JP2006520317A - Peptide-mediated synthesis of metal and magnetic materials - Google Patents

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Abstract

本発明は、磁性材料に特異的に結合しうるアミノ酸オリゴマーを備えるよう改変された生体分子を使用することにより、磁性ナノ結晶を製造する方法を含むものである。The present invention includes a method of producing magnetic nanocrystals by using biomolecules modified to include amino acid oligomers that can specifically bind to magnetic materials.

Description

関連出願
本出願は、Belcherらの米国特許仮出願第60/411,804号(2002年9月18日出願)にかかかる権利を主張するものであり、この出願については、ここに言及することをもって、本出願に組み込むものである。
This application claims the right to Belcher et al., US Provisional Patent Application No. 60 / 411,804 (filed September 18, 2002), which is hereby incorporated herein by reference, It is incorporated into this application.

政府の援助についての記載
本出願において実施した研究は、一部、陸軍研究部(Army Research Office)の助成金第DADD19-99-0155号の援助を受けたものであり、政府はある程度の権利を有する可能性がある。
Description of Government Assistance Part of the research carried out in this application was supported by Grant No. DADD19-99-0155 from the Army Research Office. May have.

また、塩基配列および/またはアミノ酸配列の配列表については、コンピュータで読み込み可能な配列表に言及することをもって、本出願に組み込むものである。   Further, the sequence listing of the base sequence and / or amino acid sequence is incorporated into the present application by referring to the computer-readable sequence listing.

発明の技術分野
本発明は、無機材料に結合しうる有機材料に関するものであり、より詳細には、金属材料、たとえば磁性材料に緊密かつ直接的に結合する特定のペプチド配列に関するものである。
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to organic materials that can bind to inorganic materials, and more particularly to specific peptide sequences that bind tightly and directly to metallic materials, such as magnetic materials.

発明の背景
生体系では、有機分子は、無機材料、たとえば炭酸カルシウムおよびシリカの核生成および鉱物相、そして、構成単位が、生体機能に必要とされる複雑な構造へと組み立てられる過程を大きく制御している。
BACKGROUND OF THE INVENTION In biological systems, organic molecules largely control the nucleation and mineral phases of inorganic materials, such as calcium carbonate and silica, and the process by which building blocks are assembled into complex structures required for biological functions. is doing.

生体プロセスで形成される材料は、通常柔軟で、分子構成単位(すなわち、脂質、ペプチド、核酸)が極めて単純なかたちで集合して驚異的に複雑な構造で配置されている。半導体産業のように、一連のリソグラフィ−プロセスのアプローチに依拠して集積回路の微細構造を構成するのとは異なり、生物は、主に、多くの構成分子に同時に作用する非共有結合性の力を使用して、構造上の「設計図」を実現する。しかも、これらの構造は、しばしば、2種以上の有用な形態の間で、その構成分子に何ら変化を生じることなく、洗練されたかたちで再編成される。   Materials formed by biological processes are usually flexible, and molecular structural units (ie, lipids, peptides, nucleic acids) are assembled in a very simple form and arranged in a surprisingly complex structure. Unlike relying on a series of lithographic process approaches to constructing integrated circuit microstructures, as in the semiconductor industry, organisms are primarily non-covalent forces that act on many constituent molecules simultaneously. To achieve a structural “design drawing”. Moreover, these structures are often rearranged in a refined manner between two or more useful forms without any change in their constituent molecules.

「生体」材料を使用して次世代のマイクロエレクトロニクス装置をプロセシングすることは、従来のプロセス法の限界の解消するうえでの手だてとなりうるものである。このアプローチでは、生体材料と無機材料の適当な適合性と組み合わせを特定し、適切な構成単位の合成することが肝要である。   Processing “next generation” microelectronic devices using “biological” materials can be a way to overcome the limitations of traditional process methods. In this approach, it is important to identify the appropriate compatibility and combination of biomaterial and inorganic material and synthesize the appropriate building blocks.

発明の概要
本発明者らは、構築物を設計し、金属および磁性材料をはじめとする無機材料の集合を実行、制御して、制御された精巧な構造とする生体材料を製造した。特に重要なのは、強磁性材料および粒子材料、たとえばナノ粒子材料である。生体材料を使用して、興味深い電気、磁気、または光学特性を備えた材料を創出、設計することができると、構造物を小型化し、材料の光電特性などをよりよく制御し、また、材料の製造過程をよりよく制御できる可能性がある。たとえば、本発明では、室温での製造方法を開発したが、この方法は、従来高温での製造が行われていたような材料の室温での製造を可能とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The inventors have designed a construct and implemented and controlled a collection of inorganic materials, including metals and magnetic materials, to produce biomaterials with controlled and elaborate structures. Of particular importance are ferromagnetic materials and particulate materials, such as nanoparticle materials. When biomaterials can be used to create and design materials with interesting electrical, magnetic, or optical properties, structures can be miniaturized, the photoelectric properties of materials can be better controlled, The manufacturing process may be better controlled. For example, in the present invention, a manufacturing method at room temperature has been developed, but this method enables manufacturing of a material at room temperature that has been conventionally manufactured at high temperature.

表面に何百万種もの異なったペプチド配列を発現するバクテリオファージが多数発現されたコンビナトリアル・ペプチド・ファージ・ディスプレイ・ライブラリーを、バイオパニング法と組み合わせて、磁性材料をはじめとする金属材料(たとえば、Co、CoPt、SmCo5、またはFePt)に緊密かつ直接的に結合する特異的なペプチド配列を選択した。本発明者らは、天然状態やII-VI半導体について例証されているのと同じく、これらの金属および磁性材料に対して結合性の分子、たとえば、ペプチドを使用することによって、無機材料の核形成を制御することができることを見いだした。タンパク質を、磁性材料をはじめとする金属の核形成の制御に使用できれば、磁性ナノ粒子およびその応用物を、従来の方法を使用するよりはるかに安価かつ簡易に製造することができる。磁石および磁性材料をはじめとするナノ分子金属は、マイクロまたはナノマシン、ダイナモ、発電機、磁気記憶装置をはじめとする、磁性または磁化可能材料が有する任意の用途に使用することができる。これらの材料の別の用途は、磁性材料をはじめとする金属の表面を改質することが挙げられる。ペプチドは、材料を、磁性材料表面に結合させる際のリンカーとして機能しうるので、新規な電子素子のベースとなりうる複雑なナノ構造の自己組立てが可能となる。   Combinatorial peptide phage display libraries with a large number of bacteriophages expressing millions of different peptide sequences on the surface are combined with biopanning methods to produce metallic materials such as magnetic materials (e.g. , Co, CoPt, SmCo5, or FePt) were selected for specific peptide sequences that bind tightly and directly. We have nucleated inorganic materials by using molecules that are binding to these metals and magnetic materials, such as peptides, as exemplified for the natural state and II-VI semiconductors. I found that I can control. If proteins can be used to control the nucleation of metals, including magnetic materials, magnetic nanoparticles and their applications can be manufactured much cheaper and easier than using conventional methods. Nanomolecular metals, including magnets and magnetic materials, can be used in any application possessed by magnetic or magnetizable materials, including micro or nanomachines, dynamos, generators, magnetic storage devices. Another use of these materials is to modify the surface of metals, including magnetic materials. Peptides can function as linkers when binding materials to the surface of magnetic materials, allowing for the self-assembly of complex nanostructures that can be the basis for new electronic devices.

本発明者らは、(コンビナトリアル・ペプチド・ライブラリーとパニング法を用いて)結合性ペプチドを選択するこうしたアプローチは、磁性材料をはじめとする金属材料を形成し、その核形成を制御する際にも使用しうることに気づいた。磁性粒子をはじめとする金属粒子を合成する目的で研究されている他の技術は、不活性雰囲気中で高価な物質を使用する高温での合成を基調としており、所望の形状および結晶性を有するナノ粒子をはじめとする粒子を製造するには、合成後にさらに処理および精製を行うことが必要とされる。そのため、従来法での磁性ナノ粒子の製造は、大規模な生産および/または大量生産には不向きである。本発明で提案するアプローチは、安価な物質を使用して室温にて実施され、その結果として、結晶性の制御されたナノ粒子が得られるので、磁性ナノ粒子をはじめとする金属粒子を合成する際のコストが削減され、結晶の構造および配向も制御されたものとなる。   These approaches to selecting binding peptides (using combinatorial peptide libraries and panning methods) allow us to form metallic materials, including magnetic materials, and control their nucleation. Also noticed that it could be used. Other technologies being studied for the purpose of synthesizing metal particles, including magnetic particles, are based on synthesis at high temperatures using expensive materials in an inert atmosphere and have the desired shape and crystallinity. In order to produce particles including nanoparticles, further processing and purification are required after synthesis. For this reason, the production of magnetic nanoparticles by conventional methods is not suitable for large-scale production and / or mass production. The approach proposed in the present invention is carried out at room temperature using inexpensive materials, and as a result, nanoparticles with controlled crystallinity are obtained, so that metal particles including magnetic nanoparticles are synthesized. Cost is reduced, and the crystal structure and orientation are also controlled.

磁性ナノ粒子をはじめとする金属粒子をペプチドを媒介として合成すると、磁性ナノ粒子をはじめととする金属材料を、はるかに安価かつ環境負荷の少ないかたちで合成することができる。現在使用されている磁性ナノ粒子をはじめとする金属ナノ粒子の合成プロトコールは、時間がかかり、高価で、有機界面活性剤で被覆されたナノ粒子を生じてしまう。こうした界面活性剤は、ナノ粒子のさらなる修飾には不適である。分子生物学の進捗によって、ペプチドへの官能基の導入が可能となっており、したがって、ペプチドから形成した粒子およびナノ粒子にも、官能基を容易に導入することができる。ペプチドに官能基/機能を付与すると、ペプチドを、電子素子に組み込んだり、磁気記憶素子に統合したりすることが可能となる。   When metal particles such as magnetic nanoparticles are synthesized using a peptide as a medium, metal materials such as magnetic nanoparticles can be synthesized at a much lower cost and with less environmental impact. Currently used protocols for synthesizing metal nanoparticles, including magnetic nanoparticles, are time consuming, expensive and result in nanoparticles coated with an organic surfactant. Such surfactants are unsuitable for further modification of the nanoparticles. Due to the progress of molecular biology, functional groups can be introduced into peptides, and therefore functional groups can be easily introduced into particles and nanoparticles formed from peptides. Giving a peptide a functional group / function allows the peptide to be incorporated into an electronic element or integrated into a magnetic memory element.

本発明の一形態は、金属、ナノ粒子、および磁性材料をはじめとする各種材料に結合して、規則性の高い構造を組織化するよう遺伝的に改変した自己組立性生体分子、たとえばバクテリオファージを使用する方法である。こうした構造は、たとえば、粒子およびナノ粒子のナノスケールのアレイである。バクテリオファージを例にとると、自己組立性生体材料は、特定の表面(たとえば半導体)に対する特異的結合特性に関して選択することができ、したがって、本発明で教示する修飾バクテリオファージおよび方法を使用すると、選択した物質の規則性の高い構造を創出することができる。   One aspect of the present invention is a self-assembled biomolecule that has been genetically modified to bind a variety of materials, including metals, nanoparticles, and magnetic materials, and to organize highly ordered structures, such as bacteriophages. Is the way to use. Such structures are, for example, nanoscale arrays of particles and nanoparticles. Taking bacteriophage as an example, self-assembling biomaterials can be selected for specific binding properties to a particular surface (eg, a semiconductor), and thus using the modified bacteriophages and methods taught in the present invention, A highly regular structure of the selected substance can be created.

より詳細には、本発明は、磁性の材料、粒子、およびナノ粒子をはじめとする金属材料を生成する組成物および方法を含むものである。一態様としては、磁性粒子をはじめとする金属粒子を製造する方法であって、磁性表面をはじめとする金属表面に特異的に結合する部分を含む分子を製造し、磁性材料をはじめとする金属材料が形成されるような条件で、1種以上の磁性材料の前駆物質をはじめとする金属材料の前駆物質を、上記分子と接触させる工程を含む方法を挙げることができる。分子は、たとえば、アミノ酸オリゴマーまたはペプチドのような生体分子とすることができる。オリゴマーは、たとえば、約7〜約100のアミノ酸の長さ、より好ましくは、約7〜約30アミノ酸の長さ、そしてさらに好ましくは、約7〜約20アミノ酸の長さとすることができ、コンビナトリアル・ライブラリーの一部を形成するものであっても、および/または、キメラ分子を含んでいてもよい。   More particularly, the present invention includes compositions and methods for producing metallic materials, including magnetic materials, particles, and nanoparticles. In one aspect, a method for producing metal particles such as magnetic particles, wherein a molecule including a moiety that specifically binds to a metal surface such as a magnetic surface is produced, and a metal such as a magnetic material is produced. Examples of the method include a step of bringing a precursor of a metal material including a precursor of one or more kinds of magnetic materials into contact with the molecule under such a condition that the material is formed. The molecule can be, for example, a biomolecule such as an amino acid oligomer or peptide. The oligomer can be, for example, from about 7 to about 100 amino acids in length, more preferably from about 7 to about 30 amino acids in length, and even more preferably from about 7 to about 20 amino acids in length. It may form part of a library and / or contain a chimeric molecule.

本発明に開示するような種類の磁性粒子をはじめとする金属材料は、たとえば、Co、CoPt、SmCo5、および/またはFePtから形成することができる。本発明の別の方法は、非磁性の相互作用によって磁性材料と結合する分子を特定する方法であって、アミノ酸オリゴマー・ライブラリーを磁性材料と接触させて、磁性材料と特異的に結合するオリゴマーを選択し、磁性材料と特異的に結合するオリゴマーを溶出させる工程を含む方法である。オリゴマー・ライブラリーは、自己組立性分子のライブラリー、たとえば、M13ファージ・ライブラリーのようなファージ・ライブラリーとすることができる。ライブラリーは、細菌内に内包させることも、また外部で集めることもできる。   Metal materials including magnetic particles of the type disclosed in the present invention can be formed from, for example, Co, CoPt, SmCo5, and / or FePt. Another method of the present invention is a method for identifying a molecule that binds to a magnetic material by non-magnetic interaction, wherein an oligomer that specifically binds to a magnetic material by contacting an amino acid oligomer library with the magnetic material. And eluting an oligomer that specifically binds to the magnetic material. The oligomer library can be a library of self-assembling molecules, for example a phage library such as the M13 phage library. Libraries can be encapsulated in bacteria or collected externally.

磁性粒子の製造方法は、磁性分子の形成を開始する分子を、磁性材料の前駆物質および還元剤と接触させる工程も含むことができる。磁性材料の前駆物質とともに磁性分子の形成を開始する分子は、たとえば、室温、または100℃未満、200℃未満、場合によっては300℃未満の温度で接触させることができる。この分子は、アミノ酸オリゴマー、たとえば長さが約7〜20アミノ酸であるようなアミノ酸オリゴマーとすることができる。磁性粒子は、磁性の量子ドットまたは、場合によってはフィルム形状のCo、CoPt、SmCo5、またはFePt磁性粒子とすることができる。当業者であれば、特定の用途に応じて、本明細書に開示する磁性粒子の1種以上を組み合わせて、各種の一次元、二次元、または三次元の位置、形状などに配置することができることに気づくはずである。   The method for producing magnetic particles can also include a step of bringing a molecule that initiates the formation of a magnetic molecule into contact with a precursor of a magnetic material and a reducing agent. Molecules that initiate the formation of magnetic molecules with the precursor of the magnetic material can be contacted, for example, at room temperature or at temperatures below 100 ° C, below 200 ° C, and in some cases below 300 ° C. The molecule can be an amino acid oligomer, such as an amino acid oligomer that is about 7-20 amino acids in length. The magnetic particles can be magnetic quantum dots or, optionally, film-shaped Co, CoPt, SmCo5, or FePt magnetic particles. A person skilled in the art can arrange one or more of the magnetic particles disclosed in the present specification in various one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional positions, shapes, etc. according to a specific application. You should realize that you can.

本発明は、本発明に開示する方法によって製造した磁性粒子、たとえばナノ粒子も含むものである。これらの磁性粒子は、磁性材料結合性ペプチドを基板に固定し、1種以上の磁性材料前駆物質を、磁性粒子が形成されるような条件下で磁性材料結合性ペプチドと接触させ、基板上に磁性結晶を形成することによって製造された集積回路の一部を形成しうるものである。磁性材料結合性ペプチドは、基板、たとえばシリコンまたは他の半導体基板に、化学的に結合させることができる。本発明の磁性粒子は、メモリー、短期または長期記憶、IDシステム、または当業者がこうした粒子を使用して製造しうると考えるであろう任意の用途に使用することができる。本発明の磁性マイクロ、ナノ、およびフェムト粒子の他の用途の例としては、マイクロまたはナノモーター、発電機などを挙げることができる。   The present invention also includes magnetic particles, such as nanoparticles, produced by the method disclosed in the present invention. These magnetic particles have a magnetic material-binding peptide immobilized on a substrate, and one or more magnetic material precursors are brought into contact with the magnetic material-binding peptide under conditions such that the magnetic particles are formed. A part of an integrated circuit manufactured by forming a magnetic crystal can be formed. The magnetic material binding peptide can be chemically bound to a substrate, such as silicon or other semiconductor substrate. The magnetic particles of the present invention can be used in memory, short or long term memory, ID systems, or any application that one skilled in the art would think can be made using such particles. Examples of other uses of the magnetic micro, nano, and femto particles of the present invention include micro or nano motors, generators, and the like.

本発明の別の態様は、特異的な配列特性を有するナノ粒子の形成方法である。この方法は、たとえば特異的結合特性を有するM13バクテリオファージを創出し、このバクテリオファージを高濃度となるまで増幅し(たとえば、ファージ・ライブラリーを、細菌ホストの培養とともに恒温培養して、感染、複製、そしてその後のウイルス精製を行うことにより増幅し)、ファージを再懸濁することによって行われる。   Another aspect of the present invention is a method for forming nanoparticles having specific alignment characteristics. This method creates, for example, an M13 bacteriophage with specific binding properties and amplifies this bacteriophage to a high concentration (e.g., incubating a phage library with a bacterial host culture to infect, Amplification by replication and subsequent virus purification) and by resuspending the phage.

この同じ方法は、3種の液晶相、すなわち、ネマチック相のディレクショナルな規則性、コレステリック相のねじれたネマチック構造、そして、スメクチック相のディレクショナルおよびポジショナルな規則性を有するバクテリオファージの創出に使用することができる。本発明の一観点は、ポリマー、たとえばフィルムの製造方法に関するものであり、この方法は、特異的な半導体表面に高濃度で結合する部分を含む自己組立性生体分子を増幅し、1種以上の半導体材料前駆物質を自己組立性の生体分子と接触させて、結晶の形成ないし結晶の形成の誘導を行う工程を含むものである。   This same method is used to create a bacteriophage with three liquid crystal phases: nematic phase directional regularity, cholesteric phase twisted nematic structure, and smectic phase directional and positional regularity. can do. One aspect of the present invention relates to a method for producing a polymer, such as a film, which amplifies a self-assembling biomolecule comprising a moiety that binds to a specific semiconductor surface at a high concentration, The method includes a step of bringing a semiconductor material precursor into contact with a self-assembling biomolecule to induce crystal formation or crystal formation induction.

本発明の別の態様は、異なるコレステリック・ピッチを備えたナノ粒子を創出する方法である、この方法は、たとえば半導体表面と結合するよう選択したM13バクテリオファージを使用し、このファージを各種濃度に再懸濁することによって実施する。本発明の別の態様は、ナノ粒子が配列した流延フィルムを製造する方法であり、この方法は、たとえば遺伝的に改変したM13バクテリオファージを使用し、このバクテリオファージを再懸濁することにより実施する。   Another aspect of the invention is a method of creating nanoparticles with different cholesteric pitches, which uses, for example, M13 bacteriophage selected to bind to a semiconductor surface, and the phages at various concentrations. Perform by resuspending. Another aspect of the present invention is a method of producing a cast film in which nanoparticles are arranged, the method comprising, for example, using genetically modified M13 bacteriophage and resuspending the bacteriophage. carry out.

本発明のさらに別の態様は、ナノ粒子フィルムの製造方法であり、この方法は、ナノ粒子溶液を表面に加え、このナノ粒子溶液を表面上で蒸発させ、ナノ粒子を表面にアニーリングする工程を含むものであり、ここで、ナノ粒子は磁性分子である。表面は、分子が共有結合または非共有結合を介して付着しうるミクロで製造された固体表面、たとえばラングミュール-ボジェットフィルム、ガラス、官能基/機能を付与したガラス、ゲルマニウム、シリコン、PTFE、ポリスチレン、ヒ化ガリウム、金、銀、または表面にアミノ、カルボキシル、チオール、またはヒドロキシル官能基が導入された任意の材料を含むものとすることができる。アニーリングは、通常、高温で不活性ガス(たとえば窒素)の存在下で行う。本発明の別の態様は、上述の方法によって製造したナノ粒子のフィルムである。   Yet another aspect of the present invention is a method for producing a nanoparticle film, the method comprising adding a nanoparticle solution to a surface, evaporating the nanoparticle solution on the surface, and annealing the nanoparticles to the surface. In which the nanoparticle is a magnetic molecule. The surface can be a micro-manufactured solid surface to which molecules can attach via covalent or non-covalent bonds, such as Langmuir-Bodgett film, glass, functionalized / functionalized glass, germanium, silicon, PTFE, It may include polystyrene, gallium arsenide, gold, silver, or any material having amino, carboxyl, thiol, or hydroxyl functional groups introduced on the surface. Annealing is usually performed at an elevated temperature in the presence of an inert gas (eg, nitrogen). Another aspect of the present invention is a film of nanoparticles produced by the method described above.

