二氧化硅封裝的生物材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于在二氧化硅基質(zhì)中封裝生物材料的組合物。本發(fā)明包括用于形成二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料的組合物。所述組合物包括反應(yīng)性硅化合物和具有催化活性的生物材料。當(dāng)封裝在所述二氧化硅基質(zhì)中時，所述生物材料至少部分保持其催化活性。本發(fā)明還涉及制備二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料的方法，以及使用二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料的方法，包括使用所述二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料處理水或氣體的方法。
【專利說明】二氧化硅封裝的生物材料
[0001]有關(guān)政府支持的聲明
[0002]本發(fā)明是依據(jù)美國國家科學(xué)基金會(National Science Foundation,NSF)所授予的資助項目號0644784在政府的支持下完成。美國政府在本發(fā)明中享有某些權(quán)利。
【技術(shù)領(lǐng)域】【背景技術(shù)】
[0003]生物材料通常展現(xiàn)可在多種應(yīng)用中具有效用的特性。生物材料的代謝功能性可廣泛應(yīng)用于生物技術(shù)(例如，生物感測、生物催化、生物治理和生物反應(yīng)器)、醫(yī)學(xué)(例如，再生醫(yī)學(xué)、組織工程和重組蛋白質(zhì)制造)及具有改進的功能和結(jié)構(gòu)特性的新雜化材料中。生物材料所展現(xiàn)的有用特性的一個實例是酶所展現(xiàn)的催化活性。舉例來說，酶的催化活性可用于在化學(xué)實驗室中小規(guī)模進行的化學(xué)轉(zhuǎn)化、大規(guī)模工業(yè)化學(xué)品制造或純化操作、農(nóng)業(yè)環(huán)境、食品及水處理中。
[0004]生物材料的自然狀態(tài)常常很難加以利用。不通過某種方式固定生物材料就很難實現(xiàn)上文描述的有用應(yīng)用。如果沒有固定，那么具有有用活性的酶或者表達具有有用活性的酶的微生物會很容易從所希望的施用部位洗掉。固定可允許重復(fù)利用，而無需分離和純化酶或者添加新的催化劑。然而，為了實現(xiàn)酶有用活性的實際應(yīng)用，微生物的成功固定取決于具有足夠機械強度的高度生物相容性封裝材料，所述封裝材料容許例如O2、養(yǎng)分、電解質(zhì)等小分子的進入以及有毒代謝物、激素和其它生物活性化合物的排出。盡管曾嘗試使用各種基質(zhì)和技術(shù)來固定微生物，但用于細胞封裝的傳統(tǒng)材料由于生物材料在較長時間段內(nèi)的不穩(wěn)定性而限制了生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用的發(fā)展。穩(wěn)定性的問題可包括由固定的酶或由固定的表達特定酶的微生物所表現(xiàn)的有限的催化活性抑或沒有催化活性。穩(wěn)定性的問題有時也可包括微生物的死亡，不過未必所有應(yīng)用中都需要微生物的短期或長期存活。此外，可通過代謝活性封裝的細胞徹底地改變用于細胞封裝的合成和天然聚合物材料的機械特性。
[0005]過去，在大分子、尤其是微生物的固定方面已經(jīng)歷許多問題。舉例來說，當(dāng)使用二氧化硅納米粒子固定微生物時，微生物中的蛋白質(zhì)會被吸附到二氧化硅納米粒子中，這可能使吸附的蛋白質(zhì)變性和聚集，并因此喪失結(jié)構(gòu)和催化活性。當(dāng)溫度升高時，傳統(tǒng)的微生物固定方案也可能導(dǎo)致吸附和變性。當(dāng)封裝程序包括水解或縮合步驟時，所述程序可能需要額外的步驟來去除水解或縮合反應(yīng)的副產(chǎn)物。當(dāng)封裝程序包括使用例如硅酸鈉或硅酸鉀等膠狀前驅(qū)物時，可能需要去除鈉離子或鉀離子。
