KR20070114316A - 생체유사 막 - Google Patents

Abstract

생물학적 막 단백질이 매우 다양한 기능을 가진 막을 생성하기 위하여 공중합체 매트릭스 내로 봉입된다(incorporated). 본 발명의 일 형태로, 혼합 막은 빛으로부터 전기를 생성하도록 공동 작용하는 두 가지 다른 단백질을 포함한다. 다른 형태에서, 물 이동 단백질이 물 정제가 가능하도록 막 내에 끼워진다(embedded).

Description

생체유사 막{BIOMIMETIC MEMBRANES}

본 출원은 2002년 7월 29일 출원된 미국 가출원 제60/398,784호 및 2003년 1월 9일 출원된 가출원 제60/438,784호의 우선권 이익을 주장하며, 전술한 문헌에 개시된 내용은 인용에 의하여 본 명세서에 포함된다.

본 발명은 생물학적 막(biological membrane)과 막 단백질(membrane protein)의 성질과 기능을 가지는 인간에 의해 만들어진 장치를 제조하는 방법 및 그러한 장치의 구조에 관한 것이다.

생물학적 막 단백질은 많은 다른 것들 중에서 펌프, 채널, 밸브, 에너지 변환기, 및 기계적, 열적, 및 전기적 센서로써의 작용을 포함하는 많은 다양한 기능을 가지고 있다. 이러한 단백질은 크기가 나노미터 단위이고 고 효율적이기 때문에, 그들은 인공 장치에서의 사용에 있어 매우 매력적이다. 그러나 그들의 자연적인 지질 막 환경은 낮은 강도, 수성 환경의 필요성, 및 화학적 또는 박테리아적 분해 민감성과 같은 단점으로 이롭지 못하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 생물학적 막(biological membrane)과 막 단백질(membrane protein)의 성질과 기능을 가지는 인간에 의해 만들어진 장치 및 그러한 장치를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

간단하게, 본 발명의 일 측면으로, 자연적 또는 유전적으로 조작된(engineered) 막 단백질이 유동체 사이에서 화합물을 선택적으로 이동 및/또는 여과할 수 있는 능력을 포함하는 다양한 고유 기능(inherent functionality)을 가진 막을 제조하기 위하여 블록 공중합체(block co-polymer) 매트릭스 내로 함유된다. 특이 성질을 가진 단백질을 선택함으로써, 막은 지정된 정전기적(electrostatic), 전자기적(electromagnetic), 및 화학적 힘에 의한 분자 규모의 어드레스능력(addressability)을 포함하는 규정된 기능을 가지도록 제조될 수 있다.

본 발명의 블록 공중합체는 다음과 같은 바람직한 성질을 가지도록 설계되고 제조될 수 있다: 바람직한 두께의 막을 형성하는 능력; 바람직한 화학적 조성의 막을 형성하는 능력; 높은 강도의 막을 형성하는 능력; 및 이미 형성된 막의 강도를 바람직한 정도로 증가시키는 능력. 이러한 막들의 가장 중요한 성질의 하나는 그들이 기능 상태에서(in a functional state) 자연적인 생물학적 막 단백질을 거주시킬 수 있다는 것, 및 이러한 복합 막들은, 생물학적 막 단백질을 그러한 고분자 막 내로 삽입함으로써, 창조된 단백질의 성질과 기능을 갖는 튼튼하고 수명이 긴 장치라는 것이다. 적당한 고분자는 단지 막 단백질의 윗부분 반과 바닥 반을 분리하고, 그들이 적절히 조절될 때 단백질의 삽입이 용이하도록 천연 지질 막과 충분히 유사하고, 및 그들이 단백질의 자연적 기능을 손상하지 않는 막을 형성할 필요가 있다. 이러한 조건을 만족하는 고분자는 친수성의 외(outer) 블록과 소수성의 내(inner) 블록의 일반적 성질을 가지는 삼중-블럭 공중합체(tri-block copolymer)를 포함한다.

본 발명의 일 측면은, 한꺼번에 작용할 때 빛으로부터 전기를 생성하는 장치인 "생체태양 전지(Biosolar Cell)"를 초래하는, 두 개의 다른 단백질을 함유하는 복합 막의 생성에 관한 것이다. 본 발명의 다른 측면은 임의의 물 소스로부터 물을 정제하기 위한 물 이동 단백질을 사용하는 것이다. 이러한 측면에 대해서는 아래에서 설명된다.

비록 장치 소형화를 가져온 기술 혁신은 전자공학을 더 작고, 더 가볍고, 더 효율적으로 만들었지만, 이러한 장치를 위한 동력원(source of power)의 진전은 빠르게 발전하지 않았다. 21세기의 동력원은 크기와 무게에서 감소한 증가하는 수의 장치에 에너지를 공급하는 도전에 직면해 있다. 부가적으로, 나노기술 및 바이오기술의 미래 프로덕트는 형태 또는 기능에 있어 오늘날 사용되는 것들과 유사하지 조차 않은 동력 공급원을 필요로 할 것이다.

다양한 개발되는 적용례를 위한 더 가볍고 더 아담한 전기 공급원에 대한 필요성이 커져가고 있다. 그러한 동력원은 동력 밀도(power density)를 최대화하기 위하여 주어진 동력 요구(power requirement)를 위해 전달될 필요가 있는 무게를 최소화하는 현대의 전지 기술로 달성될 수 있는 것보다 더 큰 범위의 임무를 수행할 수 있을 것이다. 종래의 연료 공급원에 있어 연료 공급원은 장치 근처에 위치해야 하고 장치가 이동성이라면 그것과 함께 운반되어야 하기 때문에 무게 필요물(requirement)은 결정적이다. 연료의 소모 또한 발생가능하고 그러한 공급의 보충이 그 후 필요하다. 이것이 사용자의 범위와 이동성에 제한을 가할 수 있다.

동시대의 과학은 나노바이오기술(nanobiotechnology)의 발전에 있어 전망 밝고 흥미로운 잠재력을 보여주었다. 원자가 소모되지 않는 성분을 사용하는 장치의 제조는 높은 수준의 효율성과 소형화를 보장한다. 비록 동력원과 관련된 최근의 기술적 발전은 매우 전망이 밝지만, 그들은 존재하는 기술 내의 증가적인 개선(incremental improvement)에서 기인한 것이다. 다음 세대의 장치에 적당한 이상적인 동력원은 그들의 기능을 위하여 나노바이오기술을 이용할 것이고, 또한 높은 수준의 성과로 현재 세대의 장치에 동력을 공급할 수 있을 것이다.

첫 번째 나노바이오기술 장치를 개발하기 위하여 필요한 기술 및 지식은 매우 최근에 이용할 수 있게 되었고, 생화학 원료 ATP에 의해 동력이 공급되는 나노미터 규모의 유기/무기 하이브리드 장치의 조작(engineering) 및 구조(construction)가 보고되었다(Soong, R. K., Bachand, G. D., Neves, H. P., Olkhovets, A. G., Craighead, H. G., and Montemagno, C. D. (2000), Science 290, p. 1555-1558). 이러한 장치 내에서의 사용과 다른 장치에 동력을 공급하기 위한 이러한 장치의 사용을 위한 ATP의 생성은 마크로- 및 나노미터 단위의 동력 이동 및 다른 타입 에너지의 상호-전환(inter-conversion)에 대한 관심을 일으켰다.

본 발명의 다른 측면으로, 다른 기능을 가진 다른 단백질들이 전기적 및 화학적 동력의 변환(transduction)을 가능하게하고 기계적 밸브 및 센서로써 작동하기 위하여 전자(electron)/양성자(proton)를 이동시키기 위하여 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 형태로, 막은 두 가지 에너지 전환 단백질인 박테리오로돕신(bacteriorhodopsin)과 사이토크롬 옥시다제(cytochrome oxydase)를 함유한 생체적합 고분자 막을 포함하는 얇은 직물(fabric)로 구성되는 생체태양-동력(biosolar-powered) 물질과 직물을 제공하기 위하여 사용되고, 그것은 광학 에너지를 전기 에너지로 전환하고 이 에너지를 외부 로드(load)로 전달할 것이다. 엄청난 무게 감축은 얇은 (1μm 보다 적은) 고분자 막의 사용과 동력원으로 연료를 운반할 필요가 없다는데서 기인한다. 따라서 옷 및 대부분의 물질 표면에 통합될 수 있는 시스템이 개발될 수 있고, 이것은 태양 전지(solar cell)로 얻을 수 있는 것보다 더 크거나 동일한 효율성을 가진 효과적으로 무게가 줄어든 (1kg/m² 보다 적은) 에너지 공급원을 제공한다. 따라서 생체태양 동력 물질은 빛으로부터 그것의 에너지를 얻는 하이브리드 유기/무기 동력원을 형성한다.

본 발명의 프로세스는 두 가지 에너지 전환 단백질인 박테리오로돕신(bacteriorhodopsin)과 사이토크롬 옥시다제(cytochrome oxydase)를 함유한 생체적합 고분자 막으로 구성된 얇은 직물(fabric)의 제조에 관한 것이고, 그것은 광학 에너지를 전기 에너지로 전환하고 이 에너지를 외부 로드(load)로 전달할 것이다. 이러한 단백질은 광학 및 전기적 에너지를 전기화학적 에너지로 전환하는 수백만이 효모들 중에서 자연적 선택에 의해 분리되고 최적화되어졌다. 장치 내에 포함될 때, 그들은 무한정으로 유용한 양의 동력을 제공하고 적대적 및 우호적 환경 모두에 있어 높은 이동성을 필요로 하는 적용에 있어 충분히 가볍고, 소형이고, 단단하다.

