録した。間隔は、一次Bragg回折スポットを測定することによって計算した。
Laser light diffraction The chiral smectic C pitch of the virus film was measured using laser light diffraction (He-Ni laser: 632.8 nm). The distance between the screen and the sample was 200 cm. The diffraction pattern was recorded with a Sony Mavica digital camera. The spacing was calculated by measuring the first order Bragg diffraction spot.

膜の形成および膜厚
1.79〜9.93mg/mLの初期ウイルス濃度から作製されたキャスト膜は、自己支持性であり、ピンセットを用いて操作できた(図16A)。このウイルス材料に対してこれらの条件下では、〜1mg/mL未満の濃度から作製されたウイルス膜は一般に基質から取り外したときに自己支持性であるには薄すぎた。SEMを使用して測定された膜厚は、表1に示されている。一般に、膜厚はバルク懸濁液の初期濃度に比例していた。
Film formation and film thickness
Cast membranes made from initial virus concentrations of 1.79-9.93 mg / mL were self-supporting and could be manipulated with tweezers (FIG. 16A). Under these conditions for this viral material, viral membranes made from concentrations below ˜1 mg / mL were generally too thin to be self-supporting when removed from the substrate. The film thickness measured using SEM is shown in Table 1. In general, the film thickness was proportional to the initial concentration of the bulk suspension.

キラルスメクチックC規則化膜
初期濃度9.93mg/mL(試料1)から形成されたウイルス膜のPOM画像から、光学的に活性な明暗バンドパターンが明らかになった(図17A)。これらのパターンの周期的間隔は36.79±0.95μmであり、これらのパターンはセンチメートルスケールにわたって持続した。光学顕微鏡を使用して、光軸を通るフォーカスレベルをより高倍率で変化させると、1μmより小さな平行バンドパターンもまた観察された。これらの微細なバンドパターンは、M13ウイルス分子のスメクチック層構造に一致した。この膜は、ポラライザー間の角度が回転するにつれて交互の明暗バンドパターンの強度における変化によって明らかなように、光学的に活性であると決定された。
Chiral Smectic C Ordered Film A POM image of a virus film formed from an initial concentration of 9.93 mg / mL (Sample 1) revealed an optically active light-dark band pattern (FIG. 17A). The periodic spacing of these patterns was 36.79 ± 0.95 μm, and these patterns persisted across the centimeter scale. When using an optical microscope and changing the focus level through the optical axis at higher magnification, parallel band patterns smaller than 1 μm were also observed. These fine band patterns were consistent with the smectic layer structure of the M13 virus molecule. This film was determined to be optically active, as evidenced by changes in the intensity of alternating light and dark band patterns as the angle between the polarizers was rotated.

これらの光学的に活性な明暗バンドパターンは、ウイルス膜についてのキラルスメクチックC構造と一致している。キラルスメクチックC構造では、分子長軸(ダイレクター:n)は層標準(z)に対して傾斜角(θ)を有する。これらの傾斜層は、図16Bに描出されている、1つの層から次の層へのらせん状回転(方位角:φ)を形成する17。このため、傾斜スメクチック層を通る配向秩序の連続的らせん状変化は平面偏光との様々な相互作用を引き起こし、さらに光学的に活性なバンドパターンを示す。このウイルス膜の反射偏光顕微鏡検査(RPOM)は、ポラライザーとアナライザーとの間の角度に依存して類似の光学的に活性な明暗バンドパターンを生じさせた。これらのRPOM画像は、表面上における脱キラル化ライン欠陥l7,35の存在を示唆している。脱キラル化ライン欠陥はらせん状の規則化バルク構造と表面張力作用との相互作用から発生する。らせん状の規則化キラルスメクチックC構造は、表面張力作用のために、表面の近くでは巻かれておらず、キラルスメクチックC構造の周期的ピッチに対応する明暗バンドパターンを生じさせる。 These optically active light and dark band patterns are consistent with the chiral smectic C structure for the viral membrane. In the chiral smectic C structure, the molecular long axis (director: n) has an inclination angle (θ) with respect to the layer standard (z). These graded layers form a helical rotation (azimuth angle φ) from one layer to the next, depicted in FIG. 16B 17 . For this reason, the continuous helical change of orientational order through the tilted smectic layer causes various interactions with plane polarized light, and further shows an optically active band pattern. Reflection polarization microscopy (RPOM) of this viral membrane produced a similar optically active light-dark band pattern depending on the angle between the polarizer and analyzer. These RPOM images suggest the presence of dechiralized line defects l7,35 on the surface. Dechiralization line defects arise from the interaction between the helical ordered bulk structure and surface tension effects. The helical ordered chiral smectic C structure is not wound near the surface due to surface tension effects, resulting in a light and dark band pattern corresponding to the periodic pitch of the chiral smectic C structure.

走査型電子顕微鏡(SEM)を使用して、ウイルス膜の脱キラル化ラインの欠陥を特性解析した(図17B)。ジグザグパターンの広範囲規則化構造が観察されたが、これはRPOMにおける明暗バンドパターンに対応した。交互のジグザグバンドパターン(〜37μm)は、層標準に比較して周期的な+45度から-45度までの変化を示した。ジグザグパターンの周期的間隔は、周期的POMおよびRPOMパターンと一致していた。ウイルス膜のジグザグタイプの形態は、ウイルス膜のキラルスメクチックC構造の表面欠陥から導入することができよう。キラルスメクチックC構造は、層標準に対する傾斜角(θ)および層状平面に対する方位角(φ)の2つの規則化パラメーターを有する17。キラルスメクチックC層のらせん状ピッチ方向が層平面に対して平行である場合は、ダイレクターの方位角(φ)を層状平面へ投影することができる18。表面上の追加のより高度の規則化特性のために、表面上の傾斜角(θ)は傾斜角と投影された方位角の合計より大きな角度を有する可能性がある19。このため、方位角(φ)の180度の位相差は図16Cおよび17Bのように広範囲ジグザグパターンに投影されている。 A scanning electron microscope (SEM) was used to characterize defects in the dechiralization line of the viral membrane (FIG. 17B). A wide ordered structure of zigzag pattern was observed, which corresponded to the light and dark band pattern in RPOM. The alternating zigzag band pattern (˜37 μm) showed a periodic change from +45 degrees to −45 degrees compared to the layer standard. The periodic spacing of the zigzag pattern was consistent with the periodic POM and RPOM patterns. The zigzag type morphology of the viral membrane could be introduced from surface defects in the chiral smectic C structure of the viral membrane. The chiral smectic C structure has two regularization parameters: tilt angle (θ) relative to the layer standard and azimuthal angle (φ) relative to the layered plane 17 . If the helical pitch direction of the chiral smectic C layer is parallel to the layer plane, the director azimuth (φ) can be projected onto the layer plane 18 . Because of the additional higher ordering properties on the surface, the tilt angle (θ) on the surface may have an angle greater than the sum of the tilt angle and the projected azimuth 19 . For this reason, the phase difference of 180 degrees of the azimuth angle (φ) is projected onto a wide-range zigzag pattern as shown in FIGS. 16C and 17B.

AFMを使用して、ウイルス膜の自由表面上の傾斜スメクチックC形態を特性解析した(図17C)。M13ウイルス粒子は、620±27nmの平均間隔を有する傾斜層構造を作り出した。ウイルス粒子の分子長軸は層標準(z)に対して〜45度傾斜した。隣接する2層間でダイレクター(n)を通して測定された間隔(886±36nm)は、M13ファージ粒子の長さスケール(880nm)と対応した20。AFM画像からの平均層間隔およびPOM画像からのキラルスメクチックCピッチに基づくと、キラルスメクチックCピッチ内の層数は59.3層であると推定できる。方位角は1ピッチで360度変化するので、1ピッチ内の層数(59.3層)から推定できる。ウイルス膜試料1からの方位角(φ)は〜6度であった。 AFM was used to characterize the tilted smectic C morphology on the free surface of the viral membrane (FIG. 17C). M13 virus particles created a gradient layer structure with an average spacing of 620 ± 27 nm. The molecular long axis of virus particles was tilted ˜45 degrees with respect to the layer standard (z). The spacing (886 ± 36 nm) measured through the director (n) between two adjacent layers corresponded to the length scale (880 nm) of M13 phage particles 20 . Based on the average layer spacing from the AFM image and the chiral smectic C pitch from the POM image, it can be estimated that the number of layers in the chiral smectic C pitch is 59.3 layers. Since the azimuth angle changes 360 degrees at one pitch, it can be estimated from the number of layers in one pitch (59.3 layers). The azimuth angle (φ) from virus membrane sample 1 was ˜6 degrees.

ウイルス膜のらせん状周期的ピッチもまたレーザー光散乱を使用して測定した。明らかな回折パターン(図19E)は、POMおよびSEMからの周期的パターンと一致する35.8μmピッチを生じさせた。   The helical periodic pitch of the viral membrane was also measured using laser light scattering. A clear diffraction pattern (FIG. 19E) produced a 35.8 μm pitch consistent with the periodic pattern from POM and SEM.