[0006]莠去津(Atrazine)是一種廣泛使用的除草劑。因此，可以在土壤、地下水和地表水中發(fā)現(xiàn)莠去津。當(dāng)前，鑒別一種將莠去津轉(zhuǎn)化成羥基莠去津的有效方式引起了廣泛關(guān)注。羥基莠去津是不受管制的，其對土壤顆粒的吸附比莠去津緊密，并且在環(huán)境中也降解得更快。莠去津的治理方法有很多，并 且包括使用游離酶(莠去津氯水解酶)或表達這些酶的微生物。當(dāng)使用酶或微生物時，經(jīng)常將其添加到土壤中以消除污染物。然而，此方法對于水處理應(yīng)用來說并不實用。需要一種能夠固定微生物同時保持其酶能力的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供用于在二氧化硅基質(zhì)中封裝生物材料的組合物。本發(fā)明還提供制備二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料的方法，以及使用二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料的方法。
[0008]本發(fā)明提供了優(yōu)于過去的生物材料封裝組合物和方法的某些意外并且有益的方面。舉例來說，由本發(fā)明的組合物和方法封裝的生物材料在封裝較長時間段后仍保持其有用的活性，這可以實現(xiàn)所述生物材料的有用并且實用的應(yīng)用。本發(fā)明的組合物和方法的實施例有助于避免封裝的生物材料的變性和失活。在本發(fā)明一些實施例中，二氧化硅基質(zhì)封裝的微生物和其中的化合物甚至在苛刻的PH或溫度條件下也保持其結(jié)構(gòu)和活性。本發(fā)明的一些實施例可避免去除水解或縮合副產(chǎn)物的額外步驟。本發(fā)明的一些實施例可避免去除例如鈉或鉀等離子的額外步驟。在本發(fā)明一個實施例中，可表達將莠去津化學(xué)轉(zhuǎn)化成其它化合物的酶的微生物可經(jīng)過固定而保持有用的酶活性，從而允許酶實際用于降低水或其它介質(zhì)中的莠去津含量。
[0009]本發(fā)明提供一種用于形成二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料的組合物。所述組合物包括反應(yīng)性硅化合物。所述組合物還包括生物材料。所述生物材料在封裝前具有催化活性。本發(fā)明的組合物使得當(dāng)生物材料被封裝在二氧化硅基質(zhì)中時，所述生物材料至少部分保持其在封裝之前所具有的催化活性。
[0010]本發(fā)明提供一種用于制備二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料的方法。所述方法包括提供反應(yīng)性硅化合物。所述方法還包括添加生物材料。所述生物材料在封裝前具有催化活性。所述方法還包括由反應(yīng)性硅組合物形成二氧化硅封裝的生物材料。二氧化硅封裝的生物材料至少部分保持其在封裝之前所具有的催化活性。
[0011]本發(fā)明提供一種用于形成二氧化硅基質(zhì)封裝的細菌的組合物。所述組合物包括反應(yīng)性娃化合物。所述組合物還包括細菌。所述細菌在封裝前具有催化活性。所述細菌的催化活性可能歸因于例如由細菌表達的酶。所述組合物還包括有機前驅(qū)物。所述有機前驅(qū)物包括合成聚合物或單體、天然聚合物或單體、氨基酸、糖或多糖中至少一者。組合物的pH值經(jīng)過充分地調(diào)整以允許形成二氧化硅基質(zhì)封裝的細菌。二氧化硅基質(zhì)封裝的細菌可在約5分鐘到約24小時內(nèi)形成。二氧化硅封裝的細菌完全或部分地保持其在封裝之前所具有的催化活性。
[0012]本發(fā)明提供一種用于形成二氧化硅基質(zhì)封裝的細菌的組合物。所述組合物包括反應(yīng)性硅化合物。所述組合物還包括細菌。所述細菌表達莠去津氯水解酶。所述細菌在封裝前具有催化活性。所述細菌的催化活性可能歸因于由細菌表達的莠去津氯水解酶。所述組合物還包括有機前驅(qū)物。所述有機前驅(qū)物包括合成聚合物或單體、天然聚合物或單體、氨基酸、糖或多糖中至少一者。組合物的PH值可經(jīng)過充分地調(diào)整以允許形成二氧化硅基質(zhì)封裝的細菌。二氧化硅基質(zhì)封裝的細菌可在約5分鐘到約24小時內(nèi)形成。二氧化硅封裝的細菌至少部分保持其在封裝之前所具有的催化活性。
