JP2008516235A - 安定な3酵素クレアチニンバイオセンサー - Google Patents
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Abstract
Description
高分子センサー環境下でのサルコシンオキシダーゼの修飾、固定化および維持
この実施例では、PEG−NCOを使用したポリウレタンポリマー中でのサルコシンオキシダーゼの固定化について記載する。
サルコシンオキシダーゼ(Arthrobactersp.、SAO−341由来)を東洋紡績株式会社(Toyobo Co.,Ltd.)から購入し、西洋わさびペルオキシダーゼをシグマ・アルドリッチ(Sigma−Aldrich)(St.Louis、ミシシッピ州)から購入した。すべての酵素をさらに精製することなく使用した。PEG−NCO(Mw5000)およびPEGSPA(Mw5000)をシアウォーター・ポリマーズ(Shearwater Polymers Inc.)(Huntsville、アラバマ州)から入手した。ハイポール(Hypol)2060Gプレポリマーをハンプシャー・ケミカル(Hampshire Chemical)(Lexington、マサチューセッツ州)から購入した。すべての他の試薬をシグマ・アルドリッチ・ケミカルズ(Sigma−Aldrich Chemicals)(St.Louis、ミズーリ州)から購入し、それらは最高純度で使用可能であった。
サルコシンオキシダーゼを1mg/mLの濃度で水性緩衝液(50mMリン酸塩緩衝液、pH7.5または50mMホウ酸塩緩衝液、pH8.5)に溶解させた。PEG−NCOまたはPEG−SPAを1:100のモル比で酵素に過剰に添加し、完全な酵素修飾を確実にした。一部の実験では、サルコシンオキシダーゼ阻害剤(50mMメチルチオ酢酸または50mMピロール−2−カルボン酸)を添加し、酵素の不活性化の防止を促した。反応混合物を30分間混合してから50mMリン酸塩緩衝液に対して透析した(12000Mwカットオフ)(ドレヴォン(Drevon)ら、Biomacromolecules 2:764−771頁(2001年))。
トルエンジイソシアネートをベースとするプレポリマーのハイポールプレポリマー2060G(0.4g)を、サルコシンオキシダーゼを含有する緩衝溶液(3.6gの50mMリン酸塩緩衝液、50mM阻害剤、pH7.5)に添加した(プレポリマー1グラム当たり0〜200単位の酵素)。水性ポリマー溶液をゲル化が開始するまで計量ボート内で30秒間激しく混合した。重合は極めて迅速であり、ゲル化は通常1分以内に生じた。
パースペクティブ・バイオシステムズ・ヴォイジャー・エリート(Perspective Biosystems Voyager Elite)MALDI−TOFを使用してMALDI−MS分析を実施した。加速電圧を線形モードで20kVに設定した。1μLのPEG化した酵素溶液(0.1mg/mL)を1μLのマトリックス溶液(0.5mLの水、0.5mLのアセトニトリル、1μLのトリフルオロ酢酸、および10mgのシナピン酸)と混合し、次いで標的プレート上でスポッティングした。溶媒混合物の蒸発後、スペクトルを記録し、ウマチトクロームC(12,361.96Da(平均))、ウサギ筋肉アルドラーゼ(39,212.28Da(平均))およびウシ血清アルブミン(66,430.09Da(平均))を用いて外部較正を行った。
4−アミノアンチピレン(aminoantipyrene)−ペルオキシダーゼ系の使用によって過酸化水素の生成について測定した(ニシヤ(Nishiya)およびイマナカ(Imanaka)、Appl.Environ.Microbiol.62:2405−2410頁(1996年))。典型的には酵素溶液(0.05mL)を、95mMのサルコシン、0.47mMの4−アミノアンチピリン、2mMのフェノール、0.045%のトリトンX−100、50mMのリン酸ナトリウム(pH8.0)および5単位/mLの西洋わさびペルオキシダーゼの混合物(全体で1.0mL)とともに37℃で10分間インキュベートした。0.25%SDS溶液2.0mLの添加によって反応を終結させ、500nmでの吸光度を測定した。1単位を1分当たり基質1μモルの酸化を触媒する酵素の量として定義した。