キラルスメクチックC規則化膜の歪み
膜の一定領域では、局所的に歪んだテクスチャーが観察された(図18A)。これらの歪んだ領域では、バンドパターンは以前に記載した規則化バンドパターンと平行であった。これらの領域における間隔は、不規則で変化することが観察された。膜の一番下の部分(図16Aにおけるc領域)上では、以前に報告されたキラルスメクチックAテクスチャー21に類似するグレーのバンドパターンが発生した(図15B)。AFMを使用すると、これらの歪んだバンドテクスチャー領域上でスメクチックA構造のねじれた変形が観察された。AFM画像(図18C)は、スメクチック層がねじれており、配向不連続性を示す回位線を形成することを示した。これらのキラルスメクチックAのPOMテクスチャーおよびねじれたスメクチック層形態は、キラルスメクチックC構造が、キラルスメクチックC相と等方相との間で形成されることが知られているねじれた結晶粒界(TGB)へ転移する可能性があることを示唆した21。グレーのPOM領域(図18B)から収集されたAFM画像は、不規則に歪んだスメクチックCドメインを示した。しかし、このグレーのパターンテクスチャー領域に微分干渉コントラスト(DIC)フィルターを適用すると、キラルスメクチックC周期的パターンに類似する周期的バンドパターンが観察された。これらの周期的DIC画像および歪んだAFM形態は、このグレーパターン領域がバルク内にキラルスメクチックC構造を有する可能性があること、そして歪みが表面領域に局在する可能性があることを示唆していた。
Distortion of chiral smectic C-ordered film A locally distorted texture was observed in a certain region of the film (Fig. 18A). In these distorted regions, the band pattern was parallel to the ordered band pattern described previously. It was observed that the spacing in these regions was irregular and varied. On the bottom part of the membrane (c region in FIG. 16A), a gray band pattern similar to the previously reported Chiral Smectic A texture 21 occurred (FIG. 15B). Using AFM, a twisted deformation of the smectic A structure was observed on these distorted band texture regions. An AFM image (FIG. 18C) showed that the smectic layer was twisted, forming a dislocation line indicating an orientational discontinuity. These chiral smectic A POM textures and twisted smectic layer morphology are based on twisted grain boundaries (TGB), where chiral smectic C structures are known to form between the chiral smectic C phase and the isotropic phase. 21) suggesting that there is a possibility of metastasis. AFM images collected from the gray POM region (Figure 18B) showed irregularly distorted smectic C domains. However, when a differential interference contrast (DIC) filter was applied to this gray pattern texture region, a periodic band pattern similar to the chiral smectic C periodic pattern was observed. These periodic DIC images and distorted AFM morphology suggest that this gray pattern region may have a chiral smectic C structure in the bulk and that the strain may be localized in the surface region. It was.

6.38〜9.70mg/mL(試料2〜7)の濃度範囲から作製されたウイルス膜の特性は、上記の9.93mg/mLの濃度から作製されたウイルス膜(試料1)と類似であった。ピッチ長は9.93から7.60mg/mLへ徐々に減少し、そして5.09mg/mLまで増加した。この濃度(5.09mg/mL)では、スメクチックC構造はスメクチックA構造へ転移した。コレステリック相からスメクチック相への転移からも、転移点近くでの類似のピッチの拡大が観察された22。このため、キラルスメクチックC間隔の拡大は転移前駆現象に関係すると思われる。これらの膜は全部が、POMにおける周期的パターンに一致する明白な回折パターンを示した(表2)。 The characteristics of the virus membrane made from the concentration range of 6.38-9.70 mg / mL (samples 2-7) were similar to the virus membrane made from the above 9.93 mg / mL concentration (sample 1). The pitch length gradually decreased from 9.93 to 7.60 mg / mL and increased to 5.09 mg / mL. At this concentration (5.09 mg / mL), the smectic C structure transitioned to the smectic A structure. From transition to smectic phase from the cholesteric phase, the expansion of similar pitch near the transition point was observed 22. Therefore, it seems that the expansion of chiral smectic C interval is related to the transition precursor. All of these films showed a clear diffraction pattern consistent with the periodic pattern in POM (Table 2).

構造の転移
様々なPOMバンドパターン(図4Aの上方部分)が、5.09mg/mL(試料7)の濃度から作製されたウイルス膜から観察された。試料7のPOM画像は、暗色のラインがポラライザーに対して平行である場合は、シュリーレンストライプラインによって分割された垂直の周期的な明るいバンドパターンを示した。アナライザーの角度を約5度変化させると、POMテクスチャーの強度は、キラルスメクチックCウイルス膜に類似してわずかに暗い、および明るいストライプパターンに変化した。この膜はさらにまた全バンドパターンを通してジグザグパターンのラインを示した。これらの垂直な周期的パターンの周期性は97.43±2.92μmであった。光軸を通して試料を回転させると、明るいバンドパターンは交互明暗ストライプパターンに変化した。ポラライザー間の角度変化および試料の回転の両方への強度依存性は、膜表面上の配向に周期的変化があることを示唆している。
Structural transition Various POM band patterns (upper part of FIG. 4A) were observed from virus membranes made from a concentration of 5.09 mg / mL (sample 7). The POM image of Sample 7 showed a vertical periodic bright band pattern divided by schlieren stripe lines when the dark line was parallel to the polarizer. When the analyzer angle was changed about 5 degrees, the intensity of the POM texture changed to a slightly darker and lighter stripe pattern similar to the chiral smectic C virus membrane. The film also showed zigzag pattern lines throughout the entire band pattern. The periodicity of these vertical periodic patterns was 97.43 ± 2.92 μm. When the sample was rotated through the optical axis, the bright band pattern changed to an alternating bright and dark stripe pattern. The intensity dependence on both the angular change between polarizers and the sample rotation suggests that there is a periodic change in orientation on the film surface.

試料表面(5.09mg/mL)の中央部分(図16Aにおけるb領域)上では、POMテクスチャー(図4Aの下方部分および図19Bの上方部分)の段階的変化が観察された。試料1〜6では、垂直のストライプパターンが平行明暗ストライプパターンへ徐々に変化した(図19Bの下方部分)。これらの平行なストライプパターンは41.04±2.18μmの周期性を有していた。キラルスメクチックC構造の巻き戻し欠陥は、垂直ストライプが平行ストライプと交わる場所で観察された。シュリーレンラインテクスチャーは、メニスカス力の方向へ平行に広がった。この膜の下方部分近くの試料領域は、試料1で観察されたグレーのテクスチャーを示した。   On the central part (b region in FIG. 16A) of the sample surface (5.09 mg / mL), a step change of the POM texture (the lower part of FIG. 4A and the upper part of FIG. 19B) was observed. In Samples 1 to 6, the vertical stripe pattern gradually changed to a parallel light and dark stripe pattern (lower part of FIG. 19B). These parallel stripe patterns had a periodicity of 41.04 ± 2.18 μm. Unwinding defects in the chiral smectic C structure were observed where the vertical stripes intersected the parallel stripes. The schlieren line texture spread parallel to the direction of the meniscus force. The sample area near the lower part of the membrane showed the gray texture observed in Sample 1.

スメクチックA規則化膜
試料8〜10(4.39〜2.59mg/mL)のPOM画像は、試料7で観察されたものと同一の垂直の明るいバンドパターン(図19C)を示した。しかし、2本の垂直な暗色ライン間の間隔は表2に示したように変動した。表面上の広範囲周期的ジグザグパターンもまたSEMを使用して特性解析した。
Smectic A ordered film Samples 8-10 (4.39-2.59 mg / mL) POM images showed the same bright vertical band pattern (FIG. 19C) as observed for sample 7. However, the spacing between the two vertical dark lines varied as shown in Table 2. A wide range periodic zigzag pattern on the surface was also characterized using SEM.

試料10からの低倍率SEM画像(図19C)は、この膜が規則的に発生する周期的なシェブロン様ひび割れパターンを有することを示した。これらのひび割れパターンの高倍率SEM画像(図19Cの挿入図)は、それらの方向がダイレクターの配向と平行であることを示した。ジグザグパターンの界面間では、POM画像(図19C)における垂直の暗いシュリーレンラインパターンに対応する回位線が観察された。AFMを用いると、同一領域においてスメクチックA規則化構造が観察された(図19D)。ウイルス粒子は〜980×800nmのドメインブロックを形成した。スメクチックドメインでは、ウイルス粒子の充填パターンは、分子が六方最密結晶アレイで配置された分子中心を備える層内に配列されているスメクチックB構造に近かった。これらのドメインブロックは、表面上で平行に整列したブックシェルフ様のスメクチックA構造を形成した。これら2層間で測定された平均間隔は、M13ウイルスの長さよりわずかに大きい977±25nmであった。   A low magnification SEM image from sample 10 (FIG. 19C) showed that this film had a regularly occurring chevron-like crack pattern. High magnification SEM images of these crack patterns (inset in FIG. 19C) showed that their direction was parallel to the director orientation. Between the interfaces of the zigzag pattern, disclination lines corresponding to the vertical dark schlieren line pattern in the POM image (FIG. 19C) were observed. Using AFM, a smectic A ordered structure was observed in the same region (FIG. 19D). Viral particles formed a domain block of ˜980 × 800 nm. In the smectic domain, the packing pattern of virus particles was close to a smectic B structure where the molecules were arranged in a layer with molecular centers arranged in a hexagonal close-packed crystal array. These domain blocks formed a bookshelf-like smectic A structure aligned in parallel on the surface. The average spacing measured between these two layers was 977 ± 25 nm, slightly larger than the length of the M13 virus.

ネマチック規則化膜
試料11のPOM画像は、無秩序なシュリーレンラインテクスチャー(図20A)を示した。屈曲した黒色ブラシラインパターンが20〜30μmドメイン内に不規則に広がっていた。明暗パターンは屈曲した黒色ブラシラインで分割されていた。黒色ブラシラインおよびこれらのパターンの明るさは膜の回転により変化したが、これはこれらのブラシラインが回位線であることを示唆していた。これらの領域のAFM画像は、スメクチックAバンドル様ドメインのネマチック規則化構造を示した(〜980nm×200nm)(図20B)。各スメクチックAドメインは、好ましい方向として分子長軸を通して方向付けられたネマチック様規則化構造を形成した。
Nematic Ordered Film The POM image of Sample 11 showed a disordered schlieren line texture (Figure 20A). The bent black brush line pattern spread irregularly within the 20-30 μm domain. The light and dark pattern was divided by a bent black brush line. The brightness of the black brush lines and these patterns changed with the rotation of the film, suggesting that these brush lines are disclinations. AFM images of these regions showed a nematic ordered structure of smectic A bundle-like domains (˜980 nm × 200 nm) (FIG. 20B). Each smectic A domain formed a nematic-like ordered structure oriented through the molecular long axis as the preferred direction.