発明の詳細な説明
本出願は、Belcherらの仮特許出願第60/411,804号(2002年9月18日出願)について権利を主張するものであり、この出願については、ここに言及することをもって、その図面、開示、詳細な説明、実施例、請求の範囲、および配列表を含む全体を本出願に組み込むものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION This application claims rights to Belcher et al. Provisional patent application No. 60 / 411,804 (filed Sep. 18, 2002), which is hereby incorporated by reference herein, The entire application, including drawings, disclosure, detailed description, examples, claims, and sequence listing, is incorporated into this application.

以下では、本発明の各種の態様の製造や使用について詳しく論じるが、本発明は、具体的な文脈で多種多様なかたちで実施しうる応用可能な発明概念と多数提供するものであると理解されたい。本明細書に記載する具体的な態様は、本発明の具体的な製造、使用を単に例示するものであり、本発明の範囲は、これらの態様によって限定されるものではない。   In the following, the manufacture and use of the various aspects of the present invention will be discussed in detail, but it will be understood that the present invention provides a number of applicable inventive concepts that can be implemented in a wide variety of ways in a specific context. I want. The specific embodiments described herein are merely illustrative for the specific production and use of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these embodiments.

本発明を理解しやすいように、いくつかの用語について以下にさらに説明する。本明細書で使用する場合には、「金属材料」は、たとえば、磁性および/または強磁性であっても、そうでなくてもよく、結晶質であってもよく、多結晶またはアモルファスであってもよいような金属合金、金属酸化物、純粋な金属を含む物質とすることができるが、金属材料は、これらに限定されるものではない。金属材料は、また、粒子、パターニングされた表面、層状のフィルムなどのいくつかの空間形態で存在することができる。「粒子」という用語は、上記材料のサイズおよび形状について記載しうるものであり、ミクロンスケールの粒子、ナノスケールの粒子(ナノ粒子と称する)、金属材料単一分子、また本明細書では記載しないものの、本明細書に記載した生物学的方法によって制御される各種のサイズや形状を包含するものであるが、これらに限定されるものではない。   In order to facilitate understanding of the present invention, some terms are further described below. As used herein, a “metal material” may be, for example, magnetic and / or ferromagnetic, may or may not be crystalline, polycrystalline or amorphous. The metal material may be a metal alloy, metal oxide, or a substance containing a pure metal, but the metal material is not limited thereto. The metallic material can also exist in several spatial forms, such as particles, patterned surfaces, layered films. The term “particle” can describe the size and shape of the material, and is not described herein, such as a micron scale particle, a nanoscale particle (referred to as a nanoparticle), a metal material single molecule, or not described herein. However, it includes, but is not limited to, various sizes and shapes controlled by the biological methods described herein.

結合性分子という用語は、本明細書では、金属材料に結合するか、金属材料を認識するか、金属材料の成長を誘導する分子であるとして定義するものである。結合性分子の例としては、ペプチド、アミノ酸オリゴマー、核酸オリゴマーを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。これらの結合性分子は、コンビナトリアル・ライブラリーのスクリーニングによって選択することも、また、そうしたライブラリーとは独立に合成、結合、または処方することもできる。これらの結合性分子は、基体に結合させることができ、すなわち、表面または足場、たとえば、ウイルス外被に結合性分子がディスプレーされたM13ウイルス、または各種の結合性分子接合構造に接合させることができる。   The term binding molecule is defined herein as a molecule that binds to, recognizes, or induces the growth of a metallic material. Examples of binding molecules include, but are not limited to, peptides, amino acid oligomers, and nucleic acid oligomers. These binding molecules can be selected by screening combinatorial libraries, or synthesized, bound, or formulated independently of such libraries. These binding molecules can be bound to a substrate, i.e. bound to a surface or scaffold, e.g. M13 virus with binding molecules displayed on the viral envelope, or to various binding molecular junction structures. it can.

本発明者らは、ペプチドが半導体材料に結合しうることをすでに示している。本発明では、本発明者らは、結合性分子、たとえばペプチドが、金属材料、たとえば磁性材料に特異的に結合しうることを例証する。これらのペプチドは、ナノ粒子の核を形成し、ナノ粒子の自己組立を誘導するよう、さらに開発されている。このペプチドの主たる特徴は、表面特異性を有する技術上重要な材料を認識して結合し、サイズの制限された結晶質の半導体材料を核形成し、核形成したナノ粒子の結晶相を制御しうる能力を備えていることである。このペプチドは、ナノ粒子のアスペクト比、したがって光学特性も制御しうるものである。   We have already shown that peptides can bind to semiconductor materials. In the present invention, we demonstrate that binding molecules, such as peptides, can specifically bind to metallic materials, such as magnetic materials. These peptides are further developed to nucleate nanoparticles and induce self-assembly of nanoparticles. The main feature of this peptide is that it recognizes and binds technically important materials with surface specificity, nucleates crystalline semiconductor materials of limited size, and controls the crystalline phase of the nucleated nanoparticles. It has the ability to be able to. This peptide can also control the aspect ratio of the nanoparticles and thus the optical properties.

簡単に述べると、生体システムは、非常に複雑な構造を極小スケールで組立てる仕組みを備えており、こうした仕組みは、同様に作動しうる非生体システムを特定するというモチベーションを育んできた。また、興味深い電子特性または光学特性を備えた材料に適用しうる方法であるにもかかわらず、自然の進化によっては、生体分子とそうした材料が相互に作用するよう選択されてこなかったような方法を見いだすことができれば、その方法には特段の価値があるはずである。   Briefly, biological systems have a mechanism for assembling very complex structures on a very small scale, and such mechanisms have nurtured the motivation to identify non-biological systems that can work in the same way. Also, despite the fact that it can be applied to materials with interesting electronic or optical properties, depending on the evolution of nature, methods that have not been chosen to interact with biomolecules and such materials. If it can be found, the method should be of particular value.

本発明は、生体システムは、ナノスケールの構成単位を、複雑かつ高機能な構造に効率的かつ正確に組立て、この構造は、高い完成度を示し、サイズおよび組成の均一性が制御されているという認識にもとづくものである。   The present invention enables biological systems to efficiently and accurately assemble nanoscale building blocks into complex and highly functional structures that exhibit high completeness and controlled size and composition uniformity. It is based on the recognition.

ペプチド配列の選択
ランダムな有機ポリマーのプールを製造する一つの方法は、M13バクテリオファージのpIIIコートタンパク質に融合させた、7〜12のアミノ酸を含むランダムなペプチドのコンビナトリアル・ライブラリーにもとづいたファージ・ディスプレイ・ライブラリーを使用して、結晶質の半導体構造と反応した各種のペプチドを得るものである。5コピーのpIIIコートタンパク質を、ファージ粒子の一端に位置させ、粒子の10〜16 nmを構成するようにした。このファージディスプレーを使用したアプローチによって、ペプチドと基板の相互作用と、この相互作用をコードするDNAとの間の物理的関連が得られた。本明細書に記載した実施例では、例として、5種の異なった単結晶半導体、すなわち、GaAs(100)、GaAs(111)A、GaAs(lll)B、InP(100)、Si(100)を使用した。こうした基板を使用すると、ペプチドと基板の相互作用を体系的に評価し、各種の結晶構造に対しての本発明の方法の一般的有用性を確認することが可能となる。
Selection of Peptide Sequences One method of producing a pool of random organic polymers is to generate a phage library based on a combinatorial library of random peptides containing 7-12 amino acids fused to the pIII coat protein of M13 bacteriophage. A display library is used to obtain various peptides that have reacted with crystalline semiconductor structures. Five copies of pIII coat protein were located at one end of the phage particle, making up 10-16 nm of the particle. This phage display approach has provided a physical link between the peptide-substrate interaction and the DNA encoding this interaction. In the examples described herein, by way of example, five different single crystal semiconductors, namely GaAs (100), GaAs (111) A, GaAs (lll) B, InP (100), Si (100) It was used. When such a substrate is used, it is possible to systematically evaluate the interaction between the peptide and the substrate and confirm the general usefulness of the method of the present invention for various crystal structures.

特定の結晶と成功裏に結合したタンパク質配列を、当該表面から溶離させ、たとえば100万倍程度まで増幅し、さらに厳密な条件で基板と反応させ、この手順を5回反復して、ライブラリー中で最も特異的な結合を示すファージを選択した。3、4、および5ラウンド目等のファージ選択の後に、結晶に対して特異的であったファージを単離し、そのDNA配列を解析した。ペプチドの結合を、結晶の組成についての選択性(たとえば、GaAsに結合するが、Siに結合しないなど)および結晶面についての選択性(たとえば、(100)GaAsに結合するが、(111)B GaAsには結合しないなど)について特定した。   The protein sequence that successfully binds to a specific crystal is eluted from the surface, amplified up to 1 million times, and reacted with the substrate under strict conditions, and this procedure is repeated 5 times in the library. The phage showing the most specific binding was selected. After phage selection such as the third, fourth, and fifth rounds, the phage that was specific for the crystal was isolated and its DNA sequence was analyzed. Peptide bonds are selective for crystal composition (for example, binding to GaAs but not to Si) and for crystal planes (for example, binding to (100) GaAs but (111) B Specified that it does not bond to GaAs).

GaAs(100)で選択された20のクローンを解析して、GaAs表面に対するエピトープ結合ドメインを決定した。修飾されたpIIIタンパク質またはpVIIIタンパク質の部分ペプチド配列を表1に示す。GaAsと接触させたペプチドの間に、類似したアミノ酸配列存在することが示されている。   Twenty clones selected with GaAs (100) were analyzed to determine the epitope binding domain for the GaAs surface. Table 1 shows partial peptide sequences of the modified pIII protein or pVIII protein. It has been shown that similar amino acid sequences exist between peptides contacted with GaAs.

(表1)修飾pIIIまたはpVIIIタンパク質の部分ペプチド配列

Figure 2006520317
(Table 1) Partial peptide sequence of modified pIII or pVIII protein
Figure 2006520317

GaAs表面との接触回数が増加するにつれて、非帯電極性官能基とルイス塩基官能基の数が増加した。3回目、4回目、5回目のラウンドの配列解析で得られたファージクローンは、平均で、それぞれ30%、40%、44%の極性官能基を含んでおり、一方、ルイス塩基官能基の割合は、41%から、48%〜55%に増加した。我々のライブラリーのランダムな12量体のペプチドの官能基のうちの34%のみを構成するはずのルイス塩基が、今回観察されたように増加していることからは、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って示された選択的な結合を媒介している可能性があることが示唆される。   As the number of contacts with the GaAs surface increased, the number of uncharged polar functional groups and Lewis base functional groups increased. Phage clones obtained by the 3rd, 4th and 5th round sequence analysis contained 30%, 40% and 44% polar functional groups on average, respectively, while the proportion of Lewis base functional groups Increased from 41% to 48% -55%. The observed increase in Lewis bases, which should constitute only 34% of the functional groups of random 12-mer peptides in our library, suggests that This suggests that interactions with Lewis acid sites on the GaAs surface may mediate the selective binding exhibited by these clones.

ライブラリーから選択された修飾12量体の予測される構造は、小型ペプチドでよく見られるように、伸展されたコンホメーションとなっている可能性があり、その結果、ペプチドは、GaAsの単位格子(5.65 Å)よりはるかに長いものとなっている可能性がある。したがって、ペプチドがGaAs結晶を認識する際に必要とされるのは、小型の結合ドメインのみである。表1に強調表示したこうした短いペプチドドメインは、アミンのルイス塩基、たとえばアスパラギンおよびグルタミンの存在に加えて、セリンおよびスレオニン含量の多い領域を含んでいる。正確な結合配列を決定するために、表面を、7量体のライブラリーおよびジスルフィド拘束された7量体のライブラリーを含むさらに短いライブラリーでスクリーニングした。こうした短めのライブラリーを使用して結合ドメインのサイズおよび柔軟性を低下させると、ペプチドと表面との間で生じる相互作用が低減し、選択の世代間で相互作用を期待通り増強することができる。   The predicted structure of the modified 12mer selected from the library may be in an extended conformation, as is often seen with small peptides, so that the peptide is a unit of GaAs. It may be much longer than the lattice (5.65 cm). Therefore, only a small binding domain is needed for the peptide to recognize GaAs crystals. These short peptide domains highlighted in Table 1 contain regions of high serine and threonine content in addition to the presence of amine Lewis bases such as asparagine and glutamine. To determine the correct binding sequence, the surface was screened with a shorter library including a 7-mer library and a disulfide-constrained 7-mer library. Using these shorter libraries to reduce the size and flexibility of the binding domain reduces the interaction that occurs between the peptide and the surface and can enhance the interaction as expected between selected generations. .

特異的結合を定量的に解析するにあたっては、ストレプトアビジンで標識した20nmのコロイド状金粒子を、ビオチン標識抗M13コートタンパク質抗体を介してファージに結合させてタグを付したファージを使用した。X線光電子分光法(XPS)を用いた元素組成分析を実施し、金4f-電子信号の強度によって、ファージと基板の相互作用をモニタリングした(図1A-C)。G1-3ファージの不在時には、抗体および金-ストレプトアビジンは、GaAs(100)基板に結合しなかった。したがって、金-ストレプトアビジンの結合は、ファージに対して特異的であり、ファージの基板との結合の指標となるものであった。XPSを使用することにより、GaAs(100)から単離したG1-3クローンが、GaAs(100)に特異的に結合し、Si(100)には結合しないことも見いだした(図1A参照)。これとは相補的に、(100)Si表面でスクリーニングされたS1クローンは、(100)GaAs表面に対して低い結合性を示した。   For quantitative analysis of specific binding, 20-nm colloidal gold particles labeled with streptavidin were bound to the phage via a biotin-labeled anti-M13 coat protein antibody, and a tagged phage was used. Elemental composition analysis using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was performed, and the interaction between the phage and the substrate was monitored by the intensity of the gold 4f-electron signal (FIGS. 1A-C). In the absence of G1-3 phage, antibody and gold-streptavidin did not bind to the GaAs (100) substrate. Therefore, gold-streptavidin binding was specific for the phage and was indicative of the binding of the phage to the substrate. It was also found that by using XPS, the G1-3 clone isolated from GaAs (100) specifically bound to GaAs (100) and not to Si (100) (see FIG. 1A). Complementarily, the S1 clone screened on the (100) Si surface showed low binding to the (100) GaAs surface.

GaAsクローンの一部は、別の閃亜鉛鉱構造であるInP(100)の表面にも結合した。化学的、構造的、電子的のいずれかを問わず、こうした選択的結合が生じる理由については、まだ研究中である。また、基板表面上にもとから存在している酸化物の存在によっても、ペプチドの結合の選択性が変化する可能性がある。   Some of the GaAs clones also bound to the surface of another sphalerite structure, InP (100). The reason why such selective bonding occurs, whether chemical, structural or electronic, is still under investigation. In addition, the selectivity of peptide binding may change due to the presence of oxides originally present on the substrate surface.

G1-3クローンは、GaAs(100)に対して、GaAsの(111)A(ガリウム終端)面または(111)B(ヒ素終端)面に比べて選択的かつ特異的に結合することが示された(図1B、C)。G1-3クローンの表面濃度は、選択に使用した(100)面の方が、ガリウムの多い(111)A面またはヒ素の多い(111)B面より高かった。これらの各種表面は、異なった化学反応性を示すことが知られており、ファージが各種の結晶表面に関して選択性を示しても驚くにはあたらない。双方の111面のバルクは同じ幾何構造で終端しているものの、二重層の最外面にGa原子が位置しているのか、それともAs原子が位置しているのかという違いは、表面再構成を比較するともっとはっきりする。各種のGaAs表面の酸化物の組成も、異なっていることが予測され、その結果、ペプチドの結合の性状に影響が及んでいる可能性もある。   The G1-3 clone has been shown to bind selectively and specifically to GaAs (100) compared to the (111) A (gallium terminated) or (111) B (arsenic terminated) surface of GaAs. (FIGS. 1B and C). The surface concentration of the G1-3 clone was higher on the (100) surface used for selection than on the (111) A surface with more gallium or the (111) B surface with more arsenic. These various surfaces are known to exhibit different chemical reactivities, and it is not surprising that phage show selectivity for various crystal surfaces. Although the bulk of both 111 surfaces terminates with the same geometric structure, the difference between whether Ga atoms are located on the outermost surface of the double layer or whether As atoms are located is compared with the surface reconstruction. Then it becomes clearer. The composition of the oxides on the various GaAs surfaces is also expected to be different, and as a result, the binding properties of the peptides may be affected.

G1-3ファージクローンと接触した基板の結合エネルギーに対するGaの2p電子の強度を、図1Cにプロットしてある。図1Bの結果から予測されるように、GaAs(100)、(111)Aおよび(111)B面上で観察されたGaの2pの強度は、金濃度と反比例している。金-ストレプトアビジン濃度が高い表面ほどGaの2pの強度が低いのは、ファージによる表面の被覆率が増大しているからである。XPSは、サンプリングする深さが約30オングストロームの表面技術であり、したがって、有機層の厚さが増大するにつれて、無機基板からの信号が低減する。この観察結果を利用して、金-ストレプトアビジンの強度が、結晶特異的な結合性配列を含むファージがGaAs表面上に存在するために実際に生じていることを確認した。XPSのデータと相関させる、結合についての試験を行い、この試験では、等しい数の特異的なファージクローンを、表面積が等しい各種の半導体基板と接触させた。野生型クローン(ランダムペプチド・インサート非含有)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、溶離したファージ集団は、GaAs(100)から溶離したものの方が、GaAs(111)A表面から溶離したものより12倍大きかった。   The intensity of Ga 2p electrons versus the binding energy of the substrate in contact with the G1-3 phage clone is plotted in FIG. 1C. As predicted from the results in FIG. 1B, the 2p intensity of Ga observed on the GaAs (100), (111) A and (111) B planes is inversely proportional to the gold concentration. The reason why the Ga 2p intensity is lower at the surface where the gold-streptavidin concentration is higher is that the surface coverage by the phage is increased. XPS is a surface technology with a sampling depth of about 30 angstroms, so the signal from the inorganic substrate decreases as the organic layer thickness increases. Using this observation result, it was confirmed that the intensity of gold-streptavidin was actually generated due to the presence of a phage containing a crystal-specific binding sequence on the GaAs surface. A test for binding, correlated with XPS data, was performed in which an equal number of specific phage clones were contacted with various semiconductor substrates of equal surface area. Wild type clones (without random peptide inserts) did not bind to GaAs (no plaque detected). For the G1-3 clone, the eluted phage population was 12 times greater for those eluted from GaAs (100) than those eluted from the GaAs (111) A surface.

GaAs(100)とInP(100)に結合したG1-3、G12-3、G7-4クローンを、原子間力顕微鏡(AFM)によって画像化した。InPの結晶は、閃亜鉛鉱構造を有しており、In-Pの結合はGa-Asの結合よりイオン性が高いにもかかわらず、GaAsと同形構造である。AFMで観察されたファージの幅(10 nm)と長さ(900 nm)は、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察されるM13ファージの寸法と合致し、M13抗体に結合した金の球は、ファージに結合しているのが観察された(データ示さず)。InPの表面には、高濃度のファージが存在していた。これらのデータからは、基板の認識には、原子のサイズ、電荷、極性、結晶構造をはじめとする多くの要因が関連していることが示唆された。   G1-3, G12-3, and G7-4 clones bound to GaAs (100) and InP (100) were imaged by atomic force microscopy (AFM). InP crystals have a zinc blende structure, and the In—P bond is isomorphic to GaAs even though it is more ionic than the Ga—As bond. The width (10 nm) and length (900 nm) of the phage observed with AFM match the size of the M13 phage observed with a transmission electron microscope (TEM), and the gold sphere bound to the M13 antibody is Binding to the phage was observed (data not shown). A high concentration of phage was present on the surface of InP. These data suggest that many factors are involved in substrate recognition, including atomic size, charge, polarity, and crystal structure.

TEMの画像(図示せず)では、(ネガティブ染色した)G1-3クローンがGaAs結晶質ウェファーに結合しているのが観察された。このデータは、G1-3の修飾pIIIタンパク質によって生じており、大コートタンパク質との非特異的な相互作用によって生じているのではないことを裏付けるものである。したがって、本発明のペプチドは、ナノ構造およびヘテロ構造を組み立てる際に、ペプチドと半導体との間に特異的な相互作用を生じさせるために使用することができる(図1E)。   In a TEM image (not shown), it was observed that the (negatively stained) G1-3 clone was bound to a GaAs crystalline wafer. This data confirms that it is generated by the modified pIII protein of G1-3 and not by non-specific interaction with the large coat protein. Thus, the peptides of the present invention can be used to generate specific interactions between peptides and semiconductors when assembling nanostructures and heterostructures (FIG. 1E).