[0013]本發(fā)明提供一種制備二氧化硅基質(zhì)封裝的細菌的方法。所述方法包括提供反應(yīng)性硅化合物。所述方法還包括添加有機前驅(qū)物。所述有機前驅(qū)物包括至少一種合成聚合物或單體、天然聚合物或單體、氨基酸、糖或多糖。所述方法還包括添加細菌。所述細菌在封裝前具有催化活性。所述細菌的催化活性可能歸因于例如由細菌表達的酶。所述方法包括充分地調(diào)整反應(yīng)性硅化合物組合物的PH值以使組合物在約5分鐘到約24小時內(nèi)膠凝。所述方法還包括由反應(yīng)性硅組合物形成二氧化硅封裝的細菌。二氧化硅封裝的細菌至少部分保持其在封裝之前所具有的催化活性。
[0014]本發(fā)明提供一種處理介質(zhì)的方法。所述方法包括使含有化學(xué)品的介質(zhì)暴露于生物材料。所述生物材料具有催化能力，包括將所述化學(xué)品轉(zhuǎn)變成一種不同的化學(xué)品。接觸足以將至少一部分化學(xué)品轉(zhuǎn)化成一種不同的化學(xué)品。所述生物材料被封裝在二氧化硅基質(zhì)中。所述介質(zhì)的具體實例包括水或氣體，或其組合。所述處理介質(zhì)的方法的具體實例包括處理含莠去津的水、液壓破裂法(fracking)的水的方法，或處理氣體(包括氣體混合物中所包括的氣體或溶解于液體中的氣體)的方法。[0015]本發(fā)明提供一種處理水的方法。所述方法包括使水暴露于具有催化能力的生物材料。所述催化能力包括將一種化學(xué)品轉(zhuǎn)變成較低毒性的化合物。所述生物材料被封裝在二
氧化硅基質(zhì)中。[0016]本發(fā)明提供一種處理液壓破裂的水的方法。所述方法包括使液壓破裂的水暴露于具有催化能力的生物材料。所述催化能力包括將一種液壓破裂的化學(xué)品轉(zhuǎn)變成較低毒性的化合物。所述生物材料被封裝在二氧化硅基質(zhì)中。
[0017]本發(fā)明提供一種處理含莠去津的水的方法。所述方法包括使含莠去津的水暴露于細菌。所述細菌表達莠去津氯水解酶。使含莠去津的水暴露于莠去津降解細菌足以降低水中的莠去津含量。所述細菌被封裝在二氧化硅基質(zhì)中。
[0018]本發(fā)明提供一種處理氣體的方法。所述方法包括使氣體暴露于具有催化能力的生物材料。所述催化能力包括將氣體轉(zhuǎn)變成不太易燃、不太易爆炸或較低毒性的化合物。所述生物材料被封裝在二氧化硅基質(zhì)中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]在附圖(其未必按比例繪制)中，相同的數(shù)字在若干視圖中描述實質(zhì)上類似的組件。具有不同字母后綴的相同數(shù)字表示實質(zhì)上類似的組件的不同情形。附圖大體上借助于實例而非限制來說明本文獻中所論述的各種實施例。
[0020]本專利或申請案件含有至少一個以彩色繪制的附圖。專利局將根據(jù)要求并收取必要的費用來提供帶有彩色附圖的本專利或?qū)＠暾埞_案的復(fù)本。
[0021]圖1A說明根據(jù)某些實施例，在表面基質(zhì)上存在硅烷醇(-SiOH)基團。
[0022]圖1B說明根據(jù)某些實施例，在基質(zhì)表面上因海藻糖的存在而缺乏硅烷醇(-SiOH)基團。
[0023]圖1C說明根據(jù)某些實施例，所提出的在二氧化硅基質(zhì)與海藻糖之間的相互作用。
[0024]圖2說明在本發(fā)明一個實施例中的微生物封裝組合物和方法的概述。
[0025]圖3A-C說明本發(fā)明一個實施例的納米孔二氧化硅基質(zhì)封裝的細菌。
[0026]圖4說明本發(fā)明一個實施例的二氧化硅基質(zhì)封裝的大腸桿菌在不同溫度下的代謝活性。
[0027]圖5說明本發(fā)明一個實施例的大孔二氧化硅基質(zhì)封裝的細菌。
[0028]圖6說明本發(fā)明各種實施例的中孔硅膠的孔徑分布。
[0029]圖7說明根據(jù)某些實施例，在各種濃度PEG存在下制造的二氧化硅基質(zhì)的大孔隙度。
[0030]圖8說明根據(jù)某些實施例，包括大孔隙度的澆注的二氧化硅基質(zhì)的各種形狀。
[0031]圖9說明一個曲線圖，描繪了根據(jù)某些實施例，封裝在二氧化硅基質(zhì)中的表達AtzA的大腸桿菌細胞的分析結(jié)果。
[0032]圖10顯示根據(jù)某些實施例，封裝在二氧化硅基質(zhì)中的各種表達AtzA的大腸桿菌在4°C下儲存后的比活性。