キラリティー(光学異性)に関する考察
最初にキラルスメクチックC構造について提案したのは、Meyerであった14。彼は、スメクチックC構造をキラル分子から形成すると、結果として生じる構造はキラルスメクチックC構造であると予測した。キラルスメクチックC構造を有する多くのキラルサーモトロピック液晶材料が合成されてきたl7,23,24。しかしリオトロピック液晶の配向が一様ではないために、リオトロピックのスメクチック構造のキラリティー作用をサーモトロピック液晶と比較して試験するのは困難な課題であった。リオトロピックのスメクチック液晶のキラリティーが報告されている20,25,26。Fdウイルスのねじれた結晶粒界層が観察された20。フィラメント状アクチン(F-アクチン)のキラルスメクチック相(SmC、SmI、SmF)の光学顕微鏡検査による証拠が報告されたが、F-アクチンは多分散性の性質を有するために、F-アクチンのキラルスメクチックC構造の広範囲規則化は観察できなかった25。さらに、外部場を用いずに広範囲規則化リオトロピック液晶構造を作製するのは困難であることが証明されている。ウイルス繊維およびウイルス懸濁液などの広範囲規則化試料は外部場作用から調製できる27,28。しかし、これらの試料は、外部場に反応してそれらのキラル特性を消失した。本論文で試験した単分散M13ファージから作製されたウイルス膜は、メニスカス力を利用して、外部場を使用せずに長さ数cmまでの広範囲規則化キラルスメクチックC構造を作り出した。ウイルス膜のPOM画像は、光学的に活性な明暗ストライプパターンを示した。SEM画像は、キラルスメクチックC構造の脱キラル化欠陥を示した。AFM画像は、傾斜したスメクチックC規則化構造を示した。これらの顕微鏡検査による証拠に基づくと、これらのウイルス膜がキラルスメクチックC構造を有することが結論された。
The proposed for chiral smectic C structure first Study chirality (optical isomers) it was Meyer 14. He predicted that when a smectic C structure was formed from a chiral molecule, the resulting structure was a chiral smectic C structure. L7,23,24 many chiral thermotropic liquid crystal material having a chiral smectic C structures have been synthesized. However, since the orientation of the lyotropic liquid crystal is not uniform, it has been difficult to test the chirality of the lyotropic smectic structure compared to the thermotropic liquid crystal. The chirality of lyotropic smectic liquid crystals has been reported 20,25,26 . A twisted grain boundary layer of Fd virus was observed 20 . Evidence from light microscopy of the chiral smectic phase (SmC * , SmI * , SmF * ) of filamentous actin (F-actin) has been reported, but because F-actin has a polydisperse nature, F- Extensive ordering of actin's chiral smectic C structure could not be observed 25 . Furthermore, it has proven difficult to fabricate a broadly ordered lyotropic liquid crystal structure without using an external field. Widely ordered samples such as virus fibers and virus suspensions can be prepared from external field effects27,28 . However, these samples lost their chiral properties in response to external fields. Viral membranes made from monodisperse M13 phage tested in this paper utilized meniscus force to create a broadly ordered chiral smectic C structure up to several centimeters long without using an external field. The POM image of the viral membrane showed an optically active light and dark stripe pattern. SEM images showed dechiralization defects in the chiral smectic C structure. AFM images showed a tilted smectic C ordered structure. Based on these microscopic evidence, it was concluded that these viral membranes have a chiral smectic C structure.

ウイルス膜のキラルスメクチックC構造の膜厚の作用もまた観察された。〜360層のウイルス粒子層(粒子間距離:12nm)5を有していた膜厚が〜4.3μmへ減少すると、バルク膜全体で表面張力作用が優勢になると思われた。このため、キラルスメクチックC構造はスメクチックA様規則化構造へ転移した。分子長軸の配向はスメクチック層に対してほぼ垂直であった。しかし、ジグザグ様の周期的パターンもまた観察された。試料7から試料10において観察された垂直ジグザグパターンの形成は、バルクのらせん状構造および膜厚の両方から発生すると思われる。膜厚の作用のために、相対的に薄いウイルス膜(膜厚2〜4μm)はスメクチックAパターンで整列したが、これはスメクチック様規則化構造を有する薄いネマチック膜に類似している19。層を形成するウイルスの内因性キラル特性は、ブックシェルフ様スメクチックAパターン化構造の代わりにジグザグパターン化のスメクチックA構造を安定化させると思われる。 The effect of film thickness on the chiral smectic C structure of the virus membrane was also observed. When the film thickness that had ˜360 virus particle layers (inter-particle distance: 12 nm) 5 decreased to ˜4.3 μm, the surface tension effect seemed to prevail in the whole bulk membrane. For this reason, the chiral smectic C structure was transformed into a smectic A-like ordered structure. The orientation of the molecular long axis was almost perpendicular to the smectic layer. However, a zigzag-like periodic pattern was also observed. The formation of the vertical zigzag pattern observed in Sample 7 to Sample 10 appears to arise from both the bulk helical structure and the film thickness. Due to the effect of film thickness, relatively thin viral films (film thickness 2-4 μm) are aligned in a smectic A pattern, which is similar to a thin nematic film with a smectic-like ordered structure 19 . The intrinsic chiral properties of the stratifying virus appear to stabilize the zigzag patterned smectic A structure instead of the bookshelf-like smectic A patterned structure.

自己規則化ウイルス膜形成についてのメカニズムは、未だ研究中である。歪んだスメクチックAドメインを示したネマチック規則化構造は、膜形成前に溶液中でバンドル様ドメインが形成されることを強力に示唆した。メニスカス領域におけるウイルス懸濁液の等方相はネマチック相へ緩徐に転移した。しかし、同一の配向秩序を有するウイルス粒子はバンドル様ドメイン構造を作り始めた。これらのドメイン行動は、それらの充填構造の修飾に対して依然として柔軟性である。これらのドメインは、最初は層状構造の基本的構築単位になる。層を形成した後、これらのスメクチックAドメインは溶媒が蒸発するにつれて最密性になる。溶媒が完全に蒸発すると、ウイルス膜のバルク構造が形成される。ウイルス膜厚は、バルク構造および表面構造の両方に極めて重要な作用を及ぼす。薄いウイルス膜の形成においては表面張力が優勢である。これらの相互作用は、バンドル様ドメインがスメクチックAパターンで整列するように推進する。しかし、厚いウイルス膜(ウイルス層が360層より多く)では、表面形態は表面張力とバルクキラル構造の両方から影響される。このため、薄膜試料では、スメクチックAの形態と比較してスメクチックCパターンが優勢である。液晶のキャスト膜を含む実験では、バンドル形成現象もまた観察されている29-31。雲母、SiO2、およびシリコン基質上で形成されたM13ウイルス膜から、膜形成の開始時ではM13バンドルが頻回に観察され、これらの基質上でウイルスを指向性沈着させるための核形成中心として機能すると思われた29The mechanism for self-regulated virus film formation is still under investigation. The nematic ordered structure showing a distorted smectic A domain strongly suggested that bundle-like domains were formed in solution before film formation. The isotropic phase of the virus suspension in the meniscus region slowly transitioned to the nematic phase. However, virus particles with the same orientational order began to make bundle-like domain structures. These domain behaviors are still flexible to the modification of their filling structure. These domains initially become the basic building units of layered structures. After forming the layer, these smectic A domains become dense as the solvent evaporates. When the solvent is completely evaporated, the bulk structure of the viral membrane is formed. Viral film thickness has a crucial effect on both bulk and surface structure. Surface tension is dominant in the formation of thin virus films. These interactions drive the bundle-like domains to align with the smectic A pattern. However, for thick virus membranes (with more than 360 virus layers), the surface morphology is affected by both surface tension and bulk chiral structure. For this reason, in the thin film sample, the smectic C pattern is dominant compared to the smectic A form. In experiments involving liquid crystal cast films, bundle formation has also been observed 29-31 . From the M13 virus membranes formed on mica, SiO 2 , and silicon substrates, M13 bundles are frequently observed at the beginning of membrane formation and serve as nucleation centers for directional deposition of viruses on these substrates 29 seemed to work.

ZnSナノ結晶ウイルスハイブリッド膜の形態については以前に報告されている5。ZnSナノ結晶ハイブリッド膜は、100% M13ウイルス膜に類似する光学的に活性な〜72μmの周期的な明暗のストライプPOMパターンを有する。しかし、ZnSナノ結晶ハイブリッドウイルス膜の表面形態はアンチスメクチックC構造(スメクチックO)を有しており、これは層標準方向を通して〜1.0μmの間隔を有するジグザグパターンで現れる。POMのピッチおよびAFMのジグザグ状の層間隔に基づくと、ZnSナノ結晶ハイブリッドウイルス膜は1ピッチ中に〜72層および〜5度の方位角を有している。これらの100%M13ウイルス制御膜およびZnSナノ結晶ハイブリッドフウイルス膜から見出された表面形態に基づくと、ZnSナノ結晶ハイブリッドウイルス膜は、20nmのZnSナノ結晶凝集体へ結合したM13ウイルスの相互に噛み合うドメインから構成されるキラルスメクチックC構造を有すると結論できる。相互に噛み合ったドメインは、ZnSナノ結晶ハイブリッドウイルス膜の大きな頭部形状の充填エネルギーを低下させることができる。アンチスメクチックC構造は、一般に膜の表面上でのみ観察され、一般には表面張力作用であると考えられた。 The morphology of the ZnS nanocrystal virus hybrid membrane has been previously reported 5 . The ZnS nanocrystal hybrid film has an optically active ˜72 μm periodic light and dark stripe POM pattern similar to 100% M13 virus film. However, the surface morphology of the ZnS nanocrystal hybrid virus film has an anti-smectic C structure (smectic O), which appears in a zigzag pattern with ~ 1.0 μm spacing through the layer normal direction. Based on the POM pitch and the AFM zigzag layer spacing, the ZnS nanocrystal hybrid virus film has ~ 72 layers and ~ 5 degrees azimuth in one pitch. Based on the surface morphology found from these 100% M13 virus control membranes and ZnS nanocrystal hybrid virus membranes, ZnS nanocrystal hybrid virus membranes can interact with each other of M13 viruses bound to 20 nm ZnS nanocrystal aggregates. It can be concluded that it has a chiral smectic C structure composed of meshing domains. Interdigitated domains can reduce the packing energy of the large head shape of the ZnS nanocrystal hybrid virus membrane. The anti-smectic C structure was generally observed only on the surface of the film and was generally considered to be a surface tension effect.