박테리오로돕신(Bacteriorhodopsin)은 빛의 흡수 시에 세포막을 가로질러 양성자를 이동시키는 박테리아 단백질이다. 사이토크롬 옥시다제(Cytochrome oxidase)는 고-에너지 전자를 사용하여 양성자를 이동하는 막 단백질이다. 이러한 단백질들은 결과적으로 외부의 일을 수행하기 위하여 사용되는 기전력(electromotive force)으로 전환되는 전기화학 양성자 경사도로 빛 에너지를 전환하는 탠덤(tandem)에서 사용된다. 이 장치는 통상적인 태양 전지의 생물학적 형태이기 때문에, 동력 밀도(power density)를 심각하게 증가시키며 동력 공급원과 함께 운반될 연료("fuel")가 없다. 부가적으로, 그러한 장치로부터 얻을 수 있는 이론적인 최대 에너지는 태양, 또는 그 장치가 지속되는 한 그것을 작동할 것이기 때문에 무한적이다. 최종 장치의 추정 면적 부피 밀도(areal mass density)는 ~100g/m²이고, 태양 전지로 얻을 수 있는 것보다 크거나 동일한 효율성으로 효율적으로 무게가 감소한 에너지 공급원을 제공한다. 이러한 생체태양 전지의 물질 조성 및 규모(dimension)는 궁극적으로 큰 (> 250 W/kg) 동력 밀도(power densities) 및 큰 에너지 밀도 (3시간 동안 800 Whr/kg, 3일 동안 9500 Whr/kg, 10일 동안 32000 Whr/kg)를 초래하며, 이것은 실질적으로 거의 부피와 무게를 차지하지 않으면서 상당한 양의 장치에 동력을 공급하기에 충분하다. 부가적으로, 여기에는 그것의 작동으로부터 발생되는 무시할 만한 음향적(acoustic), 열적, 및 전자적인 징후가 있다.

본 발명의 공급원은 대량 생산된 단백질과 일반적 고분자로부터 제조되기 때문에 그것은 가볍고, 유연하고, 튼튼하며, 적은 비용으로 대양 제조가능하다는 점에서 본 동력원과 종래의 태양 전지 사이에는 중요한 차이가 있다. 이러한 장치의 적절한 길이 규모는 포장의 두께, < 1μm이다. 이러한 효소가 정상적으로 존재하는 막은 5nm의 두께를 가진다. 생체-태양 전지의 라미네이트된(laminated) 시트는 어쨌든 그들이 입혀져야 하기 때문에 무게 비용을 초래하지 않는 옷 및 다른 표면 내로 포함될 수 있다. 직물에 있어서 동력-생성 세포의 적절한 모듈(modular) 설계는 심한 손상을 버티고 기능성을 유지하기 위한 동력 직물 능력을 가져온다. 전기적 및 생화학적 에너지의 상호전환 능력은 전기적으로 동력된 생체-장치의 구조(construction) 및 생화학 연료의 전기로의 전환을 가능하게 한다. 전기적, 생화학적, 및 광학적 형태 에너지 사이의 전환 능력은 나노생물학적 장치의 설계 및 생산이 입력 에너지의 형태에 의해 제한되지 않도록 한다.

본 발명은 생물학적 막(biological membrane)과 막 단백질(membrane protein)의 성질과 기능을 가지는 인간에 의해 만들어진 장치를 제조하는 방법 및 그러한 장치의 구조를 제공한다.

본 발명의 일 형태로, 박테리오로돕신과 사이토크롬 옥시다제가 마이크로단위로 제조된(microfabricated) 전극과 접촉된 생체적합 고분자 막 내로 통합된다. 제안된 장치의 작용은 박테리오로돕신, 사이토크롬 옥시다제, 및 지질과 고분자막 내로의 그들의 통합이 이해된 후에 잘 이해될 수 있다. 세 가지 모두 광범위하게 연구되어 왔고, 그들의 합성 및 기능에 관한 매우 다양한 문헌이 있다.

가장 널리 연구된 이온 수송 단백질인 박테리오로돕신(BR)은 도 1의 10에 예시되는 것처럼 분자량 26kD의 양성자 운송체(proton transporter)이며, 밝은 바닷물과 습지에서 생존하는 Halobacterium salinarium, a halophilic archaebacterium의 세포막 내에서 발견된다. BR은 H. salinarium이 혐기성 환경에서도 생존하도록 하며, 호흡 프로세스를 위한 산소가 불충분한 경우에 BR은 그 역할을 한다. 도 2에 예시된 것처럼, BR(12) 세포는 녹색(λ=500-650nm) 빛의 양자(18) 흡수 시에 양성자(14)를 세포막(16)을 통하여 세포 밖으로 운반한다. 각 BR 분자는 그것이 광학적으로 여기되고(excited) 양성자를 운반함으로써 다양한 전자적 중간 상태를 담당하며, BR이 그것의 초기 상태로 되돌아가는 총 시간은 3ms 수준이다. 이것은 에너지 수송에 있어 가장 짧은 시간 규모이다.

양성자(14)가 세포(12) 밖으로 펌프됨에 따라, 전하와 pH 경사도 (낮은 H+에서 높은 H+)가 세포막(16)을 따라서 형성되고, 전기화학적 퍼텐셜을 형성한다. 도 2의 20에서처럼 이 퍼텐셜은 ATP 신타제(ATPase)에 동력을 공급하는 에너지를 제공 하며, 도 2의 22에서처럼 양성자(14)를 막을 통하여 다시 운반하면서 그들의 전기화학적 에너지를 아데노신 트리포스페이트(ATP)를 생성하기 위하여 사용한다. ATP는 생명에 필수적인 대부분의 세포 프로세스에 동력을 공급하는 대표적인 생물학적 연료이다. 이러한 자연적 생물학 시스템은 리피드 소포 내 BR과 ATPase로 구성되는 시스템의 구조(construction)에 의하여 실험실에서 복제되어 왔으며(Pitard, B., Richard, P., Dunarch, M., and Riguard, J. (1996). Eur . J. Biochem. 235, p. 769-788), 여기에서 40℃의 온도에서 BR은 소포 경계(vesicle boundary)를 통하여 1.25의 pH 차이를 생성하고 유지할 수 있었다. 20℃에서는 pH 차이 2가 획득 가능하였다. 더 높은 pH 차이는 양성자 경사도에 의한 BR의 피드백 억제 때문에 얻을 수 없었다. 양성자 경사도는 ATP를 생성하고 그 시스템 내에서 두 가지 효소들의 수행을 측정하기 위하여 사용되었다. 이 연구는 또한 음으로 대전된 인지질을 리포좀 막 내에 첨가하면 BR과 ATPase 사이의 커플링 효율성을 증가한다는 것을 보여주었다.

BR은 세포막 내에서 2차원 결정형으로 고농도 존재할 수 있기 때문에 장치 통합을 위한 이상적인 후보이다. 그것은 이러한 측면에서 망막 단백질들 사이에서 독특하다. 이러한 형태로 "자줏빛 막(purple membrane)"으로 불리며, 이것은 25% 지질 대 7% 단백질의 질량비(단백질 당 ~10 지질 분자)를 가지고 있다. 자줏빛 막의 이러한 패취는 크기에 있어 최대 0.5μm이거나 더 큰 것으로 관측된다. 이러한 단백질 덩어리는 그러한 높은 농도로 (자연적으로 존재하고) 안정하기 때문에, 그들은 에너지 생산량을 증가시키며 만들어진 어떠한 장치에 있어 여분(redundancy) 과 공학적 안전성(engineering safety)을 제공한다. 첨가적으로 H. salinarium의 진화(evolution)는 BR의 기능을 최적화해왔으며, 따라서 그것은 장기간 많은 양의 빛 플럭스 높은 온도에서 작동할 수 있다.

위에서 언급된 Pitard 등의 연구는 작은(150nm) 지질 막 내에서 많이 희석된 BR을 사용하였고, 이것은 ATP 생성 비율이 BR/지질 질량 비율에 반비례한다는 것을 보여주었다. 자줏빛 막의 BR/지질 질량비에 대한 그들 데이터의 외삽(Extrapolation)은 BR mg 당 분 당 생성된 ATP가 320nmol이라는 것을 나타낸다. ATPase는 도 2의 24에서처럼 ADP로부터 ATP를 합성하고, 무기 포스페이트(inorganic phosphate), 35 kJ/mol 에너지가 증가한다. 단지 자줏빛 막과 지질의 질량을 고려하면, 이러한 빛-동력 ATP합성 시스템은 140 W/kg의 밀도로 동력을 공급한다. 만약 ATP 신타제가 BR이 그들은 안으로 펌프하는 것처럼 빠르게 양성자를 밖으로 펌프한다면, 생성되는 동력은 180-280 W/kg로 증가할 것이다.