[0033]圖11顯示一個柱形圖，說明了根據(jù)某些實施例，表達AtzA的大腸桿菌細胞的游離懸浮液在不加處理(“無添加劑”)情況下與在用丙酮或清潔劑曲通X-100 (Triton X-100)處理后的莠去津降解活性。
[0034]圖12顯示根據(jù)某些實施例，表達AtzA的大腸桿菌細胞的游離懸浮液在用有機溶劑丙酮或清潔劑曲通Χ-100處理后的蛋白質(zhì)釋放情況。
[0035]圖13說明根據(jù)某些實施例，表達AtzA的大腸桿菌細胞針對莠去津溶液和凝膠形成條件的比活性。
[0036]圖14說明根據(jù)某些實施例，封裝的表達AtzA的大腸桿菌細胞的比活性。
[0037]圖1 5說明根據(jù)某些實施例，羥基莠去津和莠去津濃度隨帶有細胞的不同凝膠的變化。
[0038]圖16說明根據(jù)某些實施例，羥基莠去津和莠去津濃度隨帶有細胞的不同凝膠的變化。
[0039]圖17說明根據(jù)某些實施例，羥基莠去津和莠去津濃度隨帶有細胞的不同凝膠的變化。
[0040]圖18說明根據(jù)某些實施例，羥基莠去津和莠去津濃度隨帶有細胞的不同凝膠的變化。
[0041]圖19Α說明根據(jù)各種實施例的多孔凝膠的電子顯微鏡檢圖像。
[0042]圖19Β說明根據(jù)各種實施例的封裝在NI中的表達AtzA的大腸桿菌。
[0043]圖19C說明根據(jù)各種實施例的含有表達AtzA的大腸桿菌的微珠。
[0044]圖19D說明根據(jù)各種實施例的含有表達AtzA的大腸桿菌的圓柱形塊狀物。
[0045]圖20說明根據(jù)各種實施例，每克凝膠材料的從不同多孔凝膠(η=3)提取的表達AtzA的大腸桿菌的集落形成單元數(shù)。
[0046]圖21說明根據(jù)各種實施例，在硅膠中封裝的表達AtzA的大腸桿菌的v_CH2峰位置。
[0047]圖22A、B和C說明根據(jù)各種實施例的表達AtzA的大腸桿菌的電子顯微鏡檢圖像。
[0048]圖23A和B說明根據(jù)各種實施例，溶液中莠去津和羥基莠去津濃度的變化。
[0049]圖24說明根據(jù)各種實施例，莠去津和羥基莠去津在無細胞微珠中的吸附情況。
[0050]圖25說明根據(jù)各種實施例，在N5*微珠中的表達AtzA的無活力大腸桿菌在不同溫度下的比活性。
[0051]圖26說明根據(jù)各種實施例，表達AtzA的大腸桿菌在不同條件(n=3)下的比活性的比較。
[0052]圖27說明根據(jù)各種實施例，含有游離AtzA的各種硅膠在存在和不存在添加劑情況下的比活性。[0053]圖28說明根據(jù) 各種實施例，由硅膠封裝的惡臭假單胞菌(Pseudomonas putida)引起的苯乙烯降解。
[0054]圖29A和B說明根據(jù)各種實施例，由硅膠封裝的惡臭假單胞菌引起的聯(lián)苯降解。
[0055]圖30說明根據(jù)各種實施例，由硅膠封裝的惡臭假單胞菌引起的聯(lián)苯降解。
【具體實施方式】
[0056]現(xiàn)將詳細地提及所揭示的主題的某些權(quán)利要求，其實例在附圖中予以說明。盡管所揭示的主題將結(jié)合所列舉的權(quán)利要求來進行描述，但應(yīng)了解，其不打算將所揭示的主題限制于這些權(quán)利要求。與此相反，所揭示的主題打算涵蓋可包括在如權(quán)利要求項所界定的目前所揭示的主題的范圍內(nèi)的所有替代物、修改及等效物。
[0057]說明書中提到的“一個實施例(one embodiment) ”、“一個實施例(aembodiment) ”、“一個示例性實施例”等指示所描述的實施例可以包括特定特征、結(jié)構(gòu)或特性，但未必每一實施例都包括所述特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。此外，這些短語未必是指同一實施例。另外，當(dāng)結(jié)合一個實施例來描述特定特征、結(jié)構(gòu)或特性時，傳達的意思是，結(jié)合明確或未明確描述的其它實施例來對此特征、結(jié)構(gòu)或特性起作用是在所屬領(lǐng)域技術(shù)人員的技能范圍內(nèi)。
[0058]以范圍的形式表示的值應(yīng)以一種靈活的方式解釋為不僅包括以所述范圍的限值明確敘述的數(shù)字值，而且還包括在所述范圍內(nèi)所涵蓋的所有個別數(shù)字值或子范圍，就如同明確地敘述每一數(shù)字值和子范圍一股。舉例來說，“約0.1%到約5%”的濃度范圍應(yīng)解釋為不僅包括約0.1wt %到約5wt%中明確敘述的濃度，而且還包括在所指示的范圍內(nèi)的個別濃度(例如1%、2%、3%和4% )和子范圍(例如0.1%到0.5%U.1%到2.2%,3.3%到 4.4% ) ο
