JP2012146460A - Fuel cell, fuel cell manufacturing method, electronics equipment, enzyme immobilized electrode, biosensor, energy conversion element, cell, cell organelle, and bacterium - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell and its manufacturing method which can confine one or more kinds of enzymes or further coenzymes in a minute space and, by carrying out enzymatic reaction using this space as a reaction field, can extract electrons efficiently from glucose, etc. to generate electric energy, and also can easily get these kinds of enzymes or further coenzymes stuck to an electrode.SOLUTION: Enzymes 13, 14 and coenzymes 15 which are needed for enzymatic reaction are sealed in a liposome 12, and an antibiotic 16 is bound to a lipid bilayer membrane constituting the liposome 12 to form one or more holes 17 through which glucose can pass, and further a sterol 18 is bound to the lipid bilayer membrane. The liposome 12 is gotten stuck to the surface of an electrode consisting of porous carbon, etc. to form an enzyme immobilized electrode. The enzyme immobilized electrode is used, for example, as an anode of a biofuel cell.

Description

この発明は、燃料電池、燃料電池の製造方法、電子機器、酵素固定化電極、バイオセンサー、エネルギー変換素子、細胞、細胞小器官および細菌に関する。より詳細には、この発明は、例えば、燃料または基質としてグルコースを用いるバイオ燃料電池、バイオセンサーおよびエネルギー変換素子ならびにバイオ燃料電池を電源に用いた各種の電子機器に適用して好適なものである。   The present invention relates to a fuel cell, a method for producing a fuel cell, an electronic device, an enzyme-immobilized electrode, a biosensor, an energy conversion element, a cell, an organelle, and a bacterium. More specifically, the present invention is suitable for application to, for example, a biofuel cell using glucose as a fuel or a substrate, a biosensor and an energy conversion element, and various electronic devices using the biofuel cell as a power source. .

近年、酵素を用いた燃料電池(バイオ燃料電池)が注目されている(例えば、特許文献1〜12参照。)。このバイオ燃料電池は、燃料を酵素により分解してプロトン(H+ )と電子とに分離するもので、燃料としてメタノールやエタノールなどのアルコール類あるいはグルコースなどの単糖類あるいはデンプンなどの多糖類を用いたものが開発されている。 In recent years, a fuel cell (biofuel cell) using an enzyme has attracted attention (see, for example, Patent Documents 1 to 12). In this biofuel cell, fuel is decomposed by enzymes and separated into protons (H + ) and electrons. Alcohols such as methanol and ethanol, monosaccharides such as glucose, and polysaccharides such as starch are used as fuel. What has been developed.

このバイオ燃料電池においては、電極に対する酵素の固定化・配列が非常に重要であることが分かっている。また、電子を伝達する役目を果たす電子メディエーターが酵素とともに有効に存在する必要性もあることが分かっている。従来の酵素の固定化方法は様々なものがあるが、その中でも本発明者らは、プラスに電荷を帯びたポリマーとマイナスに電荷を帯びたポリマーとを酵素と適当な割合で混合して多孔質カーボンなどからなる電極上に塗布することにより、電極との接着性を保ちつつ固定化膜を安定化させるポリイオンコンプレックス法やグルタルアルデヒド法を主体に開発してきた。   In this biofuel cell, it has been found that immobilization / arrangement of the enzyme with respect to the electrode is very important. It has also been found that there is a need for an electron mediator that plays a role in transferring electrons to be present effectively with the enzyme. There are various conventional methods for immobilizing an enzyme. Among them, the present inventors mixed a positively charged polymer and a negatively charged polymer with an enzyme in an appropriate ratio to obtain a porous material. The polyion complex method and the glutaraldehyde method have been developed mainly to stabilize the fixed film while maintaining the adhesion to the electrode by applying it on an electrode made of carbonaceous material.

しかしながら、上述のポリイオンコンプレックスを用いる固定化方法は、酵素の物理化学的性質、特に電荷に大きく依存しており、外部溶液の変化、使用中の環境変化などにより固定化の状態が絶えず変化することが懸念され、固定化した酵素などが溶出しやすい。また、一般的に酵素は熱に対する耐性が低いが、バイオ燃料電池の実用化に向けて酵素を改変してゆく際に、酵素そのものの物理化学的性質が変わり、その都度、固定化膜作製方法の最適化を図る必要があり、煩雑である。さらに、燃料からより多くの電子を取り出したいときには、より多くの酵素が必要となるが、これらの酵素を固定化する場合、その固定化条件の最適化に多大な労力を費やすことになる。   However, the immobilization method using the polyion complex described above relies heavily on the physicochemical properties of the enzyme, especially the charge, and the immobilization state constantly changes due to changes in the external solution and environmental changes during use. The immobilized enzyme is likely to elute. In general, enzymes have low heat resistance. However, as the enzymes are modified for practical use of biofuel cells, the physicochemical properties of the enzymes themselves change each time. It is necessary to aim for optimization, and is complicated. Furthermore, when it is desired to extract more electrons from the fuel, more enzymes are required. However, when these enzymes are immobilized, a great deal of effort is required to optimize the immobilization conditions.

こうした中、本発明者らは、酵素や補酵素をリポソームに封入し、この空間を反応場として酵素反応を行うことにより燃料から効率的に電子を取り出して電気エネルギーを発生させることを提案した(特許文献13参照。)。こうして酵素や補酵素を封入したリポソームを電極に固定化することにより、酵素や補酵素の電極への固定化を容易に行うことができる。   Under these circumstances, the present inventors have proposed that an enzyme or a coenzyme is encapsulated in a liposome and an enzyme reaction is performed using this space as a reaction field to efficiently extract electrons from fuel and generate electric energy ( (See Patent Document 13). Thus, by immobilizing the liposome encapsulating the enzyme or coenzyme on the electrode, the enzyme or coenzyme can be easily immobilized on the electrode.