蛍光X線顕微鏡での観察を利用して、ファージが、化学および構造組成が異なる表面に近接した閃亜鉛鉱表面に選択的に付着することを例証した。GaAsのウェーハに入れ子上の正方形パターンをエッチングした。このパターンは、1μmのGaAsの線と、この線の間の4μmのSiO2の間隙部を含むものであった(図1A〜1B)。G12-3クローンをGaAs/SiO2のパターニングした基板と相互作用させ、洗浄して非特異的な結合を低減し、免疫蛍光プローブであるテトラメチルローダミン(TMR)のタグを付した。タグを付したファージは、図1Bでは、3本の薄色の線(カラー写真であれば赤)および中央部の点として見いだされ、これは、G12-3がGaAsのみに結合することと符合していた。パターンのSiO2領域にはファージは結合せず、この領域は暗色のままである。こうした結果は、ファージとは接触させず、第一抗体とTMRと接触させた対照では観察されなかった(図1A)。ファージ非結合のG12-3ペプチドを使用した場合も、同じ結果が得られた。 Using observations with X-ray fluorescence microscopy, it was demonstrated that phage selectively attached to sphalerite surfaces in close proximity to surfaces with different chemical and structural compositions. The square pattern on the nest was etched in a GaAs wafer. This pattern included a 1 μm GaAs line and a 4 μm SiO 2 gap between the lines (FIGS. 1A-1B). The G12-3 clone was interacted with a patterned substrate of GaAs / SiO 2 and washed to reduce non-specific binding and tagged with an immunofluorescent probe, tetramethylrhodamine (TMR). The tagged phage is found in Figure 1B as three light lines (red in the color picture) and a central dot, consistent with G12-3 binding only to GaAs. Was. No phage binds to the SiO 2 region of the pattern and this region remains dark. These results were not observed in controls that were not contacted with phage and contacted with primary antibody and TMR (FIG. 1A). The same results were obtained when using non-phage bound G12-3 peptide.

GaAsクローンであるG12-3は、AlGaAsよりはGaAsに対して基板特異性を有することが観察された(図1C)。AlAsとGaAsは、室温ではほぼ同じ格子定数である5.66Åと5.65Åを有しており、したがって、三元合金であるAlxGal-xAsは、GaAs基板上でエピタキシャルに成長させることができる。GaAsおよびAlGaAsは、閃亜鉛鉱型結晶構造を有しているが、G12-3クローンは、GaAsのみと結合する選択性を示した。GaAs層とAl0.98Ga0.02As層とが交互に積層した多層基板を使用した。基板材料を切断してから、G12-3クローンと反応させた。 The GaAs clone G12-3 was observed to have substrate specificity for GaAs rather than AlGaAs (FIG. 1C). AlAs and GaAs have approximately the same lattice constants of 5.66% and 5.65% at room temperature, so that the ternary alloy AlxGal-xAs can be grown epitaxially on a GaAs substrate. GaAs and AlGaAs have a zinc blende crystal structure, but the G12-3 clone showed selectivity to bind only to GaAs. A multilayer substrate in which GaAs layers and Al 0.98 Ga 0.02 As layers were alternately stacked was used. The substrate material was cut and then reacted with the G12-3 clone.

G12-3クローンを、20-nmの金-ストレプトアビジンナノ粒子で標識した。走査型電子顕微鏡(SEM)で観察して調べたところ、ヘテロ構造内で、GaAsとAl0.98Ga0.02Asが交互に積層していた(図1C)。ガリウムとアルミニウムのX線元素分析を使用して、ヘテロ構造のGaAs層に金-ストレプトアビジン粒子を排他的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示された。図1Dには、蛍光画像およびSEM画像(図1A〜C)に示したような、半導体ヘテロ構造に関してのファージの差別化についてのモデルが示してある。 G12-3 clones were labeled with 20-nm gold-streptavidin nanoparticles. When observed and examined with a scanning electron microscope (SEM), GaAs and Al 0.98 Ga 0.02 As were alternately stacked in the heterostructure (FIG. 1C). Using X-ray elemental analysis of gallium and aluminum, the gold-streptavidin particles were exclusively mapped to heterostructure GaAs layers, which showed a high degree of binding specificity for chemical composition. FIG. 1D shows a model for phage differentiation with respect to semiconductor heterostructures, as shown in fluorescence and SEM images (FIGS. 1A-C).

本発明は、有機ペプチド配列と無機半導体基板との結合を特定、成長、増幅させるにあたってのファージ・ディスプレイ・ライブラリーの強力な利用について例示する。このペプチドによる認識と無機結晶の特異性は、ペプチドライブラリーを使用したもっと別の基板、たとえば、GaN、ZnS、CdS、Fe3O4、Fe2O3、CdSe、ZnSe、およびCaCO3にも拡張することができた。 The present invention illustrates the powerful use of phage display libraries in identifying, growing and amplifying binding between organic peptide sequences and inorganic semiconductor substrates. This recognition by peptides and the specificity of inorganic crystals are also found in other substrates using peptide libraries, such as GaN, ZnS, CdS, Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 , CdSe, ZnSe, and CaCO 3 Could be expanded.

二成分を認識するアタッチメントを有する二価の合成ペプチド(図1E〜F)を現在設計している。こうしたペプチドは、ナノ粒子を、半導体構造上の特定の位置に誘導する能力を備えている可能性がある。こうした有機と無機のペアは、新世代の複雑で洗練された電子構造を製造するにあたって、有力な構成単位となるはずである。   A bivalent synthetic peptide (FIGS. 1E-F) is currently designed with an attachment that recognizes the two components. Such peptides may have the ability to direct nanoparticles to specific locations on the semiconductor structure. These organic / inorganic pairs should be powerful building blocks in the production of new generations of complex and sophisticated electronic structures.

金属および磁性材料
本発明では、結合性分子による特異的な結合および認識を、磁性および強磁性材料、粒子およびナノ粒子をはじめとする、これらに限定されない金属材料に予測不能なかたちで拡張した。何百万種もの異なったペプチド配列を表面に発現するバクテリオファージの多数の集合体を発現するコンビナトリアル・ペプチド・ファージ・ディスプレイ・ライブラリーを、バイオパニングの技術と組み合わせて、磁性材料(たとえば、Co、SmCo5、CoPt、FePt)をはじめとする金属材料にしっかりかつ直接結合し、認識する特異的なペプチド配列を選択した。本発明者は、天然状態、そして、III-VおよびII-VIの半導体で示されているように、これらの磁性材料結合性のペプチドを使用して、無機材料の核形成を制御しうることを見いだした。タンパク質を使用して磁性材料の核形成を制御できるのであれば、従来の方法を使用するよりはるかに安価かつ容易に磁性ナノ粒子を製造することが可能となる。ナノ分子磁石および磁性材料は、たとえば、マイクロまたはナノマシン、ダイナモ、発電機、磁気記憶をはじめとする、磁性または磁化可能材料が有する任意の用途に使用することができる。こうした材料の他の用途としては、磁性材料の表面を修飾することも挙げられ、この場合、ペプチドは、他の材料を磁性材料の表面に付着させるリンカーとして作用して、新規な電子素子の基礎となりうるような複雑なナノ構造の自己組立てを可能とする。
Metals and Magnetic Materials In the present invention, specific binding and recognition by binding molecules has been unpredictably extended to metallic materials, including but not limited to magnetic and ferromagnetic materials, particles and nanoparticles. Combinatorial peptide phage display libraries that express large numbers of bacteriophages that express millions of different peptide sequences on the surface, combined with biopanning techniques, can be combined with magnetic materials (e.g., Co , SmCo5, CoPt, FePt) and other specific peptide sequences that bind firmly and directly to metal materials were recognized. The inventor is able to control the nucleation of inorganic materials using these magnetic material binding peptides, as shown in the native state and in III-V and II-VI semiconductors. I found. If proteins can be used to control the nucleation of magnetic materials, it will be possible to produce magnetic nanoparticles much cheaper and easier than using conventional methods. Nanomolecular magnets and magnetic materials can be used for any application possessed by magnetic or magnetizable materials including, for example, micro or nanomachines, dynamos, generators, magnetic memory. Other uses for these materials include modifying the surface of magnetic materials, where peptides act as linkers to attach other materials to the surface of magnetic materials, thus creating the basis for new electronic devices. Enables self-assembly of complex nanostructures that can be

本発明者らは、この(コンビナトリアル・ペプチド・ライブラリーとパニング技術を使用して)結合性ペプチドを選択するというアプローチが、磁性材料については使用されておらず、磁性材料の核形成を制御するうえではペプチドが使用されたことがないことに気づいた。磁性ナノ粒子を合成する目的では、現在も多くの他の技術が研究されている。これらの試みは、いずれも、高価な物質を使用して不活性雰囲気中で実施する必要のある高温での合成にもとづいており、所望の形状および結晶度を備えたナノ粒子を製造するためには、さらなる処理および精製が必要とされることも多い。その結果、従来法で磁性ナノ粒子を製造すると、費用が極めてかさみ、製造規模の拡大も困難である。本明細書で提示するアプローチは、安価な物質を使用して室温で実施し、結晶度が制御されたナノ粒子を得ることができるので、磁性ナノ粒子を合成するうえではるかに安価なアプローチとなる。このアプローチは、結晶の構造および結晶の配向を制御する際にも使用可能である。   We have not used this approach of selecting binding peptides (using combinatorial peptide libraries and panning techniques) to control nucleation of magnetic materials. Above I noticed that the peptide has never been used. Many other techniques are still being studied for the purpose of synthesizing magnetic nanoparticles. Both of these attempts are based on high temperature synthesis that needs to be carried out in an inert atmosphere using expensive materials to produce nanoparticles with the desired shape and crystallinity. Often requires further processing and purification. As a result, when magnetic nanoparticles are produced by a conventional method, the cost is extremely high and it is difficult to expand the production scale. The approach presented here can be performed at room temperature using inexpensive materials to obtain nanoparticles with controlled crystallinity, and thus a much cheaper approach for synthesizing magnetic nanoparticles. Become. This approach can also be used in controlling crystal structure and crystal orientation.

ペプチドで媒介した磁性材料の合成を行うと、磁性ナノ粒子の合成に際して、はるかに安価で環境負荷の少ないアプローチをとることが可能となる。現行の磁性ナノ粒子製造プロトコールは、時間がかかり、しかも費用がかさむ。また、現行のプロトコールでは、有機界面活性剤で被覆されたナノ粒子が得られ、こうした界面活性剤は、ナノ粒子をさらに修飾するには不向きである。分子生物学の進捗によって、ペプチドに機能/官能基を付与することが可能となっており、ペプチドから成長させたナノ粒子にも容易に機能/官能基を付与して、電子素子への組み込みや、磁気記憶素子への統合を促進しうることが示唆される。   When peptide-mediated magnetic materials are synthesized, it is possible to take a much cheaper and less environmentally friendly approach for the synthesis of magnetic nanoparticles. Current magnetic nanoparticle production protocols are time consuming and expensive. Also, current protocols result in nanoparticles coated with organic surfactants, which are not suitable for further modifying the nanoparticles. With the progress of molecular biology, it is possible to add functions / functional groups to peptides, and it is also possible to easily add functions / functional groups to nanoparticles grown from peptides for incorporation into electronic devices. This suggests that integration into magnetic memory elements can be facilitated.

磁性ナノ粒子を製造する現行の技術は高価で、時間がかかり、高温、不活性雰囲気、高価な物質、面倒な精製、合成後の変性が必要である。粒子の形成を媒介するのにペプチドを使用するこの新規な技術では、こうした問題がすべて緩和され、従来と比べるとはるかに迅速かつ安価な粒子の合成が可能となっている。また、結晶構造および配向の制御についても改善されている。   Current technology for producing magnetic nanoparticles is expensive, time consuming, requires high temperatures, inert atmospheres, expensive materials, cumbersome purification, and post-synthesis modification. This new technology, which uses peptides to mediate particle formation, alleviates all of these problems and enables much faster and cheaper synthesis of particles compared to the prior art. The crystal structure and orientation control are also improved.

公知の技術を使用することにより、大量のナノ粒子を製造するのに十分なペプチドを製造することができる。遺伝的に設計した生物を使用して、目的とする1以上のペプチドを製造することができる。ペプチドは、たとえばM13バクテリオファージのコートタンパク質の一つで製造することができる。別のコートタンパク質でタンパク質を発現させるよう、バクテリオファージをさらに設計または改変することもできる。また、細菌、たとえば大腸菌を改変して、目的ペプチドを、1以上のデザインまたは、目的位置で発現させることもできる。本発明で製造する磁性材料の局在化または位置決めに際してペプチドを使用することの明瞭な利点の一つは、これらには、たとえばフォトリソグラフィの使用などによって一般に二次元に限定されている半導体のプロセシングに固有の各種の制限がないことである。本発明のペプチドは、ペプチドの三次元の位置決めまたは合成を行うことが可能であるようなマトリックスの内部または周囲で使用することができる。こうすることにより、これらのペプチドを、フィルム状、線または縞状、層状、ドット状、溝中、表面上、開口部の側面または底面などに形成することができる。   By using known techniques, sufficient peptides can be produced to produce large quantities of nanoparticles. A genetically designed organism can be used to produce one or more peptides of interest. The peptide can be produced, for example, with one of the coat proteins of M13 bacteriophage. The bacteriophage can be further designed or modified to express the protein in another coat protein. In addition, bacteria, such as E. coli, can be modified to express the target peptide at one or more designs or target positions. One obvious advantage of using peptides in the localization or positioning of magnetic materials produced in the present invention is that they include semiconductor processing, which is generally limited to two dimensions, such as by the use of photolithography. There are no various limitations inherent to. The peptides of the present invention can be used in or around a matrix that allows three-dimensional positioning or synthesis of the peptides. By doing so, these peptides can be formed on a film, line or stripe, layer, dot, groove, on the surface, on the side or bottom of the opening, and the like.

磁性ナノ粒子には、記憶素子、センサー、強磁性流体をはじめとする各種の用途がある。本明細書に記載する材料、粒子、およびナノ粒子は、こうした分野のすべてに適用しうるものである。   Magnetic nanoparticles have a variety of uses, including memory elements, sensors, and ferrofluids. The materials, particles, and nanoparticles described herein are applicable to all of these fields.

また、本発明の金属および磁性材料は、以下の用途をはじめとする各種の用途での利用方法で用いることがでいる。さらなる用途としては、治療、診断、工学、反応の化学工学的処理、細胞および環境的用途が挙げられる。たとえば、(反応工程の大規模な処理におけるバルクでの分離をはじめとして、)磁気を利用した分離を行うことができる。他の用途としては、精製、治療、生体適合性、薬剤送達、造影剤の撮影、外部からアドレス可能な磁性物質の(インビボでの)局在化への利用を挙げることができる。薬剤送達に際しては、粒子を薬剤または化学療法剤と結合させ、その後、磁界によって局在化させることができる。粒子を適切に設計すると、細胞に貫入させることもできる。また別の用途としては、血液-尿の検出を挙げることができる。工学の用途では、蛍光および腹屈折材料をはじめとする光学活性材料に、アスペクト比が制御された磁性粒子を結合させることにより、ディスプレー素子を製造することができる。結合が生じると、結合性元素と結合した磁性粒子の慣性モーメントが変化するようなセンサー素子も製造することもできる。慣性モーメントの変化は、結合させた光学活性物質を使用することにより、分極の減衰を介して検出することができる。また別の用途としては、記憶への利用を挙げることができる。たとえば、読み出しに際して経時変化する磁界に対する応答が生じるようなメモリーを製造することができる。書き込み工程では、特異的部分が特定のアドレスに結合するようにすることができる。細胞の用途としては、細胞の修飾と細胞のトリガリングを挙げることができる。細胞の修飾では、磁性粒子のサイズを調節して、磁性粒子が細胞内に貫入し、粒子が物質と結合するようにすることができる。貫入のための動力としては、磁界を利用することができる。細胞の修飾は、トランスフェクションの過程で有用である可能性がある。細胞のトリガリングでは、磁性粒子と結合させた物質を細胞に入れてから、経時変化する磁界を使用して細胞の応答をトリガーすることができる。   Moreover, the metal and magnetic material of this invention can be used with the utilization method in various uses including the following uses. Further applications include therapeutic, diagnostic, engineering, chemical engineering treatment of reactions, cellular and environmental applications. For example, separation using magnetism can be performed (including bulk separation in a large-scale process of a reaction process). Other applications can include purification, therapy, biocompatibility, drug delivery, imaging contrast agents, and use of externally addressable magnetic materials for localization (in vivo). For drug delivery, the particles can be combined with a drug or chemotherapeutic agent and then localized by a magnetic field. If the particles are properly designed, they can also penetrate cells. Another application is blood-urine detection. In engineering applications, display elements can be manufactured by bonding magnetic particles with controlled aspect ratios to optically active materials such as fluorescent and antirefractive materials. It is also possible to manufacture a sensor element in which the moment of inertia of the magnetic particles combined with the binding element changes when the binding occurs. Changes in the moment of inertia can be detected through polarization decay by using a bound optically active material. Another use is for use in memory. For example, it is possible to manufacture a memory that produces a response to a magnetic field that changes with time during reading. In the writing process, a specific part can be bound to a specific address. Cell uses include cell modification and cell triggering. In cell modification, the size of the magnetic particles can be adjusted so that the magnetic particles penetrate into the cells and the particles bind to the substance. A magnetic field can be used as power for penetration. Cell modifications may be useful during the transfection process. In cell triggering, a substance combined with magnetic particles can be placed in the cell and then a time-varying magnetic field can be used to trigger the cell response.

磁気を利用した分離の例としては、インビトロでのアフィニティを利用した古典的な分離、およびインビボでの物質の局在化を挙げることができる。アフィニティを利用した分離の場合には、磁性ナノ粒子は、サイズが小型でアスペクト比が高く、サイズおよび形状の分布が十分に制御されている点で有利である可能性がある。粒子の磁気誘電率が高い場合には、もっと別の利点もある。すなわち、粒子を長形として磁界中で回転可能とすることができ、この場合、形状効果によるさらなる力を発生させることができる。その結果、物質1 mgあたりの分離の力が増大する。インビボでの物質の局在化の場合には、磁性粒子は、物質に結合した状態で注入または摂取することができる。対象物に、外部から空間的に変化する磁界を印加すると、最大勾配Bの領域に粒子を集めることができる。粒子と物質を合わせたサイズが小さいので、物質が組織に接近し、場合によっては細胞に貫入することができる。   Examples of magnetic separations include classical separations using in vitro affinity and localization of substances in vivo. In the case of separation utilizing affinity, magnetic nanoparticles may be advantageous in that they are small in size, have a high aspect ratio, and are well controlled in size and shape distribution. There is a further advantage when the magnetic permittivity of the particles is high. That is, the particles can be elongated and can be rotated in a magnetic field, in which case additional forces due to shape effects can be generated. As a result, the separation power per mg of substance increases. In the case of in vivo substance localization, the magnetic particles can be injected or ingested while bound to the substance. When a magnetic field that varies spatially from the outside is applied to the object, particles can be collected in the region of the maximum gradient B. Because the combined size of the particles and the substance is small, the substance can approach the tissue and possibly penetrate the cell.

より詳細には、本発明者らは、コンビナトリアル・ペプチドファージ・ディスプレイ・ライブラリー(すなわち、何百万種もの異なったペプチド配列を表面に発現するバクテリオファージの多数の集合体)およびバイオパニング法を使用して、磁性材料(ε-Co、CoPt、FePt)に直接しっかりと結合する特異的なペプチド配列を選択した。磁性材料に高いアフィニティで結合する特異的なペプチド配列を選択、特定することにより、ペプチド磁性ナノ構造の核形成を制御する際に使用できる可能性のあるペプチドを、迅速かつ容易に特定することが可能となる。磁性ナノ粒子の核形成を制御する際にペプチドを使用すると、周囲条件での磁性ナノ構造の合成が可能となる。磁性ナノ粒子の従来の製造プロトコールでは、精緻な合成スキームと大規模な精製が必要とされることが多く、すなわち、ペプチドによって媒介された核形成は、ナノ粒子合成に際してのはるかに安価な代替法となるはずである。   More particularly, the inventors have described combinatorial peptide phage display libraries (i.e., large collections of bacteriophages that express millions of different peptide sequences on their surface) and biopanning methods. Used to select specific peptide sequences that bind directly and tightly to magnetic materials (ε-Co, CoPt, FePt). By selecting and identifying specific peptide sequences that bind to magnetic materials with high affinity, it is possible to quickly and easily identify peptides that may be used to control nucleation of peptide magnetic nanostructures. It becomes possible. The use of peptides in controlling the nucleation of magnetic nanoparticles enables the synthesis of magnetic nanostructures at ambient conditions. Traditional manufacturing protocols for magnetic nanoparticles often require elaborate synthesis schemes and extensive purification, ie peptide-mediated nucleation is a much cheaper alternative for nanoparticle synthesis Should be.

