專利名稱：生物膜控制的制作方法
專利說(shuō)明生物膜控制 背景 生物膜是生長(zhǎng)在多種表面上的諸如細(xì)菌、古細(xì)菌、真菌、霉菌、藻類或原生動(dòng)物或其混合物的微生物的粘膠狀群落，當(dāng)微生物本身建立在表面上并激活參與產(chǎn)生包括多糖的基質(zhì)的基因時(shí)，生物膜形成。這種基質(zhì)可以對(duì)生物膜細(xì)菌提供保護(hù)免遭殺生物劑作用。
名為群體感應(yīng)信號(hào)(quorum-sensing signal)的分子通過(guò)細(xì)胞間通訊/信號(hào)作用輔助觸發(fā)并協(xié)調(diào)部分的生物膜形成過(guò)程。細(xì)菌恒定地分泌低水平的所述信號(hào)并通過(guò)其表面上或內(nèi)部的受體感知這些信號(hào)。當(dāng)存在使該信號(hào)的濃度達(dá)到臨界閾值的足夠細(xì)菌時(shí)，此受體觸發(fā)行為變化。一旦此情況出現(xiàn)，則細(xì)菌的應(yīng)答是采取共同行為(如形成生物膜)以及在病原菌的例子中，散布毒力因子(如毒素)。除與其自身物種的成員通訊外，細(xì)菌還進(jìn)行物種間通訊，從而生物膜可以含有多于一個(gè)物種的細(xì)菌。
例如，銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)廣泛分布于水中，并且還分布在土壤、排水系統(tǒng)及植物內(nèi)。銅綠假單胞菌使用?；呓z氨酸內(nèi)酯(HSL)作為細(xì)胞間信號(hào)以控制其群落環(huán)境的多種功能，例如控制聚藏它們的生物膜。一種已鑒定的針對(duì)銅綠假單胞菌的HSL信號(hào)是

在R是丙基基團(tuán)時(shí)其代表銅綠假單胞菌的“附著”信號(hào)。另一種已鑒定的針對(duì)銅綠假單胞菌的HSL信號(hào)是

在R’是丙基基團(tuán)時(shí)其代表銅綠假單胞菌的“脫離”信號(hào)。
生物膜可以發(fā)育成厚度幾微米或幾厘米的宏觀結(jié)構(gòu)并覆蓋巨大的表面積。出于非生活目的，這些構(gòu)造物可以在限制或完全阻塞管道系統(tǒng)中流動(dòng)、減少熱交換器中傳熱或引起市政供水、食品加工、醫(yī)療器械(例如導(dǎo)管、骨科裝置、植入物)中病原性問(wèn)題方面起到作用。另外，生物膜常常通過(guò)包埋微生物所介導(dǎo)的腐蝕作用縮短材料壽命。這種生物污垢在工業(yè)水處理系統(tǒng)、制漿及造紙工藝、冷卻水系統(tǒng)、用于石油回收(oil recovery)的注入井、冷卻塔、多孔介質(zhì)(沙和土)、海洋環(huán)境(marine environment)和空調(diào)系統(tǒng)及任何封閉水再循環(huán)系統(tǒng)中造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。生物膜也是醫(yī)學(xué)科學(xué)和工業(yè)中的嚴(yán)重問(wèn)題，據(jù)稱引起牙菌斑、感染、內(nèi)窺鏡及隱形眼鏡污染、假體裝置定植和在醫(yī)用植入物上的生物膜形成。
在其它領(lǐng)域中，生物膜可以是極其有用的。例如，生物膜是人體的不可或缺部分(integral part)并且尤其有益于保護(hù)小腸免受有害細(xì)菌侵襲。一個(gè)有益應(yīng)用生物膜以解決重大問(wèn)題的最佳實(shí)施例是在廢水凈化方面。生物膜也可以用來(lái)清理石油及汽油溢出。利用生物膜的生物治理(bioremediation)已經(jīng)涌現(xiàn)為任選技術(shù)用于凈化在含有有害廢物的多個(gè)地點(diǎn)處的地下水。
眾多出版物描述了涉及致力于摧毀生物膜及聚藏于生物膜內(nèi)細(xì)菌而處理水的組合物和方法。二甲基乙內(nèi)酰脲(DMH)用在某些鹵化殺生物性水處理產(chǎn)品中。美國(guó)專利6638859描述了使用二溴二烷基乙內(nèi)酰脲(DBDAH)例如二溴二甲基乙內(nèi)酰脲(DBDMH)處理與生物膜接觸或偶然接觸的水。
盡管存在有關(guān)生物膜和細(xì)胞間通訊的現(xiàn)有知識(shí)體系，然而仍需求利用細(xì)胞間通訊以控制聚藏細(xì)菌和其它污染物的生物膜的商業(yè)可行性裝置，無(wú)論所述污染物源于水或某些其它介質(zhì)。此外，盡管可獲得商用鹵化殺生物劑，仍需求具有增強(qiáng)的生物膜控制能力的改良鹵化殺生物劑。
發(fā)明 本發(fā)明通過(guò)提供與包含微生物的生物膜接觸的

