DE68916080T2

DE68916080T2 - Ionenpermeable Membran und Ionentransportverfahren unter Verwendung dieser Membran.

Info

Publication number: DE68916080T2
Application number: DE68916080T
Authority: DE
Inventors: Harumi Iwashita; Tsunehiro Kanno; Kinya Kato; Junji Ohyama; Masanori Sakuranaga; Yasuko Tomida; Nobuko Yamamoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-03-28
Filing date: 1989-03-28
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2009-03-29
Also published as: EP0335326A2; US5041224A; EP0335326B1; DE68916080D1; CA1322439C; EP0335326A3

Description

Hintergrund der Erfindung

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine aufgrund von Lichtbestrahlung selektiv ionenpermeable Membran, in der Substanzen verwendet werden, die Ionen infolge von Absorption von Licht transportieren, und ein Ionentransportverfahren unter Gebrauch der Membran.

Verwandter Stand der Technik

Bis heute war die selektive Ionenpermeation als eine Funktion einer Membran in einem lebenden Körper bekannt. Es werden auch weiter Forschungen mit dem Ziel angestellt, Dialysemembranen oder verschiedene Sensoren dadurch zu erhalten, daß man einer Membran eine einer lebenden Körpermembran analoge Funktion durch ein Verfahren verleiht, bei dem eine Substanz mit aktivem Ionentransportvermögen in einem dünnen Film enthalten ist und man so Gebrauch von der selektiven Ionenpermeation macht. Da die Membran, die von dem oben genannten Prinzip Gebrauch macht, auch für eine Vorrichtung verwendet werden kann, die die Funktion hat, leicht den Unterschied in der Ionenkonzentration diesseits und jenseits einer Membran, also das sogenannte Membranpotential, in elektrische Signale umzuwandeln, indem man sie in Kombination mit ionenempfindlichen Elektroden usw. verwendet, wurde erwartet, daß eine von einer derartigen Membran Gebrauch machende Vorrichtung als chemische Vorrichtung angewendet werden kann, die chemische Signale in elektrische Signale umwandelt. Als Vorrichtung, die beispielsweise ein Protein als Substanz mit aktivem Ionentransportvermögen verwendet, wurde ein Aufbau einer biochemischen Vorrichtung wie beispielsweise ein Sensor zum Einbetten in einen lebenden Körper in dem japanischen offengelegten Patent Nr. 62-11,158 offenbart.
Wenn die Bestrahlung mit Licht dazu verwendet wird, eine Steuerung der Ionenpermeabilität zu bewirken, wird nicht nur das Verfahren zur Steuerung von außen einfach, sondern es kann beispielsweise auch eine chemische Vorrichtung verwirklicht werden, die eine Umwandlung im photoelektrischen Bereich unter Abgabe nur kleiner Wärmemengen bewirken kann. Eine ionenpermeable Membran mit ausgezeichneter Volumeneffizienz und Energieeffizienz und darüber hinaus guter Steuerbarkeit ist für die Zukunft auch vielversprechend als Umwandlungsvorrichtung im Bereich optischer Kommunikation.
Bei der Steuerung der Ionenpermeabilität einer Membran durch Bestrahlung mit Licht ist es wünschenswert, daß man die Wellenlänge des einfallenden Lichts nach Wunsch einstellen kann. Außerdem ist es natürlich wünschenswert, daß die Ionenpermeabilität der Membran nicht nur in einer Richtung gesteuert wird, sondern daß man die Permeationsrichtung wählen kann, ja sie sogar in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts wählen kann.
Derzeit war jedoch noch keine Vorrichtung erhältlich, die sich hinsichtlich ihrer Ionenpermeabilität durch Bestrahlung mit Licht in ausreichender Weise steuern ließe.

Zusammenfassung der Erfindung

Dementsprechend ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ionenpermeable Membran zur Verfügung zu stellen, bei der eine Kontrolle der Ionenpermeabilität wie erwünscht durch Einstrahlung von Licht erfolgen kann.
Um diese Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine ionenpermeable Membran bereit, wie sie in Patentanspruch 1 definiert ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die ionenpermeable Membran außerdem ein Ionophor umfassen, wie es in Patentanspruch 2 definiert ist.
Außerdem stellt die vorliegende Erfindung ein Ionentransportverfahren bereit, das sich der vorliegenden ionenpermeablen Membran bedient, wobei in dem Verfahren die Ionenpermeabilität der Membran durch Bestrahlen der Membran mit Licht einer ausgewählten Wellenlänge verändert wird.

Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 und die Figuren 2A und 2B sind schematische Teil- Schnittansichten der ionenpermeablen Membran zur Veranschaulichung des Prinzips der ionenpermeablen Membran gemäß der vorliegenden Erfindung.
Figur 3 und Figur 4 sind schematische Schnittansichten, die den Aufbau der ionenpermeablen Membran der vorliegenden Erfindung zeigen.
Figur 5 und Figur 6 sind Schnittansichten, die den Aufbau der ionenpermeablen Membran der vorliegenden Erfindung zeigen.
Figur 7 und die Figuren 8A und 8B sind schematische Schnittansichten zur Veranschaulichung des Prinzips der ionenpermeablen Membran gemäß der vorliegenden Erfindung.
Figuren 9 bis 12 sind schematische Diagramme zur Veranschaulichung der Beispiele 4 bis 6.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die mit der vorliegenden Erfindung befaßten Erfinder waren an der Tatsache interessiert, daß Selektivität (Spezifität) und Reaktionseffizienz bei biochemischen Reaktionen, wie sie in lebenden Körpern ablaufen, im Vergleich mit physikalischen oder chemischen Reaktionen extrem hoch sind. Sie haben daher nach einer ionenpermeablen Membran gesucht, für die der einzustrahlende Wellenlängenbereich frei gewählt werden kann und die auch hinsichtlich der Ionenpermeabilität für ein spezifisches Ion unter Bestrahlung mit Lichtenergie mit hoher Empfindlichkeit gesteuert werden kann und bei der darüberhinaus die Richtung der Ionenpermeation entsprechend dem einfallenden Licht gewählt werden kann. Sie haben darüberhinaus ein für diesen Zweck geeignetes Steuerungsverfahren gesucht.
Im Verlauf derartiger Untersuchungen waren die mit der vorliegenden Erfindung befaßten Erfinder an einem Photorezeptor- Protein interessiert, das in der Retina (Netzhaut) von Tieren usw. vorkommt und eine Substanz ist, die eine Lichtdetektion dadurch bewirken kann, daß sie einen Substanztransport in einem lebenden Körper mit sehr hoher Empfindlichkeit und einer hohen Auflösung gegenüber sichtbarem Licht ausführt. Es wurde gefunden, daß dies durch Verwendung eines lichtaufnehmenden Proteins geschieht, das die Funktion und eine dem ähnliche Struktur aufweist, in relativ stabilem Zustand bei normaler Temperatur existieren kann und in einer Lipidmembran enthalten ist. Es wurde außerdem gefunden, daß es möglich ist, die obige Funktion auch für mehrere Arten zu permeierender Ionen zu verwirklichen, wenn eine Ionentransportsubstanz (ein Ionophor), das die Struktur und Funktion eines Antibiotikums hat, durch einen Mikroorganismus produziert wird und Ionentransportvermögen aufweist, oder eine einem Antibiotikum ähnliche Substanz, die natürlich vorkommt oder durch Synthese erhalten wird, in einer Lipidmembran enthalten ist, die auch das oben genannte lichtaufnehmende Protein einschließt.
Als Substanz, die die Funktion des Transports verschiedener Ionen durch Absorption von Licht aufweist, wie sie vorstehend erwähnt wurde, können lichtaufnehmende Proteine eingeschlossen sein. Es können jedoch beliebige lichtaufnehmende Proteine oder deren Analoge, die eine derartige Funktion aufweisen, ohne Begrenzung auf ihre Art verwendet werden.
Typische Beispiele lichtaufnehmender Proteine können sogenannte Seh-Stoffe (mit dem Sehen zusammenhängende Stoffe) einschließen, nämlich Pigment-Proteine, die in der Netzhaut eines Tiers existieren. Diese Substanzen umfassen einen chromophoren Teil (z.B. Retinal) und ein Protein (z.B. Opsin). Derartige Substanzen haben die Wirkung, daß sie Licht in der retinalen Neuroepithel-Schicht eines Tiers aufnehmen und infolgedessen eine bestimmte Änderung der Ionenpermeabilität der Membran eintritt. Als Proteine dieses Typs wurden beispielsweise Rhodopsin, Porphyropsin, Iodopsin usw. extrahiert und gereinigt. Als Substanzen mit ähnlichen Funktionen wie die genannten Sehstoffe existieren Bacteriorhodopsin und Halorhodopsin in Zellmembranen halophiler Mikroorganismen. Diese Substanzen sind in Bezug auf ihre Handhabung relativ einfacher.
Bacteriorhodopsin ist die Hauptkomponente der Proteine der Zellmembran (Purpurmembran) eines hochgradig halophilen Bacteriums, nämlich Halobacterium halobium, das zum Genus Halobacterium gehört. Diese Verbindung enthält Retinal als chromophore Gruppe und hat die Funktion, Wasserstoffionen bei Aufnahme sichtbaren Lichts zu transportieren (Fähigkeit der Protonenpumpe) [A. Danon, W. Stoeckenius; Proc. Natl. Acad. Sci., USA 71 (1984), 1234].
Bacteriorhodopsin kann beispielsweise erhalten werden durch Extrahieren der Purpurmembran hochgradig halophiler Bacterien unter Anwendung des Verfahrens von Oesterhelt und W. Stoeckenius (Methods in Enzymology 31 (1974), 667) und außerdem durch Entfernen der Lipide aus der Purpurmembran, die nach dem Verfahren erhalten wurde, das beschrieben ist in "K.S. Huang, H. Bayley und H.G. Khorana; Proc. Natl. Acad. Sci., USA 77 (1980), 323".
Andererseits ist Halorhodopsin ein Protein, das gefunden wird bei Stämmen hochgradig halophiler Bakterien, die einen Bacteriorhodopsin-Mangel zeigen, beispielsweise R1m, L&sub3;&sub3; usw.. Es hat die Eigenschaft, daß es Natriumionen bei Aufnahme sichtbaren Lichts transportiert [A.Y. Matsuno und Y. Mukohata; Biochem. Biophys. Res. Commun. 78 (1977), 237; R.E. MacDonald, R.U. Greene, R.D. Clark, E.V. Lindley: J. Biol. Chem. 254 (1979), 11831].
Halorhodopsin kann aus hochgradig halophilen Bakterien unter Anwendung des Verfahrens erhalten werden, wie es beispielsweise beschrieben ist in "Y. Mukohata, Y. Sugiyama und Y. Kaji, J. Usukura und E. Yamada; Photochem. Photobiol. 33 (1981), 539".
Es kann auch ein natürlich vorkommendes, lichtaufnehmendes Protein, das von einem lebenden Organismus abgetrennt wurde, hinsichtlich seiner Struktur verändert werden, ohne seine Funktion zu beeinträchtigen. So wird ein Derivat gebildet, das hinsichtlich der empfindlichen Wellenlänge verändert ist. Auch dieses kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Typischerweise kann der Retinal-Teil ersetzt werden, um die Wellenlänge der Lichtabsorption zu verändern. Spezielle Beispiele zur Bildung derartiger Derivate von Rhodopsin können beispielsweise die Fälle einschließen, in denen der Retinal-Teil verändert wird zu:
a) all-trans-Retinal; dadurch wird Bacteriorhodopsin gebildet, dessen maximale Absorptionswellenlänge bei 570 nm liegt [P. Townor, W. Gaerther, et al., Eur. J. Biochem. 117 (1981), 353];
b) 13-cis-Retinal; dadurch wird Bacteriorhodopsin gebildet, dessen maximale Absorptionswellenlänge bei 550 nm liegt [ibid.];
c) 5,6-Dihydroretinal; dadurch wird Bacteriorhodopsin gebildet, dessen maximale Absorptionswellenlänge bei 475 nm liegt [R. Mao, R. Govindjee, et al., Biochemistry 20 (1981), 428];
d) Retro-γ-retinal; dadurch wird Bacteriorhodopsin gebildet, dessen maximale Absorptionswellenlänge bei 430 nm liegt [K.S. Huang, H. Baylay, et al., Fed. Proc. 40 (1981), 1659];
e) 3,4-Dihydroretinal; dadurch wird Bacteriorhodopsin gebildet, dessen maximale Absorptionswellenlänge bei 593 nm liegt [F. Tokunaga, T. Ebrey, Biochemistry 17 (1978)]; usw..