本発明の特段の利点の一つは、このアプローチによって選択されたペプチドが、磁性材料に特異的かつ直接するペプチドとして選択されたものである点である。こうしたペプチドは、選択的に、結晶度が制御された磁性ナノ構造の核を形成することが例証された。これまで、Coナノ粒子は、Coが六方最密充填された状態のものが製造されてきており、CoPtおよびFePtナノ粒子は、通常インバー合金を伴う層状の結晶状態のものが製造されてきている。こうした結晶構造は、それぞれの材料としては最大限に磁化が容易であり、また、これらの材料は、ナノメーターレベルのスケールでも所望の磁性特性を保持している。こうした特性を備えているため、これらの材料は、次世代の磁気記憶素子を製造するうえで優れた候補となっている。現在、記憶素子は、密度が16.3 Gb/in2のCoCr合金を使用して製造されている。これらのナノ粒子は、さらにサイズが小さいので、密度がテラビット/in2のレベルであるような記憶素子の構築が可能となるものと考えられる。本発明では、SmCo5ナノ粒子は、HCP P6/mm の結晶度を有するものが生成する。 One particular advantage of the present invention is that the peptides selected by this approach have been selected as peptides that are specific and direct to the magnetic material. Such peptides have been demonstrated to selectively form nuclei of magnetic nanostructures with controlled crystallinity. So far, Co nanoparticles have been manufactured in a state where Co is packed in a hexagonal close-packed state, and CoPt and FePt nanoparticles have been manufactured in a layered crystalline state usually accompanied by an Invar alloy. . Such a crystal structure is maximally easy to be magnetized for each material, and these materials retain desired magnetic properties even at a nanometer scale. Because of these characteristics, these materials are excellent candidates for producing next-generation magnetic memory elements. Currently, memory elements are manufactured using a CoCr alloy with a density of 16.3 Gb / in 2 . Since these nanoparticles are smaller in size, it is considered that a memory element having a density of terabit / in 2 can be constructed. In the present invention, SmCo5 nanoparticles having a crystallinity of HCP P6 / mm are produced.

ペプチドを使用してナノ粒子の核形成を制御すると、ナノ粒子にさらに機能/官能基を付与することも可能となる。従来の方法で製造されたナノ粒子は、疎水性の界面活性剤で被覆されることが多く、さらに機能/官能基を付与する(活性を付与、または活性基を付加する)ことは面倒であった。本明細書で開示するようにして製造したナノ粒子は、ペプチドで被覆されており、当業者には公知の各種の化学および生物学的技術を使用して機能/官能基を付与するのが比較的容易である。これらのナノ粒子にさらに機能/官能基を付与すると、これらのナノ粒子の自己組立によって複雑なアーキテクチャおよび記憶素子を形成することが可能となる。   Controlling nanoparticle nucleation using peptides also allows the nanoparticle to be further functionalized / functionalized. Nanoparticles produced by conventional methods are often coated with a hydrophobic surfactant, and it is troublesome to add a function / functional group (provide an activity or add an active group). It was. Nanoparticles produced as disclosed herein are coated with peptides, compared to imparting functionality / functionality using various chemical and biological techniques known to those skilled in the art. Easy. Adding further functionality / functional groups to these nanoparticles allows complex architectures and memory elements to be formed by self-assembly of these nanoparticles.

結晶度を制御するためにペプチドを使用して製造した粒子およびナノ粒子は、サイズが小さく、高度の磁化が可能で、製造が容易であるため、磁気記録産業に革命をもたらす可能性を持っている。   Particles and nanoparticles produced using peptides to control crystallinity have the potential to revolutionize the magnetic recording industry due to their small size, high degree of magnetization, and ease of manufacture Yes.

実施例I: ペプチドの製造、単離、選択、および特性解析
ペプチドの選択: ファージディスプレーまたはペプチド・ライブラリーを、半導体または他の結晶と、0.1%のTWEEN-20を含有するTris緩衝塩類溶液(TBS)中で接触させて、表面でのファージ同士の相互作用を低減させた。室温で1時間揺動した後、表面を、Tris緩衝塩類溶液(pH 7.5)に10回接触させ、TWEEN-20の濃度を0.1%から0.5%(v/v)に上昇させることによって洗浄した。ファージの表面からの溶離を、グリシン-HCl(pH 2.2)を10分間加え、新しいチューブに移し、その後Tris-HCl(pH 9.1)で中和することによって行った。溶離したファージの力価を測定し、結合効率を比較した。
Example I: Peptide Production, Isolation, Selection, and Characterization Peptide Selection: A phage display or peptide library is prepared from a semiconductor or other crystal and a Tris buffered saline solution containing 0.1% TWEEN-20 ( In TBS) to reduce the interaction between phages on the surface. After rocking for 1 hour at room temperature, the surface was washed by contacting 10 times with Tris buffered saline (pH 7.5) and increasing the concentration of TWEEN-20 from 0.1% to 0.5% (v / v). Elution from the surface of the phage was performed by adding glycine-HCl (pH 2.2) for 10 minutes, transferring to a new tube, and then neutralizing with Tris-HCl (pH 9.1). The titer of the eluted phage was measured and the binding efficiency was compared.

3ラウンド目の基板の接触より後に溶離したファージを、大腸菌(E. coli)ER2537の宿主と混合し、LB XGal/IPTGで平板培養した。ライブラリー・ファージは、lacZα遺伝子を持つベクターM13mpl9由来であるので、Xgal(5-ブロモ-4-クロロ-3-インドイル-β-D-ガラクトシド)とIPTG(イソプロピル-β-D-チオガラクトシド)を含有する培地でファージ・プラークを培養すると、ファージ・プラークは青色となった。青/白のスクリーニングを使用して、ランダム・ペプチド・インサートを有するファージ・プラークを選択した。これらの平板培養からプラークを拾い出し、DNA配列を解析した。   Phages eluted after the third round of substrate contact were mixed with E. coli ER2537 host and plated on LB XGal / IPTG. Since the library phage is derived from the vector M13mpl9 having the lacZα gene, Xgal (5-bromo-4-chloro-3-indoyl-β-D-galactoside) and IPTG (isopropyl-β-D-thiogalactoside) When phage plaques were cultured in the containing medium, the phage plaques turned blue. Blue / white screening was used to select phage plaques with random peptide inserts. Plaques were picked from these plate cultures and analyzed for DNA sequences.

基板の製造: 基板の配向を、X線回折で確認し、もとから存在している酸化物を、適当な化学特異的エッチングで除去した。以下のエッチング液、すなわちNH4OH:H2O(1:10)、HCl:H2O(1:10)、H3PO4:H2O2:H2O(3:1:50)を、GaAsおよびInP表面で、エッチング時間1分および10分について調べた。GaAsおよびInPのエッチ面については、元素比が最良となり、酸化物の形成が最小であったのは(XPS使用)、HCl:H2Oを1分間使用し、その後脱イオン水で1分間洗浄した場合であった。しかし、ライブラリーの最初のスクリーニングで、水酸化アンモニウムのエッチング液をGaAsに使用したので、このエッチング液を、他のすべてのGaAs基板の例にも使用した。Si(100)のウェハーを、HF:H2O(1:40)の溶液中で1分間エッチングし、その後脱イオン水で洗浄した。すべての表面は、洗浄液から直接取り出し、直ちにファージ・ライブラリーに挿入した。ファージと接触させていない対照基板の表面も、エッチング過程の有効性と、AFMおよびXPSによる表面形状について特性を解析しマッピングした。 Production of substrate: The orientation of the substrate was confirmed by X-ray diffraction, and the oxides originally present were removed by appropriate chemical specific etching. The following etchants: NH 4 OH: H 2 O (1:10), HCl: H 2 O (1:10), H 3 PO 4 : H 2 O 2 : H 2 O (3: 1: 50) Were examined on GaAs and InP surfaces for etching times of 1 and 10 minutes. For the etched surfaces of GaAs and InP, the element ratio was the best and the oxide formation was minimal (using XPS), using HCl: H 2 O for 1 minute, then washed with deionized water for 1 minute Was the case. However, since the first screening of the library used an ammonium hydroxide etchant for GaAs, this etchant was also used for all other GaAs substrate examples. A Si (100) wafer was etched in a solution of HF: H 2 O (1:40) for 1 minute and then washed with deionized water. All surfaces were removed directly from the wash and immediately inserted into the phage library. The surface of the control substrate not in contact with the phage was also analyzed and mapped for the effectiveness of the etching process and the surface shape by AFM and XPS.

GaAsとAl0.98Ga0.02Asの多層基板を、分子線エピタキシーで、GaAs(100)上に成長させた。エピタキシーによって成長させた層に、Siを5 x l017 cm-3のレベルでドーピング(n型)した。 A multilayer substrate of GaAs and Al 0.98 Ga 0.02 As was grown on GaAs (100) by molecular beam epitaxy. The layer grown by epitaxy was doped (n-type) with Si at a level of 5 × 10 17 cm −3 .

抗体と金による標識: XPS、SEM、AFMの実施例については、基板を、Tris緩衝塩類溶液中で、ファージと1時間接触させ、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-ビオチン結合体(Sigma製のリン酸緩衝液への1:500溶液)に30分間導入し、リン酸緩衝液中で洗浄した。ストレプトアビジン-20-nmコロイド状金標識(1:200)のリン酸緩衝液(PBS、Sigma)への溶液を、ビオチンとストレプトアビジンの相互作用によって、ビオチン結合ファージに結合させ、表面を標識に30分間接触させ、その後PBSで数回洗浄した。   Antibody and gold labeling: For XPS, SEM, AFM examples, the substrate is contacted with phage in Tris buffered saline for 1 hour and then an anti-fd bacteriophage that is an antibody against the fIII phage pIII protein -Introduced into biotin conjugate (1: 500 solution in phosphate buffer from Sigma) for 30 minutes and washed in phosphate buffer. A solution of streptavidin-20-nm colloidal gold label (1: 200) in phosphate buffer (PBS, Sigma) is bound to biotin-binding phage by the interaction of biotin and streptavidin, and the surface is labeled. Contacted for 30 minutes and then washed several times with PBS.

X線光電子分光法(XPS): XPSの実施例については、以下の対照を実施して、XPSで観察された金の信号がファージに結合した金に由来するもので、非特異的抗体のGaAs表面との相互作用によるものではないことを確認した。製造したGaAs(100)面を、3種の条件においた。すなわち、(1)抗体およびストレプトアビジン-金標識とは接触させるものの、ファージとは接触させないもの、(2)G1-3ファージおよびストレプトアビジン-金標識とは接触させるものの、抗体とは接触させないもの、(3)ストレプトアビジン-金標識とは接触させるものの、G1-3ファージとも、抗体とも接触させないもの。   X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS): For the XPS example, the following controls were performed, where the gold signal observed with XPS was derived from gold bound to phage, and the non-specific antibody GaAs It was confirmed that it was not due to interaction with the surface. The manufactured GaAs (100) surface was subjected to three conditions. (1) Contact with antibody and streptavidin-gold label but not with phage, (2) Contact with G1-3 phage and streptavidin-gold label but not with antibody , (3) Streptavidin-Gold label, but not G1-3 phage or antibody.

使用したXPS装置は、Physical Electronics社の単色の1,487eVのX線を生成するアルミニウム陽極を備えたPhi ESCA 5700とした。サンプルは、いずれも、金がファージに(上述したようにして)結合した直後にチャンバに導入して、GaAs表面の酸化を抑制し、その後、一晩高度の真空中で排気して、XPSチャンバ内でのサンプルのガス放出を低減させた。   The XPS apparatus used was a Phi ESCA 5700 equipped with an aluminum anode that produces a monochromatic 1,487 eV X-ray from Physical Electronics. All samples were introduced into the chamber immediately after gold was bound to the phage (as described above) to inhibit oxidation of the GaAs surface, and then evacuated in high vacuum overnight to produce an XPS chamber. The outgassing of the sample in the inside was reduced.

原子間力顕微鏡(AFM)での観察: 使用したAFMは、ZeissのAxiovert 100s-2tvにマウントしたDigital InstrumentsのBioscopeで、これを、Gスキャナとともに、チップ走査モードで使用した。画像は、空中で、タッピングモードを使用して撮影した。AFMの探針は、125 mmのカンチレバーを備え、バネ定数が20±100 Nm-1のエッチングしたシリコン製で、共鳴周波数200±400 kHz付近で駆動した。走査レートは、1±5 mms-1程度とした。画像は、一次平面を使用してして水準し、サンプルの傾斜を除去した。 Atomic Force Microscope (AFM) Observation: The AFM used was a Digital Instruments Bioscope mounted on a Zeiss Axiovert 100s-2tv, which was used with a G scanner in chip scan mode. Images were taken in the air using tapping mode. The AFM probe was made of etched silicon with a 125 mm cantilever and a spring constant of 20 ± 100 Nm −1 and was driven at a resonance frequency of around 200 ± 400 kHz. The scanning rate was about 1 ± 5 mms −1 . Images were leveled using a primary plane to remove sample tilt.

透過型電子顕微鏡(TEM)での観察: PhilipsのEM208を60 kVで使用して、TEM画像を撮影した。Gl-3ファージ(TBS1:100に希釈)を、GaAs片(500 mm)とともに30分間インキュベートし、遠心して粒子を結合しなかったファージから分離し、TBSで洗浄し、TBSに再懸濁した。サンプルは、2%酢酸ウラニルで染色した。   Observation with Transmission Electron Microscope (TEM): TEM images were taken using Philips EM208 at 60 kV. Gl-3 phage (diluted in TBS1: 100) was incubated with GaAs strips (500 mm) for 30 minutes, centrifuged to separate particles that did not bind, washed with TBS, and resuspended in TBS. Samples were stained with 2% uranyl acetate.

走査型電子顕微鏡(SEM)での観察: G12-3ファージ(TBSで1:100に希釈)を、新たに切断したヘテロ構造表面とともに30分間インキュベートし、TBSで洗浄した。G12-3ファージに、20 nmのコロイド状金を結合した。SEMおよび元素マッピングの画像を、Hitachiの4700電解放出型走査電子顕微鏡にマウントしたNorian検出システムを5 kVで使用して、撮影した。   Observation with Scanning Electron Microscope (SEM): G12-3 phage (diluted 1: 100 with TBS) was incubated with the freshly cut heterostructure surface for 30 minutes and washed with TBS. G12-3 phage was bound with 20 nm colloidal gold. SEM and elemental mapping images were taken using a Norian detection system mounted on a Hitachi 4700 field emission scanning electron microscope at 5 kV.

実施例II: バイオフィルム
本発明者らは、有機と無機のハイブリッド材料が、新規な材料および素子への新たな道筋となることに気づいた。サイズの制御されたナノ構造は、半導体材料に光学的、電気的に調節可能な特性を付与し、有機物の添加剤は、無機物の形状、相、核の形成方向を修正する。生体材料は単分散的な性質を備えているので、システムは、規則性の高いスメクチックな規則化構造に適したものとなる。本発明の方法を使用することにより、遺伝的に改変した自己組立性の生体分子、たとえば、特定の半導体表面を認識する部分を備えたM13バクテリオファージを利用して、規則性が高く、ナノメータースケールおよび多重長さスケールのII-VI半導体材料の配列を創出した。
Example II: Biofilm The inventors have realized that organic and inorganic hybrid materials provide a new path to new materials and devices. Size-controlled nanostructures impart optically and electrically tunable properties to semiconductor materials, and organic additives modify inorganic shapes, phases, and nucleation directions. Since biomaterials have a monodisperse nature, the system is suitable for highly ordered smectic ordered structures. By using the method of the present invention, genetically modified self-assembling biomolecules, such as M13 bacteriophage with a portion that recognizes a specific semiconductor surface, are highly ordered and nanometer An array of scale and multi-length scale II-VI semiconductor materials was created.

本発明の組成物および方法を使用することにより、本発明で記載する半導体の認識および自己規則化システムを利用して、半導体材料のナノスケールおよび多重長さスケールの配列を実現した。半導体の認識および自己規則化を利用すると、現行のフォトリソグラフィーの特性を凌ぐような電子素子のマイクロのミクロでの製造を可能とすることができる。こうした材料の用途としては、発光ディスプレー、光学検出装置、レーザーのような光電素子、堅牢な配線、ナノメートル・スケールのコンピュータ部品およびバイオセンサーなどを挙げることができる。本発明を使用して形成したバイオフィルムの他の用途としては、高規則性液晶ディスプレーおよび有機-無機ディスプレー技術を挙げることができる。   By using the semiconductor recognition and self-ordering system described in the present invention, nanoscale and multi-length scale arrays of semiconductor materials were realized by using the compositions and methods of the present invention. Utilizing semiconductor recognition and self-ordering can enable micro-micro fabrication of electronic devices that surpass the characteristics of current photolithography. Applications of such materials include light emitting displays, optical detectors, photoelectric elements such as lasers, robust wiring, nanometer scale computer components and biosensors. Other uses for biofilms formed using the present invention include highly ordered liquid crystal display and organic-inorganic display technologies.

フィルム、繊維をはじめとする各種構造は、生体毒素をはじめとする小型分子検出用の高密度センサーを含むものとすることもできる。他の利用としては、光学コーティングおよび光学スイッチを挙げることができる。本発明で開示する1以上の材料を、単層または多層として、または場合によっては縞状として、また当業者には明らかなようにそれらの任意の組み合わせとして使用することにより、必要に応じて、医用インプラントまたは場合によっては骨インプラント用の足場材料を構築することもできる。   Various structures including films and fibers can include high-density sensors for detecting small molecules including biological toxins. Other uses can include optical coatings and optical switches. By using one or more materials disclosed in the present invention as a single layer or multiple layers, or in some cases as stripes, and as any combination thereof as will be apparent to those skilled in the art, Scaffolding materials for medical implants or possibly bone implants can also be constructed.

本発明の他の利用としては、電気および磁気インタフェース、または場合によっては、高密度記憶用、たとえば量子コンピューティングに使用する3D電子ナノ構造の組織化を挙げることができる。また、再構成可能な医用ウイルス、たとえば生体適合性のワクチン、アジュバント、およびワクチン容器の高密度かつ安定した貯蔵を、本発明で生成したフィルムおよび/またはマトリックスを使用して行うこともできる。識別のための量子ドットパターンに基づいた情報記憶、たとえば国防省の敵味方識別用の装備またはコーディング用の布地に利用することも可能である。本発明のナノファイバーは、場合によっては、貨幣のコーディングおよび特定に使用することもできる。   Other uses of the present invention may include the organization of 3D electronic nanostructures used for electrical and magnetic interfaces, or in some cases, for high density storage, eg, quantum computing. Also, high density and stable storage of reconfigurable medical viruses such as biocompatible vaccines, adjuvants, and vaccine containers can be performed using the films and / or matrices produced in the present invention. It is also possible to use information storage based on quantum dot patterns for identification, such as equipment for identifying enemy ally of the Ministry of Defense or cloth for coding. The nanofibers of the present invention can also be used for currency coding and identification in some cases.

規則性が高く、十分制御された二次元または三次元の構造をナノスケールで製造することが、次世代の光学、電子、および磁性材料および素子を製造するうえでの主要な目標である。特異的なナノ粒子を製造する現行の方法には、長さのスケールの面でも、また材料の種類の面でも制約がある。本発明は、自己組立性の有機または生体の分子または粒子、たとえばM13バクテリオファージが有する諸特性を利用して、配列、サイズ、ナノ粒子のスケール、さらには使用が可能な半導体材料の範囲を拡張するものである。   Producing highly ordered, well-controlled two-dimensional or three-dimensional structures at the nanoscale is a major goal in producing the next generation of optical, electronic, and magnetic materials and devices. Current methods of producing specific nanoparticles are limited in terms of length scale and material type. The present invention takes advantage of the properties of self-assembling organic or biological molecules or particles, such as M13 bacteriophage, to extend the range of arrays, sizes, nanoparticle scales, and usable semiconductor materials To do.

本発明者らは、異方性の形状を有する単分散の生体材料は、規則性の高い構造を生成する際の代替法となることに気づいた。特異的な半導体表面を認識する部位(ペプチドまたはアミノ酸オリゴマー)を備えた遺伝子改変M13バクテリオファージを使用することによって、II-VI半導体材料を、ナノスケールおよび多重長さスケールで配列させることに成功した。   The inventors have realized that monodisperse biomaterials with anisotropic shapes are an alternative method for producing highly ordered structures. By using genetically modified M13 bacteriophages with sites (peptides or amino acid oligomers) that recognize specific semiconductor surfaces, II-VI semiconductor materials were successfully aligned on the nanoscale and multi-length scales .