BR 및 그들의 튼튼함과 긴 수명에 관한 많은 양의 연구들 때문에, 광학 장치와 컴퓨터 메모리 응용에 있어 활성 광학 성분으로 BR을 연구하려는 상당히 많은 양의 관심과 노력이 있다. 자줏빛 막은 빛에 의한 조명 하에서 수년 동안 활성인 것으로 나타나 왔고, 유기 용매의 존재 하 최대 180℃, pH 0 내지 12 사이에서 고분자 매트릭스 내에서 안정하며, 또한 완전하게 탈수된다(Vsevolodov, N. (1998), Biomolecular Electronics : An Introduction via Photosensitive Proteins, p. 125, Birkhauser, Boston). 과학 및 공학 사회의 관심은 H. salinarium의 BR 과-발현 주(strain)의 생성 및 분리를 위해 개발된 프로토콜을 가져왔다(Lorber, B. and DeLucas, L. J. (1990) FEBS Lett. 261, p 14-18). 추출 및 정제를 위한 절차과 대량으로 자줏빛 막을 취급하고 프로세싱하는 절차들이 잘 알려져 있다(예를 들어, Stuart, J. A.; Vought, B. W.; Schmidt, E. J.; Gross, R. B.; Tallent, J. R.; Dewey, T. G.; Birge, R.R. IEEE EMBS, in press). 비-생물학적 물질의 봉입을 보고하는 실험에서 BR은 폴리(비닐 알코올) 및 폴리(아크릴아마이드)과 같은 일반적인 고분자와 사용하는데 적합한 것으로 나타났다(Birge, R., Gillespie, N., Izaguirre, E., Kusnetzow, A., Lawrence, A., Singh, D., Song, W., Schmidt, E., Stuart, J., Seetharaman, S., Wise, K. (1999), J. Phys . Chem . B 103, 10746-10766).

두 번째 효소인 사이토크롬 옥시다제(COX)는 전자 및 양성자 운반 단백질로 호흡에 관여하는 네 가지 효소의 마지막 효소이다. 도 3A는 COX의 백본 리본 구조의 막 쪽 도면(Membrane view)(30)을 예시하고, 도 3B는 영역(area)(34)을 가지고 있으며 "구멍(pore)", 또는 양성자 운반 채널을 예시하는 별 모양으로 표시된 세포질 쪽 도면(Cytosolic view)(32)을 예시한다. 호흡에 있어 고-에너지 전자인 NADH(초기에는 당의 산화에 의해 생성됨)는 환원되어 H₂O을 만들며 O₂로 이동된다.

COX는 호흡 프로세스의 전 단계들로부터 전자를 받고, 사이토크롬 C에 의해 운반되며, 그것을 철과 구리 이온을 포함하는 두개의 내부 헴(heme) 그룹으로 운반한다. 사이토크롬 C로부터 받은 전자들에 의해 환원되는 이러한 헴 그룹은 헴의 하나와 결합된(docked) O₂ 분자에 전자를 전달한 후에 환원된다(deoxidized). 첨가된 전자를 가진 O₂는 주위 양성자와의 수소화 반응(hydrogenic reaction)의 타깃이 되고, 반응 후에 O₂는 헴으로부터 풀리게 된다. 이러한 고 에너지 전자가 전달됨에 따라, 그들의 460mV 퍼텐셜 드롭(drop)(Nicholls, D. (1982), Bioenergetics: An Introduction to the Chemiosmotic Theory, p. 123, Academic Press, London)으로부터 얻어진 에너지는 양성자를 미토콘드리아 영역 내로 운송하기 위하여 사용되며, 비록 다른 비율이 설명되었지만(Papa. S., Lorusso, M., and Capitanio, N. (1994), J. Bioenerg. Biomembr . 26, p. 609-617, Michel, H., Behr, J., Harrenga, A.,and Kannt, A. (1998), Ann. Rev. Biophys. Biomol. Struct 27, p. 329-356) 운반되는 전자 하나 당 하나의 양성자라는 전형적인 비율을 가지고(Lee, H., Das T., Rousseau, D., Mills D., Ferguson-Miller, S., Gennis, R. (2000), Biochemistry 29, 2989-2996), 일반적으로 막 퍼텐셜의 기능이다(Murphy, M. and Brand, M. (1988), Eur . J. Biochem. 173, p. 645-651).

양성자가 미토콘드리아 매트릭스 밖으로 펌프됨에 따라, 전기화학적 양성자 경사도가 생겨난다. 이러한 양성자 경사도는 ATP를 생성하기 위하여 ATPase에 의해 사용된다. BR과 COX는 양성자 경사도라는 그들의 결과적인 생성에 있어 매우 유사하고, BR의 경사도는 빛에 의하여 일어나게 되고, COX의 그것은 화학적 에너지에 의하여 일어나게 된다. BR(12) 대신에 COX를 대용하고, 녹색 광자(18) 대신에 사이토크롬 C를 대용하고, 산소의 물로의 환원을 첨가하면 이것은 도 2에서 알 수 있다. 정말로 BR과 COX 둘 다 H. salinarium에서 동일한 목적을 위하여 사용되고, BR 은 호흡을 위한 충분한 산소가 없을 경우 H. salinarium 내에서 사용되며 COX는 유기체(organism)에 유용하다.

도 4A와 4B에 예시되는 것처럼, 고체 기질-지지된 지질 막(40) 내로의 COX의 융합(integration)은 전자 이동을 측정하고 양성자 이동을 전기적으로 조절하는 것이 가능하다는 것을 보여주었다(Naumann, R., Schmidt, E., Jonczyk, A., Fender, K., Kadenbach, B., Liebermann, T., Offenhausser, A., Knoll (1999), Biosensors & Bioelectronics 14, p. 651-662). 이러한 실험들은 디미리스토일 포스파티드리 에탄올아민(dimyristoyl pnosphatidly ethanolamine, DMPE)의 지질 막 단일층(lipid membrane monolayers, 46)에 대한 기질로써 작용하기 위하여 금 필름(44)에 부착된 티올-기능화된(thiol-functionalized) 펩타이드 사슬(42)을 사용하였다. 도 4A의 50에서 예시되는 것처럼 COX와 사이토크롬 C는 DMPE의 리포좀 소포(48) 내로 봉입되고, 그것은 펩타이드 표면 위에서 융합된다. 전기 측정(electrical measurements)은 금 기질로 및 기질로부터 COX를 통한 전자 이동과 적용된 전류로부터 발생하는 양성자의 조절된 이동을 보여주었다.

In vitro 실험이 막 결합 단백질의 자연적 환경의 가장 정확한 재생성(recreation)을 제공하는 반면에, 이러한 조건이 다른 세포성 프로세스에 의해 감추어질 수 있는 또는 실험적 시간 규모에서는 드물게 발생하는 현상의 측정에 있어서는 가장 도움이 되는 것은 아니다. 부가적으로 단백질을 활성 성분으로 사용하는 유용한 장치의 생산은 사용과 제조의 용이성이 인정되는 동안 단백질을 변성하지 않고 단백질 기능을 in vivo에서의 기능과 가능한 동일하게 유지하는 쉽게 생산 되고 유지되는 지지체를 필요로 한다. 많은 수의 생물학적 효소들이 실험적으로 유용한 시간 동안 그들의 기능을 유지시키는 동안에 실험실 실험에서 인조 지질 막 내에 봉입되었고; 본 발명은 BR/COX의 빛으로 동력이 공급되는 장치를 위한 지질과 고분자 막의 사용에 관한다.

포스파티딜콜린 또는 DMPE로부터 만들어진 인조 지질 막은 자연적 세포막의 친양쪽성(amphiphilic) 조성물을 복제한다. 막 단백질은 Triton-X 또는 도디움 도데실 설페이트와 같은 세제의 첨가에 의해 용해되고 단백질/지질 용액의 심하지 않은 초음파로써 리포좀 내에 봉입된다. 리포좀은 소포 형태로 유지될 수 있거나(Pitard et al., 1996) 또는 평평한 기질의 존재 하에서 평면형 표면을 형성할 수 있다(Naumann et al., 1999 and also Steinberg-Yfrach, G., Rigaud, J., Durantini, E., Moore, A., Gust, D., Moore, T. (1998), Nature 392, p. 479-482). 그 단백질의 생물학적 기능은 유지되고 in vivo에서 얻어질 수 있는 것보다 수천 배 높은 단백질 농도이며, 매우 높은 실험 감도 및 정확도를 제공한다. 높은 단백질 농도는 또한 동력원과 개별적 분자 사건들(molecular events)의 집단적 결과를 사용하는 생체센서(biosensor)의 구조를 위해서 필요하다.

BR의 성질에 있어, 전기를 합성하기 위하여 BR과 COX를 사용하는 장치로부터 기대되는 동력이 측정될 수 있다. 매초 지구 표면의 미터제곱 당 녹색 영역의 약 7.5×10²⁰ 태양 광자, 또는 BR 분자의 영역(25nm²) 당 1.9×10⁴가 발생한다. BR의 흡수 상수(absorption coefficient)는 66000/mol/cm이거나(Vsevolodov, N. (1998) Biomolecular Electronics : An Introduction via Photosensitive Proteins, p. 125, Birkhauser, Boston), 또는 R의 단일층(monolayer) 당 약 4.4 ×10^-4이다. BR의 양자 효율(quantum efficiency)은 0.7이고, 3.08×10^-4의 양성자 운송 개연성(probability)이 있다. 그러므로 태양 빛에서 약 5.8 운송 이벤트(events)/초(sec)/BR 분자가 기대될 수 있다.