酸素消費の初期速度についてもイエロー・スプリングス・インスツルメンツ(Yellow Springs Instruments)(Yellow Springs、オハイオ州)から入手したクラーク(Clark)酸素電極を用いて37℃で測定した。酵素溶液(1μL)または酵素含有ポリマー(小片に切断した10〜100mg)を5.0mLの基質(50mMリン酸塩緩衝液中50mMサルコシン、pH7.5)に添加することによって反応を開始した。測定前に、アッセイ溶液を大気中、37℃に平衡化しておいた。酸素消費を5〜10分間測定した。
サルコシンオキシダーゼを緩衝培地(50mMリン酸ナトリウム、2mM EDTA、pH7.5)に添加した。用いた天然酵素濃度は0.06mg/mlであった。上記のエンドポイントアッセイを用い、サルコシンオキシダーゼの活性を室温(22℃)と、4℃および37℃で経時的に追跡した。
天然酵素についての記載のように、PEG−サルコシンオキシダーゼの熱不活性化を緩衝液(50mMリン酸ナトリウム、2mM EDTA、pH7.5)中、37℃で監視した。全試料中の酵素濃度を0.05mg/mlに調節した。
酵素ポリマー試料を小片に切断し、緩衝液(50mMリン酸塩、pH7.5)に添加し、37℃でインキュベートした。試料を経時的に取り出し、酸素電極を使用して酵素活性についてアッセイした。
銀イオンのサルコシンオキシダーゼに対する作用を測定するため、0.07mg/mLのサルコシンオキシダーゼを硝酸銀(0〜1mM)とともに20mMトリス−HCl(pH7.5)中、室温でインキュベートした。試料を定期的に取り出し、エンドポイントアッセイを用いてサルコシンオキシダーゼ活性についてアッセイした。
酵素の活性および安定性に対するPEG化の作用
酵素のポリウレタンポリマーへの固定化が酵素表面上の求核残基とのイソシアネートを含む反応による酵素の化学修飾を含むことから、溶解性ポリマーを用いて化学修飾の過程をモデリングすることは好都合である。この技術を用いた修飾は、溶解性酵素とさらに連携しながら共有結合的な固定化の酵素活性に対する作用を再現することを可能にする。一旦酵素がポリマーに取り込まれる場合、物質移動効果が分析を困難にし得る。
イソシアネートは、タンパク質中のアミノ基、スルフヒドリル基、カルボキシル基、フェノールヒドロキシル基、イミダゾール基、およびリン酸基と反応可能である(ミーンズ(Means)およびフィーネイ(Feeney)、「Chemical modification of proteins」、San Francisco:ホールデン・デイ(Holden−Day,Inc.)(1971年))が、アミノ基との反応のみが安定な生成物の形成をもたらす。スルフヒドリル基、イミダゾール基、チロシン基、およびカルボキシル基との反応により、希釈時またはpHの変化時に分解し得る相対的に不安定な付加体が生成される(REF)。
サルコシンオキシダーゼ活性に対する化学修飾の作用を解明するため、計算論的研究を行い、酵素活性/安定性における最も重要な残基および修飾における最も反応性の高い残基を予測した。
イソシアネートを用いて修飾する間に酵素活性を保持することを目的としたサルコシンオキシダーゼの修飾における最適な条件を見出した後、ポリウレタンヒドロゲル中に酵素を固定化した。酵素濃度0〜200U/gのポリマーを用いて作製された酵素含有ポリマーが酵素濃度に正比例する比活性を有していた(図4)。反応速度が酵素濃度に比例することから、これらの条件下で測定される速度が拡散制御されたものではなく、酵素触媒反応からの速度のみを示すことをこれは保証する(ヤマネ(Yamane)、Bioeng.19:749−756頁(1977年))。阻害剤を含めずに作製した酵素−ポリマーは全く活性を保持しなかったが、これは溶解性調節剤を含める場合に見られる作用がポリウレタンバイオポリマーに直接翻訳されることを実証している。阻害剤を含めて作製したポリマーの活性保持は、保守的な方法を用いた場合に見られた活性保持の約10%であった。
酵素がAg/AgCl基準電極を含むアンペロメトリック電極に付けられることから、銀イオンの酵素活性に対する作用について探求した。従来より基準電極からの銀イオンによる酵素の阻害が注目されており(シャッファー(Schaffar)、Anal Bioanal Chem 372:254−260頁(2002年);米国特許第4,547,280号明細書)、銀イオンが酵素に極めて強く結合して失活を招く可能性があることからそうであれば十分に評価されるべきである。
高分子センサー環境下でのクレアチンアミジノヒドロラーゼの修飾および固定化
この実施例では、イソシアネートで活性化されるポリエチレングリコール(PEG)で修飾したクレアチンアミジノヒドロラーゼの固定化および安定化について述べる。