Sethらは、位置的な規則性と方向的な規則性を両方備えた、Fdウイルスのスメクチックな規則化構造について記載した。Fdウイルスのスメクチックな構造には、多重スケールおよびナノスケールで構造を規則化して、ナノ粒子の二次元および三次元の配列を形成する用途に使用できる可能性がある。バクテリオファージM13を使用したのは、このバクテリオファージM13が遺伝的に改変可能で、Fdウイルスと同一の形状であるものが成功裏に選択されており、II-VI半導体表面に対して特異的な結合アフィニティを有しているからである。したがって、M13は、ナノ粒子を多重スケールまたはナノスケールで規則化させる際に使用しうるスメクチックな構造の理想的なソースである。   Seth et al. Described a smectic ordered structure of the Fd virus with both positional and directional regularity. The smectic structure of the Fd virus has the potential to be used in applications where the structure is ordered on multiple and nanoscales to form two- and three-dimensional arrays of nanoparticles. The bacteriophage M13 was used because the bacteriophage M13 is genetically modifiable and has been successfully selected to have the same shape as the Fd virus and is specific for II-VI semiconductor surfaces. This is because it has binding affinity. Thus, M13 is an ideal source of smectic structures that can be used in ordering nanoparticles to be ordered on multiple or nanoscales.

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、半導体表面に結合しうるペプチド・インサートを含むM13バクテリオファージを見いだした。これらの半導体表面としては、硫化亜鉛、硫化カドミウム、硫化鉄のような材料を挙げることができる。分子生物学の技術を使用することにより、特異的な半導体材料および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・ライブラリーのクローンをクローニングし、液晶を形成するのに十分な濃度まで増幅した。   The inventors have used a combinatorial screening method to find M13 bacteriophages containing peptide inserts that can bind to semiconductor surfaces. Examples of these semiconductor surfaces include materials such as zinc sulfide, cadmium sulfide, and iron sulfide. By using molecular biology techniques, clones of specific semiconductor materials and bacteriophage combinatorial libraries that bind to the material surface were cloned and amplified to a concentration sufficient to form liquid crystals.

フィラメント状のバクテリオファージFdは、細長い棒状(長さ:880 nm、直径:6.6 nm)で、単分散の分子量(分子量:1.64 x 107)を有している。こうした特性の結果、このバクテリオファージは、高濃度の溶液では、リオトロピック液晶の挙動を示す。バクテリオファージのこうした異方性の形状を、生物学的選択性および自己組立を使用して規則性の高いナノ粒子の層を形成するための方法として利用した。単分散のバクテリオファージを、標準的な増幅法によって製造した本発明では、これと類似したフィラメント状のバクテリオファージであるM13を、ナノ粒子、たとえば硫化亜鉛、硫化カドミウム、硫化鉄と結合するよう遺伝的に改変した。 Filamentous bacteriophage Fd has an elongated rod shape (length: 880 nm, diameter: 6.6 nm) and a monodisperse molecular weight (molecular weight: 1.64 × 10 7 ). As a result of these properties, this bacteriophage behaves like a lyotropic liquid crystal in high concentration solutions. These anisotropic shapes of bacteriophages were utilized as a method for forming highly ordered layers of nanoparticles using biological selectivity and self-assembly. In the present invention, where monodispersed bacteriophages were produced by standard amplification methods, a similar filamentous bacteriophage, M13, was inherited to bind to nanoparticles such as zinc sulfide, cadmium sulfide, and iron sulfide. Modified.

バクテリオファージがメソスケールで規則化することによって、ナノ粒子のナノスケールのアレイが形成されていることが示された。これらのナノ粒子は、さらにミクロンレベルのドメインに規則化され、さらにセンチメートルのスケールの長さとなっている。半導体ナノ粒子は、量子封じ込め効果を示し、液晶内で合成および規則化することができる。   It was shown that nanoscale arrays of nanoparticles were formed by the bacteriophage ordering at the mesoscale. These nanoparticles are further ordered into micron-level domains and are further centimeter scale long. Semiconductor nanoparticles exhibit a quantum confinement effect and can be synthesized and ordered in liquid crystals.

特異的なペプチド・インサートを含有するバクテリオファージM13の懸濁液を製造し、AFM、TEM、およびSEMで調べた。サンプル全体を通じて、ナノ粒子が、2Dおよび3Dに均一に規則化しているのが観察された。   Suspensions of bacteriophage M13 containing specific peptide inserts were prepared and examined by AFM, TEM, and SEM. Throughout the sample, nanoparticles were observed to be uniformly ordered in 2D and 3D.

AFM: ZeissのAxiovert 100s-2tvにマウントしたDigital InstrumentsのBioscopeを使用し、これを、Gスキャナとともに、チップ走査モードで使用した。画像は、空中で、タッピングモードを使用して撮影した。AFMの探針は、125 mmのカンチレバーを備え、バネ定数が20±100 Nm-1のエッチングしたシリコン製で、共鳴周波数200±400 kHz付近で駆動した。走査レートは、1±5 mms-1程度とした。画像は、一次平面を使用して水準し、サンプルの傾斜を除去した。図2Aおよび2Bは、AFMを使用することによって観察されたM13ファージのスメクチックな配列の模式図である。 AFM: A Digital Instruments Bioscope mounted on Zeiss' Axiovert 100s-2tv was used and was used in chip scan mode with a G scanner. Images were taken in the air using tapping mode. The AFM probe was made of etched silicon with a 125 mm cantilever and a spring constant of 20 ± 100 Nm −1 and was driven at a resonance frequency of around 200 ± 400 kHz. The scanning rate was about 1 ± 5 mms −1 . Images were leveled using the primary plane to remove sample tilt. 2A and 2B are schematic diagrams of the smectic sequence of M13 phage observed by using AFM.

TEM: PhilipsのEM208を60 kVで使用して、TEM画像を撮影した。Gl-3ファージ(TBS1:100に希釈)を、半導体材料とともに30分間インキュベートし、遠心して、結合しなかったファージから粒子を分離し、TBSで洗浄し、TBSに再懸濁した。サンプルは、2%酢酸ウラニルで染色した。   TEM: TEM images were taken using Philips EM208 at 60 kV. Gl-3 phage (diluted in TBS1: 100) was incubated with semiconductor material for 30 minutes and centrifuged to separate particles from unbound phage, washed with TBS, and resuspended in TBS. Samples were stained with 2% uranyl acetate.

SEM: ファージ(TBSで1:100に希釈)を、新たに切断したヘテロ構造表面とともに30分間インキュベートし、TBSで洗浄した。G12-3ファージに、20 nmのコロイド状金を結合した。SEMおよび元素マッピングの画像を、Hitachiの4700電解放出型走査電子顕微鏡にマウントしたNorian検出システムを5 kVで使用して、撮影した。   SEM: Phages (diluted 1: 100 with TBS) were incubated with the newly cleaved heterostructure surface for 30 minutes and washed with TBS. G12-3 phage was bound with 20 nm colloidal gold. SEM and elemental mapping images were taken using a Norian detection system mounted on a Hitachi 4700 field emission scanning electron microscope at 5 kV.

半導体表面に対する特異的な結合特性を備えた遺伝子改変M13バクテリオファージを、標準的な分子生物学の手法で増幅、精製した。バクテリオファージ懸濁液3.2 mL(濃度:約107ファージ/μL)と一晩培養したもの4 mLを、400 mLのLB培地に加え、量を増幅させた。増幅後、約30 mgのペレットを沈殿させた。懸濁液は、Na2S溶液を、ZnCl2をドーピングしたA7ファージの懸濁液に室温で加え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、20μLの1mM ZnCl2およびNa2S溶液を、それぞれ、約30 mgのファージ・ペレットに加えることによって調製した。濃度は、消衰係数として3.84 mg/mL(269 nm)を使用することによって測定した。 A genetically modified M13 bacteriophage with specific binding properties to the semiconductor surface was amplified and purified by standard molecular biology techniques. 4 mL of an overnight culture with 3.2 mL of bacteriophage suspension (concentration: about 10 7 phage / μL) was added to 400 mL of LB medium to amplify the amount. After amplification, approximately 30 mg of pellet was precipitated. The suspension was prepared by adding the Na 2 S solution to the ZnCl 2 doped A7 phage suspension at room temperature. The highest concentration A7 phage suspension was prepared by adding 20 μL of 1 mM ZnCl 2 and Na 2 S solutions to approximately 30 mg of phage pellet, respectively. The concentration was measured by using 3.84 mg / mL (269 nm) as extinction coefficient.

等方性の懸濁液の濃度が上昇するにつれて、方向的な規則性を有するネマチック相、ねじれたネマチック構造を有するコレステリック相、そして方向的および位置的な規則性も有するスメクチック相が観察された。これらの相は、ナノ粒子を持たないFdウイルスで観察されていたものである。   As the concentration of the isotropic suspension increased, a nematic phase with directional regularity, a cholesteric phase with a twisted nematic structure, and a smectic phase with directional and positional regularity were observed. . These phases have been observed with Fd viruses without nanoparticles.

偏光顕微鏡(POM)での観察: M13ファージの懸濁液を偏光顕微鏡で調べた。各懸濁液を、直径0.7 mmのガラス製毛管に充填した。高濃度とした懸濁液(127 mg/ml)は、平行化した偏光下では虹色を示し[5]、直交させた偏光下ではスメクチックな組織を示した(図3A)。表2に示すように、図3Bのコレステリック・ピッチは、懸濁液の濃度を変化させることによって制御することができる。ピッチ長さを測定し、サンプル調製の24時間後に、マイクログラフを撮影した。   Observation with a polarizing microscope (POM): The suspension of the M13 phage was examined with a polarizing microscope. Each suspension was filled into a 0.7 mm diameter glass capillary tube. The highly concentrated suspension (127 mg / ml) showed iridescence under collimated polarization [5] and a smectic structure under orthogonal polarization (FIG. 3A). As shown in Table 2, the cholesteric pitch of FIG. 3B can be controlled by changing the concentration of the suspension. The pitch length was measured and micrographs were taken 24 hours after sample preparation.

(表2)コレステリック・ピッチと濃度の関係

Figure 2006520317
(Table 2) Relationship between cholesteric pitch and concentration
Figure 2006520317

AFM: AFMによる観察では、5μLのM13バクテリオファージの懸濁液(濃度:30 mg/ml)を、24時間、デシケータ中で、3-アミノプロピルトリエチルシランで4時間シラン化した8 mm x 8 mmの雲母基板上で乾燥させた。画像は、空中で、タッピングモードを使用して撮影した。M13バクテリオファージの異方性の形状(長さ880 nm、幅6.6 nm)ゆえの自己組立てによって規則化した構造が観察された。図3Cでは、M13ファージは、写真の平面に延在して、スメクチックな配列を形成している。   AFM: As observed by AFM, 5 μL of M13 bacteriophage suspension (concentration: 30 mg / ml) was silanized with 3-aminopropyltriethylsilane for 4 hours in a desiccator for 8 hours x 8 mm Dried on a mica substrate. Images were taken in the air using tapping mode. An ordered structure was observed by self-assembly due to the anisotropic shape of M13 bacteriophage (length 880 nm, width 6.6 nm). In FIG. 3C, the M13 phage extends in the plane of the photograph to form a smectic sequence.

SEM: SEMでの観察では、バクテリオファージとZnSナノ粒子のスメクチックな懸濁液(バクテリオファージ懸濁液の濃度:127 mg/ml)を臨界点まで乾燥したサンプルを調製した。図3Dでは、ナノ粒子の多い領域とバクテリオファージの多い領域が観察された。ナノ粒子とバクテリオファージを隔てる間隔は、バクテリオファージの長さと対応している。スメクチックな懸濁液の希釈サンプルをTEMとともに使用した電子回折のパターンでは、ZnSの繊維亜鉛鉱結晶構造が確認された(図3Eおよび3F)。   SEM: For SEM observation, a sample was prepared by drying a smectic suspension of bacteriophage and ZnS nanoparticles (concentration of bacteriophage suspension: 127 mg / ml) to the critical point. In FIG. 3D, a region rich in nanoparticles and a region rich in bacteriophages were observed. The spacing between the nanoparticles and the bacteriophage corresponds to the length of the bacteriophage. Electron diffraction patterns using diluted samples of smectic suspensions with TEM confirmed the ZnS fiber zinc ore crystal structure (FIGS. 3E and 3F).

バイオフィルムの製造: バクテリオファージのペレットを、400μLのTris緩衝塩類溶液(TBS、pH 7.5)と200μLの1mM ZnCl2に懸濁し、1mM Na2Sを加えた。室温で24時間揺動した後、懸濁液(1 ml入りエッペンドルフチューブに封入)を、デシケータ中で1週間徐々に乾燥させた。厚さ約15μmの半透明のフィルムが、チューブの内に形成された。図4Aに示すこのフィルムを、ピンセットを使用して注意深く採取した。バイオフィルムの模式図を、図4Bに示す。 Biofilm production: Bacteriophage pellets were suspended in 400 μL Tris buffered saline (TBS, pH 7.5) and 200 μL 1 mM ZnCl 2 and 1 mM Na 2 S was added. After rocking for 24 hours at room temperature, the suspension (enclosed in an Eppendorf tube containing 1 ml) was gradually dried in a desiccator for 1 week. A translucent film about 15 μm thick was formed in the tube. The film shown in FIG. 4A was carefully taken using tweezers. A schematic diagram of the biofilm is shown in FIG. 4B.

バイオフィルムのSEMによる観察: SEMを使用して、A7-ZnSフィルムのナノスケールのバクテリオファージの配列を観察した。SEMによる解析を行うために、フィルムは切断してから、アルゴン雰囲気中で真空蒸着で2 nmのクロムで被覆した。サンプル全体に、高密度に充填された構造(図4D)が観察された。個々のファージの平均長さである895 nmは、ファージの長さである880 nmと妥当な類似性を有していた。フィルムは、スメクチックAまたはC様のラメラ状状の形態を示し、ナノ粒子とバクテリオファージの相との間に周期性が認められた。周期性の長さは、バクテリオファージの長さと対応していた。ナノ粒子の平均粒径は約20 nmで、TEMでの個々の粒子の観察結果と類似していた。   Biofilm SEM observation: SEM was used to observe the nanoscale bacteriophage sequence of A7-ZnS film. For analysis by SEM, the film was cut and then coated with 2 nm chromium by vacuum evaporation in an argon atmosphere. A densely packed structure (FIG. 4D) was observed throughout the sample. The average length of individual phage, 895 nm, had reasonable similarity to the phage length of 880 nm. The film exhibited a smectic A or C-like lamellar morphology, with periodicity observed between the nanoparticles and the bacteriophage phase. The length of the periodicity corresponded to the length of the bacteriophage. The average particle size of the nanoparticles was about 20 nm, similar to the observation of individual particles with TEM.

バイオフィルムのTEMによる観察: ZnSナノ粒子の配列を調べるにあたっては、フィルムを、エポキシ樹脂(LR white)中に1日包埋し、10 μlの硬化促進剤を加えて重合させた。硬化後、Leicaのウルトラミクロトームを使用して、樹脂の切片を作成した。これらの約50 nmの切片を蒸留水に浮かせ、ブランクの金格子上に拾い上げた。模式図中のx-z平面に対応する平行に配列したナノ粒子が観察された(図4E-F)。各バクテリオファージが5コピーのA7部分を有しているので、各A7が1個のナノ粒子(サイズ、2〜3 nm)を認識し、幅約20 nmで配列し、長さ2μm超にわたって延在した。2μm×20 nmのバンドが平行に形成され、各バンドの間隔は約700 nmであった。この不一致は、ファージ層のスメクチックな配列がTEMによる観察に対して傾斜していることによって生じている可能性があり、この点については、Marvinのグループによる報告がある。図1Fに示したものに似たy-z軸様のナノ粒子層の平面も観察された。配列した粒子のSAEDパターンからは、ZnS粒子が、繊維亜鉛鉱の六方晶構造を有することが示された。   Observation of biofilm by TEM: In order to examine the arrangement of ZnS nanoparticles, the film was embedded in an epoxy resin (LR white) for one day and polymerized by adding 10 μl of a curing accelerator. After curing, resin sections were made using a Leica ultramicrotome. These approximately 50 nm sections were floated in distilled water and picked up on a blank gold grid. Parallel aligned nanoparticles corresponding to the xz plane in the schematic diagram were observed (FIGS. 4E-F). Since each bacteriophage has 5 copies of the A7 portion, each A7 recognizes one nanoparticle (size, 2-3 nm), is arranged approximately 20 nm wide, and extends over a length of more than 2 μm. Existed. Bands of 2 μm × 20 nm were formed in parallel, and the interval between each band was about 700 nm. This discrepancy may be caused by the smectic arrangement of the phage layer being tilted with respect to the TEM observation, as reported by Marvin's group. A plane of a nanoparticle layer similar to that shown in FIG. 1F was also observed. The SAED pattern of the arrayed particles showed that the ZnS particles have a hexagonal structure of fibrite.

バイオフィルムのAFMによる観察: ウイルスフィルムの表面配向を、AFMを用いて調べた。図4Cでは、ファージが、スメクチックOと称される表面の大半では、隣接したダイレクターの法線(バクテリオファージの軸線)がほぼ直角であるような平行に配列したヘリングボーンのパターンを形成していることが示された。フィルムは、何十μmも続く長範囲で規則化した法線ダイレクターを示した。2つの磁区の層が互いに出逢う領域の一部では、2または3の多重長さスケールのバクテリオファージが平行で、スメクチックC規則構造を保持して配列していた。   Observation of biofilm by AFM: The surface orientation of the virus film was examined using AFM. In FIG. 4C, the phage forms a pattern of herringbones arranged in parallel such that for most of the surface called Smectic O, the normals of adjacent directors (bacteriophage axis) are approximately perpendicular. It was shown that The film exhibited a long range ordered normal director lasting tens of microns. In the part of the region where the two magnetic domain layers meet each other, two or three multi-length scale bacteriophages were parallel and arranged with a smectic C-ordered structure.

認識ならびに自己規則化システムを使用することによって得た半導体材料のナノスケールおよび多重長さスケールの配列は、将来的に、電子素子のミクロでの製造に役立つ。これらの素子は、現行のフォトリソグラフィーの諸特性を凌駕する可能性を秘めている。こうした材料の他の用途の可能性としては、発光ディスプレー、光学検出装置、レーザーのような光電素子、堅牢な配線、ナノメートル・スケールのコンピュータ部品およびバイオセンサーなどを挙げることができる。   Nanoscale and multi-length scale arrangements of semiconductor materials obtained by using recognition and self-ordering systems will be useful in the future for microfabrication of electronic devices. These elements have the potential to surpass the characteristics of current photolithography. Other potential uses for these materials include light emitting displays, optical detectors, photoelectric elements such as lasers, robust wiring, nanometer scale computer components and biosensors.

実施例III: 金属および磁性材料の形成
ファージディスプレー技術を、磁性材料に選択的に結合する新規なペプチドを見いだすために使用した。これらの特定の研究では、磁性材料のフィルムの製造を、まず、磁性材料のコロイド状分散液を合成することによって行った。次に、これらのコロイド状溶液を、Siウェーハ状に滴下コーティングし、N2中でアニーリングして、所望の結晶構造を生成させた。次に、これらのフィルム(ε-Co、CoPt、およびFePt)にファージディスプレーを実施して、各基板に選択的に結合するペプチドを見いだした。次に、これらのペプチドを使用した独特のナノ粒子の核形成を、目的とするペプチドを発現しているファージ、金属塩、還元剤を混合することによって実施した。
Example III: Formation of metal and magnetic materials Phage display technology was used to find novel peptides that selectively bind to magnetic materials. In these specific studies, the production of magnetic material films was performed by first synthesizing a colloidal dispersion of magnetic material. These colloidal solutions were then drop coated onto Si wafers and annealed in N 2 to produce the desired crystal structure. Next, phage display was performed on these films (ε-Co, CoPt, and FePt) to find peptides that selectively bind to each substrate. Next, nucleation of unique nanoparticles using these peptides was performed by mixing phage expressing the peptide of interest, a metal salt, and a reducing agent.

サイズおよび組成が制御されたナノ粒子の合成は、根本的かつ重要な技術である。ここ数年、サイズおよび形状がきちんと制御された金属および半導体製のナノ粒子を得ることのできる合成方法について記載した論文が多数発表されてきた。最近では、ファージディスプレーを利用して特定したペプチドが無機表面に選択的に結合可能であり、このペプチドが、半導体ナノ粒子の核形成の制御に利用できることがわかってきた。この場合、ペプチドは、得られるナノ粒子のサイズ、形状、組成、そして場合によっては結晶度までを制御可能である。ペプチドで半導体ナノ粒子の合成を成功裏に制御できたため、この技術を他の重要な材料に適用することに多大な興味が集まっている。   The synthesis of nanoparticles with controlled size and composition is a fundamental and important technique. In the last few years, many papers have been published describing synthetic methods that can produce nanoparticles of metal and semiconductors with well-controlled size and shape. Recently, it has been found that peptides identified using phage display can be selectively bound to inorganic surfaces and can be used to control nucleation of semiconductor nanoparticles. In this case, the peptide can control the size, shape, composition, and possibly even crystallinity of the resulting nanoparticles. Because of the successful control of the synthesis of semiconductor nanoparticles with peptides, there is great interest in applying this technology to other important materials.