M13ウイルス膜およびZnSナノ結晶ハイブリッドウイルス膜の観察された形態は、棒状ポリマー(ポリ(γ-ベンジルα,L-グルタミン酸)、(PBLG))およびウイルス系のおよそ1000分の1の大きさであるロッド-コイルブロックコポリマーの形態に極めて類似していた4,32,33。単分散棒状ポリマーはスメクチック膜構造を形成することが知られている32。高比率のロッド-コイル(frod-coil>0.96)ブロックコポリマーは、スメクチックCおよびO構造を示す二重層の相互に噛み合う形態を示している4。単分散PBLGから製造されたPBLG膜のTGB構造は、キラルスメクチック構造を有すると報告されている33。本発明の技術を使用して形成される同一の膜はキラルスメクチックC構造を産生できるので、したがってMeyerの予測も支持している。 The observed morphology of M13 virus membrane and ZnS nanocrystal hybrid virus membrane is approximately 1/1000 the size of rod-like polymer (poly (γ-benzyl α, L-glutamic acid), (PBLG)) and viral system 4,32,33 very similar to the form of the rod-coil block copolymer. Monodispersed rod polymers are known to form smectic film structures 32 . A high proportion of rod-coil (f rod-coil > 0.96) block copolymers show interdigitated morphology of bilayers exhibiting smectic C and O structures 4 . TGB structure of PBLG membrane prepared from monodisperse PBLG is reported to have a chiral smectic structure 33. The same membrane formed using the technique of the present invention can produce a chiral smectic C structure and therefore also supports Meyer's prediction.

磁場または電場などの外部の力を使用すると、半導体または磁気ナノ結晶を用いてウイルスをハイブリダイゼーションした後に、これらの遺伝子操作ウイルスに基づく膜を用いて、例えば欠陥のない良好に規則化された超小型電子デバイスを構築することを助長できる。ホメオトロピック整列磁気ナノ結晶ハイブリッドウイルス薄膜は、例えば自己支持性の柔軟性かつ高度に統合された磁気メモリデバイスのために使用できる。   Using external forces such as magnetic or electric fields, after hybridization of the virus with semiconductors or magnetic nanocrystals, membranes based on these genetically engineered viruses can be used, for example, with well-ordered ultra-thickness without defects. Helps build small electronic devices. Homeotropically aligned magnetic nanocrystal hybrid virus thin films can be used, for example, for self-supporting flexible and highly integrated magnetic memory devices.

追加の説明および例(態様A)のための参考文献

Figure 2006506059
Figure 2006506059
References for additional explanation and examples (Aspect A)
Figure 2006506059
Figure 2006506059

追加の説明および例(態様B)
論文Lee et al.「Virus-Based Alignment of Inorganic,Organic,and Biological Nanosized Materials」Advanced Materials,2003,15,9,689-692は、図面、実験、ならびに結果および考察を含めてその全体が参照として本明細書に組み入れられる。
Additional description and examples (Aspect B)
The paper Lee et al. “Virus-Based Alignment of Inorganic, Organic, and Biological Nanosized Materials” Advanced Materials, 2003, 15, 9, 689-692 is hereby incorporated by reference in its entirety, including drawings, experiments, and results and discussion. Incorporated into the book.

貯蔵用途ならびに他の用途において膜として使用できる追加の材料を調製した。追加の態様では、ナノメートル長さスケールで組織化および自己集合し、センチメートル長さスケールへ続く無機ナノ粒子、有機小分子および生体高分子を含む様々な材料を組織化させるために新規のプラットフォームが提示される。ストレプトアビジンリンカーおよび抗ストレプトアビジンM13バクテリオファージ(ウイルス)を使用して、広範囲規則化材料(10nmの金ナノ粒子、フルオレセイン、フィコエリトリンタンパク質)を作製した。ストレプトアビジンに対する特異的認識成分を有する、自己規則化系の基礎を形成する抗ストレプトアビジンウイルスは、ファージディスプレイを使用して選択した。ナノサイズの材料は、事前にストレプトアビジンに結合させた。遺伝的に選択したウイルスの分子認識を通して、ナノサイズの材料を結合させ、自己支持性ハイブリッド膜へ自然に進化させた。   Additional materials were prepared that could be used as membranes in storage applications as well as other applications. In an additional aspect, a novel platform for organizing various materials including inorganic nanoparticles, organic small molecules and biopolymers that are organized and self-assembled on a nanometer length scale and follow the centimeter length scale Is presented. Widely ordered materials (10 nm gold nanoparticles, fluorescein, phycoerythrin protein) were made using a streptavidin linker and anti-streptavidin M13 bacteriophage (virus). Anti-streptavidin virus that forms the basis of a self-regulating system with a specific recognition component for streptavidin was selected using phage display. The nano-sized material was previously bound to streptavidin. Through molecular recognition of genetically selected viruses, nano-sized materials were combined and evolved naturally into self-supporting hybrid membranes.

機能化された液晶材料は、次世代の光学的、電子的、および磁気的な材料およびデバイスを構築するための、良好に規則化かつ良好に制御された二次元および三次元構造を構築するための様々な手段を提供できる[1-3]。数種のタイプの棒状ウイルスが良好に制御された液晶相を形成することは証明されている[4,5]。近年、ナノ結晶機能化M13ウイルスを使用する自己集合性規則化ナノ結晶膜作製法が報告された[3]。遺伝子操作技術を利用することにより、M13ウイルスの一方の端部は核形成するように、または所望の半導体材料へ結合するように機能化された。これらのナノ結晶機能化ウイルス液晶構築ブロックは規則化されたハイブリッド自己支持膜に成長させられた。結果として生じたナノ結晶ハイブリッド膜は、ナノスケールおよびマイクロメートルスケールで72μm周期的ストライプパターンドメインへ規則化された。以前の系では、容易に核形成することができ、ワンポット合成経路でII-VI半導体材料に対してナノ粒子を整列させることができた。金属および電気光学材料を含む他の材料を整列させるためには、ナノ粒子を整列させる前に各材料に対する生物学的選択およびその他の進化が必要とされる。ここで、ストレプトアビジンタンパク質単位へ結合するウイルスが最初に選択される、抗ストレプトアビジンウイルスを使用する新規のナノ粒子整列法が報告されている。これにより、ストレプトアビジンへ共有結合している材料を取り上げるためにこのウイルスの一般的取扱いが可能になった。そこでこの抗ストレプトアビジンウイルスの自己集合性の性質を利用すると、ハイブリッド材料を組織化させることができる。本明細書に提示した組織化ハイブリッド材料は、金ナノ粒子、蛍光分子(フルオレセイン)および大きな蛍光タンパク質(フィコエリトリン)の液晶膜である。 Functionalized liquid crystal materials to build well-ordered and well-controlled 2D and 3D structures to build next generation optical, electronic, and magnetic materials and devices [1-3] can provide various means. Several types of rod-shaped viruses have been shown to form well-controlled liquid crystal phases [4,5] . In recent years, a self-assembled ordered nanocrystalline film fabrication method using nanocrystal functionalized M13 virus has been reported [3] . By utilizing genetic engineering techniques, one end of the M13 virus was functionalized to nucleate or bind to the desired semiconductor material. These nanocrystal functionalized viral liquid crystal building blocks were grown into ordered hybrid self-supporting membranes. The resulting nanocrystalline hybrid film was ordered into 72 μm periodic stripe pattern domains at the nanoscale and micrometer scale. Previous systems could easily nucleate and align nanoparticles to II-VI semiconductor materials via a one-pot synthesis route. Aligning other materials, including metals and electro-optic materials, requires biological selection and other evolution for each material before aligning the nanoparticles. Here, a novel nanoparticle alignment method using anti-streptavidin virus has been reported in which the virus that binds to the streptavidin protein unit is first selected. This allowed general handling of the virus to pick up the material covalently bound to streptavidin. Therefore, the hybrid material can be organized by utilizing the self-assembling property of the anti-streptavidin virus. The organized hybrid material presented here is a liquid crystal film of gold nanoparticles, fluorescent molecules (fluorescein) and large fluorescent protein (phycoerythrin).

ストレプトアビジンに対する特異的結合成分を有する抗ストレプトアビジンM13ウイルスはファージディスプレイライブラリーのスクリーニングを通して単離した(図21)[6,7]。ストレプトアビジンは、知られている特異的結合モチーフHis-Pro-Gln[6]を有している。His-Pro-Gln配列は、ストレプトアビジン標的に対するファージの第2回選択後にpIII挿入断片として単離した。第4回選択およびシーケンシング後には、His-Pro-Gln結合モチーフはpIII挿入断片の100%までを構成した。第4回選択後の優勢結合配列は、TRP ASP PRO TYR SER HIS LEU LEU GLN HIS PRO GLNであった。この抗ストレプトアビジンM13ウイルスを高濃度(〜l012pfu)へ増幅させ、そして事前にストレプトアビジンと結合させた10nmの金ナノ粒子(図2A)、フルオレセインおよびフィコエリトリンと反応させた。これらの高濃度懸濁液は液晶特性を示した。 Anti-streptavidin M13 virus with a specific binding component for streptavidin was isolated through screening of a phage display library (Figure 21) [6,7] . Streptavidin has a known specific binding motif His-Pro-Gln [6] . The His-Pro-Gln sequence was isolated as a pIII insert after the second round of selection of phage against the streptavidin target. After the fourth round of selection and sequencing, the His-Pro-Gln binding motif constituted up to 100% of the pIII insert. The dominant binding sequence after the fourth round selection was TRP ASP PRO TYR SER HIS LEU LEU GLN HIS PRO GLN. The anti-streptavidin M13 virus was amplified to a high concentration (˜10 12 pfu) and reacted with 10 nm gold nanoparticles (FIG. 2A), fluorescein and phycoerythrin previously conjugated with streptavidin. These highly concentrated suspensions showed liquid crystal properties.

高濃度Au-ウイルス液晶懸濁液(〜83mg/mL)は、偏光顕微鏡(POM)を使用して分析すると、虹色の複屈折テクスチャーを示した(図2B)。この虹色の複屈折テクスチャーは、スメクチック液晶相構造に対応した。コレステリックフィンガープリントテクスチャー(76〜20mg/mL)およびネマチックテクスチャー(14mg/mL)は、懸濁液を系統的に希釈したときに観察された。   High concentration Au-viral liquid crystal suspension (˜83 mg / mL) showed iridescent birefringence texture when analyzed using polarized light microscope (POM) (FIG. 2B). This iridescent birefringent texture corresponded to the smectic liquid crystal phase structure. Cholesteric fingerprint texture (76-20 mg / mL) and nematic texture (14 mg / mL) were observed when the suspension was systematically diluted.