クレアチンアミジノヒドロラーゼ(アクチノバチラス属(Actinobacilus sp.)由来、CRH−211)およびサルコシンオキシダーゼ(アルスロバクター属由来、SAO−341)を東洋紡績株式会社(Toyobo Co.,Ltd.)から購入した。すべての酵素をさらに精製することなく使用した。PEG−NCO(Mw5000)をシアウォーター・ポリマーズ(Shearwater Polymers Inc.)(Huntsville、アラバマ州)から入手した。ハイポール2060Gプレポリマーをハンプシャー・ケミカル(Hampshire Chemical)(Lexington、マサチューセッツ州)から購入した。すべての他の試薬をシグマ・アルドリッチ・ケミカルズ(Sigma−Aldrich Chemicals)(St.Louis、ミズーリ州)から購入し、それらは最高純度で使用可能であった。
PEG−NCOを、3mg/mLのクレアチンアミジノヒドロラーゼを含有する緩衝溶液(50mMリン酸塩、pH7.5)に室温で添加した。PEG−NCO/酵素の比を0/1から100/1に調節した。反応物を30分間混合してから、50mMリン酸塩緩衝液に対して4℃で一晩透析した(ドレヴォン(Drevon)ら、Biomacromolecules 2:764−771頁(2001年))。修飾後の酵素活性をエンドポイントアッセイを用いて測定した(下記)。
トルエンジイソシアネートをベースとするプレポリマーであるハイポールプレポリマー2060G(0.4g)を、クレアチンアミジノヒドロラーゼを含有する緩衝溶液(3.6gの50mMリン酸塩緩衝液、pH7.5)に添加した(プレポリマー1グラム当たり0〜100単位の酵素)。水性ポリマー溶液をゲル化が開始するまで計量ボート内で30秒間混合した。重合は極めて迅速であり、ゲル化は通常1分以内に完了した。
パースペクティブ・バイオシステムズ・ヴォイジャー・エリート(Perspective Biosystems Voyager Elite)MALDI−TOFを使用してMALDI−MS分析を実施した。加速電圧を線形モードで20kVに設定した。1μLのPEG化した酵素溶液(0.1mg/mL)を1μLのマトリックス溶液(0.5mLの水、0.5mLのアセトニトリル、1μLのトリフルオロ酢酸、および10mgのシナピン酸)と混合した。溶媒混合物の蒸発後、スペクトルを記録し、ウマチトクロームC(12,361.96Da)、ウサギ筋肉アルドラーゼ(39,212.28Da)およびウシ血清アルブミン(66,430.09Da)を用いて外部較正を行った。
クレアチンの加水分解からの尿素形成を測定する比色アッセイを用い、クレアチンアミジノヒドロラーゼ活性を監視した(ツチダ(Tsuchida)およびヨダ(Yoda)、Clin.Chem.29:51−55頁(1983年))。酵素溶液(0.1mL)を、リン酸ナトリウム緩衝液(50mM、pH7.5)中の100mMクレアチンの混合物(0.90mL)とともに37℃で10分間インキュベートした。エールリッヒ試薬(ジメチルスルホキシド100mL+濃縮HCl15mLの中に2.0gのp−ジメチルアミノベンツアルデヒド)を含有する溶液2.0mLを添加することによって反応を停止した。溶液を室温で20分間インキュベートし、435nmでの吸光度を測定した。1単位を1分当たり基質1μモルの加水分解を触媒する酵素の量として定義した。
酸素消費の初期速度についても、イエロー・スプリングス・インスツルメンツ(Yellow Springs Instruments)(Yellow Springs、オハイオ州)から入手したクラーク酸素電極を用いて37℃で測定した。酵素溶液(1μL)または酵素含有ポリマー(小片に切断した10〜100mg)を5.0mLの基質(50mMリン酸塩緩衝液中100mMクレアチン、pH7.5、少なくとも6U/mLのサルコシンオキシダーゼを含有)に添加することによって反応を開始した。測定前に、アッセイ溶液を大気中、37℃に平衡化しておいた。酸素消費を5〜10分間測定した。
天然およびPEG−クレアチンアミジノヒドロラーゼの熱不活性化を緩衝液(50mMリン酸ナトリウム、2mM EDTA、pH7.5)中、37℃で監視した。全試料中の酵素濃度は0.08〜0.mg/mlであった。試料を定期的に取り出し、エンドポイントアッセイを用いて活性についてアッセイした。
酵素ポリマー試料を小片に切断し、緩衝液(50mMリン酸塩、pH7.5)に添加し、37℃でインキュベートした。試料を定期的に取り出し、酸素電極を使用して酵素活性についてアッセイした。