[0059]除非另作指示，否則在此文獻中，術(shù)語“一個(種)(a / an)”用于包括一個或一個以上，并且術(shù)語“或”用于指非獨占性的“或”。此外，應(yīng)了解，本文中所采用并且未另作限定的措辭或術(shù)語僅僅是出于描述而非限制的目的。另外，本文獻中提到的所有出版物、專利和專利文獻都是以全文引用的方式并入本文中，就如同個別地以引用的方式并入一股。在本文獻與以引用的方式并入的那些文獻之間出現(xiàn)不一致用法的情況下，所并入的參考文獻中的用法應(yīng)視為對本文獻的用法的補充；對于不可調(diào)和的不一致性，以本文獻中的用法為準。
[0060]在本文所述的制造方法中，在不偏離本發(fā)明的原理的情況下，各步驟可按任何次序進行，除非明確地敘述時間或操作的順序的情形。權(quán)利要求中關(guān)于首先執(zhí)行一個步驟，隨后執(zhí)行數(shù)個其它步驟的實行應(yīng)視為意思指，第一個步驟是在任何其它步驟之前執(zhí)行，而所述其它步驟可按任何適合的順序執(zhí)行，除非在其它步驟內(nèi)進一步敘述順序。舉例來說，敘述“步驟A、步驟B、步驟C、步驟D和步驟E”的權(quán)利要求項應(yīng)解釋為意思指，首先進行步驟A，最后進行步驟E，并且步驟B、C和D可在步驟A與E之間按任何順序進行，并且所述順序仍在所要求的工藝的字面范圍內(nèi)。也可重復(fù)一個指定的步驟或步驟子集。
[0061]此外，除非權(quán)利要求的語言明確敘述指定的步驟是分開進行，否則其可同時進行。舉例來說，所要求的進行X的步驟與所要求的進行Y的步驟可在單一操作內(nèi)同時進行，并且所得工藝將在所要求的工藝的字面范圍內(nèi)。
[0062]以下文獻是以引用的方式并入本文:“通過生物強化的聚乙烯醇固定的以及游離的放射形土壤桿菌J14a去除農(nóng)業(yè)滲入物中的莠去津:砂柱研究(Atrazine removalin agricultural infiltrate by bioaugmented polyvinyl alcohol immobilizedand free Agrobacterium radiobacter J14a:A sand column study)”，S.斯皮坦庫爾(S.Siripattanakul)，W.維羅納古德(W.Wirojanagud)，J.M.麥克艾維(J.M.McEvoy)，F(xiàn).X.M.卡西(F.X.M.Casey)，E.克汗(E.Khan)，臭氧層(Chemosphere) 74 (2009) 308-313 ；“莠去津氯水解酶在溶膠-凝膠基質(zhì)中的截留(Entrapment of atrazine chlorohydrolasein sol-gel matrix)”，C.考夫曼(C.Kauff mann)，R.曼德巴姆(R.Mande lbaum)，生物技術(shù)雜志(Journal of Biotechnology) 62 (1998) 169-176 通過固定在纖維素上的 CBD-融合蛋白酶促去除水中的莠去津的新穎方法(Novel Methodology for enzymatic removalof atrazine from water by CBD-fusion protein immobilized on cellulose)，，，C.考夫曼，0.蕭瑟夫(0.Shoseyov)，E.希普杰(E.Shpigel)，E.A.拜耳(E.A.Bayer)，R.拉姆德(R.Lamed)，Υ.蕭?翰(Y.Shoham)，R.T.曼德巴姆(R.T.Mandelbaum)，環(huán)境科學(xué)與技術(shù)(Environ.Sc1.Technol.) 2000.34，1292-1296 通過在連續(xù)系統(tǒng)中培養(yǎng)的懸浮的和固定的混合微生物細胞降解莠去津的動力學(xué)(Kinetics of atrazine degradation by suspendedand immobilized mixed microbial cellscultivated in continuous systems)”， A.