Außerdem wurde bereits die Aminosäuresequenz von Bacteriorhodopsin aufgeklärt [Yu. A. Ovchinnikov, N.G. Abdulaev, et al., Bioorg. Khim., 4 (1978), 1573]. Außerdem wurde auch die Basensequenz des Bacteriorhodopsin-Gens von Halobacterium aufgeklärt [R.J. Dunn, J.M. McCoy et al. Proc. Natl. Acad. Sci. 78 (1981), 6744]. Aus diesen Kenntnissen kann eine Rekombinate DNS konstruiert werden, und ein Protein-Analoges mit Substituenten an der Aminosäure-Sequenz von Bacteriorhodopsin kann synthetisiert werden [N.R. Hackett, L.J. Stern, et al., J. Biol. Chem. 262 (1987), 9277). Eine solche lichtaufnehmende, dem Protein analoge Substanz kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden. Abhängig von der Konstitution der ionenpermeablen Membran, die zwei oder mehr unterschiedliche Bereiche der Wellenlänge der Lichtabsorption erfordert, können Substanzen gewählt und verwendet werden, die aus den oben beschriebenen, lichtaufnehmenden Proteinen ausgewählt sind.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung zeigt die Lipidmembran, die die lichtaufnehmenden Substanzen enthält, Ionenpermeabilität, wobei der innere Bereich der Membran hydrophobe Eigenschaften zeigt und die Oberfläche der Membran hydrophile Eigenschaften zeigt.
Als Material für die Lipidmembran können bekannte amphophile Verbindungen verwendet werden, die in der Lage sind, monomolekulare Filme oder polymolekulare Filme aufzubauen. Diese Lipidmoleküle mit filmbildender Eigenschaft können aufgebaut sein aus einer langkettigen Alkylgruppe mit 8 oder mehr Kohlenstoffatomen und einer hydrophilen Gruppe, wobei die hydrophile Gruppe eine der folgenden Gruppen ist:
Ein Kation wie beispielsweise
ein Anion wie beispielsweise Succinyl
eine nicht ionische Verbindung wie beispielsweise glycero-(glycidoxy)x
ein Ampholytion wie beispielsweise
Von diesen Verbindungen sind die folgenden verwendbar: Glycerophospholipide wie beispielsweise Phosphatidylcholin (Lecithin), Phosphatidylethanolamin, Diphosphatidylglycerin, usw., Sphingophospholipide wie beispielsweise Sphingomyelin, Ceramidsiliatin usw., Sphingoglycolipide wie beispielsweise Cerebrosid, Sulfatid, Ceramidoligohexosid usw. und Glyceroglycolipide wie beispielsweise Glycosyldiacylglycerin usw., das eine Kohlenhydrat-Gruppe als hydrophile Gruppe enthält. Diese Verbindungen sind Lipidverbindungen, die Membranen im lebenden Körper aufbauen. Daher können sie besonders geeignet zur Bildung von Lipidmembranen sein, die die lichtaufnehmende Substanz enthalten, nachdem die lichtaufnehmende Substanz wie oben beschrieben eingebaut wurde, und die Funktion des Proteins mit guter Wirkung zeigen.
Ein typisches Beispiel für diese Substanzen ist Sojabohnenlecithin. Dies kann nach dem Verfahren von "Y. Kagawa und E. Racker, J. Biol. Chem. 246 (1971), 5477" hergestellt werden. Es können verschiedene Lipide, die die Funktion des Lipids haben, das oben beschrieben wurde, verwendet werden; die Art des Lipids ist nicht beschränkt.
Die vorstehend genannte Lipidmembran wird aus dem oben beschriebenen Lipidmaterial gebildet. Es kann ein solches Material, das eine monomolekulare Lipidschicht umfaßt, oder ein Material, das aus zwei Schichten besteht, die aus monomolekularen Lipidfilmen laminiert sind (Lipid-Doppelschicht-Film) oder aus drei oder mehr Schichten von monomolekularen Lipidfilmen gebildet sind (Lipid-Mehrfachschicht), verwendet werden. Jedoch kann jede monomolekulare Schicht durch Bestrahlung mit Licht wie beispielsweise durch Bestrahlung mit UV-Strahlung usw. polymerisiert werden.
Wenn von den oben angesprochenen Substanzen ein lichtaufnehmendes Protein in einem aus einer Lipid-Doppelschicht bestehenden Film enthalten ist, kann ein lichtempfindliches Farbstoff- Protein in einer Form aufgebaut werden, die der Struktur in einem lebenden Körper sehr nahekommt. Seine Funktion kann in passender Weise wirksam genutzt werden. Auch das oben angesprochene Bacteriorhodopsin existiert in Halobacterium in Form eines Verbundstoffs mit einer Lipidschicht, genannt Purpurmembran, und das Fragment des Lipid-Protein-Verbundstoffs kann in einfacher Weise extrahiert werden.
Zur Bildung einer Verbundsubstanz aus einer lichtaufnehmenden Substanz wie beispielsweise Bacteriorhodopsin und einem Lipid kann dieses dadurch erhalten werden, daß man beispielsweise das Verfahren anwendet, wie es beschrieben ist in "E. Racker und W. Stoeckeniums, J. Biol. Chem. 249 (1974), 662" oder das Verfahren, das beschrieben ist in "K.S. Huang, H. Bayley und H.G. Khorana, Proc. Natl. Acad. Sci., USA 77 (1980), 323". Dies geschieht, indem man das Lipid - wie oben beschrieben - in einer Lösung mit einer geeigneten Salzkonzentration suspendiert, ein gewünschtes lichtempfindliches Farbstoff-Protein der Lösung zusetzt und ermöglicht, daß dieses in den Lipidfilm eingebaut wird, der während der Bildung eines Liposoms gebildet wird, wobei man mit Ultraschall behandelt, sofern dies erwünscht ist.
Aus dem so erhaltenen Produkt kann das Proteoliposom, das das lichtempfindliche Farbstoff-Protein eingebaut enthält, abgetrennt und mittels eines Säulenchromatographie-Verfahrens, eines Ultrazentrifugationsverfahrens unter Anwendung eines Sucrose- Konzentrationsgradienten usw. gereinigt werden, wie es beschrieben ist in "C. Lind., Bo. Hojeberg und H.G. Khorana, J. Biol. Chem. 256 (1981), 8298".
Das so gereinigte Proteoliposom wird in eine Lipid-Doppelschicht adsorbiert und eingeschmolzen, die man vorher dadurch hergestellt hat, daß man sie in ein geeignetes Lösungsmittel eintaucht. So wird eine auf Licht ansprechende ionenpermeable Membran hergestellt.
Alternativ dazu wird -wie es bei der Purpurmembran bekannt ist- das Proteoliposoin in einem Langmuir-Wassertank ausgebreitet, um an der Lipid-Doppelschicht befestigt zu werden. Dadurch kann ein bimolekularer Protein-Lipid-Verbundfilm gebildet werden. In diesem Fall kann ein ebener Film erhalten werden, der eine hydrophile Oberfläche auf der Substratseite bildet, indem man ihn auf dein Substrat im Sinne einer horizontalen Befestigung befestigt, oder es kann eine hydrophobe Oberfläche auf der Substratseite gebildet werden, indem man den Film gemäß dem vertikalen Eintauchverfahren befestigt. Durch Eintauchen des so gebildeten Verbundfilms in ein geeignetes Lösungsmittel kann ein Proteoliposom, das ein Protein enthält, das von dem Protein innerhalb der Membran verschieden ist, adsorbiert und gebunden werden. Gemäß diesem Verfahren kann ein Verbundfilm, der ein lichtaufnehmendes Protein (auf Licht ansprechende ionenpermeable Membran) eingearbeitet enthält und in dem die Ionenpermeationsrichtungen in einer Schicht umgekehrt werden, gebildet werden. Außerdem kann die Verbundmembran verschiedene Arten von lichtaufnehmenden Proteinen eingearbeitet enthalten, die dieselbe Richtung in Bezug auf die Art in der Lipidmembran beibehalten.