일 제곱미터의 영역에서 57:1의 BR:COX 비율은 COX에 의한 양성자 마다 BR에 의한 양성자 하나 이송 비율인 안정한 상태의 이송 비율을 제공한다. 이러한 비율에 있어, 단일층의 제곱미터 당 3.9×10¹⁶ BR이 존재한다. COX 내에서 양성자 당 하나의 전자가 운송되기 때문에 단일층의 제곱미터 당 37mA의 전류가 얻어진다. 쌓아진(stacked) 일천 개의 단일층들은 빛의 단지 36%를 이용하지만, 28 W/m²를 제공하면서 전류를 760mV에서 37 A/m²로 증가시킨다. 비록 이러한 전류와 전압 수준은 모든 장치에 있어 적당한 것은 아니지만, 장치의 전기 출력(electrical output)은 매우 형성가능하고(configurable), 다양한 범위의 전압과 전류 조합은 어떠한 동력 출력에 있어서도 가능하다. 이러한 시스템에서 단백질과 지질 (또는 균등물)의 질량은 2.3g/m²이다. 동일한 두께(5 nm)를 가진 폴리-비닐 알코올 고분자 층과 금 전극이 이용될 경우, 면적 질량 밀도(areal mass density)는 105.3g/m²이고, 265 W/kg 이상의 동력 밀도가 나온다. 이러한 장치로부터 이용 가능한 에너지는 세 시간 동 안 795 Whr/kg이고, 3일 동안 9540 Whr/kg이고, 및 10일 동안 31800 Whr/kg이다. 에너지는 태양으로부터 얻어지기 때문에, 추출되는 에너지는 태양 노출 기간과 관련하여 직접적으로 증가한다.

이러한 동력 및 에너지 밀도는 전극과 고분자 물질의 다른 선택에 의하여 증가될 수 있지만, 또한 추가적 무게와 빛 산란(light scattering) 때문에 다른 층 두께를 선택함으로써 감소될 수도 있다. 전극과 고분자 물질에 의한 빛 산란의 효과는 다음의 이유 때문에 무시될 수 있다: (1) 사용된 고분자는 λ=500-650 nm의 범위에서 최소 활성을 가지도록 선택된다; 그리고 (2) 금속 전극은 장치의 최초 층을 통하여 투과되지 않은(non-transmitted) 빛의 일부를 흡수하지 않는다; 그것은 전극과 상호 작용하지만, 그것은 단지 궁극적으로 BR에 의해 흡수되도록 장치 내에서 반사될 것이다.

위에서 설명된 것처럼, BR과 COX 모두 각각 빛으로부터의 에너지 및 고-에너지 전자를 ATPase를 작동시켜 ATP를 생성하는 양성자 경사도로 전화하는 양성자 운반체이다. 역으로 COX를 작동시킴에 있어, 양성자 경사도는 에너지를 전자에 전달하는 기전력(electromotive force, EMF)으로 전환될 수 있다. 산소와 사이토크롬 C를 제거하고 그들을 외부 로드(load)와 연결된 전극으로 대체함으로써, EMF는 그 후 작동하도록 만들어질 수 있다. 전극이 입혀진 막 내에서 BR과 COX의 결합은 도 5에 예시된 프로세스 및 구조에서 극점에 달하며(culminate), 도 5는 박테리오로돕신(62)이 녹색 빛의 광자(68) 흡수 시에 고분자 막(66)을 통하여 양성자(64)를 운송하는 생체태양 전지(60)의 도식이다. 이것은 사이토크롬 옥시다제(노란색, 72)를 거꾸로 작동하도록 만들면서 막의 위쪽 면(70)의 양성자 농도를 증가시킨다. 결과로써, 전기화학적 에너지는 아래쪽 면(74)으로 운반되는 양성자(64)로부터 추출되고, 이러한 에너지는 전자(76)를 막의 위쪽 면에 위치한 위쪽 전극(78)으로부터 막의 아래쪽 면에 위치한 아래쪽 전극(80)으로 이동시키기 위하여 사용되며, 외부 일을 하기 위하여 사용될 전극을 통한 기전력을 생성한다.

전자 이동이 완결된 후, 시스템은 그것의 초기 상태로 되돌아간다: COX는 환원되고 재-산화되며, 고분자 막(66)의 양쪽 면 위의 양성자 농도는 변경되고, 전극은 어떠한 알짜 전하(net charge)를 얻거나 잃지 않는다. 외부 일은 EMF에 의해 수행되고 광자는 흡수된다. 시스템은 다음 광자의 광학 에너지를 전기 에너지로 전화하기 위하여 준비된다.

양성자 모티브 힘(proton motive force)의 기전력으로의 변환에 있어 중추적 프로세스는 COX(72)를 반대로 작동시킴으로써 수행된다. F₀F₁-ATPase(Hammes, G. (1983), Trends Biochem . Sci. 8, p. 131-134) 및 이온 운송체(Nicholls, D. (1982), Bioenergetics: An Introduction to the Chemiosmotic Theory, p 123, Academic Press, London)와 같은 역 에너지 전환 단백질(reversible energy converting protein)의 문헌에 많은 예들이 있다. 그러나 역으로 작동하지 않는 에너지 전환 단백질 또한 존재한다: 예를 들어, 박테리오로돕신은 양성자 경사도에 반응하여 녹색 빛을 방출하지 않는다.

Wikstrom에 의한 연구(Wikstrom, M. (1981), Proc . Natl . Acad . Sci . USA 78, p. 4051-4054)에서, COX 내 전자 흐름의 부분적 반전이 ATP의 첨가에 의하여 미토콘드리아 내에서 관측되었다. F₀F₁-ATPase는 다음의 기능을 가진 역 양성자 펌프이다; ATPase는 ATP를 만들면서 외부 양성자를 미토콘드리아 매트릭스 내로 운반한다. 역으로 그것은 양성자를 밖으로 펌프하기 위하여 ATP를 소모할 수 있다. Wikstrom에 의해 설명된 것처럼, ATPase는 ATP의 첨가 시에 COX와 나란히 양성자를 막을 통하여 운반한다. 이러한 반응은 막의 외부 쪽에 큰 양성자 농도를 형성하고, COX에 거꾸로 전기-삼투(electro-osmotic) 양성자 압력 경사도를 형성한다. 이러한 조건이 만들어질 때, 흡수 스펙트럼의 변화(shift)가 관측되며 통상적인 프로세스의 반대인 전자가 물로부터 헴으로 이동한다는 것을 표시한다. 다음의 분석은 이것이 왜 일어나는 지를 예시한다.

전기화학 반응에 있어, 반응 진행에 따른 에너지 과잉(surplus) 또는 부족(deficit)은 다음과 같이 주어질 수 있다 (예를 들어, De Vault, D. (1971), Biochim. Biophys . Acta 226, p. 193-199 참조):

여기에서 △E는 전자 부여(donation) 전과 후의 산화환원 퍼텐셜 내의 차이이고, △G는 반응 내에서 자유 에너지의 변화이고, n은 이동된 전자의 수이고, F는 Faraday 상수이다. COX를 통한 사이토크롬 C로부터 전자의 이동(환원 퍼텐셜 =+220mV) 내에서, 전자들은 연속하여 그들의 자유 에너지를 그들의 마지막으로 O₂를 환원시켜 H₂O를 생성할 때(환원 퍼텐셜=+860mV)까지 줄인다. 이동된 전자 당 자유 에너지 변화는 -14.8 kcal/mol이다. 이러한 에너지는 양성자를 이동하고 전기화학적 경사도를 생성하기 위하여 사용된다. Wikstrom은 COX의 일반적 작용에 있어 △G가 양의 값이 되도록 충분하게 외부 양성자 농도를 증가시켜 양성자의 포워드 펌핑이 O₂의 환원이 제공하는 것보다 더 많은 에너지를 필요로 하도록 만든다. "산화환원 완충제(redox buffer)"의 사용을 통하여 사이토크롬 C의 산화환원 퍼텐셜이 일정하게 유지되며; 이것은 △G의 변화에 따라 H₂O/O₂의 산화환원 퍼텐셜이 변화한다는 것을 의미한다. 충분히 큰 외부 양성자 농도가 생성됨에 따라, 전자 이동은 역으로 진행되고, 물로부터 전자를 받아 그것을 COX에 기부한다. 그러나 전자의 완전한 역 운반은 O₂가 생성되지 않기 때문에 완결된 것이 아니다.

도 5에 예시되는 것처럼 본 발명의 시스템 내에서, COX는 Wikstrom에 의해 설명되는 시스템의 초가 전자 기증자인 사이토크롬 C, 또는 최종 전자 수용자인 O₂를 가지고 있지 않다. 전자 소스는 전극(78)이고 물이 아니기 때문에, H₂O에 대한 820 mV와 비교하여 전자 추출을 위한 비용이 최소이다. 전자는 그들이 헴(heme) a₃에 도달됨에 따라 양(positive) 산화환원 퍼텐셜 +380 mV에 부닥치게 되고, 이것은 외부 일을 하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 퍼텐셜은 헴 a에서 +240 mV로 140 mV 만큼 감소되고, 이것은 양성자 경사도로부터 에너지 입력을 필요로 한다. 퍼텐 셜은 Cu_a에서 +190 mV로 50 mV 만큼 더 감소되고, 마지막으로 OV에서 전극(80)으로 전달되며, 또한 에너지 입력을 필요로 한다. 초기 전극(78)로부터 헴 a₃으로의 전자의 이동은 환원 퍼텐셜의 증가(자유 에너지의 감소)이기 때문에, 이 반응은 자발적으로 발생할 것이다. a₃으로부터 반대편 전극으로의 전자의 이동은 환원 퍼텐셜 380 mV의 감소이고, 외부 에너지 입력(양성자 모티브 힘(the proton motive force))이 발생할 필요가 있을 것이다. 양성자 모티브 힘은 BR(62)의 사용과 막(66)의 적절한 도핑(doping)을 통하여 크게 만들어 질 수 있다. 전극은 전자 기증자이기 때문에, 그것으로부터의 전자 추출은 H₂O로부터 보다 용이하고, 물과 산소 사이의 어떠한 화학적 중간체도 피해질 것이다.