ウイルスに結合した10nmの金ナノ粒子の個別メソゲン単位は、2%酢酸ウラニルを用いて染色する前に透過型電子顕微鏡(TEM)を使用して視覚化した。これらの個別Auおよびウイルス複合体(Au-ウイルス)は、スメクチック相懸濁液の0.01%希釈液から単離した(図22C)。0.1%の希釈液中では、Au-ウイルス複合体の凝集が観察された(図22D)。観察された大多数のメソゲン単位は、ウイルスのpIII端部で1個の10nmのAu粒子に結合した1個のウイルスを有していた。しかし、メソゲン単位の20%未満では未結合金ナノ粒子および未結合ウイルスの両方が観察された。さらに、1個のウイルスに結合した2個の金ナノ粒子および2個のウイルスに結合した1個の金ナノ粒子もまた観察された(〜5%未満)。ウイルス結合金ナノ粒子とストレプトアビジン結合金ナノ粒子との間のこれらの望ましくない結合挙動は、ウイルスおよびストレプトアビジン間の認識基の数におけるミスマッチによって引き起こされる可能性がある。M13ウイルスは、ウイルスの端部で5つのpIIIストレプトアビジン認識単位を有しており、ストレプトアビジンはビオチンに対して4つの結合部位を有することが知られている[8]。経験的化学量論的制御および位置作用のために、集団の大多数が1個のAuナノ粒子とともに1個のウイルスを含有するメソゲン単位を構築することができた。 Individual mesogenic units of 10 nm gold nanoparticles bound to the virus were visualized using transmission electron microscopy (TEM) before staining with 2% uranyl acetate. These individual Au and virus complexes (Au-virus) were isolated from a 0.01% dilution of a smectic phase suspension (FIG. 22C). Aggregation of Au-virus complex was observed in the 0.1% dilution (FIG. 22D). The majority of mesogenic units observed had one virus bound to one 10 nm Au particle at the pIII end of the virus. However, both unbound gold nanoparticles and unbound virus were observed in less than 20% of the mesogenic units. In addition, two gold nanoparticles bound to one virus and one gold nanoparticle bound to two viruses were also observed (less than ˜5%). These undesirable binding behaviors between virus-bound gold nanoparticles and streptavidin-bound gold nanoparticles can be caused by mismatches in the number of recognition groups between the virus and streptavidin. The M13 virus has five pIII streptavidin recognition units at the end of the virus, and streptavidin is known to have four binding sites for biotin [8] . Due to empirical stoichiometric control and positional effects, the majority of the population was able to build mesogenic units containing one virus with one Au nanoparticle.

スメクチック規則化自己支持性Au-ウイルス膜(図23A)を希釈Au-ウイルス溶液(〜6mg/mL)から調製した。ウイルスおよびナノ結晶を膜の作製前に1週間攪拌した。この懸濁液をデシケータ内で2週間にわたり乾燥させておいた。ウイルスナノ結晶ハイブリッド膜は、かすかにピンクがかった色で透明であった。ウイルス膜の規則化形態は、POM、走査型電子顕微鏡(SEM)および原子間力顕微鏡(AFM)によって特性解析した。膜厚は5.68+0.65μmであった。   A smectic ordered self-supporting Au-virus membrane (FIG. 23A) was prepared from diluted Au-virus solution (˜6 mg / mL). Virus and nanocrystals were agitated for 1 week prior to membrane preparation. This suspension was allowed to dry in a desiccator for 2 weeks. The virus nanocrystal hybrid film was transparent with a faint pinkish color. The ordered morphology of the viral membrane was characterized by POM, scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM). The film thickness was 5.68 + 0.65 μm.

光学的特性解析により、膜が〜l0μmのダークグレーの周期的水平ストライプパターンから構成されることが明らかになった(図23B)。これらのストライプは光学的に活性であり、それらの明暗パターンはポラライザーとアナライザーとの間の角度に依存して変化した。これらのPOMにより明らかなったストライプパターンの特性は、本発明者らが以前に報告したスメクチックウイルス膜に類似している[9]Optical characterization revealed that the film was composed of ˜10 μm dark gray periodic horizontal stripe patterns (FIG. 23B). These stripes were optically active and their light and dark patterns varied depending on the angle between the polarizer and the analyzer. The characteristics of the stripe pattern revealed by these POMs are similar to the smectic virus membranes previously reported by the inventors [9] .

SEMを使用してこれらのストライプパターンの表面形態を特性解析した。SEM画像(図23C)は、Au-ウイルスハイブリッド膜が周期的パターンで10〜12層のスメクチック層から構成された広範囲規則化ジグザグ状の周期的形態を有することを示した。ジグザグ状の周期的バンドの平均間隔は、典型的ウイルス膜の1つのキラルスメクチックCピッチに対応しており[9]、9.34±0.78μmであった。AFM画像(図23D)は、ハイブリッド膜がスメクチックC構造を有することを証明した。2つの隣接層間の平均層間隔は833±12nmであった。分子長軸を通して測定された層間隔は977±65nmであった。平均傾斜角は層標準に対して〜54度であった。M13ウイルスの長さは880nmである。分子長軸を通して観察されたこの〜100nm超の間隔は、相互に噛み合った構造を支持する強力な証拠である[10]。長い尾部(有機M13ウイルス)を備える大きな頭部(無機金ナノ粒子)を有するメソゲン単位の形状は、相互に噛み合った構造を形成することによって低充填自由エネルギーを有する可能性がある。さらに、POMおよびSEM画像において観察された〜10μmの周期的ジグザグパターンは、Au-ウイルスハイブリッド膜もまたバルク中にキラルスメクチックC構造およびハイブリッド膜の表面上の脱キラル化欠陥を有することを強く示していた。 The surface morphology of these stripe patterns was characterized using SEM. The SEM image (FIG. 23C) showed that the Au-virus hybrid membrane has a broadly ordered zigzag periodic morphology composed of 10-12 smectic layers in a periodic pattern. The average spacing of the zigzag periodic bands corresponded to one chiral smectic C pitch of a typical viral membrane [9] , 9.34 ± 0.78 μm. AFM images (Figure 23D) demonstrated that the hybrid membrane has a smectic C structure. The average layer spacing between two adjacent layers was 833 ± 12 nm. The layer spacing measured through the molecular long axis was 977 ± 65 nm. The average tilt angle was ~ 54 degrees with respect to the layer standard. The length of the M13 virus is 880 nm. This spacing of ~ 100 nm observed through the molecular long axis is strong evidence to support interdigitated structures [10] . The shape of a mesogenic unit with a large head (inorganic gold nanoparticles) with a long tail (organic M13 virus) may have low filling free energy by forming an interdigitated structure. Furthermore, the ~ 10 μm periodic zigzag pattern observed in POM and SEM images strongly indicates that the Au-virus hybrid film also has a chiral smectic C structure in the bulk and a dechiralization defect on the surface of the hybrid film. It was.

さらに2種の有機材料をウイルス膜内で作製した。これらの有機材料を選択したのは、この技術は多目的に利用できるが、これらの材料は蛍光性であるためにおそらく1つのマイクロメーターの周期的な広範囲の規則化の容易な視覚化を可能にすることを証明するためであった。ストレプトアビジンおよび抗ストレプトアビジンM13ウイルスを使用して、フルオレセインおよびフィコエリトリンに結合したウイルスの薄いキャスト膜を作製した。表面近くでは液晶材料の規則化特性が強化されており、乾燥工程中には毛細管推進力が働くために、フルオレセイン複合ウイルス(F-ウイルス)およびフィコエリトリン複合ウイルス(P-ウイルス)のドロップキャスト薄膜からスメクチック層構造が容易に観察された(図23E)。これらの液晶ハイブリッド材料の規則化は、これらの材料の薄膜をキャスティングすることによって強化された。類似の現象において、ネマチック液晶材料は表面張力作用[11]のために表面安定化スメクチック相を形成し、キラルスメクチックC構造は薄膜内でスメクチックA構造[9]へ転移した。走査型レーザー顕微鏡を使用してF-ウイルス薄膜から光学的に切片作製した(図23F)。これらの薄膜は、スメクチック構造に対応する弱いストライプパターンを示した。類似の分析を蛍光性P-ウイルスの薄膜に適用すると(図23G)、極めて明瞭な1μmのストライプパターンが観察された。これらの1μmの蛍光パターンは、蛍光分子(フルオレセインおよびフィコエリトリン)がストレプトアビジンの結合によってウイルスに結合され、次にスメクチック層構造を形成することを示唆した。蛍光材料はウイルスの端部で付加されたので、それらの位置はスメクチック層界面境界間に局在した。 Two more organic materials were made in the virus membrane. These organic materials were selected because this technology is versatile, but because these materials are fluorescent, it is likely to allow easy visualization of a periodic wide range of regularization of one micrometer It was to prove that. Streptavidin and anti-streptavidin M13 virus were used to make thin cast membranes of virus bound to fluorescein and phycoerythrin. Near the surface, the ordering properties of the liquid crystal material are enhanced, and the capillary driving force acts during the drying process, so the drop cast films of fluorescein complex virus (F-virus) and phycoerythrin complex virus (P-virus) A smectic layer structure was easily observed (FIG. 23E). The ordering of these liquid crystal hybrid materials was enhanced by casting thin films of these materials. In a similar phenomenon, nematic liquid crystal materials formed a surface-stabilized smectic phase due to the surface tension effect [11] , and the chiral smectic C structure transitioned to a smectic A structure [9] in the thin film. Optical sections were prepared from F-virus thin films using a scanning laser microscope (FIG. 23F). These thin films showed a weak stripe pattern corresponding to the smectic structure. When a similar analysis was applied to a thin film of fluorescent P-virus (FIG. 23G), a very clear 1 μm stripe pattern was observed. These 1 μm fluorescence patterns suggested that fluorescent molecules (fluorescein and phycoerythrin) were bound to the virus by binding streptavidin and then formed a smectic layer structure. As fluorescent material was added at the edge of the virus, their location was localized between smectic layer interface boundaries.

本発明では、様々なナノサイズの材料を自己集合させるために抗ストレプトアビジンM13ウイルスを使用した。この抗ストレプトアビジンM13ウイルスは、様々なナノサイズ材料を自己集合性規則化構造へ組織化させるための便宜的方法を提供する。DNA挿入断片を修飾するとウイルス長の制御された修飾が可能になるので、スメクチック層における間隔を遺伝子操作によって制御できる[12]。他のナノサイズ材料(磁気ナノ粒子、II-VI半導体ナノ粒子、機能的化学物質など)をストレプトアビジンと結合させることによって、この抗ストレプトアビジン法は、スメクチック層によって規定される所望の長さスケールで様々なナノサイズ材料を整列させることができる。 In the present invention, anti-streptavidin M13 virus was used to self-assemble various nano-sized materials. This anti-streptavidin M13 virus provides a convenient way to organize various nano-sized materials into self-assembled ordered structures. Since modification of the DNA insert allows for controlled modification of the viral length, the spacing in the smectic layer can be controlled by genetic manipulation [12] . By combining other nano-sized materials (magnetic nanoparticles, II-VI semiconductor nanoparticles, functional chemicals, etc.) with streptavidin, this anti-streptavidin method can achieve the desired length scale defined by the smectic layer. Can align various nano-sized materials.