Figuren 3 und 4 veranschaulichen schematisch den Aufbau der ionenpermeablen Membran gemäß der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren zeigt die Zahl 1 eine ionenpermeable Membran; 1a und 1b zeigen zwei verschiedene lichtaufnehmende Proteine, und 2 zeigt ein poröses Trägersubstrat. Als Substrat können Kollagen, Cellulose, poröses Glas usw. verwendet werden.
Als nächstes wird das Verfahren zur Steuerung der so aufgebauten, auf Licht ansprechenden ionenpermeablen Membran unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 ist eine schematische Schnittansicht eines Aufbau- Beispiels der ionenpermeablen Membran gemäß der vorliegenden Erfindung.
Gemäß dem oben gezeigten Verfahren wird eine auf Licht ansprechende permeable Membran mit den beiden auf Licht ansprechenden Proteinen 1a und 1b gebildet, die auf die unterschiedlichen Wellenlängenbereiche ansprechen, die innerhalb von zwei Lipid-Molekülen in derselben Richtung orientiert sind. Die beiden lichtaufnehmenden Proteine 1a und 1b sind so gewählt, daß das Maximum ihrer Absorptionswellenlängen beispielsweise in einem kürzeren Wellenlängenbereich λ&sub1; für das Protein 1a und in einem längeren Wellenlängenbereich λ&sub2; für das Protein lb liegen können. In der Figur zeigen a beziehungsweise b das einfallende Licht auf der Seite kürzerer Wellenlängen und das einfallende Licht auf der Seite längerer Wellenlängen. Die Ionenpermeabilität dieser Membran kann in einem breiteren Wellenlängenbereich realisiert werden, der im Vergleich mit dem Fall, indem das Protein 1a oder das Protein 1b alleine zugegen sind, ausgedehnt ist. Mit diesem Aufbau kann auch die jeder Wellenlänge entsprechende Menge an permeierenden Ionen gesteuert werden.
Die Figuren 2a und 2b sind schematische Schnittansichten, die ein anderes Aufbau-Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigen.
Die permeable Membran 1 in diesem Beispiel weist zwei lichtaufnehmende Proteine 1a und 1b auf, die bei verschiedenen Wellenlängenbereichen reagieren, die in Richtungen der Ionenpermeation orientiert sind, die einander entgegengerichtet sind. In dieser Membran kann die Richtung des Ionentransports frei gewählt werden, beispielsweise dadurch, daß man die Wellenlänge des einfallenden Lichts von λ&sub1; in λ&sub2; umwechselt. Bei Anwendung des Unterschieds in der Richtungsgebung durch Wahl der lichtaufnehmenden Proteine 1a und 1b in der Weise, daß die Lichtabsorptionsbanden der Proteine 1a und 1b in passender Weise miteinander überlappen, kann so auch die Wellenlängenselektivität gegenüber Licht mit Wellenlängen, die nahe λ&sub1; oder λ&sub2; liegen, in großem Ausmaß verbessert werden.
Wenn darüber hinaus ein Ionophor in die ionenpermeable Membran eingebaut wird, wie dies oben beschrieben ist (ionenpermeable Membran mit zwei oder mehr Arten von lichtaufnehmenden Proteinen, die jeweils gegenüber unterschiedlichen Wellenlängenbereichen empfindlich sind und in einer Lipidmembran enthalten sind), kann eine ionenpermeable Membran gebildet werden, die in der Lage ist, mehrere Arten von Ionen passieren zu lassen. Der Begriff "Ionophor", wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, bezieht sich auf eine Substanz, die dann, wenn das oben genannte lichtaufnehmende Protein ein Ion bei Bestrahlung mit Licht transportiert, gleichzeitig einen anderen Ionentyp transportiert, wobei der dadurch erzeugte Konzentrationsgradient als Triebkraft wirkt (Transport des ionenpassiven Typs).
Speziell können Beispiele des Ionophors mit Ionentransportvermögen natürlich vorkommende Oligopeptide, die aus Mikroorganismen stammen, wie beispielsweise Gramicidine, Varinomycin, Nonactin, Monactin, Nijericin, Aramethicin, Monendin, A23187, X- 537A usw. oder andere cyclische Oligopeptide einschließen, die künstlich erzeugt wurden, usw.. Auch können organische Verbindungen wie beispielsweise cyclische Polyether (Kronenether), Polyetherpolyamine (Kryptanden), Cyclame, usw. eingeschlossen sein. Verschiedene Ionophore können ohne Beschränkung als Ionophore verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie die oben beschriebene Funktion aufweisen.
Figur 5 und Figur 6 zeigen schematische Schnittansichten des Aufbaus der ionenpermeablen Membran gemäß der vorliegenden Erfindung. In den Figuren zeigt das Symbol 1 eine ionenpermeable Membran, 1a und 1b zeigen zwei verschiedene, lichtaufnehmende Proteine, und 3 zeigt ein Ionophor.
Nachfolgend wird das Verfahren zum Steuern der so aufgebauten lichtaufnehmenden, ionenpermeablen Membran beschrieben.
Wie in Figur 7 gezeigt ist, bilden die beiden verschiedenen, lichtaufnehmenden Proteine 1a und 1b und das Ionophor 3 die ionenpermeable Membran 1, die in der Lipid-Doppelschicht orientiert ist. Die beiden verschiedenen lichtaufnehmenden Proteine 1a und 1b sind so gewählt, daß die maximalen Absorptionswellenlängen beispielsweise auf der Seite kürzerer Wellenlängen λ&sub1; für das Protein 1a und auf der Seite längerer Wellenlängen λ&sub2; für das Protein 1b liegen. In der Figur zeigen a beziehungsweise b das Licht auf der Seite kürzerer Wellenlängen beziehungsweise das Licht auf der Seite längerer Wellenlängen. Die Ionenpermeabilität dieser Membran wird in einem breiteren Wellenlängenbereich realisiert, der im Vergleich mit dem Fall, in dem das Protein 1a oder das Protein 1b alleine existieren, verbreitert ist.
Außerdem ist es durch das Einbauen des Ionophors möglich, die Permeabilität des zweiten Ions, die von der des ersten Ions verschieden ist, durch Anwendung des Konzentrationsgradienten zu verändern, der durch den aktiven Transport des ersten Ions, der durch das Protein 1a oder das Protein 1b bei Bestrahlung mit Licht als der Triebkraft durchgeführt wird, erzeugt wurde.
Die Figuren 8A und 8B sind schematische Schnittansichten, die ein anderes Beispiel für den Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
In diesen Figuren sind zwei verschiedene lichtaufnehmende Proteine 1a und 1b in Ionenpermeationsrichtungen orientiert, die einander entgegengesetzt sind.
In dieser Membran kann die Richtung des Ionentransports frei beispielsweise dadurch gewählt werden, daß man die Wellenlänge des einfallenden Lichts von λ&sub1; nach λ&sub2; umschaltet. Auch kann durch Anwendung des Unterschiedes in der Richtungsgebung bei Wahl der Licht aufnehmenden Proteine 1a und 1b in der Weise, daß die Lichtabsorptionsbanden der Proteine 1a und 1b passenderweise miteinander überlappen, die Wellenlängenselektivität gegenüber dem Licht mit Wellenlängen nahe λ&sub1; oder λ&sub2; in großem Ausmaß verbessert werden.
Außerdem kann durch Einführung eines Ionophors die Richtung des Ionentransports des zweiten Ions, die von der des ersten Ions verschieden ist, gewählt werden, wobei der Konzentrationsgradient, der durch einen aktiven Transport des ersten Ions, der durch das Protein 1a oder durch das Protein 1b bewirkt wird, erzeugt wird, als Triebkraft dient.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im einzelnen unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben. Diese Beispiele sind jedoch für den Umfang der vorliegenden Erfindung keinesfalls beschränkend.