막 표면에서 이온의 확산은 크고 막 조성물의 적당한 선택에 의해 크게 만들어질 수 있기 때문에, 막 표면 그 자체가 생체태양 전지의 성공적 기능을 위해 필요되어지는 모든 것이다(Pitard et al., 1996). 막(40, 도 4A) 또는 많은 생체적합 고분자 매트릭스의 어떠한 하나와 같은 지질 막은 단백질을 함유하고 양성자 장벽으로 작용한다. 이러한 고분자 매트릭스는 매우 일반적이며 단지 (a) 그들이 단백질의 위쪽 반과 아래쪽 반을 분리할 막을 형성하고, (b) 그들이 천연 지질 막과 충분하게 유사한 환경을 형성하여 단백질이 쉽게 적절한 방향으로 막 내에 삽입될 수 있고, 및 (c) 단백질이 부닥치는 고분자 막의 국소 화학적 환경이 단백질의 자연적 기능을 구성하는 방식으로 단백질을 펼치거나(unfold) 변형시키지(deform) 않도록 할 필요가 있다. 이러한 조건을 만족시키는 고분자는 친수성의 외(outer) 블록과 소수성의 내(inner) 블록을 가지는 트리-블록 공중합체를 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. BR(62)과 COX(72)는 고분자 막(66) 내에서 방향배열되고(oriented) 결합되며, 막은 전극(78 및 80)이 입혀진다.

도 2는 계속적으로 F1-ATPase-동력(F1-ATPase-powered) 나노역학(nanomechanical) 장치에 연료를 공급할 수 있는 빛-유도 ATP 생성 시스템의 구조, 수행, 및 평가를 예시하고 있다. 도 5에서 예시되는 것처럼, 본 발명은 ATP가 계속적으로 녹색 빛으로부터의 에너지를 사용하여 ADP로부터 생성되는 방식으로 방향배열된 BR과 ATPase를 함유하는 리포좀 소포(66)의 구조를 포함한다. 과-생산(over-producing) Halobacterium 종으로부터 분리되고 겔 여과 크로마토그래피 (도 6의 커브(90))을 사용하여 정제된 박테리오로돕신(BR)의 큰-규모 생성 및 정제를 위한 시스템은 설립되어 있다.

본 발명에 따라서, 리포좀은 전에 설명된 방법(Pitard et al. 1996)에 따라 정제된 포스파티딜콜린(phosphatidylcholine), 포스파티딕 산(phosphatidic acid), 및 콜레스테롤을 사용하여 재구성된다. 리포좀은 0.45 내지 0.2μm 필터를 사용하여 선택된 순차적인 크기로, 200 nm 보다 작은 리포좀은 용액 내에 남겨두었다. F₀F₁-ATPase와 BR의 봉입은 Triton X-100의 존재하에서 수행되었다. 리포좀이 형성되는 것을 확실히 하기 위하여, 피라닌(pyranine)이 형광 마이크로현미경(fluorescence microscopy)을 사용하여 육안적으로 평가되는 pH 민감(sensitive) 인디케이터로써 봉입되었다. 도 7의 커브(92 및 94)에서 예시되는 것처럼, 이러한 연구는 20℃에서는 1.5 만큼 큰 pH 경사도가 얻어질 수 있다는 것을 보여주었고, 이것은 박테리오로돕신이 있는 리포좀(커브 92)과 없는 리포좀(커브 94)에 의해 30분 동안 형성된 pH 경사도를 나타내는 것이다.

도 8의 96에서 예시되는 것처럼, 분석은 리포좀에 의한 ATP의 생성을 보여주었다. 이러한 수치들은 다양한 양의 BR과 F₀F₁-ATPase를 함유하는 리포좀에 의해 형성된 ATP의 존재 때문인 루시페린(Luciferin) 발광을 예시하고 있다. 리포좀은 용액에 ADP의 첨가 전 2.5 시간 동안 빛 아래에서 배양되었다. 목적은 정상 상태(steady state) ATP 생성 비율이 전에 설명된 수준(Pitard et al. 1996)보다 증가하는 전기화학적 경사도를 최적화하는 것이다.

원자적으로(atomically) 날카로운 팁(tip)인 "나노-주사기(nano-syringe)"를 가진 속빈(hollow) 실린더들의 어레이가 위에서 언급된 나노규모 하이브리드 분자 장치를 살아있는 세포 내로 주사하기 위하여 사용되었다. 이러한 절차에 있어 첫 번째 단계는 나노-실린지의 속이 비지 않은 형태를 구조하는 것이다. 도 9는 직경이 약 1 μm인 샤프트(104)를 가진 직경이 10 nm 보다 적은 팁(102)을 포함하는 실리콘 팁 어레이(100) 일부분의 마이크로그래프이다. 이러한 어레이(100)는 다양한 분자 장치를 위한 지지체로써 작용하는 나모미터 규모 니켈 도트(dot) 어레이의 전기화학적 침착(deposition)을 위한 전극으로 사용된다. 이러한 어레이는 또한 단백질이 박힌(studded) 막의 위에 직접적으로 마이크로- 또는 나노-규모 전극을 침착시킨다.

*BR의 생성 및 합성은 일반적이다. 할로박테리아(halobacteria)는 50 L 배치로 발효되고, 발효, 처리, 및 정제 후에, 그러한 프로세스는 자줏빛 막 > 100 mg을 산출한다. 이것은 약 60 m²의 단백질 단일층 면적에 대응하고, 이것은 원형 장치(prototype device)에 있어 충분하다.

Zhen, Y., Qian, J., Follmann, K., Hayward, T., Nilsson, T., Dahn, M., Hilmi, Y., Hamer, A., Hosler, J., Ferguson-Miller, S. (1998), Prot . Expr., and Pur. 13, 326-336에 설명된 프로토콜이 COX의 생산을 위하여 사용된다(Zhen et al., 1998). 이러한 방법은 도 10의 90에 예시되는 것처럼 Rhodobacter sphaeroides로부터의 COX 과발현 및 정제에 관한 것이다. 과발현 플라스미드 pRK-pYJ123H의 제조를 위한 절차는 예시된 것처럼 pJS2-X6H2 내 SmaI 부위를 사용하여 pUC19 내로 R. sphaeroides에서 유래한 사이토크롬 C 옥시다제의 서브유닛 I 유전자 (cox1)를 서브클로닝(subcloning)하여 pJS3-SH를 생성하는 것을 포함한다. Hig-tag으로 표시된 6-히스티딘 서열은 cox1의 C-말단에 위치하고 pYJ124H는 pJS3- SH에 독특한 Pstl 부위 내로 pYJ100에서 유래한 Pstl/Pstl 절편을 연결함으로써 생성된다. 결과적으로, EcoRl 및 HindⅢ 부위를 사용하여 발현 벡터 pRK415-1 내에 세 개의 서브유닛 유전자가 위치된다. 이러한 절차는 10 L 배양액 당 61 mg을 생성하고, 이것은 상응하는 큰 단일층 면적에 해당하는 많은 양이다.

BR 및 BR-함유 리포좀 소포의 생산과 합성은 일반적인 것이다. BR의 방향배 열(orientation)은 균일하게 적용된 전기장의 사용을 통하여 지질 내로 삽입되기 전에, 비록 구형 소포라면 문제될 수 있지만, 평면적으로 좌우 대칭인 막을 통하여 가장 쉽게 조절된다. 도 11의 120에 예시된 측정 장치는 임피던스(impedance) 분광학을 위해 사용되는 전기화학 셀(cell)이고, 양성자 이동으로부터 발생하는 전자 이동과 퍼텐셜을 측정하기 위해 설계되었으며, 평면 막에 사용된다. 부가적으로, 그것은 막/단백질 복합체에 전기장(electric field)을 적용하기 위하여 쉽게 조절된다. 이러한 셀은 Naumann에서 설명되는 것처럼 스톱퍼(stopper, 121), Ag:AgCl 포화(sat.) KCl 참조 전극(122), 액체 배출구(123), 테프론 스페이서(124), 골프 지지체(125), 액체 삽입구(inlet)(126), 및 백금 카운터 전극(127)을 포함한다.

자줏빛 막과 BR의 방위(orientation); 정전기의 레이-바이-레이 어셈블리(electrostatic layer-by-layer assembly); 전기장 촉진 Langmuir-Blodgett 필름 형성; 공기(aerial) 콘덴서의 전기장 내의 BR의 방위; 서스펜션에 직접 적용된 전기장; 및 전기와 자기장의 조합에 관해서는 많은 발간된 기술들이 있다. 이러한 방법들의 대부분이 PM의 큰 자연 영구 전기 쌍극자 모먼트(natural permanent electric dipole moment)를 이용한다(1 μm 직경 입자에 대하여 ~10⁶ Debye). 이러한 큰 모먼트는 개개의 BR 모먼트들의 중첩에 의해 발생된다(이론적 계산에 의한 추정치는 570 Debye이고 실험치는 55 Debye). 막에 수직으로 적용된 힘에서 단지 ~20 V/cm 전기장은 BR의 방위(orientation)에 있어 충분하고 쉽게 얻을 수 있다.