而滿足上述需求，其中

模擬該微生物的細(xì)胞間信號(hào)分子，R1包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，并且R2獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)。設(shè)計(jì)本發(fā)明的分子旨在物理及電學(xué)地相似于微生物的細(xì)胞間信號(hào)分子，以至于本發(fā)明的分子模擬所述細(xì)胞間信號(hào)分子。本發(fā)明還提供用于合成適于控制生物膜的

的方法，其中R1包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，并且R2獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，所述方法包括通過(guò)酮與硫酸氫鈉、氰化鈉及碳酸銨混合而將該酮轉(zhuǎn)化成羥腈。本發(fā)明還提供用于控制與液態(tài)介質(zhì)接觸的基質(zhì)上的生物膜的方法，其中所述生物膜包含微生物，該方法包括向液態(tài)介質(zhì)導(dǎo)入模擬該微生物的細(xì)胞間信號(hào)分子的

其中R1包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，并且R2獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)。在一些實(shí)施方案，R1和R2可以是相同或不同的，此時(shí)在R1和/或R2包含烴基基團(tuán)，該基團(tuán)具有1個(gè)至約6個(gè)或3-6個(gè)碳原子。
如本文中所用(i)“生物膜”意指可以生長(zhǎng)在多種基質(zhì)上的粘膠狀群落，該群落由一種或多種微生物(例如細(xì)菌、古細(xì)菌、真菌、霉菌、藻類或原生動(dòng)物等)組成；(ii)“基質(zhì)”意指可以在其上面形成或已經(jīng)形成生物膜的任何表面，并且包括但不限于硬質(zhì)表面或柔軟表面如聚合物、塑料、管、陶瓷、金屬、玻璃、羥基磷灰石、皮膚、骨、組織和地理構(gòu)造物如沙層；(iii)“以控制/正在控制”生物膜意指使生物膜的至少一部分松解(dissolution)，旨在防止生物膜形成或現(xiàn)有生物膜額外生長(zhǎng)，和/或旨在引起生物膜以更想要的方式或在更想要的位置形成。包括生物膜的微生物的細(xì)胞間信號(hào)分子通過(guò)發(fā)出適宜的信號(hào)而控制該生物膜。例如，微生物的“脫離”信號(hào)通知此微生物脫離生物膜并且可以引起生物膜的至少一部分松解；微生物的“不要附著”信號(hào)或“保持浮游”的信號(hào)通知此微生物保持浮游并且可以防止生物膜形成或現(xiàn)有生物膜額外生長(zhǎng)；微生物的“附著”信號(hào)通知此微生物附著至例如生物膜上，并在給定的適宜時(shí)間及位置上可以引起生物膜以更想要的方式或在更想要的位置形成，并且微生物的“不要脫離”信號(hào)或“保持固著”的信號(hào)通知此微生物保持固著狀態(tài)并可以防止生物膜的至少一部分松解。
本發(fā)明還提供與包含微生物的生物膜接觸的

