[发明专利]细菌视紫红质多位点突变基因和蛋白质及制备方法和应用

说明书

技术领域：

本发明属于生物分子电子学领域，具体地说，本发明涉及一种具有质子泵功能的基因，其编码的蛋白质，含有该质子泵功能基因的载体，制备突变基因、突变蛋白质的方法，以及该基因产物细菌视紫质分子作为3D立体光学信息存储材料，在制备高密度3D立体光学信息存储器的材料中的用途。

背景技术：

信息时代对器件更小型化和更高集成度的需求，激发了人们对生物分子电子学的极大兴趣。目前计算机技术进展的主要限制是随机存储器的尺寸和数据传输带宽，而这些性质是由构成器件的材料决定的。生物分子电子学是在分子水平上研究信息的编码、处理和恢复，从而明显降低了器件特征尺寸和门传导延迟。以分子材料为基础构成的分子计算机能够2～3倍地小于由大量逻辑门所组成的半导体计算机，从而大幅度地提高计算机速度和存储密度。

天然的和修饰的生物分子(色素或蛋白质等)已经在电子或光子器件中表现出非常大的应用前景。目前尽管已报道了几种蛋白质在器件应用上的可能性，但细菌视紫质(BR)分子是公认的最有应用前途的蛋白质。以BR为基础的蛋白质光子和电子器件有巨大的应用潜力，如用于数据存储、处理和超速光探测领域，以及作为新能源-新的光电转换材料等。特别是以BR为基础的存储介质很轻，可防辐射，有高的热稳定性(140℃)，高的空间分辨率(5000线/mm)，高的光灵敏度，高的循环次数，良好的非线性光学特性，并且比较便宜，其优势超过了现在使用的各种有机和无机材料。

BR分子是一种膜结合的光能转换蛋白质，其功能是光驱质子泵。BR光循环的两个中间体BR和M态是形成光开关的基础。如BR分子用于2D存储器中，当存储信号的斑点为10纳米时，其存储密度为1012bits/cm²，比目前市场上的商品高4个量级。但基于B-M态的光子和全息存储也只限于二维存储体系，不能够有效的作为双稳态开关来利用。另外，M态的寿命以及破坏性写入和读出的操作问题，也是限制因素。所以，两种状态的光学体系通常不可能用于立体光学存储。而利用BR分支光循环特性构建的3D存储器与2D存储器相比，又可使同样体积内数据存储能力提高300～1000倍，因此可以称其为超高密度存储器。

在BR的光化学反应中，分支反应对于3D存储器的运行至关重要。当BR分子吸收光子后，伴随着质子泵功能经历一个光循环过程，产生J、K、L、M、N、O一系列中间态。其中O态经光照时，出现含有P和Q态的一个称为分支光循环过程。当没有蓝光条件下，Q态非常稳定，用Q态存储的资料可保存5～20年。BR的分支光循环为实现3D信息存储提供了重要的途径，可以通过规定B态为二进制0，P和Q态为二进制1，制成BR分支光循环3D立体存储器。

然而，天然的蛋白质对上述3D光学存储器而言，并非是最理想的。因为野生型BR虽然具有进入分支光循环的能力，但是量子效率极低，一般仅为10^-3～10^-4。分支光循环3D存储系统需要解决的主要问题是提高B→O→P态的量子效率。

至今所有的研究中，化学修饰和定点突变是最常用的用来产生优化的蛋白质的技术，然而化学方法虽然可以成功地修饰蛋白质特定的特性，但代价是损失了蛋白质的稳定性、循环周期和寿命。

定点突变是研究蛋白质结构与功能关系最有效的方法，它也是目前优化BR的主要方法。现在已经通过单位点的定点突变产生出了几百个BR突变子。最突出的突变子是BR-D96N，可作为BR处理器材料；还有蓝色突变子BR-D85N，可作为BR存储器材料。美国康涅狄格大学化学系的Birge教授领导的研究小组，研究了用BR为材料的3D光学存储器。他们利用定点突变，产生了延长了O态寿命的突变体。还通过半随机突变获得了三个一组的突变，已经使蛋白质在3D性质上获得了700倍的改进[Wise，K.J.，et al.(2002)：Optimization of bacteriorhodopsin forbioelectronic devices.TRENDS in Biotechnol 20，387-394.]。

但以上这些突变还不能完全满足分支光循环3D存储器材料的要求，因为对于有应用价值的3D存储器材料要求5个变量同时优化：即O态的形成时间(使最小化)，O态的衰减(使最优化)，O→P光化学转变的量子效率(使最大)，P→Q水解效率(最大化)，还有Q态的寿命(最大化)。正因为3D存储器综合体系有太多的变量，希望通过单突变或双突变能同时完成这些任务是不可能的。