Beispiel 1

Die aus dem Halobacterium-halobium-R1-Stamm durch das oben beschriebene Verfahren von Oesterhelt et al. extrahierte Purpurmembran wurde mit dem Tensid Triton X-100 (Hersteller: Firma Wako Junyaku Kogyo Co.) gemäß der Verfahrensweise von Huang et al. unter Entfernung von Lipiden aus der erhaltenen Purpurmembran und unter Erhalt von Bacteriorhodopsin, das die Proteinkomponente war, behandelt. Die so gereinigte chromophore Gruppe des Bacteriorhodopsins wurde mit Naphthylretinal, das eine Art der Retinal-Analogen ist, nach dem Verfahren von Tokunaga et al. [F. Tokunaga und T. Iwasa, Membrane 9 (1984), 73] substituiert. Die Wellenlänge maximaler Absorption für Bacteriorhodopsin lag um 560 nm herum, wogegen die Wellenlänge maximaler Absorption bei dem Bacteriorhodopsin-Analogen, das Naphthylretinal als chromophore Gruppe aufwies, über den Bereich von 442 nm bis 503 nm verteilt war, abhängig vom Mischungsverhältnis. Das Bacteriorhodopsin-Analoge zeigte eine aktive Protonentransportaktivität bei Bestrahlung mit Licht, die ähnlich der des Bacteriorhodopsins war. Durch Mischung von Bacteriorhodopsin und seinem Analogen in gleichen Mengen und bei Verwendung des Soja-Phospholipids Asolectin, das nach dem Verfahren von Kagawa et al. gereinigt war [Y. Kagawa und E. Racker, J. Biol. Chem. 246 (1971), 5477], wurden gemischte Proteoliposome auf der Grundlage des Verfahrens von Huang et al., wie es oben beschrieben ist, aufgebaut. Die Proteoliposome wurden mit monochromatischen sichtbarem Licht bestrahlt, das durch Bestrahlung mit Licht aus einer Quecksilberlampe erhalten wurde, das durch einen Monochromator lief. Die Bestrahlung erfolgte in einer KCl-Lösung einer Konzentration von 0,15 mol/l. Der Wechsel des pH-Wertes zu diesem Zeitpunkt wurde untersucht und mit dem pH-Wert-Wechsel von Proteoliposomen mit einem Gehalt an herkömmlichen Bacteriorhodopsin allein verglichen, das kein Bacteriorhodopsin-Analoges enthielt. Als Ergebnis wurde gefunden, daß sich in den Proteoliposomen der Mischung ein gleiches aktives Protonentransportvermögen bei einem Wellenlängenbereich des einfallenden Lichts von 450 nm bis 570 nm zeigte. Dies zeigt an, daß der Anwendungsbereich des gesteuerten einfallenden Lichtes in großem Ausmaß verbreitert werden kann.