其中

模擬該微生物的細(xì)胞間信號(hào)分子，R3由氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)組成，R4獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)并且(i)X1包含氫原子或鹵原子而X2獨(dú)立地包含鹵原子，或者(ii)X2包含氫原子或鹵原子而X1獨(dú)立地由鹵原子組成。本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施方案涉及具有R3、R4、X1和X2組合的新

其中迄今未知它模擬微生物的細(xì)胞間信號(hào)分子；并且從本發(fā)明的該實(shí)施方案中排除二溴二烷基乙內(nèi)酰脲(DBDAH)和溴氯二烷基乙內(nèi)酰脲(BCDAH)。還提供用于合成適于控制生物膜的

的方法，其中R3包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，R4獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，并且(i)X1包含氫原子或鹵原子而X2獨(dú)立地包含鹵原子，或者(ii)X2包含氫原子或鹵原子而X1獨(dú)立地包含鹵原子，所述方法包括通過(guò)酮與硫酸氫鈉、氰化鈉及碳酸銨混合而將該酮轉(zhuǎn)化成羥腈。還提供用于控制與液態(tài)介質(zhì)接觸的基質(zhì)上的生物膜的方法，其中所述生物膜包含微生物，該方法包括向液態(tài)介質(zhì)導(dǎo)入根據(jù)該實(shí)施方案的

其模擬所述微生物的細(xì)胞間信號(hào)分子，其中R3包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，R4獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)并且(i)X1包含氫原子或鹵原子而X2獨(dú)立地包含鹵原子，或者(ii)X2包含氫原子或鹵原子而X1獨(dú)立地包含鹵原子。在一些實(shí)施方案中，R3和R4可以是相同或不同的，此時(shí)R3和/或R4包含烴基基團(tuán)，該基團(tuán)具有1個(gè)至約6個(gè)或3-6個(gè)碳原子。X1和X2可以是相同或不同的。
本發(fā)明還提供與包含微生物的生物膜接觸的組合物，該組合物包含能夠殺死所述微生物的分子和模擬該微生物的細(xì)胞間信號(hào)分子的

其中R1包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，并且R2獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)。如該實(shí)施方案中所用，能夠殺死細(xì)菌的分子可以包含能夠殺死細(xì)菌的任何分子(包括而不限于二溴二烷基乙內(nèi)酰脲(DBDAH)、溴氯二烷基乙內(nèi)酰脲(BCDAH))和

其中R3包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，R4獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)并且(i)X1包含氫原子或鹵原子而X2獨(dú)立地包含鹵原子，或者(ii)X2包含氫原子或鹵原子而X1獨(dú)立地包含鹵原子。還提供用于殺死微生物(如細(xì)菌)的方法，所述微生物的至少一部分聚藏在與液態(tài)介質(zhì)接觸的基質(zhì)上的生物膜內(nèi)，該方法包括向液態(tài)介質(zhì)導(dǎo)入能夠殺死該微生物的至少一種分子和模擬該微生物的細(xì)胞間信號(hào)分子的

其中R1包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，并且R2獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)。R1、R2、R3和R4的每一個(gè)可以是相同或不同的。
本發(fā)明結(jié)合具體的實(shí)施方案進(jìn)行描述，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不限于這些具體實(shí)施方案中的任一個(gè)。
在本發(fā)明的

中，獨(dú)立地選擇R1和R2以具有這樣的長(zhǎng)度和電荷，其是使得所述分子能夠模擬希望的細(xì)胞間信號(hào)分子需要的。僅出于舉例目的，R1和R2二者之一或兩者可以包含羰基或烷基。
在本發(fā)明的