クレアチンアミジノヒドロラーゼ(1.0mg/mL)を硝酸銀(0〜1mM)とともに20mMトリス−HCl(pH7.5)中、室温でインキュベートした。試料を定期的に取り出し、エンドポイントアッセイを用いてアッセイした。クレアチンが銀を阻害するための競合阻害剤として作用するか否かを試験するため、硝酸銀をクレアチン溶液(20mMトリス緩衝液中、0〜100μMのAgNO3)に添加した状態で上記のようにエンドポイントアッセイを実施した。インキュベーションの10分後、停止溶液(p−ジメチルベンズアルデヒド溶液)を添加した。対照実験は、硝酸銀が色の発現に対して全く作用を示さないことを示した。
クレアチンアミジノヒドロラーゼ(1.0mg/ml)を、50mM EDTA、50mM EGTA、50mMメルカプトエタノール、20mMトリス、pH7.5の状態の50mM DTTまたは50mMシステインを含有する溶液中で作製した。硝酸銀を添加して最終濃度0〜100μMを得た。硝酸銀の添加後、溶液を5分間インキュベートさせ、エンドポイントアッセイを用いて残存活性を測定した。
シェン(Shen)ら、J.Inorg.Biochem、95:124−130頁(2003年)に記載のように、UVスペクトルを測定した。要するに、クレアチンアミジノヒドロラーゼ(1mg/mL)を様々な濃度の硝酸銀(0〜100μM)を含有する20mMトリス(pH7.5)中に溶解させた。石英キュベット内で、酵素溶液のUV吸収スペクトルを230nmから300nmまで測定した。銀−酵素スペクトルから天然酵素(銀を含まない)のスペクトルを引くことによって差スペクトルを得た。
集合ダイナミクス(collective dynamics)のガウシアンネットワークモデル(Gaussian Network Model(GNM))(バハー(Bahar)ら、Folding Design 2:173−181頁(1997年))分析のため、パドマナバン(Padmanabhan)ら、Acta Crystallogr.Sect.D58(8):1322−1328頁(2002年)(PDBコード:IKPO)に記載のアクチノバチルス(Actinobacillus)クレアチナーゼの結晶構造を使用した。シュードモナス・プチダ(P.putida)クレアチナーゼ構造(PDBコード:ICHM)内のCMS分子をアクチノバチルスクレアチナーゼ構造と組み合わせることにより、CMS(クレアチン類似体)に結合したアクチノバチルスクレアチナーゼ構造のコンピュータモデリングを行った後、MOEパッケージ(Molecular Operating Environment、world wide web:chemcomp.com/Corporate_lnformation/MOE_Bioinformatics.html)を用いて標準エネルギーの最小化を行った。
酵素の活性および安定性に対するPEG化の作用
クレアチンアミジノヒドロラーゼの活性および安定性に対する化学修飾の作用に関しては、PEG化はポリウレタンをベースとする固定化戦略における第1の工程を正確に再現する。このようにして酵素をPEG化した。クレアチンアミジノヒドロラーゼを反応性の高いPEGで高度に修飾することが可能であり、酵素活性の顕著な低下を伴うことがない。酵素の各単量体を平均5本のPEG鎖で修飾しても失活に至ったのは30%に過ぎなかった。
バイオポリマーを酵素濃度0〜100単位/gのポリマーを用いて作製した。酵素−ポリマーの比活性は酵素濃度に正比例した(図10)。これは、これらの条件下で測定される速度は拡散制御されるのではなく酵素反応速度を示すに過ぎないことを意味する(ヤマネ(Yamane)、Biotechnol.Bioeng.19:749−756頁(1977年))。ポリウレタンポリマー中でのクレアチンアミジノヒドロラーゼの平均の活性保持は28%であった。
ポリウレタン−固定化酸素を、機能するセンサー内で使用する前にAg/AgClを含むアンペロメトリック電極に付けなければならない。銀イオンにおけるタンパク質と相互作用する既知の傾向を前提として(シャッファー(Schaffar)、Anal Bioanal Chem 372:254−260頁(2002年);米国特許第4,547,280号明細書)、銀イオンの酵素活性に対する作用について探索した。酵素が溶液から銀を除去するのに多大な時間がかかることになるため、もしあるセンサーが他のセンサーと直列に長期間使用されるとしたら、銀誘発性の不活性化は一層の関心事となる。