実験の部
抗ストレプトアビジンウイルスは、M13バクテリオファージライブラリー(New England Biolab社製)を使用するファージディスプレイ法によって選択した。このウイルスを大量に増幅させた(400mLスケール、7×107pfu)。このウイルス懸濁液をペレット内に沈降させた。1.0mLの10nm金ナノ粒子(Abs:520nmで2.5)を用いて20mgのウイルスペレットを懸濁させ、ストレプトアビジンのコロイド状懸濁液(Sigma社製)と結合させ、ロッカーを使用して1日間攪拌した。167μLのポリエチレングリコール溶液を添加することによって、金ナノ粒子と結合したウイルス(Au-ウイルス)を遠心した。〜20μLのトリス緩衝液(pH7.5)を使用して赤色ペレットを懸濁させると、Au-ウイルス液晶懸濁液が生成した(ウイルス濃度:83.2mg/mL)。Au-ウイルス膜を作製するために、Au-ウイルス懸濁液を〜6mg/mL(400μL)へ希釈し、2週間にわたりデシケータ内で乾燥させておいた。
Experimental Part Anti-streptavidin virus was selected by phage display method using M13 bacteriophage library (New England Biolab). This virus was amplified in large quantities (400 mL scale, 7 × 10 7 pfu). This virus suspension was allowed to settle into the pellet. Suspend 20 mg of virus pellet using 1.0 mL of 10 nm gold nanoparticles (Abs: 2.5 at 520 nm), bind with colloidal suspension of streptavidin (Sigma) and use rocker for 1 day Stir. Virus (Au-virus) bound to gold nanoparticles was centrifuged by adding 167 μL of polyethylene glycol solution. Suspension of the red pellet using -20 μL of Tris buffer (pH 7.5) produced an Au-viral liquid crystal suspension (virus concentration: 83.2 mg / mL). To make the Au-virus membrane, the Au-virus suspension was diluted to ~ 6 mg / mL (400 μL) and allowed to dry in a desiccator for 2 weeks.

フルオレセイン-ウイルスキャスト膜の作製
20μLのウイルス懸濁液(トリス-HCl緩衝液(pH7.5)中で1.9×10-7M)を20μLの0.01mg/mL蛍光-ストレプトアビジン懸濁液(1.9×10-7M、MW:53,200)と混合した。1μLの懸濁液をキャスティングし、ガラス基質上で乾燥させた。UV-Vis分光計(吸光係数:268nmで1.2×108M-1cm-1)を使用してウイルス懸濁液のモル濃度を測定した[13]
Preparation of fluorescein-virus cast membrane
20 μL of virus suspension (1.9 × 10 −7 M in Tris-HCl buffer (pH 7.5)) to 20 μL of 0.01 mg / mL fluorescence-streptavidin suspension (1.9 × 10 −7 M, MW: 53,200). 1 μL of the suspension was cast and dried on a glass substrate. The molar concentration of the virus suspension was measured using a UV-Vis spectrometer (absorption coefficient: 1.2 × 10 8 M −1 cm −1 at 268 nm) [13] .

フィコエリトリン-ウイルスおよびキャスト膜の作製
20μLのウイルス懸濁液(〜6mg/mL、トリス-HCl緩衝液(pH7.5)中で1.9×10-7M、MW:292,800)を20μLの0.05mg/mLのR-フィコエリトリン-ストレプトアビジン(5%スクロースを含むトリス-HCl緩衝液(pH7.5)中で1.7×10-7M)と混合した。1μLの懸濁液をキャスティングし、ガラス基質上で乾燥させた。
Preparation of phycoerythrin-virus and cast membrane
20 μL of virus suspension (˜6 mg / mL, 1.9 × 10 −7 M, MW: 292,800 in Tris-HCl buffer (pH 7.5)) 20 μL of 0.05 mg / mL R-phycoerythrin-streptavidin ( Mixed with 1.7 × 10 −7 M) in Tris-HCl buffer (pH 7.5) containing 5% sucrose. 1 μL of the suspension was cast and dried on a glass substrate.

顕微鏡検査
POM画像は、Olympus社製偏光顕微鏡を使用して入手した。顕微鏡写真は、SPOTデジタルカメラ(Diagnostic社製)を使用して撮影した。走査型レーザー顕微鏡画像はLeica社製TCS 4Dを使用して入手し、SEM画像は1KVの加速電圧で作動するLEO1530を使用して入手した。TEM画像は、80kVの加速電圧で作動するPhilips 208および200kVの加速電圧で作動するJEOL 2010Fを使用して入手した。AFM画像は、タッピングモードを使用して空気中で撮影した(Digital Instruments社製)。AFMプローブは、125μmのカンチレバーおよびそれらの250〜350kHzの共鳴周波数の近くで駆動させると20〜100N/mのバネ定数を用いてエッチングされたシリコンであった。スキャン速度はおよそ1〜40μm/sであった。
Microscopic examination
POM images were obtained using an Olympus polarizing microscope. The micrograph was taken using a SPOT digital camera (Diagnostic). Scanning laser microscope images were obtained using a Leica TCS 4D, and SEM images were obtained using a LEO 1530 operating at an acceleration voltage of 1 KV. TEM images were obtained using Philips 208 operating at an acceleration voltage of 80 kV and JEOL 2010F operating at an acceleration voltage of 200 kV. AFM images were taken in air using a tapping mode (Digital Instruments). The AFM probes were silicon etched using spring constants of 20-100 N / m when driven near 125 μm cantilevers and their 250-350 kHz resonant frequency. The scan speed was approximately 1-40 μm / s.

追加の説明および例(態様B)のための参考文献

Figure 2006506059
References for additional explanation and examples (Aspect B)
Figure 2006506059

代表的な態様を参照しながら本発明について記載してきたが、この説明に限定的意味があると解釈されることは意図していない。本発明の代表的な態様の様々な修飾および組み合わせ、ならびにその他の態様は、本発明の説明を参照すれば、当業者には明白になるであろう。このため、添付の請求項にはそのような修飾または態様が含まれると意図されている。   While this invention has been described with reference to exemplary embodiments, this description is not intended to be construed in a limiting sense. Various modifications and combinations of the exemplary aspects of the invention, as well as other aspects, will be apparent to those of skill in the art upon reviewing the description of the invention. Thus, it is intended that the appended claims include such modifications or embodiments.

本明細書における参考文献についての言及は、これらの参考文献が本発明にとっての先行技術であると是認するものではない。   Reference to references in this specification is not an admission that these references are prior art to the present invention.