中，獨(dú)立地選擇R3和R4以具有這樣的長(zhǎng)度和電荷，其是使得所述分子能夠模擬希望的細(xì)胞間信號(hào)分子需要的。僅出于舉例目的，R3和R4二者之一或兩者可以包含羰基或烷基。當(dāng)所述分子意圖殺死細(xì)菌時(shí)，X1和X2二者之一或兩者可以包含能夠殺死細(xì)菌的鹵原子(包括而不限于溴原子、氯原子或碘原子)。
在本發(fā)明的

乙內(nèi)酰脲核心保留穩(wěn)定所述環(huán)中連接至N原子的鹵原子X(jué)1和/或X2的能力。根據(jù)X1、X2、R3和R4的組成，可以增加或減少這種穩(wěn)定。當(dāng)X1和X2二者之一或兩者是溴時(shí)，產(chǎn)物溴氨酸能夠留住鹵素并使其穩(wěn)定，還能夠?qū)Ⅺu素在水溶液中根據(jù)下列酸-堿平衡反應(yīng)釋放為活性HOBr
本發(fā)明的

可以通過(guò)將酮分子轉(zhuǎn)化成在碳上具有相同配基(如最初在酮羰基處作為側(cè)翼基團(tuán)存在的基團(tuán))的分子加以合成。其它途徑也有可能并且不應(yīng)當(dāng)視為排除于本發(fā)明之外。
實(shí)施例 在下列實(shí)施例內(nèi)所示的本發(fā)明分子中，對(duì)R1和R2就大小、長(zhǎng)度和電子性質(zhì)進(jìn)行選擇以產(chǎn)生與正常(legitimate)細(xì)菌分子信號(hào)基本上不可區(qū)別的分子。
實(shí)施例15-甲基-5-乙基乙內(nèi)酰脲 通過(guò)用亞硫酸氫鈉、隨后用氰化鈉處理，將2-丁酮轉(zhuǎn)化成中間體羥腈(I)。中間體羥腈(I)與碳酸銨混合并加溫以形成粗5-甲基-5-乙基乙內(nèi)酰脲(II)，所述粗5-甲基-5-乙基乙內(nèi)酰脲(II)可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)晶和重結(jié)晶操作得到分離和純化。

實(shí)施例25-甲基-5-丙基乙內(nèi)酰脲 使用與實(shí)施例1中所用方法相似的方法，將2-戊酮轉(zhuǎn)化成中間體羥腈(III)并最終轉(zhuǎn)化成想要的5-甲基-5-丙基乙內(nèi)酰脲(IV)。

實(shí)施例35，5-二甲基乙內(nèi)酰脲 使用與實(shí)施例1中所用方法相似的方法，將1，3-戊酮轉(zhuǎn)化成對(duì)稱的中間體羥腈并最終轉(zhuǎn)化成想要的5，5-二乙基乙內(nèi)酰脲。
實(shí)施例45-甲基-5-庚基乙內(nèi)酰脲 使用與實(shí)施例1中所用方法相似的方法，將2-壬酮轉(zhuǎn)化成想要的產(chǎn)物5-甲基-5-庚基乙內(nèi)酰脲。
實(shí)施例55-(1，1，1-三氟甲基)-5-甲基乙內(nèi)酰脲 使用與實(shí)施例1中所用方法相似的方法，將中間體1，1，1-三氟丙酮羥腈轉(zhuǎn)化成5-(1，1，1-三氟甲基)-5-甲基乙內(nèi)酰脲(V)，此時(shí)R3是正常甲基。