COX의 쌍극자 모먼트는 사이토크롬 C의 도킹(docking)을 촉진할 정도로 충분 히 크도록 설치되어졌다. COX는 BR이 하는 것처럼, 막을 가로질러 양성자를 끌어 들이거나 축출(repel)하기 위해 그것의 내부 쌍극자를 사용한다. COX의 세포질 부분이 친수성이기 때문에, 효소는 지질에서 회전에 대한 장벽을 갖고 있을 것이다. 단백질의 타원형(oblong) 모양 또한 이 동작을 방해할 것이다. 그러므로 그것이 지질막으로 포함되기 전에 COX를 방향배열(orient)하는 것이 필요하다. COX 후에 PM의 첨가는 방향배열(orientation)을 위해 매우 낮은 필드(field)를 필요로하고 따라서 COX의 정렬은 방해받지 않을 것이다. 만약 COX의 정렬은 지질막, BR, 또는 물의 가수분해와 같은, 실험의 다른 부분과 양립할 수 없는 전압을 요구한다면, 반대 전극(counter-electrode)은 더 가까이 이동되고, 적용된 전압은 그 과정의 나머지를 흐트러지지 않도록 하는 동안에 요구된 필드(field)들의 생산을 확실히 안전한 레벨로 유지된다.

리포좀 막에서 각각 개별적으로 PM과 COX을 방향배열(orient)하기 위해 사용되는 상기 설명된 장치는 BR에서 양성자 수송과 COX를 통한 전자 수송을 측정하기 또한 사용된다.

리소좀 막에 포함되어 있는 방향배열된(oriented) BR만을 사용하는 초기의 실험들은 도 5에 관해 위에서 설명된 구조를 사용하여 수행되었다. 막을 가로지르는 양성자 펌핑(pumping)은 쉽게 검출 가능한 신호를 만들어냈다. 이 실험들은 COX를 이용하여 반복되었다.

도 5의 장치 내 전극들(78 및 80)의 역할은 그 장치에 존재하지 않은 사이토 크롬 C와 O₂의 대리자 역할을 수행함으로써 전자를 공급하고 저장하는 것이다. 양성자를 펌프하기 위한 COX(72)를 통한 전류의 통과가 양성자 플럭스(flux)의 측정을 복잡하게 할 수 있기 때문에, 리포좀 BR를 이용한 이전의 실험에 사용된 것과 비슷한 pH 민감 형광 표시자(pH sensitive fluorescent indicator)가 사용되었다. COX에 간섭하는 전극들의 능력은 지질막 내에 단백질을 단독으로 위치시킴으로써 평가되었다. 상기 언급된 BR의 양성자 펌핑을 모니터하는 동일한 방법을 사용하여(Naumann et al., 1999), 부착된 전극으로부터 이동되는 전자를 사용하여 양성자를 펌프하는 COX의 능력이 조사되었다. 적용된 방향배열(orienting) 전기 필드가 있는 경우와 없는 경우의 양쪽 실험은 그 방향배열이 성공적이었다는 것을 보여주었다. 전기적으로 유도된 양성자 펌핑의 주요한 결과는 그 후 ATPase가 COX를 가진 지질막 내로 포함될 수 있다는 것이다. COX를 활성화하는 것은 양성자 경사도를 발생시키는데, 그것은 ATPase가 ATP를 만들기 위해 사용할 수 있다. 이것은 생물학에서 주요한 이정표이며, ATP 동력공급 나노장치의 더한 진보를 위해 중요한 ATP의 전기적 합성을 보여준다.

효소의 역기능의 테스트로써, 인공적 pH 경사도가 다른 쪽보다 더 산성인 막 공간의 한쪽 측면을 만듬으로써 발생된다. 양성자 운송을 측정함으로서 COX의 방향배열을 검증한 후, 역방향(backward) 양성자의 흐름의 결과로써 COX를 통해 흐르는 전압과 전류가 측정된다. 만약 전극들이 도 11에서 보여지는 배열이라면, 이 전자 흐름은 일어나지 않을 것이고, 그러한 경우 위쪽 전극은 막의 위쪽 표면에 더 가까 이 위치될 수 있을 것이다.

단백질에의 전극의 근접을 증가시키기 위하여 사용 가능한 많은 전략이 있다. 전극 그리드(grid)는 전기적 측정을 위해 외부적으로 연결된 얇은 와이어 메쉬(wire mesh)의 형태로 지질의 위쪽에 직접적으로 놓여질 수 있다. 위쪽 표면의 지질을 제거한 후, 알루미늄 또는 니켈의 얇은 투명한 층은 반대 전극을 형성하기 위해 막 위에 직접적으로 분무될 수 있다. 택일적으로, 전극들은 도 9에 보여진 팁(tips)의 배열을 래스터(raster)함으로서 지질 표면 위에 전기화학적으로 위치된다(deposited). 이 위치(deposition)은 막의 위쪽 표면 위에 수백만의 나노 규모 와이어(nanoscale wire)를 초래할 것이다. 상기 과정은 반복되고 결합되며, 결과적으로 지질막에 포함된 특정 방향배열된 COX와 BR을 야기한다.

BR과 COX의 방향배열에는 두 가지의 가능한 시나리오가 있다: 평행과 역평행 쌍극자 방향배열. 만약 쌍극자가 평행하면, 정렬(alignment)은 단일 필드의 적용을 통해 둘다를 동시에 얻게 될 수 있다. 만약 그들이 역평행이면 , PM의 큰 집단의 쌍극자 모먼트가 이용된다. 적절한 방향배열는 COX의 섭동(perturbation)을 피하기 위해 충분히 작은 필드에서의 아니면, PM 조각(fragment)들을 충분히 조작할 정도의 큰 필드에서의 PM 방향배열에 이어 높은 필드에서의 COX의 초기 방향배열에 의해 얻어질 것이다.

처음에, 전압의 측정은 BR이 적절하게 기능을 하고, 형성된 양성자 경사도가 있다는 것을 나타내야 한다. 이 경사도로부터의 막통과(transmembrane) 전압은 수백 mV일 것으로 예상된다. 전류의 연속적 측정은 이 컨셉(concept)의 성공을 증명 하고 막 내 전극에 의해 접근 가능한 기능하고 있는 COX 단백질 부분(fraction)의 측정치를 산출한다.

COX를 통한 양성자의 역(back) 이동과 이에 따른 전류는 BR에 의해 공급되는 양성자 농도에 의존하기 때문에, 전류는 빛 강도에 비례하여야 한다. 전체 전류는 또한 리포좀 막 내 COX 분자의 평행 배열(configuration)때문에 기능작용하는 COX 분자의 수에 비례하여야 한다. 위에서 언급된 것처럼, 발생되는 전압은 일정하고, > 200 mV 이므로, 발생된 동력은 빛 세기와 적절한 방향으로 배열된 COX의 순수 군에 의해 결정되어야 할 것이다.

동력을 최대화하기 위한 전략들은 막 층의 적합한 선택과 조절뿐만 아니라 COX의 방향배열을 최적화하는 것에 초점이 있다. 장치는 다양한 조명(illumination)에 동력을 공급할 수 있다; 예를 들면, 높고 낮은 강도의 지속적인 조명, 주기적인 조명 등.

고분자 막들의 사용은 다음 이유들 때문에 바람직하다: 그들은 지질 막들보다 더 긴 수명을 갖고, 더 튼튼하고(rugged), 더 쉽게 전자와 이온전도성 및 투과성 같은 맞추어진(tailored) 성질을 갖는다. 이 막의 안쪽은 가능한 한 천연 단백질 환경이 가능한 가깝게 흉내내어 지기 위해서 소수성 및 탄성이어야 한다.

다른 것들 중에서도 광 흡광성, 양극성(polarity), 전기 및 이온 전도성 같은 넓은 범위의 성질을 가지는 다양한 생체적합 고분자들이 존재한다. 본 발명의 태양 전지들의 성질을 강화시키는 고분자는 단백질 및 전극들과 함께 융화 가능하여 한다. 양성자 불투과성 또한 중요하다. 고분자 표면을 도프처리(dope)하는 능력 은 양성자 전도성 및 막통과 컨덕턴스(transmembrane conductance)에서 주요한 역할을 할 수 있기 때문에 중요할 수 있다. 그것에 포함된 단백질들의 수명의 영향뿐만 아니라 고분자의 수명은 또한 관련되고 그것의 선택에서 있어 인자(factor)가 된다. 짧은 수명을 갖지만 고 수행성(performance)인 고분자의 선택은 특별한 적용에 유용할 수 있다.

생물학 성분으로 만들어진 고 효율적이고 생산적인 태양 동력 소스의 생산을 위한 앞의 방법들은 외부 장치와 에너지 전환 생물학적 단백질을 통합하는 것을 보여주고, 다양한 장치들을 작동할 수 있게 하는 생체태양(biosolar) 전지들의 대규모 생산이 가능한 제조 방법에 대한 길을 지적한다.