本発明の記載のおよびその他の利点は、添付の図面と結び付けて以下の説明を参照することによってより明瞭に理解できるが、様々な図面における対応する数字は対応する部分を表している。
(図1)本発明による、(A)生物膜の写真、(B)生物膜の偏光顕微鏡(POM)画像、(C)雲母表面(接触面)上の個別M13バクテリオファージの原子間力顕微鏡(AFM)画像、および(D)生物膜接触面の表面形態である。
(図2)本発明による生物膜作製後の力価数および経過日数の対数プロットを示している力価数と経過日数との関係を示した図である。
(図3)本発明によって選択されたランダムアミノ酸配列の図である。
(図4)本発明による構造のXPSスペクトルの図である。
(図5)本発明によるヘテロ構造のファージ認識を示した図である。
(図6〜10)本発明による特異的アミノ酸配列の図である。
(図11)本発明によるM13ファージのスメクチック整列の略図である。
(図12)A7-ZnS懸濁液を示した図である。(A)および(B)POM画像、(C)AFM画像、(D)SEM画像、(E)TEM画像、および(F)TEM画像(電子線回折挿入断片を使用)。
(図13)(A)膜の写真、(B)膜構造の略図、(C)AFM画像、(D)SEM画像、(E)および(F)x-z平面およびz-y平面に沿ったTEM画像を含む、M13バクテリオファージのナノ粒子生物膜の画像である。
(図14)(A)デシケータ内での乾燥後、および(B)フリーズドライ後における室温での貯蔵中のβ-ガラクトシダーゼ活性にグルコース/スクロースおよびファージが及ぼす作用を示した図である。(■-黒い四角)は糖にファージを加えたものと一緒に乾燥させたβ-ガラクトシダーゼであり、(▲-黒い三角)は糖と一緒に乾燥させたβ-ガラクトシダーゼであり、(●-黒丸)はファージと一緒に乾燥させたβ-ガラクトシダーゼであり、そして(▼-黒い逆三角)は添加物を加えずに乾燥させたβ-ガラクトシダーゼであり、第0日はフリーズドライ後またはデシケータ内での乾燥後に回復した活性を表す。
(図15)GFPuvおよびファージを用いた作製1日後の蛍光GFPuvウイルス膜の共焦点顕微鏡画像である。グルコース:スクロースにおける変動は(A)5mg/mL:50mg/mL、(B)2.5mg/mL:25mg/mL、および(C)グルコースまたはスクロースなしである。
(図16)(A)M13ウイルス膜の写真。(B)キラルスメクチックC規則化構造を有するバルク内のM13ウイルス膜構造の略図(z:ダイレクター(分子長軸);n:層標準;θ:傾斜角;φ:方位回転角)。(C)そのらせん状規則化構造が解かれて、表面張力作用のためにジグザグパターンを形成しているM13ウイルス膜の表面形態の略図。点線は回位線を表し、2本の隣接する回位線間の間隔はキラルスメクチックCらせん状パターンのハーフピッチ(1/2P)に対応する。
(図17)試料1(9.93mg/mL)からのウイルス膜のキラルスメクチックC構造の図である。(A)明暗ストライプパターンを示しているPOM画像(36.8μm)(スケールバー:100μm;×印はアナライザー(A)およびポラライザー(P)の方向を表す)、(B)表面上のジグザグパターンの脱キラル化欠陥を示しているウイルス膜のSEM画像(スケールバー:50μm)。(C)スメクチックC整列を示すウイルス膜表面のAFM画像(スケールバー:1μm)、(D)M13ウイルスのTEM画像(スケールバー:100nm)、および(E)ウイルス膜からのレーザー光回折パターン。
(図18)試料1からのスメクチック構造の歪みおよび相転移を示しているPOMおよびAFM画像。(A)ひずんだ明暗ストライプパターンを示しているPOM画像(スケールバー:100μm)、(B)相転移を示しているPOM画像、(C)、(D)各々(A)および(B)のPOM画像に対応するAFM画像。
(図19)垂直ストライプパターン(A)から水平ストライプパターン(B)へのテクスチャーの変化を示した試料7のPOM画像。試料10のスメクチックA形態。(C)垂直ストライプパターンを示しているPOM画像(62.4μm)(10倍スケールバー:100μm)、(D)スメクチックA整列を示しているウイルス膜表面のAFM画像。(スケールバー:1μm)、(E)差込み図におけるシェブロン状ひび割れパターンおよび高分解能SEM画像を示しているウイルス膜表面のSEM画像。
(図20)ウイルス膜のネマチック形態(試料11)。(A)屈曲した暗色のシュリーレンブラシパターンを示しているPOM画像(スケールバー:100μm)、(B)スメクチックドメインのネマチック規則化を示しているウイルス膜表面のAFM画像。
(図21)抗ストレプトアビジンM13ウイルスおよびストレプトアビジンリンカーを使用したナノ材料の整列を例示している略図である。
(図22)(A)ウイルスペレット(i)、ストレプトアビジン結合金ナノ粒子懸濁液(ii)、およびウイルス(Au-ウイルス)と結合した金ナノ粒子懸濁液(iii)の写真。(B)Au-ウイルス懸濁液のPOM画像。(C)10nm金ナノ粒子に結合したウイルスのTEM画像(スケールバー:100nm)および同一TEMグリッドからの金ナノ粒子の縞模様画像および高速フーリエ変換画像(差込み図、スケールバー:5nm)。(D)Au-ウイルス凝集物のTEM画像(スケールバー:500nm)。
(図23)(A)Au-ウイルス膜の写真。(B)Au-ウイルス膜のPOM画像(スケールバー:20μm)、(C)広範囲のジグザグパターンを示しているAu-ウイルス膜表面形態のSEM画像(スケールバー:5μm)。(D)Au-ウイルス膜のAFM画像(スケールバー:1μm)。(E)フルオレセイン-ウイルス(F-ウイルス)キャスト膜のDIC画像(F-virus)(スケールバー:10μm)、(F)フルオレセインと結合したウイルス(F-ウイルス)キャスト膜、および(G)1μmの蛍光ストライプパターンを示しているフィコエリトリンと結合したウイルス(P-ウイルス)キャスト膜の蛍光画像(スケールバー:10μm)。
The description and other advantages of the present invention may be more clearly understood by referring to the following description in conjunction with the accompanying drawings, in which corresponding numerals in the various drawings represent corresponding parts.
(FIG. 1) According to the present invention, (A) a photograph of a biofilm, (B) a polarizing microscope (POM) image of the biofilm, (C) an atomic force microscope of individual M13 bacteriophages on the mica surface (contact surface) ( (AFM) image, and (D) surface morphology of biofilm contact surface.
(FIG. 2) A graph showing the relationship between titer number and elapsed days showing a logarithmic plot of titer number and elapsed days after biofilm production according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram of random amino acid sequences selected according to the present invention.
FIG. 4 is an XPS spectrum diagram of a structure according to the invention.
FIG. 5 shows the phage recognition of heterostructure according to the present invention.
(FIGS. 6 to 10) Specific amino acid sequences according to the present invention.
FIG. 11 is a schematic representation of smectic alignment of M13 phage according to the present invention.
(FIG. 12) A diagram showing an A7-ZnS suspension. (A) and (B) POM images, (C) AFM images, (D) SEM images, (E) TEM images, and (F) TEM images (using electron diffraction diffraction inserts).
(FIG. 13) includes (A) a photograph of the film, (B) a schematic representation of the film structure, (C) an AFM image, (D) an SEM image, (E) and (F) TEM images along the xz plane and zy plane , M13 bacteriophage nanoparticle biofilm image.
FIG. 14 shows the effect of glucose / sucrose and phage on β-galactosidase activity during storage at room temperature after (A) drying in a desiccator and (B) after freeze drying. (■ -black square) is β-galactosidase dried with sugar plus phage, (▲ -black triangle) is β-galactosidase dried with sugar, (● -black circle) ) Is β-galactosidase dried with phage, and (▼ -black inverted triangle) is β-galactosidase dried without additives, day 0 after freeze-drying or in desiccator Represents the activity recovered after drying.
FIG. 15 is a confocal microscope image of a fluorescent GFPuv virus membrane one day after production using GFPuv and phage. Variations in glucose: sucrose are (A) 5 mg / mL: 50 mg / mL, (B) 2.5 mg / mL: 25 mg / mL, and (C) no glucose or sucrose.
(FIG. 16) (A) Photograph of M13 virus membrane. (B) Schematic representation of the M13 virus membrane structure in the bulk with chiral smectic C ordered structure (z: director (molecular long axis); n: layer standard; θ: tilt angle; φ: azimuth rotation angle). (C) Schematic representation of the surface morphology of the M13 virus membrane with its helical ordered structure unraveled and forming a zigzag pattern due to surface tension effects. The dotted line represents the disclination line, and the spacing between two adjacent disclination lines corresponds to the half pitch (1 / 2P) of the chiral smectic C helical pattern.
FIG. 17 is a diagram of the chiral smectic C structure of the viral membrane from sample 1 (9.93 mg / mL). (A) POM image showing light and dark stripe pattern (36.8μm) (scale bar: 100μm; x indicates the direction of analyzer (A) and polarizer (P)), (B) removal of zigzag pattern on surface SEM image of a viral membrane showing a chiralization defect (scale bar: 50 μm). (C) AFM image (scale bar: 1 μm) of the viral membrane surface showing smectic C alignment, (D) TEM image of M13 virus (scale bar: 100 nm), and (E) Laser diffraction pattern from the viral membrane.
(FIG. 18) POM and AFM images showing strain and phase transition of smectic structure from sample 1. (A) POM image showing a distorted light and dark stripe pattern (scale bar: 100 μm), (B) POM image showing phase transition, (C), (D) POM of (A) and (B) respectively AFM image corresponding to the image.
(FIG. 19) POM image of Sample 7 showing the change in texture from the vertical stripe pattern (A) to the horizontal stripe pattern (B). Sample 10 smectic A form. (C) POM image (62.4 μm) showing a vertical stripe pattern (10 × scale bar: 100 μm), (D) AFM image of the viral membrane surface showing smectic A alignment. (Scale bar: 1 μm), (E) SEM image of the chevron-shaped crack pattern and high resolution SEM image in the inset.
(FIG. 20) Nematic morphology of the viral membrane (sample 11). (A) POM image (scale bar: 100 μm) showing bent dark schlieren brush pattern, (B) AFM image of viral membrane surface showing nematic ordering of smectic domains.
FIG. 21 is a schematic illustrating the alignment of nanomaterials using anti-streptavidin M13 virus and streptavidin linker.
(FIG. 22) (A) Photograph of virus pellet (i), streptavidin-bound gold nanoparticle suspension (ii), and gold nanoparticle suspension (iii) bound to virus (Au-virus). (B) POM image of Au-virus suspension. (C) TEM image of virus bound to 10 nm gold nanoparticles (scale bar: 100 nm) and striped and fast Fourier transform images of gold nanoparticles from the same TEM grid (inset, scale bar: 5 nm). (D) TEM image of Au-virus aggregates (scale bar: 500 nm).
(FIG. 23) (A) Au-virus membrane photograph. (B) POM image of Au-virus membrane (scale bar: 20 μm), (C) SEM image of Au-virus membrane surface morphology showing a wide zigzag pattern (scale bar: 5 μm). (D) AFM image of Au-virus membrane (scale bar: 1 μm). (E) DIC image of fluorescein-virus (F-virus) cast membrane (F-virus) (scale bar: 10 μm), (F) fluorescein-bound virus (F-virus) cast membrane, and (G) 1 μm Fluorescence image of a virus (P-virus) cast membrane bound to phycoerythrin showing a fluorescent stripe pattern (scale bar: 10 μm).

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Claims (35)