Cys残基およびその銀イオンとの相互作用がいかにクレアチンアミジノヒドロラーゼの機能や安定性に寄与し得るかをさらに検討するため、ガウシアンネットワークモデル(Gaussian Network Model)(GNM)(バハー(Bahar)ら、上記、1997年)を用いてタンパク質のダイナミクスについて検討した。GNMは、X線結晶学的実験から得られる温度(B−)因子(バハー(Bahar)、Folding Design 2:173−181頁(1997年);クンドゥ(Kundu)ら、83:723−732頁(2002年))、ならびにH/D交換の自由エネルギーコスト(バハー(Bahar)ら、Biochemistry 37:1067−1075頁(1998b))にほぼ一致したタンパク質の集合ダイナミクスを予測することが示されている弾性ネットワークモデルである。同アプローチにより、その関連周波数によってランク付けされた、高次構造運動(conformational motions)の一連の直交モードへの分解が可能になる。‘グローバル’運動とも称される最遅な周波数を有するモード(最遅モード)は、通常、分子全体を連動させる機能運動を示す(キタオ(Kitao)およびゴウ(Go)、Curr.Op.Struc.Biol.9(2):164−169頁(1999年);ミン(Ming)ら、Proc.Nat.Acad.Sci.USA 99:8620−8625頁(2002年);ハリログル(Haliloglu)およびバハー(Bahar)、「Proteins:Structure,Function and Genetics 37:654−667頁(1999年);バハー(Bahar)およびジェニガン(Jernigan)、J.MoI.Biol.281:871−884頁(1998年);バハー(Bahar)ら、Phys.Rev.Lett.80:2733−2736頁(1998年);バハー(Bahar)ら、J.Mol.Biol.285:1023−1037頁(1999年);タマ(Tama)およびサンジュアン(Sanejouand)、Protein Engineering 14:1−6頁(2001年))。他方では、最速モードは‘ローカル’運動を示し、初期のフォールディング/安定化過程に関与する個々の残基を示す(バハー(Bahar)ら、Phys.Rev.Lett.80:2733−2736頁(1998年);ラダー(Rader)およびバハー(Bahar)、Polymer 45(2):659−668頁(2004年))。GNMの主な有用性とは、分子ダイナミクスシミュレーションの範囲を超える大規模構造のダイナミクス(クレアチンアミジノヒドロラーゼ、N=804残基の二量体など)に対するその効率的な適用可能性である。
ポリウレタンプレポリマーを使用したクレアチニンアミドヒドロラーゼの修飾および固定化
この実施例は、酵素クレアチニンアミドヒドロラーゼの化学修飾およびポリウレタンプレポリマーへの固定化について記載する。
クレアチニンアミドヒドロラーゼ(微生物CNH−311由来)、クレアチンアミジノヒドロラーゼ(アクチノバチラス属由来、CRH−211)およびサルコシンオキシダーゼ(アルスロバクター属由来、SAO−341)を東洋紡績株式会社(Toyobo Co.,Ltd.)から購入した。すべての酵素をさらに精製することなく使用した。PEG−SPA(Mw5000)をシアウォーター・ポリマーズ(Shearwater Polymers Inc.)(Huntsville、アラバマ州)から入手した。ハイポール2060Gプレポリマーをハンプシャー・ケミカル(Hampshire Chemical)(Lexington、マサチューセッツ州)から購入した。すべての他の試薬をシグマ・アルドリッチ・ケミカルズ(Sigma−Aldrich Chemicals)(St.Louis、ミズーリ州)から購入し、それらは最高純度で使用可能であった。
PEG−SPAを3mg/mLのクレアチンアミジノヒドロラーゼを含有する緩衝溶液(50mMリン酸塩、pH7.5)に室温で添加した。PEG−SPA対酵素の比を0/1から100/1に調節した。反応混合物を30分間混合してから、50mMリン酸塩緩衝液に対して4℃で一晩透析した(12000MWCO)(ドレヴォン(Drevon)ら、Biomacromolecules 2:764−771頁(2001年))。修飾後の酵素活性をエンドポイントアッセイを用いて測定した。
トルエンジイソシアネートをベースとするプレポリマーであるハイポールプレポリマー2060G(0.4g)を、クレアチニンアミドヒドロラーゼを含有する緩衝溶液(3.6gの50mMリン酸塩緩衝液、pH7.5)に添加した(プレポリマー1グラム当たり0〜150単位の酵素)。水性ポリマー溶液をゲル化が開始するまで計量ボート内でスパチュラを使用して30秒間激しく混合した。重合は極めて迅速であり、ゲル化は通常1分以内に完了した。