본 발명의 다른 측면으로, 삼중-블록(tri-block) 공중합체 막 내 봉입된 아쿠아포린(Aquaporin) 계열의 단백질들의 사용을 통해, 단지 물만을 통과시키는 안정한 필름이 생산되고, 따라서 물 정제, 탈염, 및 투석을 통한 분자농축을 개선한다. 아쿠아포린(aquaporins)은 박테리아, 바이러스, 미네랄, 단백질, DNA, 염, 세제, 유용된 가스, 및 수용성 용액의 양성자조차 포함하는 모든 오염물질의 통행을 배제하지만, 아쿠아포린(aquaporins) 분자들은 그것들의 구조로 인해 물을 이동시킬 수 있다. 도 12에 개략적으로 예시되는 것처럼, 모든 아쿠아포린(130) 막 내 단백질을 고정시키는 6개의 막통과(transmembrane) 알파-헤리칼(alpha-helical) 도메인(132-137) 및 모래시계 모양을 형성하는 단백질의 중앙에 있는 끝점에서 끝점까지 발생하는 2개의 높게 보존된(conserved) NPA 고리(loop)(138 및 140)로 구성된다. 도 13의 142에 예시된 것처럼, 이 모래시계 형태에서 폭이 좁은 부분은 물 분 자가 단일 파일 내 막을 통해 실제적으로 지나가는 곳이다. 물 이동이 대칭적이고 어느 방향으로도 갈 수 있는 것으로 나타나 왔다; 이 사실은 이러한 과정이 에너지를 소비하지 않기 때문에 중요하다. 물은 수압 또는 삼투 압력 때문에 특정한 방향으로 막을 통하여 이동한다. 도 14에 예시된 것처럼, 물 정화/탈염은 아쿠라포린(aquaporins)으로 채워진 중앙에 단단한 막(156)에 의해 분리된 챔버(152 및 154)가 있는 2개 챔버(two-chambered) 장치(150)로 달성될 수 있다. 이러한 막 자체는 물 불투과성이고 챔버(152)의 오염된 물(158)을 챔버(154)의 정화된 물(160)과 분리시킨다. 오직 순수한 물만이 2개의 챔버들 사이에 흐를 수 있다. 따라서, 막의 한쪽 측면에 바닷물 또는 다른 오염된 물(158)이 적당한 압력에 있을 때, 순수한 물을 자연히 다른 챔버(154)로 흐른다. 따라서, 정화된 물은 마실 수 없는 소스로부터 얻어질 수 있고, 또는 물 소스가 관심 있는 화학물질을 포함하고 있다면, 주입 챔버 내에 원해지는 화학물질을 고농축으로 남겨놓는 상태로 물은 선택적으로 제거될 수 있다. 그러나 중요하게도 아쿠아포린은 또한 그것들의 물에 대해 배타적 선택성 이외의 다른 이유들 때문에 본 발명에 적합하다. 이 단백질 계열의 많은 멤버들이 (아쿠아포린Z(AqpZ)과 같은) 대단히 튼튼하고, 기능을 상실하는 것 없이 오염된 물 공급원의 나쁜 상태에서 지탱할 수 있다. AqpZ는 산, 전압, 세제 및 열의 노출로부터의 변성 또는 풀려짐(unraveling)을 견뎌낸다. 따라서 그 장치는 다른 막을 더럽히거나 파괴할 물질로 오염된 물 소스를 정화하기 위해 사용될 수 있고 및 항상 고온 상태의 지역에서 사용될 수 있다.

AqpZ는 또한 변형가능하다. 이 단백질이 그것의 최종 모양과 기능에 영향을 미친 유전학 서열에 따라서 숙주 박테리아에서 특이적으로 발현되기 때문에, 기술자는 단백질의 특성을 바꿔주기 위하여 그것의 유전자 코드를 쉽게 바꿔줄 수 있다. 그러므로 단백질은 단백질의 원래 기능과 다르게 바람직한 적용을 만족시키기 위해 조작될 수 있다. 예를 들면, 도 13에 예시된 물 채널(142)의 중앙 근처에 있는 특정한 아미노산 잔류물을 시스테인(cysteine)으로 간단히 바꾸는 것에 의해, 생산된 아쿠아포린은 용액에서 어떤 자유 수은(free Mercury)과 결합하고 장애물 때문에 물을 이동시키는 것을 막는다. 따라서 막 장치에서 사용된 이러한 변형가능한 단백질은 독성 물질들의 농도가 너무 높아질 때 간단하게 흐름을 멈춤으로써 물 시료에서 수은 오염을 검출할 수 있다.

그것은 그러한 방식으로 기능에 대해 쉽게 분석되기 때문에, 본 발명의 바람직한 형태는 통상적인 필터 디스크의 형태를 갖는다. 그런 디스크를 제작하기 위해 합성 삼중블로 공중합체(copolymer) 및 단백질의 5nm 두께의 단일층(monolayer)이 Langmuir-Blodgett 구유를 사용함으로서 25nm의 상업적 초여과법 디스크의 표면에 놓여진다. 디스크 위에 단일층은 고분자를 교차결합시키기 위해 254nm UV에 노출되고 그것의 내구성은 증가한다. 마지막으로, 220nm 기공 사이즈 PVDF 막은 안전한 조작을 보장하고 및 가장자리의 누출을 막기 위해 디스크 표면에 에폭시 접착된다.

그 장치는 챔버에 그것을 끼워 맞춤으로써 분석되는데, 도 14에 예시된 것처럼, 힘이 막을 가로질러 물 소스를 가압한다. 오직 순수한 물이 막의 다른 쪽을 통하고 오염된 용액은 발원지인 챔버에서 농축되면서 남을 때, 그 장치는 기능적인 것으로 생각된다. 녹은 입자들의 수가 가장 많이 있는 챔버로 흐르는 순수한 물의 자연적 경향을 극복할 정도로 오염된 용액은 가압되어야 한다. 그것은 삼투압을 거역하고 순수한 물을 오염된 용질로부터 분리하기 위한 아쿠아포린 Z 막의 목적이다. 이 시스템의 이런 경향 또는 삼투압은 평방 인치당 파운드(psi)로 표현될 수 있다. 예를 들면, 바닷물의 삼투압 대략 360 psi이다.

그 장치가 이런 종류의 압력을 용납하게 하기 위해 사용될 수 있는 몇 가지 방법들이 있다. 몇몇 다양한 고분자들은 본래 다른 것들보다 더 나은 내구력이 있고, 추가적인 튼튼함을 제공하기 위해 UV 빛으로 교차 결합될 수 있다. 다른 방법은 챔버 가압으로 인해 역삼투가 발생하는 동안 정상적인 삼투가 막을 가로질러 일어나게 하기 위해 고농도의 무독성이고 쉽게 제거될 수 있는 용질을 신선한 물 챔버로 추가하는 것이다. 마지막으로, 역삼투에 필요되는 압력은 저 농도의 오염물질을 연속적으로 포함하는 봉합되고 연결된 챔버의 케스케이드(cascade)에서 다중 AqpZ 장치를 사용함으로서 감소될 수 있다. 각 챔버에서 물을 정화하기 위해 요구되는 효과적인 압력은 역삼투에 필요한 전체 압력의 한 부분이다. 따라서 각각의 막은 단지 작은 압력만을 견뎌내면 되고, 손상되지 않은 채 남아있을 확률이 높다. 그래서 만약 각 챔버쌍들 사이의 농도 차이가 100% 대신에 오직 10% 이면, 위에서 언급된 고압의 단지 10%가 각 접합점에서 물 소스를 정화하기 위하여 필요될 것이다. 순수한 물은 일정한 압력과 유속으로 마지막 챔버에서 계속적으로 생산된다.

아쿠아포린 역삼투막은 오직 단일 스텝으로 여러 가지 다른 종류의 오염물을 함유하는 물을 정화할 수 있다. 도 15에 170에 예시된 것처럼 통상적인 고정화 시스템은 물 연화제(172), 탄소 필더, 이온 교환기, UV 또는 화학적 멸균(174) 및 (아쿠아포린으로 정화된 물만큼 깨끗하지 않은) 물이 생산될 수 있기 전에 연결되어 사용되기 위한 두개의 통로(pass)를 가진 역삼투 필터 세트(176)을 포함할 수 있는 몇 가지의 성분들을 필요로 한다. 이 정교한 세트는 아쿠아포린 막이 할 수 있는 것처럼 물 소스로부터 150달톤(Daltons) 보다 작은 물질이나 용해된 가스를 제거할 수 없다. 게다가, 모든 이 성분들은 유지(maintenance)를 필요로 한다. UV 전구는 교체와 에너지를 필요로 한다. 이온 교환기들은 그들이 가득 찰 때 화학적으로 재생되는 것을 필요로 한다. 유연제는 염을 필요로 한다. 탄소와 역삼투 카드리지(cartridge)는 그들이 더렵혀지기 전에 교체되어야 한다. 마지막으로, 단일 스텝 장치는 통상적인 정화 시스템보다 더 적은 공간과 무게를 필요로 하고, 이 장점은 본 발명의 아쿠아포린 물 정화장치를 운반가능하게 한다.

아쿠아포린 막들은 또한 통상적인 시스템보다 빠르다. 통상적인 고속의 R.O. 유닛은 매분마다 순수한 물 약 28.4 리터(7.5 갤런)를 만들 수 있다. 현재 연구는 54μmoles/sec의 비율로 AqpZ 포화된 지질막(0.0177mm²)을 가로지르는 물 분자의 이동을 보여준다. (Pohl, P., Saparov, S.M., Borgnia, M.J., and Agre, P., (2001), Proceedings of the National Academy of Sciences 98, p.9624-9629) 따라서, 1.0 평방미터의 표면적을 가진 이론상의 아쿠아포린 Z 역삼투막은 매분 순수한 물을 3295리터까지 채울 수 있다. 그 속도는 일반적 정화장치보다 116배 이상 빠르다.