生物学的材料を長期にわたり貯蔵するための人工生物膜貯蔵装置であって、
任意で、接触面を有する基質と、
任意の接触面上の生物学的材料とを含み、かつ安定した膜を形成し、膜が少なくとも7週間にわたり室温で安定性である人工生物膜貯蔵装置。
An artificial biofilm storage device for long-term storage of biological material,
Optionally, a substrate having a contact surface;
An artificial biofilm storage device comprising a biological material on any contact surface and forming a stable membrane, the membrane being stable at room temperature for at least 7 weeks.
基質が存在しており、かつ基質が、ラングミュア・ブロジェット膜、機能性ガラス、ゲルマニウム、シリコン、半導体材料、PTFE、ポリカーボネート、雲母、マイラー、タンパク質膜、プラスチック、石英、ポリスチレン、ヒ化ガリウム、金、銀、金属、合金、織物、哺乳動物組織、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項1の人工生物膜貯蔵装置。   Substrate is present and the substrate is Langmuir-Blodgett film, functional glass, germanium, silicon, semiconductor material, PTFE, polycarbonate, mica, mylar, protein film, plastic, quartz, polystyrene, gallium arsenide, gold 2. The artificial biofilm storage device of claim 1, selected from the group consisting of: silver, metal, alloy, fabric, mammalian tissue, and combinations thereof. 安定した膜が自己支持性である、請求項1の人工生物膜貯蔵装置。   2. The artificial biofilm storage device of claim 1, wherein the stable membrane is self-supporting. 安定した膜が、生物学的材料に加えて、一つまたは複数の有機分子または無機分子を含む、請求項1の人工生物膜貯蔵装置。   2. The artificial biofilm storage device of claim 1, wherein the stable membrane comprises one or more organic or inorganic molecules in addition to the biological material. 有機分子が存在しており、かつ有機分子が、炭素、一本鎖核酸、二本鎖核酸、ペプチド、タンパク質、抗体、酵素、ステロイド、薬剤、発色団、導電性ポリマー、ワクチン、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項4の人工生物膜貯蔵装置。   An organic molecule is present and the organic molecule is carbon, single-stranded nucleic acid, double-stranded nucleic acid, peptide, protein, antibody, enzyme, steroid, drug, chromophore, conductive polymer, vaccine, and combinations thereof 5. The artificial biofilm storage device of claim 4, selected from the group consisting of: 無機分子が存在しており、かつ無機分子が、インジウム錫酸化物、ドーピング剤、金属、合金、鉱物、半導体、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項4の人工生物膜貯蔵装置。   5. The artificial biofilm storage device of claim 4, wherein inorganic molecules are present and the inorganic molecules are selected from the group consisting of indium tin oxide, dopants, metals, alloys, minerals, semiconductors, and combinations thereof. . 生物学的材料が、ウイルス、バクテリオファージ、細菌、ペプチド、タンパク質、抗体、酵素、アミノ酸、ステロイド、薬剤、炭水化物、脂質、発色団、一本鎖または二本鎖の核酸、ワクチン、およびそれらの化学修飾物からなる群より選択される、請求項1の人工生物膜貯蔵装置。   Biological materials are viruses, bacteriophages, bacteria, peptides, proteins, antibodies, enzymes, amino acids, steroids, drugs, carbohydrates, lipids, chromophores, single- or double-stranded nucleic acids, vaccines, and their chemistry 2. The artificial biofilm storage device according to claim 1, which is selected from the group consisting of modifications. 生物学的材料がワクチンをさらに含む、請求項1の人工生物膜貯蔵装置。   The artificial biofilm storage device of claim 1, wherein the biological material further comprises a vaccine. 膜が、生物学的特性、光学特性、電気特性、磁気特性、またはそれらの組み合わせを示す、請求項1の人工生物膜貯蔵装置。   2. The artificial biofilm storage device of claim 1, wherein the membrane exhibits biological properties, optical properties, electrical properties, magnetic properties, or combinations thereof. 安定した膜が、診断、スクリーニング、分析、検査、情報収集、データ処理、新薬発見、マイクロエレクトロニクス、光学機器、データ記憶、研究、またはそれらの組み合わせに使用される、請求項1の人工生物膜貯蔵装置。   2. The artificial biofilm storage of claim 1, wherein the stable membrane is used for diagnosis, screening, analysis, testing, information collection, data processing, new drug discovery, microelectronics, optical equipment, data storage, research, or a combination thereof. apparatus. 生物膜貯蔵装置を作製する方法であって、
接触面を備える基質に生物学的材料を適用する段階であって、任意で接触面が接触面上の生物学的材料の一様な整列を促進する段階と;
少なくとも7週間にわたり室温で安定性である安定した膜の形成を可能にする段階と、を含む方法。
A method of making a biofilm storage device comprising:
Applying a biological material to a substrate comprising a contact surface, wherein the contact surface facilitates uniform alignment of the biological material on the contact surface;
Allowing the formation of a stable film that is stable at room temperature for at least 7 weeks.
生物学的材料がコンビナトリアルライブラリーである、請求項11の方法。   12. The method of claim 11, wherein the biological material is a combinatorial library. 生物膜貯蔵装置を作製する段階が可逆性である、請求項11の方法。   12. The method of claim 11, wherein the step of making the biofilm storage device is reversible. 生物学的材料が、ウイルス、バクテリオファージ、細菌、ペプチド、タンパク質、抗体、酵素、アミノ酸、ステロイド、薬剤、炭水化物、脂質、発色団、一本鎖または二本鎖の核酸、ワクチン、およびそれらの化学修飾物からなる群より選択される、請求項11の方法。   Biological materials are viruses, bacteriophages, bacteria, peptides, proteins, antibodies, enzymes, amino acids, steroids, drugs, carbohydrates, lipids, chromophores, single- or double-stranded nucleic acids, vaccines, and their chemistry 12. The method of claim 11, wherein the method is selected from the group consisting of modifications. 少なくとも2つの生物学的材料が適用される、請求項11の方法。   12. The method of claim 11, wherein at least two biological materials are applied. 生物学的材料が、有機化合物、無機化合物、およびそれらの組み合わせと一緒に層形成される、請求項11の方法。   12. The method of claim 11, wherein the biological material is layered with organic compounds, inorganic compounds, and combinations thereof. 生物膜貯蔵装置を作製するためのキットであって、
容器と;
少なくとも7週間にわたり室温で安定性である、生物学的材料を含む貯蔵膜と、を含むキット。
A kit for making a biofilm storage device,
A container;
A storage membrane comprising biological material that is stable at room temperature for at least 7 weeks.
薄膜が室温で高密度情報を貯蔵する、請求項17のキット。   18. The kit of claim 17, wherein the thin film stores high density information at room temperature. 高密度情報が、診断、スクリーニング、分析、検査、情報収集、データ処理、マイクロエレクトロニクス、光学機器、研究、またはそれらの組み合わせに使用される、請求項18のキット。   19. The kit of claim 18, wherein the high density information is used for diagnosis, screening, analysis, testing, information collection, data processing, microelectronics, optical instruments, research, or combinations thereof. ハイブリッド人工膜貯蔵装置であって、
表面を含む基質と;
生物学的に安定した薄膜を形成するために表面に適用された生物学的材料であり、膜が無機材料をさらに含む生物学的材料を含むハイブリッド人工膜貯蔵装置。
A hybrid artificial membrane storage device,
A substrate comprising a surface;
A hybrid artificial membrane storage device comprising a biological material applied to a surface to form a biologically stable thin film, the membrane further comprising an inorganic material.
無機材料が、インジウム錫酸化物、ドーピング剤、金属、合金、鉱物、またはそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項20のハイブリッド人工膜貯蔵装置。   21. The hybrid artificial membrane storage device of claim 20, wherein the inorganic material is selected from the group consisting of indium tin oxide, doping agents, metals, alloys, minerals, or combinations thereof. 一つまたは複数の有機分子または無機分子が、生物学的材料と一緒にプレインキュベートされる、請求項20のハイブリッド人工膜貯蔵装置。   21. The hybrid artificial membrane storage device of claim 20, wherein the one or more organic or inorganic molecules are preincubated with the biological material. 生物学的材料が、ウイルス、バクテリオファージ、細菌、ペプチド、タンパク質、アミノ酸、ステロイド、薬剤、発色団、一本鎖または二本鎖の核酸、ワクチン、およびそれらの化学修飾物からなる群より選択される、請求項20のハイブリッド人工膜貯蔵装置。   The biological material is selected from the group consisting of viruses, bacteriophages, bacteria, peptides, proteins, amino acids, steroids, drugs, chromophores, single- or double-stranded nucleic acids, vaccines, and chemical modifications thereof. 21. The hybrid artificial membrane storage device according to claim 20, wherein 安定した膜中にファージ粒子を含む貯蔵装置として使用するために作製されたウイルス膜であって、膜が少なくとも7週間にわたり室温で安定性であるウイルス膜。   A viral membrane made for use as a storage device comprising phage particles in a stable membrane, wherein the membrane is stable at room temperature for at least 7 weeks. ファージ粒子と組み合わせて無機材料をさらに含む、請求項24のウイルス膜。   25. The viral membrane of claim 24 further comprising an inorganic material in combination with phage particles. 膜が、ファージディスプレイライブラリーのファージ粒子を含み、ファージ粒子が生物学的分子への特異的結合を提供するために選択され、かつファージ粒子が生物学的分子に結合している、請求項24のウイルス膜。   25. The membrane comprises phage particles of a phage display library, the phage particles are selected to provide specific binding to a biological molecule, and the phage particles are bound to a biological molecule. Viral membranes. ウイルス膜を形成する方法であって、
溶媒中でウイルスファージ粒子の濃縮懸濁液を調製する段階と;
膜が少なくとも7週間にわたり室温で安定性である条件下でファージ粒子が膜を形成するように溶媒を除去する段階と、を含む方法。
A method of forming a viral membrane comprising:
Preparing a concentrated suspension of virus phage particles in a solvent;
Removing the solvent such that the phage particles form a membrane under conditions where the membrane is stable at room temperature for at least 7 weeks.
膜がファージ粒子と組み合わせて無機化合物をさらに含む、請求項27の方法。   28. The method of claim 27, wherein the membrane further comprises an inorganic compound in combination with phage particles. 一つまたは複数の生物学的材料を含む貯蔵装置として使用するための自己支持膜であって、膜が少なくとも6ヵ月間にわたり安定性である自己支持膜。   A self-supporting membrane for use as a storage device comprising one or more biological materials, wherein the membrane is stable for at least 6 months. 生物膜貯蔵装置の安定性および長期的活性を向上させるための方法であって、生物膜貯蔵装置中に生物膜貯蔵装置の安定性および長期的活性を向上させる保存液を含める段階を含む方法。   A method for improving the stability and long-term activity of a biofilm storage device, comprising the step of including in the biofilm storage device a preservation solution that improves the stability and long-term activity of the biofilm storage device. 貯蔵装置が酵素およびウイルスを含む、請求項30に記載の方法。   32. The method of claim 30, wherein the storage device comprises an enzyme and a virus. 生物学的材料の光特性をモニターする段階を含む、生物膜貯蔵装置として使用される生物学的材料の構造および機能を視覚化する方法。   A method of visualizing the structure and function of a biological material used as a biofilm storage device, comprising monitoring the optical properties of the biological material. 発光分子が蛍光である、請求項32の方法。   35. The method of claim 32, wherein the luminescent molecule is fluorescent. ウイルス粒子が細菌宿主を感染させる能力を維持する貯蔵装置のためのウイルス薄膜を形成する方法であって、基質上でウイルス薄膜を形成するためにウイルス粒子の濃縮懸濁液から溶媒を除去する段階を含み、ウイルス粒子が少なくとも7週間後に力価数の測定に基づいて細菌宿主に対する感染能力を保持している方法。   A method of forming a virus film for a storage device that maintains the ability of virus particles to infect bacterial hosts, wherein the solvent is removed from the concentrated suspension of virus particles to form a virus film on a substrate. Wherein the viral particles retain their ability to infect bacterial hosts based on titer measurements after at least 7 weeks. ウイルス粒子が膜形成前に遺伝子操作ファージライブラリーを含み、かつライブラリー情報が膜形式で保存される、請求項34記載の方法。   35. The method of claim 34, wherein the viral particle comprises a genetically engineered phage library prior to membrane formation and the library information is stored in a membrane format.
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