塔夫亞-蓋尼卡(A.Tafoya-Garnica)，A.馬西亞-佛羅斯(A.Marcias-Flores)，N.瑞茲-奧達茲(N.Ruiz-Ordaz)，卡里奧泰德嘉瑞茲-雷米瑞茲(Cleotilde Juarez-Ramirez),胡文西奧蓋林德茲-麥爾(Juvencio Galindez-Mayer)，化學(xué)技術(shù)與生物技術(shù)雜志(J.Chem.Technol.Biotechnol) 2009，84，982-991 固定的莠去津降解細菌的降解特性的石開究(The research of immobilized atrazine degrading bacteria degradingcharacteristics) ”，Y.毛(Υ.Mao)，Υ.馬(Υ.Ma)，Ζ.江(Ζ.Jiang)，R.王(R.Wang), Y.張(Y.Zhang), 2009年國際環(huán)境科學(xué)與信息應(yīng)用技術(shù)大會(2009International Conferenceon Environmental Acience and Information Application Technology);“設(shè)計性細菌降解毒素(Designer Bacteria degrades toxin)”，J.R.科比(J.R.Kirby),自然-化學(xué)生物學(xué)(Nature Chemical Biology)，2010，第6卷，398-399 用于降解莠去津的混合細菌培養(yǎng)物(Mixed bacterial culture for atrazine degradation) ”，發(fā)明人:D.哈薩克(D.Hrsak)，M.哈維盧克(M.Havriluk)，專利號:US7，658，850B2，2010 年 2 月；“在兩種耕種土壤中通過未加工的酶和固定的酶增進莠去津降解(Enhancement of atrazinedegradation by crude and immobilized enzymes in two agricultural soils)，，，T.馬(T.Ma)，L 朱(L.Zhu)，J.王(J.Wang)，J.王(J.Wang)，H.謝(H.Xie)，J.蘇(J.Su)，Q.張(Q.Zhang)，B.邵(B.Shao) 0
[0063]環(huán)境地球科學(xué)(Eviron.Earth Sci):D0I10.1007 / sl2665-011-0910_6。
[0064]定義
[0065]除非上下文另作清楚規(guī)定，否則單數(shù)形式“一個(種)(a / an) ”和“所述”可包括
多個參考物。
[0066]術(shù)語“約”可允許一個值或范圍的一定程度的變化，例如在指定值或指定范圍限值的10%范圍內(nèi)或5%范圍內(nèi)。
[0067] 除非上下文另作清楚指示，否則術(shù)語“獨立地選自”是指所提到的基團是相同的、不同的或其混合物。因此，依據(jù)此定義，短語“x\x2和X3獨立地選自稀有氣體”將包括例如x\x2和X3都相同的情形；x\x2和X3都不同的情形A1與X2相同但X3不同的情形；以及其它類似的組合。
[0068]如本文中所用，術(shù)語“細胞”是指細菌、古細菌、原生生物或真菌。
[0069]如本文中所用，術(shù)語“微生物”是指細菌、古細菌、原生生物或真菌。
[0070]術(shù)語“生物材料”是指一種或一種以上微生物、細胞，或酶，例如在細胞或微生物內(nèi)的酶或者不在細胞或微生物內(nèi)的酶(游離酶)。如本文中所用，術(shù)語“生物材料”不包括哺乳動物細胞。生物材料的實例包括酶、大分子及非哺乳動物細胞，例如細菌、古細菌、原生生物或真菌。
[0071]如本文中所用，術(shù)語“孔”是指實心物體中的任何大小或形狀的凹陷、狹縫或孔洞?？卓梢恢必灤┪矬w或部分地穿過物體。一個孔可與其它孔相交。
[0072]如本文中所用，術(shù)語“硅酸鹽”是指任何含硅化合物，其中硅原子具有結(jié)合于氧的四個鍵，其中至少一個結(jié)合于硅原子的氧原子為離子性的，例如硅酸的任何鹽。氧離子的平衡離子可以是一個或一個以上任何其它適合的離子。氧原子可以被其它硅原子取代，從而產(chǎn)生聚合物結(jié)構(gòu)。一個或一個以上氧原子可與硅原子形成雙鍵；因此，硅酸鹽分子可包括具有2、3或4個氧原子的硅原子。硅酸鹽的實例包括硅酸鋁。沸石是可包括硅酸鋁的材料的一個實例。硅酸鹽可為鹽、離子或中性化合物的形式。