パースペクティブ・バイオシステムズ・ヴォイジャー・エリート(Perspective Biosystems Voyager Elite)MALDI−TOFを使用してMALDI−MS分析を実施した。加速電圧を線形モードで20kVに設定した。1μLのPEG化した酵素溶液(0.1mg/mL)を1μLのマトリックス溶液(0.mLの水、0.5mLのアセトニトリル、1μLのトリフルオロ酢酸、および10mgのシナピン酸)と混合した。溶媒混合物の蒸発後、スペクトルを記録し、ウマチトクロームc(12,361.96Da(平均))、ウサギ筋肉アルドラーゼ(39,212.28Da(平均))およびウシ血清アルブミン(66,430.09Da(平均))を用いて外部較正を行った。
クレアチニンアミドヒドロラーゼ活性の測定は、ヤッフェ(Jaffe)反応に基づく(ツチダ(Tsuchida)およびヨダ(Yoda)、Clin.Chem.29:51−55頁(1983年))。酵素溶液(0.1mL)を、mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.5)中の100mMクレアチンの混合物(0.90mL)とともに37℃で10分間インキュベートした。10分後、クレアチン/酵素混合物(0.1mL)を0.5M水酸化ナトリウム(1.9mL)および1%ピクリン酸(1.0mL)に添加した。この溶液を室温で20分間インキュベートし、520nmでの吸光度を測定した。1単位を1分当たりクレアチニン1μモルの形成を触媒する酵素の量として定義した。
酸素消費の初期速度についても、イエロー・スプリングス・インスツルメンツ(Yellow Springs Instruments)(Yellow Springs、オハイオ州)から入手したクラーク酸素電極を用いて37℃で測定した。酵素溶液(1μL)または酵素含有ポリマー(小片に切断した10〜100mg)を5.0mLの基質(50mMリン酸塩緩衝液中1.0mMクレアチニン、pH7.5、少なくとも18U/mLのサルコシンオキシダーゼおよび10U/mLのクレアチンアミジノヒドロラーゼを含有)に添加することによって反応を開始した。測定前に、アッセイ溶液を大気中、37℃に平衡化しておいた。酸素消費を5〜10分間測定した。
天然およびPEG−クレアチニンアミドヒドロラーゼの熱不活性化を緩衝液(50mMリン酸ナトリウム、2mM EDTA、pH7.5)中、37℃で監視した。全試料中の酵素濃度は0.01〜0.02mg/mlであった。試料を定期的に取り出し、エンドポイントアッセイを用いて活性についてアッセイした。
酵素ポリマー試料を小片に切断し、緩衝液(50mMリン酸塩、pH7.5)に添加し、37℃でインキュベートした。試料を経時的に取り出し、酸素電極を用いて酵素活性についてアッセイした。
銀イオンのクレアチニンアミドヒドロラーゼに対する作用を測定するため、57μg/mLの凍結乾燥酵素を硝酸銀(0〜mM)とともに20mMトリス−HCl(pH7.5)中、室温でインキュベートした。試料を定期的に取り出し、エンドポイントアッセイを用いてアッセイした。
5mLのWheatonバイアル内に平面センサーを有する場合(2つの平面センサー)と有しない場合で、1mLの50mMリン酸塩緩衝液(pH5)中で膜(20mg、水和)を保存することにより、3酵素含有ポリウレタン膜の相対活性について試験した。膜を取り出し、1mMクレアチニンを用い、酸素モニターを使用してアッセイした。酸素消費の速度を測定し、膜を交換し、翌日再びアッセイした。3酵素ポリウレタン膜を、50mMピロール−2−カルボン酸を含有する50mMリン酸塩緩衝液(pH7.8)中の、1000単位/gのサルコシンオキシダーゼおよびクレアチンアミジノヒドロラーゼのプレポリマーと2500単位/gのクレアチニンアミジノヒドロラーゼのプレポリマーとを使用して作製した。
酵素を含有するポリウレタン膜層をアンペロメトリックセンサーチップ上部にキャストし、約25μmの湿潤ポリマーの厚みを得ることにより、クレアチニンバイオセンサーを作製した。センサーチップをセンサー体内に設け、ストップフロー設定を使用して試験した。クレアチニンの酵素分解から生成された過酸化水素をBAS Voltammograph CV−37を使用して電流的に測定した。50mMリン酸塩緩衝液(pH7.5)を使用し、ベースラインの読取り値を測定した。1mMクレアチニンに対する応答を、センサー体を通して約1mLのクレアチニン溶液を注入することによって測定した。2分後にアンペロメトリック応答の増大を測定した。センサーが試験対象でなかった場合、センサーを50mMリン酸塩緩衝液中、37℃で保存した。塩化銀の基準電極からの浸出を防止するため、酢酸セルロース溶液(アセトン中5重量%)で電極表面をスポッティングすることによって一部のセンサーを作製し、酵素−膜層を塗布する前に空気乾燥状態にした。