特に重要かつ産業上有用な一群の材料としては、粒子およびナノ粒子のものをはじめとする強磁性体がある。強磁性材料は、年間何十億規模の磁気記録産業の基盤となっている。現行の素子では、磁化が容易で製造しやすいという理由で、データの記憶にCoCr合金を使用している。他の材料も、現在開発中であり、そうした材料の一つが磁気異方性が107 erg/cm3のレベルの金属Coである。こうした高い磁気異方性からは、直径が10 nmといった小型の粒子でも、単一の磁区として作用し、記憶要素として機能しうるものであることが示唆される。現行の技術では、磁区のサイズが何百ナノメータのレベルであるような記憶要素が使用されているので、サイズが10 nmレベルのCoナノ粒子の生成は、はるかに高密度の記憶素子の製造をも可能とする劇的な進歩である。さらに興味深い強磁性材料は、Ptの磁性合金、特にFePtおよびCoPtの磁性合金である。これらの材料は、磁気異方性が極めて高く(108 erg/cm3)、これは、FeとPt原子が重畳することによって生じた格子定数の乱れによって、Ptが磁性状態となるインバー効果が生じているためである。これらの系が高い異方性を備えていることからは、2 nmといった小型のナノ粒子も室温で強磁性材料として作用することができ、こうしたナノ粒子が、極めて高密度の記憶素子を開発するうえで利用しうるものであることがわかる。 One particularly important and industrially useful group of materials are ferromagnets, including those of particles and nanoparticles. Ferromagnetic materials are the foundation of the billions of years of the magnetic recording industry. Current devices use CoCr alloys for data storage because they are easy to magnetize and easy to manufacture. Other materials are currently under development, and one such material is metallic Co with a magnetic anisotropy level of 10 7 erg / cm 3 . Such high magnetic anisotropy suggests that even small particles with a diameter of 10 nm can act as a single magnetic domain and function as a memory element. Current technology uses storage elements whose domain size is on the order of hundreds of nanometers, so the generation of Co nanoparticles with a size of 10 nm is the production of much higher density storage elements. It is also a dramatic advancement that makes possible. Further interesting ferromagnetic materials are Pt magnetic alloys, in particular FePt and CoPt magnetic alloys. These materials have extremely high magnetic anisotropy (10 8 erg / cm 3 ). This is because of the invar effect that Pt becomes magnetic due to the disturbance of the lattice constant caused by superposition of Fe and Pt atoms. This is because it has occurred. Because these systems have high anisotropy, small nanoparticles as small as 2 nm can also act as ferromagnetic materials at room temperature, and these nanoparticles will develop extremely high density memory elements. It can be seen that it can be used above.

こうした系は磁気異方性が高いため、こうした材料から構成される粒子およびナノ粒子の合成には多大な努力が投下されてきた。ε-Co、FePt、およびCoPtについてはいくつかの異なる合成プロトコールが開発されているが、これらのプロトコールは、いずれも、同じ根本的な弱点をかかえている。こうした合成戦略は、いずれも、界面活性剤の存在下での高温でのナノ粒子の制限された析出に依拠しているのである。すなわち、ナノ粒子のこうした製造は、いずれも、不活性雰囲気中で高価な物質を使用する必要があるために多大な費用がかかり、規模の拡大を望めない。また、これらの製造では、所望の結晶度を実現するための高温でのアニーリングなどによる粒子のさらなる改質や、単分散集団とするためのサイズ選択的な析出が必要とされることも多い。こうした余分な合成工程のために、こうした合成戦略は費用が上昇してしまう。   Since such systems have high magnetic anisotropy, great efforts have been devoted to the synthesis of particles and nanoparticles composed of these materials. Several different synthetic protocols have been developed for ε-Co, FePt, and CoPt, all of which have the same fundamental weaknesses. All of these synthetic strategies rely on the limited precipitation of nanoparticles at high temperatures in the presence of surfactants. That is, any such production of nanoparticles is costly due to the need to use expensive materials in an inert atmosphere and cannot be scaled up. Also, these productions often require further modification of the particles, such as annealing at high temperatures to achieve the desired crystallinity, and size selective precipitation to form a monodisperse population. Because of these extra synthetic steps, these synthetic strategies are costly.

これらの材料は産業上の重要性が高いので、新規な合成戦略が必要とされてきた。ペプチドを媒介とした磁性材料の合成という原理を利用すると、そうした代替戦略が可能となる。こうした研究では、ファージディスプレーを用いた選択を重要な磁性材料(Co、CoPt、SmCo5、およびFePt)に対して実施して、磁性材料に対して高い親和性で特異的に結合するペプチドを特定する。そうしたペプチドは、特性解析後に使用して、磁性ナノ粒子の核形成を制御する。こうした研究では、当該ペプチドを発現するファージを、当該金属の金属塩と混合し、次に、還元剤(NaBH4)を加えてナノ粒子を生成した。ナノ粒子が形成され、このナノ粒子の特性をTEMで解析した。本発明の合成は、周囲条件で実施して、磁性ナノ粒子を生成する既存の合成戦略よりはるかに安価な代替戦略を提供するものである。 Because these materials are of great industrial importance, new synthetic strategies have been required. Such an alternative strategy is possible using the principle of peptide-mediated magnetic material synthesis. In these studies, selection using phage display is performed on key magnetic materials (Co, CoPt, SmCo5, and FePt) to identify peptides that specifically bind to magnetic materials with high affinity. . Such peptides are used after characterization to control nucleation of magnetic nanoparticles. In such studies, the phage expressing the peptide was mixed with the metal salt of the metal, and then a reducing agent (NaBH 4 ) was added to produce nanoparticles. Nanoparticles were formed and the properties of the nanoparticles were analyzed by TEM. The synthesis of the present invention is performed at ambient conditions and provides an alternative strategy that is much cheaper than existing synthetic strategies to produce magnetic nanoparticles.

磁性ナノ粒子のX線回折による解析
ファージディスプレーの基板として使用するために磁性表面を生成する必要があっった。この目的で、磁性ナノ粒子を従来法で製造し、Siウェーハに滴下コーティングした。ファージディスプレーの研究を開始する前に、表面の特性をX線回折(XRD)で解析して、この材料の結晶度が適切であることを確認した。
Analysis of magnetic nanoparticles by X-ray diffraction It was necessary to generate a magnetic surface for use as a substrate for phage display. For this purpose, magnetic nanoparticles were produced by conventional methods and applied dropwise to a Si wafer. Before starting the phage display study, surface properties were analyzed by X-ray diffraction (XRD) to confirm that the crystallinity of this material was appropriate.

ε-CoについてえられたXRDパターンは、文献で得られたパターンとよく相関しており、45度と50度の間にトリプレットのピークを示し、これらのピークは、ε-Coの(221)、(310)、および(311)結晶平面と対応しているために、特にはっきりしていた。FePtおよびCoPtのパターンも、FePtllについての文献のスペクトルと一致しており、FePtおよびCoPtの(001)、(110)、(111)、(200)、(002)、(210)、(112)、および(202)平面に対応するピークを示した。SmCo5についてのXRDも、HCP SmCo5についての文献上の値と一致し、(101)、(110)、および(111)面を表すピークを示した。これは、HCP SmCo5ナノ粒子について最初に報告された合成である。図5Aは、SmCo5ナノ粒子についての高解像度のTEM画像、図5Bは、TEMの画像の選択された領域で、電子回折パターンを示す。回折パターン中の数個のスポットが、HCP SmCo5の既知の面とよく相関した(図51B)。図5Cは、アニーリングしたSmCo5ナノ粒子についてのSTEMの画像で、ナノ粒子のサイズ、形状、および全体的な形状が図示されている。   The XRD pattern obtained for ε-Co correlates well with the pattern obtained in the literature, showing a triplet peak between 45 and 50 degrees, these peaks being the (221) of ε-Co , (310), and (311) because they correspond to the crystal planes. The pattern of FePt and CoPt is also consistent with the literature spectrum for FePtll, (001), (110), (111), (200), (002), (210), (112) of FePt and CoPt And peaks corresponding to the (202) plane. The XRD for SmCo5 also agreed with the literature values for HCP SmCo5 and showed peaks representing the (101), (110), and (111) planes. This is the first reported synthesis for HCP SmCo5 nanoparticles. FIG. 5A shows a high resolution TEM image for SmCo5 nanoparticles, and FIG. 5B shows an electron diffraction pattern in selected regions of the TEM image. Several spots in the diffraction pattern correlated well with the known surface of HCP SmCo5 (FIG. 51B). FIG. 5C is a STEM image of the annealed SmCo5 nanoparticles, illustrating the size, shape, and overall shape of the nanoparticles.

結合性ファージの配列解析および結合アッセイ
表3に、目的とする磁性材料との結合性についてファージディスプレーを使用して選択した全ペプチドを列挙して示す。
Binding Phage Sequence Analysis and Binding Assay Table 3 lists and lists all peptides selected using phage display for binding to the magnetic material of interest.

(表3)磁性結合特性を有する選択されたクローン

Figure 2006520317
*ε-Co上の7量体の拘束ライブラリーについては、コンセンサス配列は得られたかった。 Table 3 Selected clones with magnetic binding properties
Figure 2006520317
* Consensus sequences were not obtained for the 7-mer constrained library on ε-Co.

選択された配列は、いずれも、金属表面に対して高度の親和性を持つ有効な配列である可能性が高い。配列のいくつかには、ヒスチジン残基が出現する。ヒスチジンはイミダゾール側基を備えているので、金属の優れた配位子となり、したがって、ヒスチジンがこうした配列中に存在することは、予測される状況である。CoPt上の7量体の拘束配列を除いては、Pt合金について単離された全配列がリジン残基を含んでいる。リジンとPtの相互作用は、抗癌剤として重要なシスプラチンの作用において重要であると考えられている。リジンとPtの相互作用からは、これらの配列が、こうした材料に選択的に結合することが示唆される。とはいえ、本発明は、既知未知を問わず、特定の機構の相互作用に限定されるものではない。   Any of the sequences selected are likely to be effective sequences with a high degree of affinity for the metal surface. In some of the sequences, histidine residues appear. Since histidine has an imidazole side group, it is an excellent ligand for metals, and therefore the presence of histidine in these sequences is an expected situation. Except for the 7-mer constrained sequence on CoPt, the entire sequence isolated for the Pt alloy contains lysine residues. The interaction between lysine and Pt is thought to be important in the action of cisplatin, which is important as an anticancer agent. The interaction of lysine and Pt suggests that these sequences bind selectively to such materials. Nevertheless, the present invention is not limited to the interaction of a specific mechanism, whether known or unknown.

特異的結合アッセイ: 単離されたファージの磁性基板に対する親和性を測定するために、2種の試験を行った。最初の試験では、我々のCo特異的ファージ、ランダムファージ、および野生型ファージをはじめとする数種の異なったペプチド含有ファージをCo表面に接触させた。さらに、Co特異的ファージを、数種の異なった材料表面に接触させた。結果を図6に示す。Co特異的ファージは、Coに対して、野生型ファージまたはランダム・ファージライブラリー配列より高い親和性を示した(図6A)。また、Co特異性ファージは、SiよりCoに対して高い親和性を示し、このファージがCo表面に選択的に結合するものであることが示唆された。   Specific binding assay: Two tests were performed to determine the affinity of the isolated phage for the magnetic substrate. In the first test, several different peptide-containing phages, including our Co-specific phage, random phage, and wild-type phage, were contacted with the Co surface. In addition, Co-specific phage were contacted with several different material surfaces. The results are shown in FIG. Co-specific phage showed higher affinity for Co than wild-type phage or random phage library sequences (FIG. 6A). The Co-specific phage showed higher affinity for Co than Si, suggesting that this phage selectively binds to the Co surface.

第二の試験では、Co表面をCo特異的ファージの溶液に浸漬させた。この試験を、数種の異なったファージ濃度で繰り返した。ファージの吸着量をファージの濃度に対してプロットしたところ(図6B)、ファージのCo表面への吸着が、分析対象物の表面への吸着に関してのラングミュアのモデルに従うことが示唆された。吸着がラングミュアのモデルに従うので、逆数プロットを生成すると、吸着されたファージと濃度が一次相関していることが示された(図示せず)。この線のスロープは、結合定数と等しく、Coの場合には、ファージのkadsは、2×10-12 Mであった。この測定は、ファージと無機表面の間の結合に伴う熱力学的特性についての初めての測定であるので、解釈が難しいが、この結合定数の大きさは、他の幾つかの生体相互反応に匹敵するものである。このアプローチは、CoPtおよびFePt系に使用することができる。 In the second test, the Co surface was immersed in a solution of Co specific phage. This test was repeated at several different phage concentrations. When the amount of adsorbed phage was plotted against the concentration of phage (FIG. 6B), it was suggested that the adsorption of the phage to the Co surface follows the Langmuir model for the adsorption of the analyte to the surface. Since the adsorption follows the Langmuir model, generating an inverse plot showed a linear correlation between the adsorbed phage and the concentration (not shown). The slope of this line is equal to the binding constant, and in the case of Co, the phage k ads was 2 × 10 −12 M. Although this measurement is the first measurement of the thermodynamic properties associated with the binding between the phage and the inorganic surface, it is difficult to interpret, but the magnitude of this binding constant is comparable to some other biological interactions. To do. This approach can be used for CoPt and FePt systems.

これらの試験によって、ファージディスプレー・スクリーニングを使用して選択したペプチドが、Coに対しては特異的な結合性を持つものの、他の材料に対してはそうした結合性を持たないことが示された。磁性材料をはじめとする金属材料を形成させるうえで利用することができるのは、この特異性である。   These studies show that peptides selected using phage display screening have specific binding properties for Co but not such binding properties for other materials. . It is this specificity that can be used to form metallic materials, including magnetic materials.

ペプチドで媒介した核形成によって製造したナノ粒子のTEMによる解析
本発明の一態様では、ペプチドを使用してナノ粒子を製造して、改質および/または結晶度を制御した。表3に示す7量体の拘束配列を使用して成長させたCoPtナノ粒子の高解像度のTEM画像も撮影した(図示せず)。これらのナノ粒子は、格子間隔が0.19および0.22 nmで、これはL10 CoPtの格子間隔と相関している。
Analysis by TEM of Nanoparticles Produced by Peptide-Mediated Nucleation In one aspect of the invention, peptides were used to produce nanoparticles to control modification and / or crystallinity. High resolution TEM images of CoPt nanoparticles grown using the 7-mer constrained array shown in Table 3 were also taken (not shown). These nanoparticles have a lattice spacing of 0.19 and 0.22 nm, which correlates with the lattice spacing of L10 CoPt.

野生型ファージを使用して成長させたナノ粒子の高解像度のTEM画像も、ランダムペプチド・インサートを含むファージを使用して成長させたCoPtナノ粒子の画像とともに撮影した(図示せず)。これらの双方の対照試験では、ナノ粒子が一応形成されたものの、これらのナノ粒子は、CoPt選択性ペプチドを使用して成長させた粒子が備えているような結晶度は備えていなかった。ファージの不在下で成長させたナノ粒子は、凝集して溶液から析出してしまうので、TEMによる画像の撮影は、ほぼ不可能である。   High resolution TEM images of nanoparticles grown using wild-type phage were also taken with images of CoPt nanoparticles grown using phage containing random peptide inserts (not shown). In both of these control studies, although nanoparticles were formed, they did not have the crystallinity that particles grown using CoPt selective peptides had. Nanoparticles grown in the absence of phage aggregate and precipitate out of solution, making it almost impossible to take images with TEM.

FePtに対して選択的な12量体のペプチドを発現するファージを使用して成長させたFePtナノ粒子についても、高解像度のTEM画像を撮影した(図示せず)。これらのナノ粒子は、CoPtナノ粒子と類似した格子間隔を示し、これらのナノ粒子がL10 FePtから構成されていることが示唆された。この同じ粒子、たとえば、野生型ファージの存在下で生育させたFePtナノ粒子について、電子回折パターンを撮影した(図示せず)。これらのナノ粒子も、FePt選択性ファージを使用して成長させた粒子が備えているような結晶度は備えていない。ファージの不在下で成長させたナノ粒子は、凝集して溶液から析出してしまうので、画像の撮影は不可能である。   High resolution TEM images were also taken of FePt nanoparticles grown using phage expressing a 12-mer peptide selective for FePt (not shown). These nanoparticles showed lattice spacing similar to CoPt nanoparticles, suggesting that these nanoparticles are composed of L10 FePt. An electron diffraction pattern was photographed (not shown) for this same particle, eg, FePt nanoparticles grown in the presence of wild-type phage. These nanoparticles also do not have the crystallinity that particles grown using FePt-selective phage have. Nanoparticles grown in the absence of phage aggregate and precipitate out of solution, making it impossible to take an image.

表1に示す7量体の拘束配列を使用して成長させたCoPtナノ粒子の高解像度のTEM画像を、図7に示す。これらのナノ粒子の格子間隔は、約0.22 nmで、これは、HCP Coについての文献上の値である約0.19 nm、およびLlo CoPtの格子間隔とよく相関している(図7A)。また、選択された領域を使用して、ナノ粒子の電子回折パターンを観察した(図示せず)。この回折パターンには、HCP Coの面と相関するバンドが何本か存在しており、ナノ粒子が事実上HCP Coから構成されていることが示された。野生型ファージ(図7C)または非特異的ファージ(図7B)を用いた対照実験では、ナノ粒子が一応形成されたものの、これらのナノ粒子は、CoPt選択性ペプチドを使用して成長させた粒子が備えているような結晶度は備えていなかった。ファージの不在下で成長させたナノ粒子は凝集して、溶液から析出してしまうので、TEMによる画像の撮影は、ほぼ不可能である。   A high resolution TEM image of CoPt nanoparticles grown using the 7-mer constrained array shown in Table 1 is shown in FIG. The lattice spacing of these nanoparticles is about 0.22 nm, which correlates well with the literature value for HCP Co of about 0.19 nm and the lattice spacing of Llo CoPt (FIG. 7A). In addition, the selected region was used to observe the electron diffraction pattern of the nanoparticles (not shown). In this diffraction pattern, there are some bands that correlate with the surface of HCP Co, indicating that the nanoparticles are actually composed of HCP Co. In control experiments with wild-type phage (Figure 7C) or non-specific phage (Figure 7B), nanoparticles were formed once, but these nanoparticles were grown using CoPt-selective peptides. The crystallinity was not provided. Since nanoparticles grown in the absence of phage aggregate and precipitate from solution, it is almost impossible to take an image with a TEM.

図8は、Coに対して特異的に結合する12量体のペプチドを発現したファージを使用して成長させたCoナノ粒子の高解像度のTEM画像である(図8A)。これらのナノ粒子の格子間隔は0.2 nmで、これは、HCP Coについての文献上の値(0.19 nm)とよく相関している。これらのナノ粒子の電子回折パターンを観察するために、特定の領域を選んだ(図8B)ところ、回折パターンには、HCP Coの面と相関するバンドが何本か存在しており、ナノ粒子がHCP Coから構成されていることが示された。野生型ファージまたは非特異的ファージを使用したり、ファージを使用しなかった対照実験では、Co粒子は凝集して、溶液から沈殿してしまう(図示せず)。   FIG. 8 is a high resolution TEM image of Co nanoparticles grown using phage expressing a 12-mer peptide that specifically binds to Co (FIG. 8A). The lattice spacing of these nanoparticles is 0.2 nm, which correlates well with the literature value for HCP Co (0.19 nm). In order to observe the electron diffraction pattern of these nanoparticles, a specific region was selected (Fig. 8B), and the diffraction pattern had several bands correlated with the HCP Co surface. Was composed of HCP Co. In control experiments using wild-type phage or non-specific phage or no phage, Co particles aggregate and precipitate out of solution (not shown).

図9Aは、FePtに対して選択的な12量体のペプチドを発現したファージを使用して成長させたFePtナノ粒子の高解像度のTEM画像である。これらのナノ粒子は、CoPtナノ粒子と似た格子間隔を示し、Llo FePtから構成している可能性が高かった。図9Bは、対応する電子回折パターンで、図9Cは、野生型ファージの存在下で成長させたFePtナノ粒子の画像である。野生型のファージ不在下では、ナノ粒子は、FePtに対して選択的なファージを使用して成長させたナノ粒子が備えているような結晶度は備えていなかった。また、ファージの不在下で成長させたナノ粒子は、凝集して溶液から析出してしまうので、画像の撮影は不可能である。   FIG. 9A is a high resolution TEM image of FePt nanoparticles grown using phage expressing a 12-mer peptide selective for FePt. These nanoparticles showed a lattice spacing similar to CoPt nanoparticles and were likely composed of Llo FePt. FIG. 9B is the corresponding electron diffraction pattern and FIG. 9C is an image of FePt nanoparticles grown in the presence of wild type phage. In the absence of wild-type phage, the nanoparticles did not have the crystallinity as provided by nanoparticles grown using phage selective for FePt. Further, since the nanoparticles grown in the absence of phage aggregate and precipitate from the solution, it is impossible to take an image.