Beispiel 2

Durch Verwendung eines Nitrocellulosefilters, das man in eine Decanlösung mit einem Gehalt von 10 mg Asolectin/ml eintauchte, als Dialysemembran wurde eine Asolectinschicht auf der Filteroberfläche gebildet. Proteoliposomen, die Retinal beziehungsweise Naphthylretinal als chromophore Gruppen enthielten, wurden gemischt. Unter Verwendung einer wässrigen Lösung, die 0,15 Mol KCl/l und 20 mMol CaCl&sub2;/l enthielt, als innere Flüssigkeit und einer wässrigen Lösung eines pH-Werts von 7,0 mit einem Gehalt von 0,15 Mol KCl/l als äußere Lösung wurde eine Dialysebehandlung durchgeführt, bis der pH-Wert konstant 7 wurde. Durch diese Verfahrensweise wurde eine Membran 1 erhalten, in der ein Protein auf die Nitrocellulose-Filteroberfläche adsorbiert und daran gebunden war, wie dies schematisch in Figur 3 gezeigt ist. Mit dieser Membran als Diaphragma wurde eine Kammer aufgebaut, die die beiden Schichten trennte, und es wurde eine 0,15 Mol KCl/l enthaltende Lösung in diese Kammer eingefüllt. Danach wurde die Wellenlänge des einfallenden Lichtes und die Konzentration der Protonen, die durch das Diaphragma hindurchtreten, mit einer pH-Elektrode gemessen. Es wurde sichergestellt, daß die Protonenpermeabilität dieser Membran in einem Wellenlängenbereich des einfallenden Lichtes von etwa 440 nm bis etwa 570 nm in Funktion war. So konnte eine flache Membran aufgebaut werden, bei der der Bereich der Steuerung durch einfallendes Licht in hohem Maße verbreitert war.

Beispiel 3

Die Purpurmembran wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 extrahiert, in einer 25 Gew-%igen Lösung von Dimethylformamid unter Bildung einer Ausbreit-Lösung gelöst und in einem Langmuir-Wassertank in herkömmlicher Weise ausgebreitet. Durch Verwendung eines Nitrocellulose-Filters, das auf einem Glassubstrat befestigt war, wurde ein monomolekularer Film der Purpurmembran auf der Filteroberfläche mittels des vertikalen Eintauchverfahrens befestigt. Das wie oben beschrieben hergestellte Filter wurde in einer Lösung des Proteoliposoms inkubiert, indem die chromophore Gruppe durch Naphthylretinal ersetzt war, um eine Adsorption und Vereinigung zu bewirken. Wie schematisch in Figur 4 gezeigt ist, sind in dein so aufgebauten Film 1 zwei unterschiedliche Arten von Proteinen nebeneinander enthalten. Das Nitrocellulosefilter mit der daran anhaftenden monomolekularen Schicht der Purpurmembran und dem damit verbundenen Protein- Liposom wurde auf seine Ionenpermeabilität bei Bestrahlung mit Licht in ähnlicher Weise wie in Beispiel 2 untersucht. Im Ergebnis wurde bestätigt, daß die Richtungen der Permeabilität für Wasserstoffionen bei den Wellenlängen des einfallenden Lichts von 450 nm und 550 nm zueinander entgegengesetzt wurden.

Beispiel 4

Die aus dem Halobacterium-halobium-R1-Stamm durch das oben beschriebene Verfahren von Oesterhelt et al. extrahierte Purpurmembran wurde mit dem Tensid Triton X-100 (Hersteller: Firma Wako Junyaku Kogyo Co.) gemäß der Verfahrensweise von Huang et al. unter Entfernung von Lipiden aus der erhaltenen Purpurmembran und unter Erhalt von Bacteriorhodopsin, das die lichtaufnehmende Proteinkomponente war, behandelt. Die so gereinigte chromophore Gruppe des Bacteriorhodopsins wurde mit Naphthylretinal, das eine Art der Retinal-Analogen ist, nach dem Verfahren von Tokunaga et al. [F. Tokunaga und T. Iwasa, Membrane 9 (1984), 73] substituiert. Die Wellenlänge maximaler Absorption für Bacteriorhodopsin lag um 560 nm herum, wogegen die Wellenlänge maximaler Absorption bei dem Bacteriorhodopsin- Analogen, das Naphthylretinal als chromophore Gruppe aufwies, über den Bereich von 442 nm bis 503 nm verteilt war, abhängig vom Mischungsverhältnis. Das Bacteriorhodopsin-Analoge zeigte eine aktive Protonentransportaktivität bei Bestrahlung mit Licht, die ähnlich der des Bacteriorhodopsins war.
Das durch Verwendung Naphthylretinal wie oben beschrieben erhaltene Bacteriorhodopsin-Analoge und das nach den Verfahren von Y. Kagawa wie oben beschrieben gereinigte Soja-Phospholipid wurden auf der Grundlage des Verfahrens von Huang et al. wie oben beschrieben als Proteoliposom erneut gebildet. Das Proteoliposom wurde mit monochromatischem sichtbarem Licht bestrahlt, das aus Licht einer Quecksilberlampe erhalten wurde, das durch einen Monochromator geleitet wurde. Die Bestrahlung erfolgte in einer KCl-Lösung einer Konzentration von 0,15 Mol/l. Die Änderung des pH-Wertes zu diesem Zeitpunkt wurde untersucht und verglichen mit der Änderung des pH-Wertes bei Verwendung von Proteoliposomen mit ausschließlich herkömmlichem Bacteriorhodopsin, das kein Bacteriorhodopsin-Analoges enthielt. Im Ergebnis wurde gefunden, daß sich in dem Proteoliposom, das darin eingebaut Bacteriorhodopsin-Analoge aufwies, ein gleiches aktives Protonentransportvermögen in dem Wellenlängenbereich des einfallenden Lichtes von etwa 440 nm bis etwa 500 nm zeigte. Dies zeigt an, daß der Anwendungsbereich der Steuerung durch einfallendes Licht in großem Ausmaß dadurch verbreitert werden kann, daß man in einem System ermöglicht, daß gleichzeitig ein herkömmliches Bacteriorhodopsin zugegen sein kann.
Im nächsten Schritt wurden das gemäß dem oben beschriebenen Verfahren von K.S. Huang gereinigte Bacteriorhodopsin, Varinomycin, ein vorstehend beschriebener Typ Ionophor mit einer Permselektivität gegenüber Kaliumionen von 2 uM pro Bacteriorhodopsin (0,1 mg/ml) und das gemäß dem Verfahren von Y. Kagawa et al. gereinigte Soja-Phospholipid Asolectin in einer Konzentration von 8 bis 12 mg/ml pro Bacteriorhodopsin (0,1 mg/ml) zu einer flachen Membran verarbeitet.
Außerdem wurde das Proteoliposom, das das Bacteriorhodopsin- Analoge enthielt, das durch das vorstehend genannte Verfahren von K.S. Huang hergestellt worden war, auf der flachen Lipidmembran befestigt und adsorbiert, die Bacteriorhodopsin und Varinomycin enthielt und nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt worden war, so daß die Richtung des Protonentransports genau entgegengesetzt wurde. Zu diesem Zeitpunkt wurden die Richtungen des Protonentransports beibehalten.
Figur 9 bis Figur 12 sind schematische Illustrationen, die am besten das spezielle Merkmal der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergeben. In Figur 9 ist 4 das Bacteriorhodopsin-Analoge bei Gebrauch von Naphthylretinal, und 5 ist das 4 enthaltende Proteoliposom. In Figur 10 ist 6 das Bacteriorhodopsin; 7 ist das Varinomycin, ein Typ Ionophor, 8 ist ein ebener bimolekularer Lipidfilm, der Soja-Phospholipid umfaßt.
Figur 11 zeigt eine gebundene adsorbierte und gespaltene Ansicht von 5 in Figur 9 von der linken Seite von 8 in Figur 10. Figur 12 zeigt die Membran als Ganzes in Figur 11, die in einen Bad- Tank 11 eingetaucht ist, der ein lichtdurchlässiges Material umfaßt und den man stationär stehenläßt. In Figur 12 zeigt das Bacteriorhodopsin in die Richtung des Protonentransports von links nach rechts, und das Bacteriorhodopsin-Analoge zeigt in Richtung des Transports von rechts nach links. In Figur 12 sind auf der linken Seite, die mit der in die Flüssigkeit eingetauchten Membran 10 abgetrennt ist, Kaliumionen enthalten, während auf der rechten Seite keine Kaliumionen enthalten sind. Die osmotischen Drücke auf beiden Seiten der Membran 10 werden egalisiert. Auf beiden Seiten der Membran 10 sind pH-Elektroden 12, 13 und Kaliumionen-Elektroden 14, 15 eingetaucht.
Wenn dann sichtbares Licht an der Wellenlänge von 560 nm von der linken Seite des Bad-Tanks 11 eingestrahlt wurde, erhöhte sich der Wert an der pH-Elektrode 12, während der Wert von 13 abfiel. Andererseits fiel der Wert der Ionenelektrode 14 ab, während der Wert von 15 anstieg.
Danach wurde die Bestrahlungslichtquelle der Wellenlänge von 560 nm gelöscht. Nachdem die Werte der pH-Elektroden zu den Werten vor der Bestrahlung zurückgekehrt waren, wurde Licht einer Wellenlänge von 442 nm von der linken Seite eingestrahlt. Als Ergebnis fiel der Wert der pH-Elektrode 12 ab, während der Wert der Elektrode 13 anstieg. Die Werte der Ionenelektroden 14 und 15 waren weiter verschieden.
In diesem Beispiel wurde also gezeigt, daß ein Elektronentransport in zwei Richtungen durch Bestrahlung mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen gesteuert wurde. Außerdem wurde gleichzeitig die Permeabilität der Membran für Kaliumionen durch Varinomycin verändert, wobei der durch den Protonentransport hervorgerufene Konzentrationsgradient als Triebkraft wirkte.