酵素の活性および安定性に対するPEG化の作用
クレアチニンアミドヒドロラーゼの活性および安定性に対する化学修飾の作用について測定するため、PEG化試験を実施した。PEGのNHSエステル(PEG−SPA)をPEG−SPAの異なる比で使用してPEG修飾を行い、酵素粉末を凍結乾燥させた。PEG−SPAによって酵素を容易に修飾することは可能であり(図17)、酵素の1分子当たり平均で5つのPEGを結合させた状態でも活性は30%低下するだけであった。
酵素濃度0〜150U/gのポリマーによってポリマーを作製し、ポリマーは酵素濃度の上昇に伴って比活性の線形増加を示した(図19)。これらの条件下で測定した速度が拡散制御されることはなく、酵素反応速度のみを示すことをこれは保証している(ヤマネ(Yamane)、1977年)。
酵素がAg/AgClを含むアンペロメトリック電極に付けられることから、銀イオンの酵素活性に対する作用について探求した。従来より基準電極からの銀イオンによる酵素の阻害が注目されており(シャッファー(Schaffar)、Anal Bioanal Chem 372:254−260頁(2002年);米国特許第4,547,280号明細書)、銀イオンが酵素に極めて強く結合して失活を招く可能性があることからそうであれば十分に評価されるべきである。酵素が溶液から銀を除去するのに多大な時間を有することになるため、もしあるセンサーが他のセンサーと直列に長期間使用されることになる場合、これは一層の関心事となる。
(場合によってウエハーに付けた)3酵素含有ポリマーの安定性を試験するため、3酵素ポリマーを作製し、緩衝液中に37℃で保存した。センサーに付けた酵素ポリマーは、酵素安定性試験において使用される場合よりも最大で20倍多くの酵素を含有した。酵素含有ポリマーを1000単位/gのサルコシンオキシダーゼおよびクレアチンアミジノヒドロラーゼのプレポリマーと2500単位/gのクレアチニンアミドヒドロラーゼのプレポリマーを用いて作製した。ゲルを1mMのクレアチニンに添加した場合、酵素−ポリマーを定期的に取り出し、酸素モニターを使用して酸素消費についてアッセイした(図23)。緩衝液中、37℃で11日後、バイオポリマーの活性低下は50%に過ぎなかった。明らかに、3酵素ポリマーはクレアチニンを利用しかつ酸素を消費するのに極めて有効である。
酵素−ポリウレタン膜を使用して3酵素バイオセンサーを試験するため、酵素−ポリマーをウエハーの電極に直接付けることによってアンペロメトリッククレアチニンセンサーを作製した。センサーをセンサー筺体内に設け、ストップフロー装置を使用して安定性について試験した。センサーが試験対象でない場合、センサーを37℃(湿性)で保存した。センサー−ウエハーに直接付けた酵素−ポリマーの活性が速やかに低下する一方(図24)、溶液中に保存した酵素−ポリマーが活性を保持する(図23中に見られる)ことが判明した。この活性低下は、センサーを試験するか否かまたは試験しないで保存するか否かに関係なく生じた(過酸化水素の形成が非活性化の原因ではないことを示している)。
Claims (25)
- 生物学的液体中のクレアチニンのアンペロメトリック測定のための複数回使用可能な3酵素バイオセンサーを作製する方法であって、前記バイオセンサーが複数の固定化酸素を含み、該方法が、前記バイオセンサーに前記複数の固定化酸素を含有する酵素−ポリマー組成物を付ける工程を含むことを特徴とする方法。
- 前記複数の固定化酸素が、クレアチニンアミドヒドロラーゼ、クレアチンアミジノヒドロラーゼおよびサルコシンオキシダーゼのうちの少なくとも2種を含有することを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記酵素が、酵素−ポリマー組成物中に同時に固定化されることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記酵素が、前記センサーに同時に付けられることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記酵素が、架橋、共有結合またはマトリックス封入によって固定化されることを特徴とする請求項2記載の方法。
