一种透水红外光在生物分子合成中的应用方法
阅读说明：本技术 一种透水红外光在生物分子合成中的应用方法 (Application method of permeable infrared light in biomolecule synthesis ) 是由 江雷 宋波 张峰 李娜 于 2021-06-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种透水红外光在生物分子合成中的应用方法,包括以下步骤：S1、制备透水红外光；S2、将步骤S1中的透水红外光照射生物合成体系,进行选择性断裂或生成分子的价键；S3、设置反应程序,将步骤S1中的透水红外光的频率、强度以及照射时间进行程序化处理或微流控制调节；S4、通过生物合成体系中的微流控通道,位于不同反应位置进行程序的补加反应物；S5、重复上述进行生物合成反应的流水化。根据本发明,通过透水红外光可辅助生物合成,利用特定频率的红外光或者脉冲照射生物分子,可精准的调控价键的断裂和生成。(The invention discloses an application method of permeable infrared light in biomolecule synthesis, which comprises the following steps: s1, preparing permeable infrared light; s2, irradiating the permeable infrared light in the step S1 on the biosynthesis system to selectively break or generate the valence bonds of molecules; s3, setting a reaction program, and performing programming processing or micro-fluidic control adjustment on the frequency, intensity and irradiation time of the permeable infrared light in the step S1; s4, adding reactants in different reaction positions for programs through microfluidic channels in a biosynthesis system; s5, repeating the above steps to streamline the biosynthesis reaction. According to the invention, the biological synthesis can be assisted by the permeable infrared light, and the breakage and generation of the valence bond can be accurately regulated and controlled by irradiating the biomolecule with infrared light or pulse with specific frequency.)
技术领域
本发明涉及生物分子合成的
技术领域
，特别涉及一种透水红外光在生物分子合成中的应用方法。背景技术
波长处于760纳米到1毫米之间的电磁波被称为红外光/线。1800年，英国的科学家赫歇尔利用温度计和三棱镜推测出红外光的存在。当前红外光被广泛应用于通讯、探测、军事、医疗等领域。
前人的研究结果发现，水对红外光有三个主要的吸收峰(区域，见图1)，而这三个吸收峰间形成了两个非吸收区域，即本发明所要保护的透水红外光区，所述透水红外光为能穿过水的红外光，分别是30THz-50 THz与55THz-90THz。由于水对红外光的吸收特性，本发明中可直接利用水作为滤光片来过滤红外光，从而获得透水红外光。透水红外光在生物医学方面的重要性是申报本发明专利的主要原因和目的。因为红外光的光热转化属性可以使得水分子及生物大分子产生热效应，所以一直以来都是将红外光的光热转化效率高、穿透组织深度大等特性而应用于医疗领域。另外，由于红外光的频率正好与生命分子的价键或者相互作用能级相匹配，所以利用红外吸收光谱可作为分子鉴定的主要研究手段。然而，很少有人利用红外光直接驱动分子价键的断裂、生成，本发明将弥补当前红外光应用领域的这一空白领域。如驱动DNA的变性，核苷三磷酸分子中高能磷酸键的断裂，核酸分子的磷酸二酯键的生成，多肽、蛋白质分子中的肽键生成，以及蛋白质的翻译后修饰，包括(去)甲基化、(去)磷酸化、(去)质子化等反应。
当前，核酸与多肽的合成基本上采用固相合成法，即将预先修饰在固相树脂材料上的核酸或者多肽的成分之一(碱基、氨基酸)作为合成反应的起始反应物，然后再按照碱基/氨基酸序列依次进行连接反应，期间要对非反应的基团进行保护，每次完成一个成分的反应，都需要将未连接上的反应物洗脱，在完成最后的反应后，还得将保护基团进行脱保护处理，并将整个产物从树脂上解离下来进行提纯鉴定。由于出错率随着序列的长度而增加，所以最后的产率也受序列长度的限制。另外，由于氨基酸侧链基团(如巯基、羟基、羧基、氨基等)的活性不低于用于生成肽键的基团(羧基、氨基)，不加保护易产生错误基团间的连接，所以对带保护基团试剂的纯度要求非常高。传统的化学反应，甚至某些酶促反应，通常需要通过加热法来提供驱动反应的能量。然而，基于热效应的驱动能量并不能精准控制指定化学键的断裂或者形成。因此，通常这类反应总会有一定比例的副产物，反应效率也有待提高。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种透水红外光在生物分子合成中的应用方法，通过透水红外光可辅助生物合成，利用特定频率的红外光或者脉冲照射生物分子，可精准的调控价键的断裂和生成。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种透水红外光在生物分子合成中的应用方法，包括以下步骤：