Beispiel 5

In Beispiel 5 wurden Veränderungen des Elektronentransports in zwei Richtungen und Veränderungen der Permeabilität für Kaliumionen durch Bestrahlung mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen untersucht, wie dies vorher in Beispiel 4 gezeigt wurde, jedoch nicht nur für Kaliumionen, sondern auch für Natriumionen.
Gemäß Figur 10 wurde unter Verwendung von 2 uM Monendin (pro Bacteriorhodopsin (0,1 mg/ml)), das ein Natriumionophor war, anstelle des Ionophors 7 eine flache Membran in der gleichen Weise hergestellt, wie dies in Beispiel 4 gezeigt ist.
Figur 11 zeigt eine gebundene adsorbierte und gespaltene Ansicht von 5 in Figur 9, das ein Proteoliposom ist, das das Bacteriorhodopsin-Analoge unter Einsatz von Naphthylretinal enthält, von der linken Seite von 8 in Figur 10. Figur 12 zeigt die Membran als Ganzes in Figur 11, die in einen Bad-Tank 11 eingetaucht ist, der ein lichtdurchlässiges Material umfaßt und den man stationär stehenläßt. In Figur 12 zeigt das Bacteriorhodopsin in die Richtung des Protonentransports von links nach rechts, und das Bacteriorhodopsin-Analoge zeigt in Richtung des Transports von rechts nach links. In Figur 12 sind auf der linken Seite, die mit der in die Flüssigkeit eingetauchten Membran 10 abgetrennt ist, Natriumionen enthalten, während auf der rechten Seite keine Natriumionen enthalten sind. Die osmotischen Drücke auf beiden Seiten der Membran 10 werden egalisiert. Auf beiden Seiten der Membran 10 sind pH-Elektroden 12, 13 und Natriumionen-Elektroden 14, 15 eingetaucht.
Wenn dann sichtbares Licht an der Wellenlänge von 560 nm von der linken Seite des Tanks 11 eingestrahlt wurde, erhöhte sich der Wert an der pH-Elektrode 12, während der Wert von 13 abfiel. Andererseits fiel der Wert der Ionenelektrode 14 ab, während der Wert von 15 anstieg.
Danach wurde die Bestrahlungslichtquelle der Wellenlänge von 560 nm gelöscht. Nachdem die Werte der pH-Elektroden zu den Werten vor der Bestrahlung zurückgekehrt waren, wurde Licht einer Wellenlänge von 442 nm von der linken Seite eingestrahlt. Als Ergebnis fiel der Wert der pH-Elektrode 12 ab, während der Wert der Elektrode 13 anstieg. Die Werte der Ionenelektroden 14 und 15 waren weiter verschieden.
In diesem Beispiel wurde also gezeigt, daß ein Elektronentransport in zwei Richtungen durch Bestrahlung mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen gesteuert wurde.
Außerdem wurde gleichzeitig die Permeabilität der Membran für Natriumionen durch Monendin verändert, wobei der durch den Protonentransport hervorgerufene Konzentrationsgradient als Triebkraft wirkte.