[0073]如本文中所用，術(shù)語“二氧化硅(silica)”是指具有任何粒度、形狀、粒度分布、形狀分布和表面功能的二氧化娃(silicon dioxide, SiO2),包括以化學(xué)方式處理的二氧化
硅。其也可以指聚硅氧烷。
[0074]如本文中所用，術(shù)語“硅膠”或“二氧化硅基質(zhì)”可以指包括二氧化硅或聚硅氧烷的物質(zhì)。聚硅氧烷包括至少部分硅-氧-硅(硅原子鍵接到與硅原子鍵接的氧原子)化學(xué)結(jié)構(gòu)，其中所述化合物可為任何長度或分支程度的聚合物。硅膠或二氧化硅基質(zhì)可包括30%、50%、80%、90%、95%、99%、99.5%、99.9%或呈任何適合的組成百分比(wt% )的聚硅氧烷。硅膠或二氧化硅基質(zhì)還可以指包括至少部分硅-氧-碳鏈-氧-硅化學(xué)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，其中所述化合物可為任何長度或分支程度的聚合物。
[0075]如本文中所用，術(shù)語“酸”是指鹽酸、磷酸、硝酸、硫酸、乙酸、檸檬酸、甲酸、丙酸、草酸、碳酸，或任何其它無機或有機酸水溶液。
[0076]如本文中所用，術(shù)語“液壓破裂的水”是指水力壓裂工藝中使用或由其產(chǎn)生的水。舉例來說，液壓破裂的水包括在針對石油或氣體進行水力壓裂期間的任何時間釋放或污染的任何水。
[0077]如本文中所用，術(shù)語“液壓破裂的化學(xué)品”是指在液壓破裂工藝期間使用(例如，添加到水中以增進液壓破裂工藝)、產(chǎn)生或吸收的任何化合物，其可在執(zhí)行液壓破裂工藝之前、期間或之后用液壓破裂的水溶解、懸浮或與液壓破裂的水形成多個相。
[0078]如本文中所用，術(shù)語“氣體減排”是指將氣體轉(zhuǎn)化成相比起始物質(zhì)氣體不太易燃、較低毒性或不太易爆炸的另一種物質(zhì)的工藝。
[0079]描沭
[0080]本發(fā)明提供用于在二氧化硅基質(zhì)中封裝生物材料的組合物。本發(fā)明還提供制備二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料的方法，以及使用二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料的方法。
[0081]本發(fā)明可實 現(xiàn)生物材料在生物技術(shù)(例如，生物感測、生物催化、生物治理和生物反應(yīng)器)和醫(yī)學(xué)(例如，再生醫(yī)學(xué)、組織工程和重組蛋白質(zhì)制造)及具有改進的功能和結(jié)構(gòu)特性的新雜化材料中的新穎且有用的應(yīng)用。
[0082]形成二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料的方法
[0083]有兩種形成二氧化硅(反應(yīng)性硅化合物)的主要方法。
[0084]水解途徑。所述途徑包括在酸性或堿性條件下，在水存在下水解醇鹽前驅(qū)物。水/醇鹽摩爾比可在2到50間變化。醇鹽水解導(dǎo)致形成反應(yīng)性很強的硅烷醇部分(S1-OH)。
[0085]水解反應(yīng)可如下所說明:
[0086]
【權(quán)利要求】
1.一種用于形成二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料的組合物，其包含: 反應(yīng)性娃化合物；及 具有催化能力的生物材料； 其中所述二氧化硅封裝的生物材料至少部分保持其催化能力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述二氧化硅封裝的生物材料的催化能力包含將莠去津轉(zhuǎn)變成不同的化合物；將液壓破裂的化學(xué)品轉(zhuǎn)變成較低毒性的化合物；或?qū)怏w轉(zhuǎn)變成不太易燃、不太易爆炸或較低毒性的化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述生物材料包含細菌、古細菌、原生生物、真菌或酶中至少一者。