S1、制备透水红外光；
S2、将步骤S1中的透水红外光照射生物合成体系，进行选择性断裂或生成分子的价键；
S3、设置反应程序，将步骤S1中的透水红外光的频率、强度以及照射时间进行程序化处理或微流控调节；
S4、通过生物合成体系中的微流控通道，位于不同反应位置进行程序的补加反应物；
S5、重复上述进行生物合成反应的流水化。
优选的，所述步骤S1包括以下步骤：
S11、准备一普通的光源或一黑体辐射光源；
S12、位于步骤S11中的光源的一侧放置一水层结构，所述水层结构过滤掉水吸收的红外光；
S13、位于所述S12中的水层结构一侧放置一分光设备，所述分光设备进行选择透水红外光中的特定频率。
优选的，所述特定频率的透光红外线的频率为30-90太赫兹。
优选的，所述步骤S4中的微流控通道上开设有多个补液进口，将不同频率的红外光设置与反应体系依次流经孔道的不同位置，通过控制流速或者停留时间而完成不同时间及强度的照射。
优选的，所述透水红外光用于长链多肽合成错误折叠的纠正或生物分子的熔解与变性。
优选的，所述透水红外光用于特定化学基团的精准共价键的连接或者化学修饰。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
(1)利用聚合酶链式反应(PCR)进行核酸的大量扩增中，30-90THz的红外光可以促使配对碱基间的氢键断裂，使dsDNA的变性温度降低，从而可以实现低温大量合成核酸的目的。变性温度的降低，可将用于PCR的DNA聚合酶的选择范围扩大，可进一步降低成本，提高PCR的效率。
(2)透水红外光可精准指导多肽、蛋白质的合成。由于相同的化学基团处于分子结构的不同位置时所在的红外光吸收能级不同，所以本发明可免除传统固相合成对侧链基团(如氨基、羧基、巯基等)的保护和脱保护反应。利用程序化照射不同频率的红外光，可进一步增加体外合成的长度、精准度，甚至实现无酶化合成的流水线生产。
(3)普通光源经过滤光片、光栅等器件可以产生特定频率的红外光。本发明中涉及的红外光是非水吸收的红外光波段，大致在30-90太赫兹(THz)区域。由于水的这种透过性(非吸收性)，使得我们可以直接将水作为初级滤镜进行过滤。之后还可继续使用光学器件进行精细过滤调节。按照黑体辐射理论，这种方法对于任何发热物体都有效。
(4)使用透水红外光可辅助生物合成，其中包括了共价键的断裂和生成。由于红外光与生物分子的共价键能产生共振吸收，所以利用特定频率的红外光持续或者脉冲式照射生物分子，可以精准的调控价键的断裂和生成。如利用～34THz的红外光可将高能磷酸键断裂，从而实现三磷酸腺苷(ATP)或者脱氧核糖核苷三磷酸(dNTP)的高效水解，同时也可以“类焊接”的方式将单链(ss)DNA的5'末端磷酸基与dNTP的3'末端羟基进行交联反应，形成新的磷酸二酯键，实现核酸的合成。
附图说明
图1为根据本发明的透水红外光在生物分子合成中的应用方法的生物反应系统的微流控通道示意图；
图2为根据本发明的透水红外光在生物分子合成中的应用方法的透水红外光辅助多肽、蛋白质的合成、纠正错误折叠及生物活性基团的定点修饰；
图3为根据本发明的透水红外光在生物分子合成中的应用方法的透水红外光辅助双链DNA的变性示意图；
图4为根据本发明的透水红外光在生物分子合成中的应用方法的高能磷酸键的水解的分子式；
图5为根据本发明的透水红外光在生物分子合成中的应用方法的磷酸二酯键的生成的分子结式。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-5，一种透水红外光在生物分子合成中的应用方法，包括以下步骤：S1、制备透水红外光；
S2、将步骤S1中的透水红外光照射生物合成体系，进行选择性断裂或生成分子的价键；
S3、设置反应程序，将步骤S1中的透水红外光的频率、强度以及照射时间进行程序化处理或微流控调节；
S4、通过生物合成体系中的微流控通道，位于不同反应位置进行程序的补加反应物；
S5、重复上述进行生物合成反应的流水化。
进一步的，所述步骤S1包括以下步骤：
S11、准备一普通的光源或一黑体辐射光源；
S12、位于步骤S11中的光源的一侧放置一水层结构，所述水层结构过滤掉水吸收的红外光；
S13、位于所述S12中的水层结构一侧放置一分光设备，所述分光设备进行选择透水红外光中的特定频率，然后用于照射生物合成反应体系，辅助指定化学键的断裂与生成，所述分光设备包括滤光片、光栅。
进一步的，所述特定频率的透光红外线的频率为30-90太赫兹。
进一步的，所述步骤S4中的微流控通道上开设有多个补液进口，将不同频率的红外光设置与反应体系依次流经孔道的不同位置，通过控制流速或者停留时间而完成不同时间及强度的照射。
进一步的，所述透水红外光用于长链多肽合成错误折叠的纠正或生物分子的熔解与变性。
进一步的，其特征在于，所述透水红外光用于特定化学基团的精准共价键的连接或者化学修饰。
实施例1
红外光可促使dNTP的水解(图4)，并生成新的磷酸二酯键(图5)。
举例多肽合成：选择与肽键能发生能量共振频率的红外光照射反应液(图2A)。
举例蛋白质折叠：由于长链多肽在合成后可能会发生错误折叠，本发明用特定频率的红外光直接照射其错误的部位，从而实现纠正错误折叠的目的(图2B)。
举例蛋白质的生物修饰：利用特定频率的透水红外光，可将与此频率共振的相应的反应基团(如磷酸基、甲基、乙基、质子等)修饰到蛋白质上。当分辨率与准直度允许的条件下，可实现特定氨基酸残基的精准修饰(图2C)。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。