實(shí)施例5說(shuō)明本發(fā)明包括摻入氟化的烷基，如所示的三氟甲基取代基，或包括其它更復(fù)雜的修飾。認(rèn)為高度電負(fù)性基團(tuán)存在于取代的乙內(nèi)酰脲的配基中將對(duì)處理的生物系統(tǒng)中所轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)類型產(chǎn)生同等顯著的擾動(dòng)。
本發(fā)明的組合物具有本身表現(xiàn)為氧化型殺生物劑的能力，例如，溴氨酸具有殺生物性。其它實(shí)施方案如氯氨酸盡管幾乎不作為如溴氨酸同樣有效的殺生物劑，但仍對(duì)細(xì)菌有刺激性，并且在一些條件下，也可以提供殺生物作用。期望氯化或混合的氯和其它鹵素種類提供緩慢或長(zhǎng)效的殘余殺生物控制效果。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參考一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，然而將理解的是可以做出其它修改而不脫離在以下權(quán)利要求書(shū)中所述的本發(fā)明范圍。
權(quán)利要求
1.與包含微生物的生物膜接觸的
其中，
模擬所述微生物的細(xì)胞間信號(hào)分子，R1包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，并且R2獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)。
2.用于控制與液態(tài)介質(zhì)接觸的基質(zhì)上的生物膜的方法，其中，所述生物膜包含微生物，所述方法包括向液態(tài)介質(zhì)導(dǎo)入模擬該微生物的細(xì)胞間信號(hào)分子的至少一種
其中，R1包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，并且R2獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，
模擬通知所述微生物脫離生物膜的細(xì)胞間信號(hào)分子。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，
模擬通知所述微生物附著至生物膜的細(xì)胞間信號(hào)分子。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中
模擬通知所述微生物保持浮游的細(xì)胞間信號(hào)分子。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，
模擬通知所述微生物保持固著的細(xì)胞間信號(hào)分子。
7.與包含一種或多種微生物的生物膜接觸的組合物，其中，所述組合物包含(i)模擬所述微生物之一的細(xì)胞間信號(hào)分子的
其中，R1包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，并且R2獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，以及(ii)模擬所述微生物之一的細(xì)胞間信號(hào)分子的
其中，R3包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，R4獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，并且(i)X1包含氫原子或鹵原子而X2獨(dú)立地包含鹵原子，或者(ii)X2包含氫原子或鹵原子而X1獨(dú)立地包含鹵原子。
8.用于控制與液態(tài)介質(zhì)接觸的基質(zhì)上的生物膜的方法，其中，所述生物膜包含一種或多種微生物，所述方法包括向液態(tài)介質(zhì)導(dǎo)入模擬所述微生物之一的細(xì)胞間信號(hào)分子的至少一種
其中，R1包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，并且R2獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)；并導(dǎo)入模擬所述微生物之一的細(xì)胞間信號(hào)分子的至少一種
其中，R3包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，R4獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)并且(i)X1包含氫原子或鹵原子而X2獨(dú)立地包含鹵原子，或者(ii)X2包含氫原子或鹵原子而X1獨(dú)立地包含鹵原子。
9.與包含微生物的生物膜接觸的組合物，所述組合物包含能夠殺死所述微生物的分子和模擬該微生物的細(xì)胞間信號(hào)分子的
其中，R1包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，并且R2獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)。
10.用于殺死微生物的方法，至少一部分的所述微生物聚藏在與液態(tài)介質(zhì)接觸的基質(zhì)上的生物膜內(nèi)，所述方法包括向所述液態(tài)介質(zhì)導(dǎo)入能夠殺死所述微生物的至少一種分子和模擬該微生物的細(xì)胞間信號(hào)分子的
其中R1包含氫原子或具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)，并且R2獨(dú)立地包含具有1個(gè)至約14個(gè)碳原子的烴基基團(tuán)。
全文摘要
本發(fā)明提供適用于殺死細(xì)菌并控制包含一種或多種微生物的生物膜的組合物和方法，其中利用了能模擬微生物細(xì)胞間信號(hào)分子的分子。
文檔編號(hào)A01N43/50GK101478878SQ200780024224
公開(kāi)日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月29日
發(fā)明者小羅伯特·M.·莫爾, 喬·D.·索爾, 克里斯托弗·J.·納萊帕, 威廉·S.·皮克雷爾, 里士滿·M.·斯塔雷特, 哈森·Y.·埃爾納加, 小喬治·W.·庫(kù)克 申請(qǐng)人:雅寶公司