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中酶引起所述催化活性的至少一部分，或其中所述生物材料表達至少一種引起所述催化活性的至少一部分的酶。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的組合物，其中所述生物材料表達莠去津氯水解酶AtzA。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述反應(yīng)性硅化合物包含硅烷醇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其進一步包含水。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其進一步包含有機前驅(qū)物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的組合物，其中所述有機前驅(qū)物包含合成聚合物或單體、天然聚合物或單體、或氨基酸中至少一者。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其進一步包含二氧化硅。
11.一種由根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物形成的二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料。
12.—種制備二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料的方法，所述方法包含: 提供反應(yīng)性硅化合物； 添加具有催化能力的生物材料；及 由所述反應(yīng)性硅化合物組合物形成二氧化硅封裝的生物材料，其中所述二氧化硅封裝的生物材料至少部分保持其催化能力。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中形成包含將所述組合物滴加到油介質(zhì)中以形成所述二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料的珠?；蚯?。
14.一種通過根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法形成的二氧化硅基質(zhì)封裝的生物材料。
15.—種處理介質(zhì)的方法，其包含: 使含有化學(xué)品的介質(zhì)于具有包含將所述化學(xué)品轉(zhuǎn)變成不同化學(xué)品的催化能力的生物材料中充分暴露以將至少一部分所述化學(xué)品轉(zhuǎn)化成所述不同化學(xué)品； 其中所述生物材料被封裝在二氧化硅基質(zhì)中。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述介質(zhì)包含水。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述處理水的方法是處理液壓破裂的水的方法，暴露于所述生物材料的水是液壓破裂的水，所述化學(xué)品是液壓破裂的化學(xué)品，并且所述不同化學(xué)品是較低毒性的化學(xué)品。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述處理水的方法是處理含莠去津的水的方法，所述化學(xué)品是莠去津，并且所述生物材料是表達莠去津氯水解酶AtzA的細菌。
19.根據(jù)權(quán)利要求 15所述的方法，其中所述介質(zhì)包含氣體。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述處理氣體的方法是氣體減排的方法，其中·相比轉(zhuǎn)化的所述化學(xué)品， 所述不同化學(xué)品不太易燃、不太易爆炸或毒性較低。
【文檔編號】A01N63/02GK103917098SQ201280016435
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年2月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月22日
【發(fā)明者】勞倫斯·P·瓦克特, 阿爾普泰金·阿克桑, 米凱爾·J·薩多夫斯基, 愛德華多·雷亞蒂克, 莉薩·卡辛卡斯 申請人:明尼蘇達大學(xué)董事會