- 前記酵素が共有結合によって固定化されることを特徴とする請求項5記載の方法。
- 酵素単量体当たり1もしくは複数のポリエチレングリコール(PEG)鎖を結合させることによって前記酵素を化学的に修飾する初期工程をさらに含むことを特徴とする請求項6記載の方法。
- 前記修飾の前に、前記サルコシンオキシダーゼを修飾の間の不活性化を防止するのに有効な量の阻害剤と接触させることを特徴とする請求項7記載の方法。
- 前記阻害剤が、ピロール−2−カルボン酸または(メチルチオ)酢酸であることを特徴とする請求項8記載の方法。
- 前記ポリマーが、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリエステル、ポリカーボネート、酢酸ビニル共重合体、ナイロン、ポリ(1,4−ブチレンテレフタレート)、プロピオン酸セルロース、エチレン/アクリル酸共重合体、ポリブタジエン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、アクリルフィルム、ポリスチレンおよびポリフッ化ビニルより成る群から選択されることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記酵素−ポリマー組成物がポリウレタンを含むことを特徴とする請求項8記載の方法。
- 前記バイオセンサーが、少なくとも1つの作用電極、少なくとも1つの基準電極および少なくとも1つの対向電極を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記酵素−ポリマー組成物が、前記作用電極、前記基準電極および前記対向電極に付けられることを特徴とする請求項12記載の方法。
- 前記基準電極がAg/AgCl電極であることを特徴とする請求項12記載の方法。
- 前記基準電極が前記基準電極から発せられる銀イオンの拡散を制限する材料で覆われ、それにより前記銀イオンと前記酵素の間の接触を防止することを特徴とする請求項14記載の方法。
- 請求項1記載の方法によって作製された、生物学的液体中のクレアチニンのアンペロメトリック測定のための複数回使用可能な3酵素バイオセンサー。
- 請求項11記載の方法によって作製された、生物学的液体中のクレアチニンのアンペロメトリック測定のための複数回使用可能な3酵素バイオセンサー。
- 請求項15記載の方法によって作製された、生物学的液体中のクレアチニンのアンペロメトリック測定のための複数回使用可能な3酵素バイオセンサー。
- 酵素−ポリマー組成物の作製方法であって、
(a)酵素単量体当たり1もしくは複数のポリ(エチレングリコール)(PEG)鎖を結合させることにより、(1)クレアチニンアミドヒドロラーゼ、(2)クレアチンアミジノヒドロラーゼおよび(3)サルコシンオキシダーゼのうちの少なくとも1種を含む複数種の酵素を化学的に修飾し、ここで、該修飾の前に前記サルコシンオキシダーゼを修飾の間の不活性化を防止するのに有効な量の阻害剤と接触させる、工程と、
(b)重合を可能にする条件下で前記複数の修飾酵素を含有する溶液をポリマー溶液と接触させ、前記酵素が共有結合により固定化されることによって酵素−ポリマー組成物が形成される、工程とを含むことを特徴とする方法。 - 前記阻害剤が、ピロール−2−カルボン酸または(メチルチオ)酢酸であることを特徴とする請求項19記載の方法。
- 前記ポリマーが、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリエステル、ポリカーボネート、酢酸ビニル共重合体、ナイロン、ポリ(1,4−ブチレンテレフタレート)、プロピオン酸セルロース、エチレン/アクリル酸共重合体、ポリブタジエン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、アクリルフィルム、ポリスチレンおよびポリフッ化ビニルより成る群から選択されることを特徴とする請求項19記載の方法。
- 前記酵素−ポリマー組成物がポリウレタンを含むことを特徴とする請求項21記載の方法。
- 請求項19記載の方法によって作製された酵素−ポリマー組成物。
- 請求項19記載の酵素−ポリマー組成物を含む、生物学的液体中のクレアチニンのアンペロメトリック測定のための複数回使用可能な3酵素バイオセンサー。
- 請求項22記載の酵素−ポリマー組成物を含む、生物学的液体中のクレアチニンのアンペロメトリック測定のための複数回使用可能な3酵素バイオセンサー。
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