마지막으로, 새로운 단백질-기반(protein-based) 막들은 생산하기에 매우 싸다. 그 과정의 핵심 부분인 AqpZ는 조작된 E. coli 박테리아 스트레인으로부터 밀리 그램 정도의 양으로 쉽게 배양된다. 평균적으로, 순수한 단백질 2.5mg은 그것을 생산하는 배양균의 각 리터로부터 얻어질 수 있다. 단백질 10mg은 성장배지(growth media)의 약 5달러로 생산될 수 있다. 그것은 몇몇 실물 크기 장치들에 충분한 단백질이다. 또한, AqpZ가 묻힌 고분자는 동일한 실험실에서 각 장치를 위해 페니 가치인 화학물질로 생산될 수 있다. 아쿠아포린 Z 역삼투막은 새롭고, 효율적이고, 물 정화에 비싸지 않은 수단이다.

따라서, 더럽고, 염분이 있고 또는 다르게 오염된 물로부터 완전히 순수한 물을 고효율적 얻기 위해 생화학적 성분을 이용하는 장치와 방법들이 개시되었다. 본 발명은 외부 장치와 물 수송 생물학적 단백질의 통합을 보여주며, 물 정화장치의 대규모의 생산이 가능한 제조 경로에 대한 방법을 제시한다.

비록 본 발명이 바람직한 실시예들을 이용하여 설명되었지만, 본 명세서에 개시된 방법 및 장치들의 다양한 변형과 수정들이 다음의 청구항들에서 설명되는 본 발명의 실제 사상과 범위로부터 벗어남 없이 만들어질 수 있음이 이해되어야 한다.

다음에 서술되는, 본 발명의 부가적 목적, 형태 및 이점은 그들의 바람직한 실시예들의 다음의 구체적 설명과 아래의 도면들을 가지고 잘 이해될 것이다.

도 1은 중심 내부 채널(central internal channel)로 막을 통과하여 양성자가 운반되는 박테리오로돕신의 간이화한 백본(backbone) 리본 구조의 개략적 예시이다.

도 2는 H. salinarium 내에서 BR이 녹색 빛의 광자(photon)를 흡수함에 따라 양성자를 박테리아 밖으로 펌프하면서 전기화학적 경사도를 형성하고, 여기에서 ATP 신타제(synthase)가 이러한 양성자를 세포 내로 다시 들어오도록 하면서 그들의 전기화학적 에너지로 ADP로부터 ATP를 생성하여 광학 에너지로부터 화학적 에너지로의 순수한 전환을 제공하는 프로세스를 예시한다.

도 3A와 3B는 COX의 백본 리본 구조를 예시하는 것으로, 도 3A는 막 쪽 도면(Membrane view)이고 도 3B는 세포질 쪽 도면(Cytosolic view)이다. 별표로 표시된 세 개의 영역은 양성자 이동 채널로 작동하는 것으로 추정되는 구멍("pore")이다.

도 4A는 평면 고체지지 지질 이중층(planar solid supported lipid bilayer) 내로의 리포좀 함입(incorporation)을 예시하는 것이고, 도 4B는 평면 막 내로 COX를 함유한 소포(vesicle)의 융합을 예시하는 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 생체태양 전지의 개략적 예시이다.

도 6는 정제된 박테리오로돕신의 크로마토그램이다.

도 7은 박테리오로돕신이 있는 경우(○)와 없는 경우(□)의 리포좀에 의해 30분 동안 형성된 pH 경사도를 그래프로 예시하고 있는 것이다.

도 8은 다양한 양의 박테리오로돕신 및 F₀F₁-ATpase를 함유하는 리포좀에 의해 형성된 ATP의 존재에 의한 루시페린(Luciferin) 발광을 예시하고 있는 것이다.

도 9는 실리콘 팁(silicon tips, <10nm tips, ~1μm shaft)의 어레이(array)의 SEM 마이크로그래프이다.

도 10은 COX 과발현 및 정제 프로세스의 개략적 예시이다.

도 11은 COX를 통한 양성자와 전자 이동이 측정되고 조절될 수 있는 장치의 부분 횡단도의 개략적 예시이다.

도 12는 아쿠아포린(aquaporin) 단백질의 개략적 예시이다.

도 13은 도 12 단백질의 일부분을 확대한 도이다.

도 14는 아쿠아포린을 함유하는 막을 사용하는 물 정제 셀(cell)을 예시하는 것이다.

도 15는 전통적인 물 정제 시스템의 개략적 예시이다.

Claims (30)

1. 천연(natural) 생물학적 막 및 천연 단백질 환경 유사(simulating) 블록 공중합체 매트릭스; 및

   막/단백질 복합체(composite)를 형성하도록 상기 매트릭스 내로 봉입된 막 단백질을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체유사 막(biomimetic membrane).
2. 제1항에 있어서, 상기 막/단백질 복합체는 봉입된 막 단백질의 기능을 가진 장치를 구성하는(compose) 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
3. 제2항에 있어서, 상기 단백질 기능은 밸브, 채널, 센서, 검출기(detector), 펌프, 및 에너지 변환기(transducer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
4. 제1항에 있어서, 상기 막 단백질들은 단지 물 분자를 이동시키기 위해서 선택되고, 그것에 의해 상기 생체유사 막은 물 필터(filter)가 되는 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
5. 제4항에 있어서, 상기 막 단백질들은 아쿠아포린(auaporin) 계열의 단백질로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
6. 제5항에 있어서, 상기 매트릭스는 삼중-블럭(tri-block) 공중합체로부터 만들어지는 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
7. 제5항에 있어서, 상기 매트릭스는 물 불투과성(impermeable)이고, 상기 막 단백질은 압력 하에서 물 분자의 통과를 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
8. 제7항에 있어서, 상기 매트릭스는 장치를 첫 번째 챔버(chamber)와 두 번째 챔버로 분리하기 위하여 물 정제 장치 내 지원되고(supported), 상기 막 단백질은 챔버들 사이로 단지 물만 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
9. 제8항에 있어서, 상기 막 단백질들은 아쿠아포린들(aquaporins)인 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
10. 제9항에 있어서, 상기 매트릭스는 폴리(비닐 알코올), 폴리(아크릴아마이드) 및 졸-겔(sol-gel)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 생체적합(biocompatible) 고분자인 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
11. 제1항에 있어서, 상기 막 단백질들은 천연 생물학적 단백질인 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
12. 제11항에 있어서, 두 가지 다른 막 단백질들은 상기 매트릭스에 봉입되는 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
13. 제12항에 있어서, 상기 막 단백질들은 에너지 전환 단백질인 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
14. 제1항에 있어서, 상기 매트릭스는 얇은 직물(fabric)에 포함되는 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
15. 14항에 있어서, 상기 막 단백질들은 광학 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위하여 상기 매트릭스에 삽입된 박테리오로돕신(bacteriorodopsin) 및 사이토크롬 옥시다제(cytochrome oxydase)인 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
16. 제15항에 있어서, 상기 매트릭스는 폴리(비닐 알코올), 폴리(아크릴아마이드) 및 졸-겔(sol-gel)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 생체적합(biocompatible) 고분자인 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
17. 제15항에 있어서, 상기 막은 상기 전기 에너지를 받기 위하여 상기 직물의 반대편들에 첫 번째 전극 및 두 번째 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 유사 막.
18. 제1항에 있어서, 상기 매트릭스는 생체태양 전지를 생산하도록 배열된(oriented) 박테리오로돕신 및 사이토크롬 옥시다제를 수용하고 있는 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
19. 제18항에 있어서, 상기 막은 상기 매트릭스의 반대편들에 전극들을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
20. 제18항에 있어서, 상기 매트릭스는 양성자 불투과성인 생체적합 고분자인 것을 특징으로 하는 생체유사 막.
21. 공중합체 매트릭스; 및

    상기 매트릭스에 삽입된 첫 번째 및 두 번째 다른 막 단백질들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 유기/무기 동력원(power source).
22. 제21항에 있어서, 상기 동력원은 얇은 직물(fabric) 물질을 더 포함하고, 상기 매트릭스는 상기 직물에 끼워진(embedded) 것을 특징으로 하는 하이브리드 유기/무기 동력원.
23. 제22항에 있어서, 상기 막 단백질은 천연 생물학적 단백질인 것을 특징으로 하는 하이브리드 유기/무기 동력원.
24. 제23항에 있어서, 상기 단백질은 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위한 박테리오로돕신 및 사이토크롬 옥시다제를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 유기/무기 동력원.
25. 제24항에 있어서, 상기 동력원은 상기 전기 에너지를 받기 위하여 상기 직물의 반대편들에 전극들을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 유기/무기 동력원.
26. 블록 공중합체 매트릭스를 제조하는 단계; 및

    상기 매트릭스 내에 천연 또는 유전적으로 조작된 막 단백질을 삽입하는 단계를 포함하는 생물학적 막을 제조하는 방법.
27. 제26항에 있어서, 상기 방법은 상기 매트릭스 내에 상기 막 단백질을 배열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제26항에 있어서, 상기 방법은 해당 막 기능성(membrane functionality)을 생성하기 위하여 상기 단백질을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
29. 제26항에 있어서, 상기 방법은 상기 매트릭스 내로 두 가지 다른 막 단백질을 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
30. 제29항에 있어서, 상기 방법은 상기 매트릭스를 가로질러 전기 에너지를 생성하기 위하여 상기 매트릭스를 빛에 노출시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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