Beispiel 6

In Beispiel 6 wurden Veränderungen des Elektronentransports in zwei Richtungen und Veränderungen der Permeabilität für Kaliuinionen durch Bestrahlung mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen untersucht, wie dies vorher in Beispiel 4 gezeigt wurde, jedoch nicht nur für Kaliumionen, sondern auch für Magnesiumionen.
Gemäß Figur 10 wurde unter Verwendung von 2 uM A23187 (pro Bacteriorhodopsin (0,1 mg/ml)), das ein Magnesiumionophor war, anstelle des Ionophors 7 eine flache Membran in der gleichen Weise hergestellt, wie dies in Beispiel 4 gezeigt ist.
Figur 11 zeigt eine gebundene adsorbierte und gespaltene Ansicht von 5 in Figur 9, das ein Proteoliposom ist, das das Bacteriorhodopsin-Analoge unter Einsatz von Naphthylretinal enthält, von der linken Seite von 8 in Figur 10. Figur 12 zeigt die Membran als Ganzes in Figur 11, die in einen Bad-Tank 11 eingetaucht ist, der ein lichtdurchlässiges Material umfaßt und den man stationär stehenläßt. In Figur 12 zeigt das Bacteriorhodopsin in die Richtung des Protonentransports von links nach rechts, und das Bacteriorhodopsin-Analoge zeigt in Richtung des Transports von rechts nach links. In Figur 12 sind auf der linken Seite, die mit der in die Flüssigkeit eingetauchten Membran 10 abgetrennt ist, Magnesiumionen enthalten, während auf der rechten Seite keine Magnesiumionen enthalten sind. Die osmotischen Drücke auf beiden Seiten der Membran 10 werden egalisiert. Auf beiden Seiten der Membran 10 sind pH-Elektroden 12, 13 und Magnesiumionen-Elektroden 14, 15 eingetaucht.
Wenn dann sichtbares Licht der Wellenlänge 560 nm von der linken Seite des Bad-Tanks 11 eingestrahlt wurde, erhöhte sich der Wert an der pH-Elektrode 12, während der Wert von 13 abfiel. Andererseits fiel der Wert der Ionenelektrode 14 ab, während der Wert von 15 anstieg.
Danach wurde die Bestrahlungslichtquelle der Wellenlänge 560 nm gelöscht. Nachdem die Werte der pH-Elektroden zu den Werten vor der Bestrahlung zurückgekehrt waren, wurde Licht einer Wellenlänge von 442 nm von der linken Seite eingestrahlt. Als Ergebnis fiel der Wert der pH-Elektrode 12 ab, während der Wert der Elektrode 13 anstieg. Die Werte der Ionenelektroden 14 und 15 waren weiter verschieden.
In diesem Beispiel wurde also gezeigt, daß ein Elektronentransport in zwei Richtungen durch Bestrahlung mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen gesteuert wurde. Außerdem wurde gleichzeitig die Permeabilität der Membran für Magnesiumionen durch A23187 verändert, wobei der durch den Protonentransport hervorgerufene Konzentrationsgradient als Triebkraft wirkte.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine ionenpermeable Membran mit selektiver Ionenpermeabilität infolge von Bestrahlung mit Licht dadurch aufgebaut werden, daß man Gruppen von Substanzen verwendet, die Ionen durch Absorption von Licht transportieren. Der Wellenlängenbereich des einfallenden sichtbaren Lichts kann auch auf einen breiten Bereich festgelegt werden, wenn die Ionenpermeabilität der Membran durch Bestrahlung mit Licht gesteuert wird. Dadurch wird es auch möglich, den wirksamen Wellenlängenbereich zu verbreitern.
Außerdem können dadurch, daß ein Ionophor zusammen mit der Gruppe von Substanzen, die Ionen transportieren, in derselben Membran enthalten ist, die Permeabilitäten für mehrere Arten von Ionen durch Bestrahlung mit Licht gesteuert werden, ohne daß es hierbei eine Beschränkung auf eine Art gibt.
Außerdem wird es auch möglich, die Richtung des Ionendurchtritts durch die permeable Membran gemäß der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts zu wechseln und sie auch reversibel zu verändern. Dadurch, daß man dies tut, ist es auch möglich, die Wellenlängenselektivität der Ionenpermeabilität in großem Umfang zu verbessern.
Da der Unterschied in der Ionenkonzentration auf beiden Seiten von für ionenpermeable Membranen leicht mit Ionenelektroden usw. in elektrische Signale umgewandelt werden kann, besteht in großem Maße die Erwartung, daß die vorliegende Erfindung Beiträge zum Aufbau von photoelektrischen Wandler-Vorrichtungen im Bereich der mit der Verarbeitung optischer Informationen befaßten Industrie oder im optoelektronischen Bereich leistet, wie im Fall der Umwandlung optischer Signale in elektrische Signale.

Claims

1. Ionenpermeable Membran mit zwei oder mehr Gruppen von Substanzen mit unterschiedlichen empfindlichen Wellenlängenbereichen in einer Lipidmembran, wobei die Substanzen lichtaufnehmende Proteine und Derivate davon sind, die einen aktiven Ionentransport bei Bestrahlung mit Licht durchführen.

2. Ionenpermeable Membran nach Anspruch 1, welche außerdem ein Ionophor umfaßt, das gewählt ist aus Oligopeptiden, Polycoralen, Polyetherpolyaminen und Cyclamen.

3. Ionenpermeable Membran nach Anspruch 1 oder 2, worin das lichtaufnehmende Protein Rhodopsin, Porphyropsin oder Iodopsin ist.

4. Ionenpermeable Membran nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin das lichtaufnehmende Protein Bacteriorhodopsin oder Halorhodopsin ist.

5. Ionenpermeable Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Substanzen in der Lipidmembran so orientiert sind, daß die Ionen in derselben Richtung permeierbar werden können.

6. Ionenpermeable Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Substanzen in der Lipidmembran so orientiert sind, daß eine Art von Substanzen Ionen in derselben Richtung transportieren kann.

7. Ionenpermeable Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Substanzen in der Lipidmembran so orientiert sind, daß eine Art von Substanzen Ionen in der gegenläufigen Richtung zu der Richtung einer anderen Art von Substanzen transportieren kann.

8. Ionenpermeable Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die ionenpermeable Membran auf einem porösem Substrat gebildet ist.

9. Ionenpermeable Membran nach Anspruch 8, worin das poröse Substrat Papier oder ein aus Collagen oder Cellulose hergestellt tes Gewebe oder poröses Glas ist.

10. Ionentransportverfahren unter Verwendung einer ionenpermeablen Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in dem Verfahren die Ionenpermeabilität der Membran durch Bestrahlung derselben mit Licht einer ausgewählten Wellenlänge verändert wird.