SmCo5に対して特異的な12量体のペプチドを発現するファージを使用して成長させたSmCo5ナノ粒子についても、高解像度のTEM画像を撮影した(図10A)。また、選択された領域を使用して、ナノ粒子の電子回折パターンを観察した(図10B)。この場合も、回折パターンには、HCP SmCo5の面と相関するバンドが何本か存在していた。SmCo5系を使用して実施した対照実験では、非特異的ファージを使用するとナノ粒子が凝集および/または溶液から析出してしまうというCo系で観察されたのと似た結果が得られた。こうした粒子のTEM画像では、結晶質の磁区が一部示されたものの、材料の大半の部分は非晶質であった。   High resolution TEM images were also taken of SmCo5 nanoparticles grown using phage expressing a 12-mer peptide specific for SmCo5 (FIG. 10A). In addition, using the selected region, the electron diffraction pattern of the nanoparticles was observed (FIG. 10B). Also in this case, there were some bands correlated with the surface of HCP SmCo5 in the diffraction pattern. Control experiments performed using the SmCo5 system yielded results similar to those observed in the Co system where nanoparticles were aggregated and / or precipitated from solution using non-specific phage. TEM images of these particles showed some crystalline domains, but most of the material was amorphous.

ナノ粒子のMFMによる特性解析
磁力顕微鏡検査法(MFM)を使用して、ナノ粒子の磁気特性を解析した。Coナノ粒子の核形成に使用したファージの原子間力顕微鏡での画像を、まず撮影した(図11A)。ファージ末端にナノ粒子が大きく凝集しているのがはっきり観察され、予想通り、P3タンパク質が、ナノ粒子の核形成を制御していることが示唆された。対応するMFMの画像を撮影して、これらの結果を確認した(図11B)。この場合、ファージは非磁性であるために見ることができなかったが、ナノ粒子が凝集している様子については、はっきりと見え、ナノ粒子が高い磁気異方性を備えていることが示唆された。
Characterization of nanoparticles by MFM The magnetic properties of the nanoparticles were analyzed using magnetic force microscopy (MFM). An image of the phage used for nucleation of Co nanoparticles was first taken with an atomic force microscope (FIG. 11A). The large aggregation of nanoparticles at the phage ends was clearly observed, suggesting that, as expected, the P3 protein controls the nucleation of the nanoparticles. Corresponding MFM images were taken to confirm these results (FIG. 11B). In this case, the phage could not be seen because it was non-magnetic, but the appearance of the aggregated nanoparticles was clearly visible, suggesting that the nanoparticles had high magnetic anisotropy. It was.

SQUID: 本発明の一態様では、ナノ粒子の磁気特性を、超伝導量子干渉素子(SQUID)磁力計を使用して、定量的に測定することができる。SQUID磁力測定を使用して、粒子をさらに調べた。SQUIDを使用して、ファージによって発現された12量体のペプチドを使用して成長させたFePtナノ粒子について、室温でのヒステリシス・ループを測定した(図12A)。走査中央部の高解像度のヒステリシス・ループも測定して、保磁力が存在することを明確にした(図12B)。これらのサンプルの保磁力は比較的低かった(約50 Oe)。このデータは、周囲条件で成長させた強磁性ナノ粒子についての最初の事例である。ヒステリシス・ループを、生物学的に製造したSmCosナノ粒子についても測定した(図13)。ヒステリシスは、これらのナノ粒子では、はるかに大きかった(400 Oe)。SmCosの巨視的サンプルは、通常、FePtより保持力の値が大きいので、この結果は予測通りである。   SQUID: In one embodiment of the present invention, the magnetic properties of the nanoparticles can be measured quantitatively using a superconducting quantum interference device (SQUID) magnetometer. The particles were further investigated using SQUID magnetometry. SQUID was used to measure the hysteresis loop at room temperature for FePt nanoparticles grown using 12-mer peptides expressed by phage (FIG. 12A). A high resolution hysteresis loop in the center of the scan was also measured to clarify the presence of coercivity (FIG. 12B). The coercivity of these samples was relatively low (about 50 Oe). This data is the first case for ferromagnetic nanoparticles grown at ambient conditions. Hysteresis loops were also measured for biologically produced SmCos nanoparticles (FIG. 13). Hysteresis was much greater for these nanoparticles (400 Oe). This result is as expected because the macroscopic sample of SmCos usually has a higher retention value than FePt.

P8コートタンパク質上の磁気特異的ペプチド
本発明の一態様では、M13バクテリオファージのp3タンパク質に発現された材料特異的なファージを使用して、磁性の挙動を示すナノ粒子を製造した。p3タンパク質は、棒形形状のファージの一端のみに存在し、また、限定数(1ファージあたり3〜5)が存在する。一方、p8コートタンパク質は、ファージの長さ方向に沿って発現され、1ファージあたり何百コピーもが発現される。このため、p8タンパク質を、CoPt特異的なペプチドを発現するよう改変し、ファージの長さ方向に沿って、CoPtナノ粒子の核を形成した。材料の製造の一例を以下に示す。他の、材料および生物科学の当業者には自明な方法も、過度の実験検証を行わずに使用可能である。
Magnetic Specific Peptides on P8 Coat Protein In one embodiment of the invention, material-specific phage expressed in the M13 bacteriophage p3 protein were used to produce nanoparticles that displayed magnetic behavior. The p3 protein is present only at one end of the rod-shaped phage, and there is a limited number (3-5 per phage). On the other hand, p8 coat protein is expressed along the length of the phage, and hundreds of copies are expressed per phage. For this reason, the p8 protein was modified to express a CoPt-specific peptide to form the nucleus of CoPt nanoparticles along the length of the phage. An example of manufacturing the material is shown below. Other methods obvious to those skilled in the materials and biological sciences can also be used without undue experimental validation.

磁性粒子およびナノ粒子をはじめとする磁性材料の核形成にあたっては、ペプチドをファージとともに、またはファージなしに十分な高温に加熱して、階梯に付随する結合性分子を、高温焼きなまし過程で、焼却、除去することができる。たとえば、500℃または1,000℃への加熱を、焼却および除去が最適なかたちで生じるような時間実施することができる。この温度を、金属のアニーリング温度の範囲とすることによって、多結晶ドメインを融合させて単結晶ドメインとすることもできる。   In nucleation of magnetic materials such as magnetic particles and nanoparticles, the peptide is heated to a sufficiently high temperature with or without phages, and the binding molecules associated with the layers are incinerated during the high-temperature annealing process. Can be removed. For example, heating to 500 ° C. or 1,000 ° C. can be performed for a time such that incineration and removal occurs optimally. By setting this temperature within the range of the annealing temperature of the metal, the polycrystalline domains can be fused to form a single crystal domain.

方法
材料: 塩化サマリウム(III)、アセチル酢酸白金(II)(Pt(Acac)2)、ヘキサクロロ白金酸二水素(H2PtCl6)、オクタカルボニルコバルト(Co2(CO)8)を、Alfa Aesarから購入した。鉄ペンタカルボニル(Fe(CO)5)、塩化コバルト(II)(CoCl2)、塩化鉄(II)(FeCl2)、酸化トリオクチルフォスフィン(TOPO)、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)、オレイルアミン、オレイン酸を、Aldrichから購入した。
Method Materials: Samarium (III) chloride, platinum (II) acetylacetate (Pt (Acac) 2 ), dihydrogen hexachloroplatinate (H 2 PtCl 6 ), octacarbonylcobalt (Co 2 (CO) 8 ), Alfa Aesar Purchased from. Iron pentacarbonyl (Fe (CO) 5 ), cobalt chloride (II) (CoCl 2 ), iron chloride (II) (FeCl 2 ), trioctylphosphine oxide (TOPO), sodium borohydride (NaBH 4 ), oleylamine Oleic acid was purchased from Aldrich.

ε-Coナノ粒子の合成: Coナノ粒子の製造を、まず、0.6 gのCo2(CO)8を5 mlのo-ジクロロベンゼンに溶解することによって行った。この混合物を1時間撹拌してCoを溶解させ、20 mlのo-ジクロロベンゼン、0.416 gのTOPO、0.2 mlのオレイン酸を、500 ml入りの3首の反応容器でAr雰囲気中にて混合した。次に、この混合物を100℃に加熱した。次に、この混合物を5分間減圧して、溶存O2およびH2Oをすべて除去した。次に、この混合物を沸騰するまで加熱し(180℃)、Co溶液を加えたところ、混合物は黒変し、COガスが雲状に発生した。20分間の還流後、反応系を室温まで冷却した。粒子を精製するために、3 mlのCoナノ粒子溶液を3 mlのエタノールと混合した。1時間後に混合物を10,000 rpmで5分間遠心した。沈殿物を、3 mlのCH2Cl2、さらに3 mlのエタノールに再懸濁させ、遠心工程を繰り返した。その後、沈殿物を、3 mlのCH2Cl2に再懸濁させた。 Synthesis of ε-Co nanoparticles: Co nanoparticles were first prepared by dissolving 0.6 g Co 2 (CO) 8 in 5 ml o-dichlorobenzene. The mixture was stirred for 1 hour to dissolve Co, and 20 ml of o-dichlorobenzene, 0.416 g of TOPO, 0.2 ml of oleic acid were mixed in a three-necked reaction vessel containing 500 ml in an Ar atmosphere. . The mixture was then heated to 100 ° C. The mixture was then depressurized for 5 minutes to remove all dissolved O 2 and H 2 O. Next, this mixture was heated to boiling (180 ° C.), and a Co solution was added. As a result, the mixture turned black and CO gas was generated in a cloud shape. After refluxing for 20 minutes, the reaction system was cooled to room temperature. To purify the particles, 3 ml Co nanoparticle solution was mixed with 3 ml ethanol. After 1 hour, the mixture was centrifuged at 10,000 rpm for 5 minutes. The precipitate was resuspended in 3 ml CH 2 Cl 2 and another 3 ml ethanol and the centrifugation step was repeated. The precipitate was then resuspended in 3 ml CH 2 Cl 2 .

FePtナノ粒子の合成: 20 mlのフェニルエーテル、0.205 gのPt(Acac)2、0.358 gの1,2-テトラデカンジオールを混合し、Ar雰囲気中で100℃に加熱、その後、0.16 mlのオレイン酸、0.17 mlのオレイルアミン、0.13 mlのFe(CO)5を加えた。この混合物を300℃に加熱し、30分間還流し、室温まで冷却した。FePtナノ粒子を、Coナノ粒子と同様にして精製した。 Synthesis of FePt nanoparticles: Mix 20 ml phenyl ether, 0.205 g Pt (Acac) 2 , 0.358 g 1,2-tetradecanediol, heat to 100 ° C. in Ar atmosphere, then 0.16 ml oleic acid 0.17 ml oleylamine, 0.13 ml Fe (CO) 5 was added. The mixture was heated to 300 ° C., refluxed for 30 minutes, and cooled to room temperature. FePt nanoparticles were purified in the same way as Co nanoparticles.

CoPtナノ粒子の合成: 製造は、0.13 mlのFe(CO)5のかわりに0.16 gのCO2(CO)8を使用した以外は、FePtと同様にして行った。 Synthesis of CoPt nanoparticles: The production was carried out in the same manner as FePt, except that 0.16 g CO 2 (CO) 8 was used instead of 0.13 ml Fe (CO) 5 .

SmCo5ナノ粒子の合成: 停止性沈殿(arrested precipitation)法を使用して、SmCo5のナノ粒子を製造した。この技術は、以前のナノ粒子製造の試みを利用したものである。38.75 mgのCoCl2を16.0 mgのSmCl3と混合し、20 mlのフェニルエーテルに混合した。次に、0.357 mlのオレイン酸を混合物に加え、さらにAr雰囲気中で100℃に加熱した。次に、1.35 mlのトリオクチルフォスフィンを加えた。次に、この混合物を10分間減圧して、溶液に溶存しているO2およびH2Oをすべて除去した。溶液の減圧パージ後、溶液を290℃に加熱して、フェニルエーテルを沸騰させた。次に、1 mlの超水素化物溶液を加えたところ、溶液は、ただちに青から黒へと変化した。次に、この黒色混合物を20分間還流し、室温まで冷却した。 Synthesis of SmCo5 Nanoparticles: SmCo5 nanoparticles were produced using an arrested precipitation method. This technology takes advantage of previous nanoparticle production attempts. 38.75 mg CoCl 2 was mixed with 16.0 mg SmCl 3 and mixed with 20 ml phenyl ether. Next, 0.357 ml of oleic acid was added to the mixture and further heated to 100 ° C. in an Ar atmosphere. Next, 1.35 ml of trioctylphosphine was added. The mixture was then depressurized for 10 minutes to remove any O 2 and H 2 O dissolved in the solution. After vacuum purging of the solution, the solution was heated to 290 ° C. to boil the phenyl ether. Then 1 ml of the superhydride solution was added and the solution immediately changed from blue to black. The black mixture was then refluxed for 20 minutes and cooled to room temperature.

フィルムの形成: ファージ・ディスプレーによる選択に用いるフィルムを製造するために、ナノ粒子のコロイド溶液を、Siスライド上に滴下してコーティングし、溶剤を蒸発させた。   Film formation: To produce a film for selection by phage display, a colloidal solution of nanoparticles was coated dropwise on a Si slide and the solvent was evaporated.

FePtおよびCoPtの場合には、その後スライドを700℃で30分間N2雰囲気中でアニーリングして、L10相を形成した。これらのスライドのすべてについてXRD分析を行って、適正な材料であることを確認した。 In the case of FePt and CoPt, the slide was then annealed at 700 ° C. for 30 minutes in a N 2 atmosphere to form the L10 phase. XRD analysis was performed on all of these slides to confirm proper material.

ペプチドの選択: ε-CoならびにCoPtおよびFePtのL10相に排他的に結合するペプチドを見いだす目的で、ファージ・ディスプレイ・ライブラリー法を使用した。より具体的には、Ph.D.-12(tm)およびPh.D.-7 CTM ファージディスプレー・ペプチド・ライブラリー・キットを、1 μL(または初期量)のファージ・ディスプレイ・ライブラリーから開始して使用し、磁性基板に対する選択を開始させた(1 mlのTBS中)。ε-Coについては、選択を、NaBH4のTBSTへの10 mM溶液中で実施した。5ラウンドのパニングを行ったところ、ペプチドおよびペプチドのDNAが単離され、テキサス大学のDNA Core Facilityから配列を入手した。バクテリオファージによって提示されたペプチドに対応するこれらの配列を解析して、コンセンサス配列を決定した。DNA配列の解析結果では、アミノ酸の率が位置に対して過剰であった。最初の2ラウンドでは非特異的結合が生じている可能性があるので、解析は、最後の3ラウンドのパニングについてのみ行った。 Peptide selection: The phage display library method was used to find peptides that bind exclusively to the L10 phase of ε-Co and CoPt and FePt. More specifically, the Ph.D.-12 (tm) and Ph.D.-7 CTM phage display peptide library kits start with 1 μL (or initial amount) of phage display library Used to initiate selection for magnetic substrates (in 1 ml TBS). For ε-Co, selection was performed in a 10 mM solution of NaBH 4 in TBST. After five rounds of panning, peptides and peptide DNA were isolated and sequences were obtained from the University of Texas DNA Core Facility. These sequences corresponding to the peptides presented by the bacteriophage were analyzed to determine the consensus sequence. In the analysis result of the DNA sequence, the ratio of amino acids was excessive with respect to the position. The analysis was performed only for the last three rounds of panning, as non-specific binding may have occurred in the first two rounds.

結合アフィニティ: ペプチドがε-Co、CoPt、FePtと特異的に結合することを確認するために、結合アフィニティを測定した。コンセンサス・ペプチドをパニングで調べて、力価の数値を得、これを、ε-CO、CoPt、FePtに結合しなかった野生型およびランダムペプチドの力価の数値と比較した。次に、各種濃度のファージを使用して、パニングで調べ、目的とする金属表面に対するファージの結合定数を決定した。   Binding affinity: Binding affinity was measured to confirm that the peptide specifically bound to ε-Co, CoPt, FePt. The consensus peptide was examined by panning to obtain titer values that were compared to those of wild-type and random peptides that did not bind to ε-CO, CoPt, FePt. Next, using various concentrations of phage, it was examined by panning to determine the binding constant of the phage to the target metal surface.

Coのペプチドを媒介した核形成: 約880μlのH2Oを100μLの1 mM CoCl2および20μLのファージ溶液(pfu = 1011)と混合した。混合物を30分間穏やかに撹拌し、次に、100μLの100 mM NaBH4を加えた。溶液をボルテックスし、さらに5分間インキュベートした。次に、TOPOおよびオレイン酸のCH2Cl2への溶液100 mlを加えた。混合物をボルテックスし、1時間にわたって穏やかに撹拌した。この間に、CH2Cl2層が暗灰色に変化した。この操作をCo-1、Co-2、野生型ファージをはじめとする数種の異なるファージ、およびファージ非含有のTBS溶液で繰り返した。 Co peptide-mediated nucleation: Approximately 880 μl of H 2 O was mixed with 100 μL of 1 mM CoCl 2 and 20 μL of phage solution (pfu = 1011). The mixture was gently stirred for 30 minutes, then 100 μL of 100 mM NaBH 4 was added. The solution was vortexed and incubated for an additional 5 minutes. Next, 100 ml of a solution of TOPO and oleic acid in CH 2 Cl 2 was added. The mixture was vortexed and stirred gently for 1 hour. During this time, the CH 2 Cl 2 layer turned dark gray. This procedure was repeated with Co-1, Co-2, several different phages including wild type phage, and a TBS solution containing no phage.

CoPtのペプチドを媒介した核形成: 核形成のために、50μLの1mM CoCl2溶液を、50μLの1 mM H2PtCl6溶液と混合した。次に、10 mlのファージ溶液を加えた(pfu = 1011)。この混合物を、30分間穏やかに撹拌し、次に、20μLの100mM NaBH4を加えた。この溶液をただちにボルテックスし、30分間タンブラー中に置いた。最終溶液は、黄色であった。 CoPt peptide-mediated nucleation: For nucleation, 50 μL of 1 mM CoCl 2 solution was mixed with 50 μL of 1 mM H 2 PtCl 6 solution. Next, 10 ml of phage solution was added (pfu = 1011). The mixture was gently stirred for 30 minutes and then 20 μL of 100 mM NaBH 4 was added. This solution was immediately vortexed and placed in a tumbler for 30 minutes. The final solution was yellow.

FePtのペプチドを媒介した核形成: CoCl2溶液のかわりにFeCl2溶液を使用した以外はCoPtと同様にして、FePtを製造した。 FePt peptide-mediated nucleation: FePt was prepared in the same manner as CoPt, except that FeCl 2 solution was used instead of CoCl 2 solution.

SmCo5のペプチドを媒介した核形成: 100μLの1mM CoCl2のかわりに16.7μLの1mM SmCl3および83 ulの1mM CoCl2を使用した以外は、Coの合成と同様とした。 Pm mediated nucleation of SmCo5: Same as Co synthesis except that 16.7 μL of 1 mM SmCl 3 and 83 ul of 1 mM CoCl 2 were used instead of 100 μL of 1 mM CoCl 2 .

ペプチドのP8による発現: 遺伝子改変大腸菌を、20 mlのLB培養液中で一晩増殖させ、1:100に希釈し、次に、O.D. = 0.6となるまで生育させた。テトラサイクリン-HCl(1000x)および100mM IPTGを、lmMの最終濃度となるまで加えた。IPTGは、細胞内での修飾p8タンパク質の製造を開始させ、修飾p8タンパク質は、組立時にウイルスのコートに組み込まれる。混合物を、撹拌せずに、1時間静置した。1時間後に、ヘルパーファージを感染させ、その後、39℃にて一晩振盪した。次に、ファージを、遠心およびPEG沈殿によって分離精製した。増幅させたファージのペレットを、10 mlのTBS(pH 7.5)に再懸濁させ、18 MWの水に対して透析した。0.5 mlの5mM CoCl2および5mM H2PtCl6の双方を、遠心して沈殿させて上清を除去しておいた増幅ファージのストック1 mlに加えた。さらに60分間の振盪を行い、その後、0.5 mlの100mM NaBH4を還元剤として加えた。 Peptide expression by P8: Genetically modified E. coli was grown overnight in 20 ml LB broth, diluted 1: 100 and then grown to OD = 0.6. Tetracycline-HCl (1000 ×) and 100 mM IPTG were added to a final concentration of lMM. IPTG initiates the production of modified p8 protein in the cell, and the modified p8 protein is incorporated into the viral coat during assembly. The mixture was left for 1 hour without stirring. One hour later, helper phage was infected and then shaken overnight at 39 ° C. Next, the phages were separated and purified by centrifugation and PEG precipitation. The amplified phage pellet was resuspended in 10 ml TBS (pH 7.5) and dialyzed against 18 MW water. Both 0.5 ml of 5 mM CoCl 2 and 5 mM H 2 PtCl 6 were added to 1 ml of amplified phage stock that had been spun down and the supernatant removed. A further 60 minutes of shaking was performed, after which 0.5 ml of 100 mM NaBH 4 was added as a reducing agent.

ナノ粒子のTEMによる画像を、CoPtのファセットについて期待される値に対応するバンドを多数示した選択領域の電子回折パターンとともに撮影した。CoPtナノ粒子がそのP8タンパク質に沿って成長したこれらのファージのうちの1つにいてのSTEMによる画像も撮影した。この構造の長さは、ファージの長さ(800 nm)と相関している。図14Aは、ナノ粒子のTEM画像であり、図14Bは、この高解像画像をであり、図14Cは、CoPtのファセットについて期待される値に対応する多くのバンドを示した選択領域の電子回折パターンである。CoPtナノ粒子がそのP8タンパク質に沿って成長したこれらのファージのうちの1つにいてのSTEMによる画像を、図14Dに示す。Pt(図14E)およびCo(図14F)のEDSマッピングは、CoおよびPtが、いずれも、構造の長さ方向に沿って等濃度で見いだされることを示している。   TEM images of nanoparticles were taken with selected region electron diffraction patterns showing many bands corresponding to the expected values for CoPt facets. STEM images were also taken of one of these phages where CoPt nanoparticles were grown along the P8 protein. The length of this structure correlates with the length of the phage (800 nm). Figure 14A is a TEM image of a nanoparticle, Figure 14B is this high-resolution image, and Figure 14C is an electron in a selected region showing many bands corresponding to the expected values for CoPt facets. It is a diffraction pattern. An STEM image of one of these phage with CoPt nanoparticles grown along with its P8 protein is shown in FIG. 14D. The EDS mapping of Pt (FIG. 14E) and Co (FIG. 14F) shows that both Co and Pt are found at equal concentrations along the length of the structure.

本発明は、磁性材料と結合するペプチドを特定する際に、ファージディスプレーを使用しうることを示すものである。この特定は迅速で、費用効果が高く、必要とされる材料も少なくてすむ。得られたペプチドは、磁性ナノ粒子の核形成を制御する際に使用することができ、ユーザーが、生成するナノ粒子のサイズ、組成、結晶度を制御することが可能となる。これらのペプチドを使用すると、周囲条件でナノ粒子を合成することが可能となるので、現在用いられているナノ粒子の合成戦略を好ましいかたちで代替することが可能となるものである。   The present invention demonstrates that phage display can be used in identifying peptides that bind to magnetic materials. This identification is quick, cost effective, and requires less material. The obtained peptide can be used in controlling the nucleation of magnetic nanoparticles, and the user can control the size, composition, and crystallinity of the generated nanoparticles. The use of these peptides makes it possible to synthesize nanoparticles under ambient conditions, thus making it possible to replace the currently used nanoparticle synthesis strategy in a favorable manner.

ファージ・ディスプレイ・ライブラリー、およびこうしたライブラリーをバイオパニングに使用するための実験的方法については、たとえば、以下のBelcherら米国特許公報に記載されている。(1)"Biological Control of Nanoparticle Nucleation, Shape, and Crystal Phase"、2003/0068900 (2003年4月10日公開)、(2)"Nanoscale Ordering of Hybrid Materials Using Genetically Engineered Mesoscale Virus"、2003/0073104(2003年4月17日公開)、(3)"Biological Control of Nanoparticles"、2003/0113714(2003年6月19日公開)、および(4)"Molecular Recognition of Materials"、2003/0148380(2003年8月7日公開)。   Phage display libraries and experimental methods for using such libraries for biopanning are described, for example, in the following Belcher et al. US patent publication. (1) “Biological Control of Nanoparticle Nucleation, Shape, and Crystal Phase”, 2003/0068900 (published on April 10, 2003), (2) “Nanoscale Ordering of Hybrid Materials Using Genetically Engineered Mesoscale Virus”, 2003/0073104 ( (Published April 17, 2003), (3) "Biological Control of Nanoparticles", 2003/0113714 (published June 19, 2003), and (4) "Molecular Recognition of Materials", 2003/0148380 (2003 2003) (Released on March 7).

本発明の用途は、その利用方法についても含め、以下の参考文献に記載されている。超常磁性材料の磁気共鳴映像法での利用については、たとえば、Palmacciらの米国特許第5,262,176号(1993年11月16日)に記載されており、この文献には、コロイドおよびポリマーで被覆された超常磁性金属酸化物の利用についても記載されている。この参考文献は、ここに言及することともって、その全体を、本発明に組み込むものである。超常磁性材料については、たとえば、Lee Josephson et al., Bioconjugate Chem., 1999, 10, 186-191に記載されており、この文献には、ペプチド配列で誘導体化された生体適合性のデキストラン被覆超常磁性酸化鉄粒子が記載されている。この参考文献は、ここに言及することともって、その全体を、本発明に組み込むものである。用途としては、磁気共鳴映像法と磁気を利用した分離を挙げることができる。J. Manuel Perez et al., J. Am. Chem. Soc., 2003、125、10192-10193には、核酸、タンパク質をはじめとする各種の標的を検出しうるMRIなどの各種磁気ナノセンサーに使用する磁性ナノ粒子を、ウイルスの誘導によって自己組立てすることが記載されている。この参考文献は、ここに言及することともって、その全体を、本発明に組み込むものである。   Applications of the present invention are described in the following references, including how to use them. The use of superparamagnetic materials in magnetic resonance imaging is described, for example, in Palmacci et al. US Pat. No. 5,262,176 (November 16, 1993), which is coated with colloids and polymers. The use of superparamagnetic metal oxides is also described. This reference is hereby incorporated by reference in its entirety into the present invention. Superparamagnetic materials are described, for example, in Lee Josephson et al., Bioconjugate Chem., 1999, 10, 186-191, which includes biocompatible dextran-coated superparaffins derivatized with peptide sequences. Magnetic iron oxide particles are described. This reference is hereby incorporated by reference in its entirety into the present invention. Applications include separation using magnetic resonance imaging and magnetism. J. Manuel Perez et al., J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 10192-10193 are used for various magnetic nanosensors such as MRI that can detect various targets including nucleic acids and proteins. Magnetic nanoparticles that self-assemble by virus induction are described. This reference is hereby incorporated by reference in its entirety into the present invention.

最後に、表面を、当業界で公知の各種の方法、たとえば、マイクロリソグラフィーおよびナノリソグラフィー、また、レジストおよび自己組立てされた単層、たとえば官能基が導入された自己組立された単層の使用などによってによってパターニングすることができる。   Finally, the surface can be made using various methods known in the art, such as microlithography and nanolithography, and also the use of resist and self-assembled monolayers, such as self-assembled monolayers with functional groups introduced. Can be patterned.

以下では、本発明の各種の態様の製造および使用について記載するが、本発明は、各種の具体的な状況で具体化することのできる多くの適用可能な発明概念を提供するものであることを理解されたい。本明細書に記載する具体的な態様は、単に、本発明を製造し、利用する具体的な方法を例示するものであり、本発明の範囲は、これらの態様によって限定されるものではない。   In the following, the manufacture and use of various aspects of the present invention will be described, but the present invention provides many applicable inventive concepts that can be embodied in various specific situations. I want you to understand. The specific embodiments described herein are merely illustrative of specific ways to make and utilize the invention, and the scope of the invention is not limited by these embodiments.

本発明の特徴や利点をより完全に理解するために、以下では、添付する図面に言及しつつ本発明をさらに詳細に説明する。これらの図面では、異なる図面であっても、同一番号は同一部品と対応する。
金4f-電子信号の強度による、ファージと基板の相互作用のX線光電子分光法(XPS)を用いた元素組成分析(A-C)、半導体ヘテロ構造のファージによる判別のモデル(D)、二成分を認識するアタッチメントを有する二価の合成ペプチドの例(E-F)を示す。 本発明のM13ファージのスメクチックな配列についての模式図である。 A7-ZnS懸濁液の画像で、(A-B)POM、(C)AFM、(D)SEM、(E)TEM、および(F)電子回折用インサートを用いたTEMを使用して撮影したものである。 M13バクテリオファージのナノ粒子の画像を含むものであり、(A)はフィルムの写真、(B)はフィルムの構造の模式図、(C)はAFM画像、(D)はSEM画像、(E〜F)は、x-zおよびz-y平面に沿って見たTEM画像である。 図5(A)は、アニーリングしたSmCo5ナノ粒子のTEM画像、図5(B)は、選択された領域の電子回折パターンを示すTEM画像、図5(C)は、アニーリングしたSmCo5ナノ粒子のSTEM画像である。 結合アッセイの例を示す。(A)は、Co特異的なファージのCoに対する特異性を、(B)は、本発明のCo特異的なファージのCoに対する等温線を示す。 (A)CoPtに選択的に結合する7量体の拘束ペプチドを発現するファージ、(B)ランダムペプチドを発現するファージ、および(C)野生型ファージを使用することによって製造したCoPtナノ粒子の一連の高解像度のTEM画像を含むものである。 図8(A)は、Coに対して選択的に結合する12量体のペプチドを使用して成長させたCoナノ粒子の高解像度のTEM画像であり、図8(B)は、対応する電子回折パターンである。 図9(A)は、12量体のペプチドを発現するファージを使用して成長させたFePtナノ粒子の高解像度のTEM画像であり、図9(B)は、電子回折パターンであり、これらを、図9(C)野生型ファージを使用して成長させたFePtナノ粒子と比較した。 図10(A)は、鋳型として、SmCo5に選択的に結合する12量体ペプチドを使用することによって成長させたSmCo5ナノ粒子の高解像度のTEM画像であり、図10(B)は、(A)の選択された領域についての電子回折パターン、図10(C)は、対照として、野生型ファージを使用することによって成長させたSmCo5ナノ粒子である。 図11(A)は、Coナノ粒子がP3タンパク質に結合したCo特異的なファージのAFM画像であり、図11(B)は、対応するMFM画像である。 図12(A)は、生物学的に製造したFePtナノ粒子のヒステリシス・ループ、図12(B)は、保持力を明らかにするために、ループの中央部をさらに高い解像度でスキャンしたものである。 図13(A)は、生物学的に製造したSmCo5ナノ粒子のヒステリシス・ループ、図13(B)は、保持力を明らかにするために、ループの中央部をさらに小さい軸にプロットしたものである。 本発明の、(A)CoPt特異的な12量体の配列を、そのP8タンパク質上に発現するよう遺伝的に改変されたファージを用いて成長させたCoPtナノ粒子のTEM、(B)同じCoPtナノ粒子のもっと高解像度のTEM画像、(C)対応する電子回折パターン、(D)同様にして製造した粒子のSTEM画像、(E)PtについてのSTEMマッピング、(F)CoについてのSTEMマッピングを示す。
For a more complete understanding of the features and advantages of the present invention, reference is now made to the following detailed description of the present invention, taken in conjunction with the accompanying drawings. In these drawings, the same number corresponds to the same component even in different drawings.
Analysis of elemental composition analysis using phage X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) based on gold 4f-electron signal intensity (XPS), model for discriminating semiconductor heterostructures with phage (D), two components An example of a bivalent synthetic peptide (EF) having an attachment to recognize is shown. It is a schematic diagram about the smectic arrangement | sequence of M13 phage of this invention. A7-ZnS suspension image taken using (AB) POM, (C) AFM, (D) SEM, (E) TEM, and (F) TEM with electron diffraction insert. is there. It includes images of M13 bacteriophage nanoparticles, (A) is a photograph of the film, (B) is a schematic diagram of the structure of the film, (C) is an AFM image, (D) is an SEM image, (E ~ F) is a TEM image viewed along the xz and zy planes. Fig. 5 (A) is a TEM image of annealed SmCo5 nanoparticles, Fig. 5 (B) is a TEM image showing an electron diffraction pattern of a selected region, and Fig. 5 (C) is an STEM of annealed SmCo5 nanoparticles. It is an image. An example of a binding assay is shown. (A) shows the specificity of Co-specific phage for Co, and (B) shows the isotherm of Co-specific phage of the present invention for Co. A series of CoPt nanoparticles produced by using (A) a phage expressing a 7-mer constrained peptide that selectively binds to CoPt, (B) a phage expressing a random peptide, and (C) a wild-type phage. Including high-resolution TEM images. Figure 8 (A) is a high resolution TEM image of Co nanoparticles grown using a 12-mer peptide that selectively binds to Co, and Figure 8 (B) shows the corresponding electrons. It is a diffraction pattern. Figure 9 (A) is a high resolution TEM image of FePt nanoparticles grown using phage expressing 12-mer peptides, and Figure 9 (B) is an electron diffraction pattern, which is FIG. 9 (C) was compared with FePt nanoparticles grown using wild-type phage. FIG. 10 (A) is a high resolution TEM image of SmCo5 nanoparticles grown by using a 12-mer peptide that selectively binds to SmCo5 as a template, and FIG. ) Electron diffraction patterns for selected regions, FIG. 10 (C), are SmCo5 nanoparticles grown by using wild type phage as a control. FIG. 11 (A) is an AFM image of Co-specific phage in which Co nanoparticles are bound to P3 protein, and FIG. 11 (B) is a corresponding MFM image. Figure 12 (A) shows the hysteresis loop of biologically produced FePt nanoparticles, and Figure 12 (B) shows a higher resolution scan of the center of the loop to reveal retention. is there. Figure 13 (A) is a hysteresis loop of biologically produced SmCo5 nanoparticles, and Figure 13 (B) is a plot of the center of the loop on a smaller axis to reveal retention. is there. (A) TEM of CoPt nanoparticles grown using phage genetically modified to express a CoPt-specific 12-mer sequence of the present invention on its P8 protein, (B) Same CoPt Higher resolution TEM image of nanoparticles, (C) corresponding electron diffraction pattern, (D) STEM image of particles produced in the same manner, STEM mapping for (E) Pt, STEM mapping for (F) Co Show.

Claims (32)

以下の工程を含む、磁性材料を製造する方法:
磁性材料の表面に特異的に結合する部分を含む分子を提供する工程;
1種以上の磁性材料前駆物質を、磁性材料が形成されるような条件で、分子と接触させる工程。
A method for producing a magnetic material comprising the following steps:
Providing a molecule comprising a moiety that specifically binds to the surface of the magnetic material;
The step of bringing one or more kinds of magnetic material precursors into contact with molecules under such conditions that a magnetic material is formed.
磁性材料の形成を開始する分子を、磁性材料前駆物質および還元剤に接触させる工程を含む、磁性材料を製造する方法。   A method for producing a magnetic material, comprising contacting a molecule that initiates formation of the magnetic material with a magnetic material precursor and a reducing agent. 以下の工程を含む、磁性材料を製造する方法:
磁性材料結合性分子を基板に結合させる工程;
1種以上の磁性材料前駆物質を、磁性材料が形成されるような条件で、磁性材料結合性分子と接触させる工程;
磁性材料を形成する工程。
A method for producing a magnetic material comprising the following steps:
Binding a magnetic material binding molecule to a substrate;
Contacting one or more magnetic material precursors with a magnetic material binding molecule under conditions such that the magnetic material is formed;
Forming a magnetic material;
分子が、アミノ酸オリゴマーを、磁性材料の表面に特異的に結合する部分として含む、請求項1、2、または3記載の方法。   4. The method of claim 1, 2, or 3, wherein the molecule comprises an amino acid oligomer as a moiety that specifically binds to the surface of the magnetic material. 分子がコンビナトリアル・ライブラリーのスクリーニングによって選択される、請求項1、2、または3記載の方法。   4. The method of claim 1, 2 or 3, wherein the molecule is selected by screening a combinatorial library. 磁性材料を単離する工程をさらに含む、請求項1、2、または3記載の方法。   4. The method of claim 1, 2 or 3, further comprising the step of isolating the magnetic material. 分子が、自己組立性分子の一部を含むペプチドであるとしてさらに定義される、請求項1、2、または3記載の方法。   4. The method of claim 1, 2 or 3, wherein the molecule is further defined as being a peptide comprising a portion of a self-assembling molecule. 自己組立性分子がファージである、請求項7記載の方法。   8. The method of claim 7, wherein the self-assembling molecule is a phage. 磁性材料がナノ粒子である、請求項1、2、または3記載の方法。   4. A method according to claim 1, 2 or 3, wherein the magnetic material is nanoparticles. 分子が、1種以上の磁性材料結合性アミノ酸オリゴマーを表面に発現するキメラタンパク質を含む、請求項1、2、または3記載の方法。   4. The method of claim 1, 2 or 3, wherein the molecule comprises a chimeric protein that expresses one or more magnetic material binding amino acid oligomers on the surface. 結合性分子と、1種以上の磁性材料前駆物質を使用することによって形成される磁性材料。   A magnetic material formed by using binding molecules and one or more magnetic material precursors. 磁性材料特異的な結合性分子を、金属塩および還元剤の存在下で使用することによって形成される磁性材料。   A magnetic material formed by using a binding molecule specific to a magnetic material in the presence of a metal salt and a reducing agent. ナノ粒子を含む、請求項11または12の磁性材料。   13. A magnetic material according to claim 11 or 12, comprising nanoparticles. ε-Coに特異的に結合するペプチドを含む組成物。   A composition comprising a peptide that specifically binds to ε-Co. CoPtに特異的に結合するペプチドを含む組成物。   A composition comprising a peptide that specifically binds to CoPt. FePtに特異的に結合するペプチドを含む組成物。   A composition comprising a peptide that specifically binds to FePt. SmCo5に特異的に結合するペプチドを含む組成物。   A composition comprising a peptide that specifically binds to SmCo5. 強磁性表面に特異的に結合するペプチドを含む組成物。   A composition comprising a peptide that specifically binds to a ferromagnetic surface. 以下の工程を含む、磁性材料に特異的に結合する分子を単離する方法:
分子のライブラリーを、磁性材料と接触させる工程;
非結合分子をライブラリーから除去する工程;
結合した分子を磁性材料から溶離させる工程。
A method of isolating a molecule that specifically binds to a magnetic material, comprising the following steps:
Contacting a library of molecules with a magnetic material;
Removing unbound molecules from the library;
Eluting bound molecules from the magnetic material.
分子のライブラリーが、ファージ・ディスプレー・ライブラリーを含むものであるとしてさらに定義される、請求項19記載の方法。   20. The method of claim 19, wherein the library of molecules is further defined as comprising a phage display library. 分子のライブラリーが、コンビナトリアル・ケミストリー・ライブラリーを含むものであるとしてさらに定義される、請求項19記載の方法。   20. The method of claim 19, wherein the library of molecules is further defined as comprising a combinatorial chemistry library. 分子が、磁性材料に特異的に結合するアミノ酸オリゴマーを含むものである、請求項19記載の方法。   20. The method of claim 19, wherein the molecule comprises an amino acid oligomer that specifically binds to the magnetic material. 以下の工程を含む、粒子フィルムを調製する方法:
粒子の溶液を表面に加え、その際に、結合性分子を使用することによって粒子を合成する工程;
ナノ粒子の溶液を表面上で蒸発させる工程;
粒子を表面にアニーリングして、粒子のフィルムを創出する工程。
A method of preparing a particle film comprising the following steps:
Adding a solution of particles to the surface, wherein the particles are synthesized by using binding molecules;
Evaporating a solution of nanoparticles on the surface;
The process of creating a film of particles by annealing the particles to the surface.
粒子がナノ粒子である、請求項23記載の方法。   24. The method of claim 23, wherein the particles are nanoparticles. 以下の工程を含む、金属材料の製造方法:
金属表面に特異的に結合する部分を含む分子を提供する工程;
1種以上の金属材料前駆物質を、金属材料が形成されるような条件で、分子と接触させる工程。
A method for producing a metal material including the following steps:
Providing a molecule comprising a moiety that specifically binds to a metal surface;
Contacting one or more metal material precursors with molecules under conditions such that a metal material is formed;
磁性材料と特異的に結合する分子を、300℃以下の温度で磁性材料前駆物質と接触させて、磁性材料を形成する工程を含む、磁性材料の製造方法。   A method for producing a magnetic material, comprising a step of bringing a molecule that specifically binds to a magnetic material into contact with a magnetic material precursor at a temperature of 300 ° C. or lower to form the magnetic material. 金属材料と特異的に結合する分子を、300℃以下の温度で金属材料前駆物質と接触させて、金属材料を形成する工程を含む、金属材料の製造方法。   A method for producing a metal material, comprising a step of contacting a molecule that specifically binds to a metal material with a metal material precursor at a temperature of 300 ° C. or lower to form the metal material. 磁性材料と磁性材料に特異的に結合するオリゴペプチドとを含む組成物。   A composition comprising a magnetic material and an oligopeptide that specifically binds to the magnetic material. SmCo5ナノ粒子を含む組成物。   A composition comprising SmCo5 nanoparticles. 結合性分子によって合成した金属粒子を含む金属材料。   Metal materials containing metal particles synthesized by binding molecules. 結合性分子によって合成した金属ナノ粒子の集まりを含んでおり、金属ナノ粒子は、多結晶材料から単結晶材料へとアニーリングされている、金属材料。   A metal material comprising a collection of metal nanoparticles synthesized by binding molecules, wherein the metal nanoparticles are annealed from a polycrystalline material to a single crystal material. 結合性分子によって合成した金属ナノ粒子の集まりを含む金属材料であって、金属ナノ粒子はそれぞれ独立にウイルスから合成されたものである、金属材料。   A metal material comprising a collection of metal nanoparticles synthesized by binding molecules, wherein the metal nanoparticles are each independently synthesized from a virus.
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