特開2000−133297号公報JP 2000-133297 A 特開2003−282124号公報JP 2003-282124 A 特開2004−71559号公報JP 2004-71559 A 特開2005−13210号公報JP 2005-13210 A 特開2005−310613号公報JP 2005-310613 A 特開2006−24555号公報JP 2006-24555 A 特開2006−49215号公報JP 2006-49215 A 特開2006−93090号公報JP 2006-93090 A 特開2006−127957号公報JP 2006-127957 A 特開2006−156354号公報JP 2006-156354 A 特開2007−12281号公報JP 2007-12281 A 特開2007−35437号公報JP 2007-35437 A 特開2009−158458号公報JP 2009-158458 A

Biophys.J.,71,pp.2984-2995(1996)Biophys. J., 71, pp. 2984-2995 (1996)

ところが、リポソームの内部に酵素や補酵素を閉じ込める特許文献13の方法では、燃料としてグルコースを用いる場合には、リポソームを構成する脂質2分子膜がグルコースを透過しないため、グルコースを透過するトランスポーターを脂質2分子膜に組み込まなければならない。また、乳酸などの有機酸もリポソームを構成する脂質2分子膜を透過しないため、リポソームをそのまま用いた場合にはこれらの有機酸を燃料として用いることはできない。   However, in the method of Patent Document 13 in which an enzyme or coenzyme is confined inside the liposome, when glucose is used as a fuel, the lipid bimolecular membrane constituting the liposome does not permeate glucose. Must be incorporated into a lipid bilayer. In addition, since organic acids such as lactic acid do not permeate the lipid bilayer membrane constituting the liposome, these organic acids cannot be used as fuel when the liposome is used as it is.

そこで、この発明が解決しようとする課題は、一種または複数種の酵素あるいはさらに補酵素をリポソームの内部の微小な空間に閉じ込め、このリポソームの内部にグルコースや有機酸などの燃料を容易に透過させることができ、しかもこの燃料の透過速度を制御することができ、リポソームの内部の空間を反応場として酵素反応を行うことにより燃料から効率的に電子を取り出して電気エネルギーを発生させることができ、これらの酵素あるいはさらに補酵素の電極への固定化も容易に行うことができる燃料電池およびその製造方法を提供することである。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is that one or more kinds of enzymes or further coenzymes are confined in a minute space inside the liposome, and fuel such as glucose and organic acid is easily permeated into the liposome. It is possible to control the permeation rate of this fuel, and it is possible to efficiently extract electrons from the fuel and generate electric energy by performing an enzyme reaction using the internal space of the liposome as a reaction field, It is an object of the present invention to provide a fuel cell capable of easily immobilizing these enzymes or further coenzymes on electrodes, and a method for producing the same.

この発明が解決しようとする他の課題は、上記の優れた燃料電池を用いた高性能の電子機器を提供することである。   Another problem to be solved by the present invention is to provide a high-performance electronic device using the above-described excellent fuel cell.

この発明が解決しようとするさらに他の課題は、上記の燃料電池に適用して好適な酵素固定化電極ならびに高効率のバイオセンサーおよびエネルギー変換素子を提供することである。   Still another problem to be solved by the present invention is to provide an enzyme-immobilized electrode, a high-efficiency biosensor and an energy conversion element suitable for application to the fuel cell.

この発明が解決しようとするさらに他の課題は、グルコースや有機酸などの基質を内部に容易に透過させることができ、しかもこの基質の透過速度を制御することができ、内部の空間を反応場として酵素反応を行うことにより基質から効率的に電子を取り出して電気エネルギーを発生させることができる細胞、細胞小器官および細菌を提供することである。   Still another problem to be solved by the present invention is that a substrate such as glucose or an organic acid can be easily permeated into the interior, and the permeation rate of the substrate can be controlled. It is to provide cells, organelles, and bacteria that can efficiently extract electrons from a substrate and generate electric energy by performing an enzymatic reaction.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を行った。その結果、バイオ燃料電池において、酵素反応に必要な酵素あるいはさらに補酵素を人工細胞であるリポソームに封入した場合には、同量の酵素あるいはさらに補酵素をリポソームに封入しないで用いる場合に比べて、酵素反応をはるかに効率的に行って極めて高い触媒電流を得たり、電極への固定化を容易にしたりすることができることを見出した。   The inventors of the present invention have intensively studied to solve the above problems. As a result, in a biofuel cell, when an enzyme required for an enzymatic reaction or further coenzyme is encapsulated in a liposome, which is an artificial cell, compared to the case where the same amount of enzyme or further coenzyme is not encapsulated in the liposome. It was found that the enzyme reaction can be carried out much more efficiently to obtain a very high catalyst current or to be easily immobilized on the electrode.

一方、バイオ燃料電池においてグルコースを燃料に用いる場合、周知のようにグルコースはリポソームを構成する脂質2分子膜に対する透過性が著しく低いため、グルコースを含む燃料溶液中にリポソームを置いても、リポソームの内部に燃料溶液からグルコースを取り込むことは極めて困難である(図58参照。)。本発明者らは、この点に関し鋭意研究を行った結果、リポソームを構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴(チャネル)を有する抗生物質を結合させることにより、この問題を解消することができることを見出した。このグルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質では有機酸の透過も可能である。さらに、リポソームを構成する脂質2分子膜に、抗生物質に加えてステロールを結合させることにより、抗生物質の穴を通しての有機酸やグルコースなどの透過速度の制御が可能となることを見出した。   On the other hand, when glucose is used as a fuel in a biofuel cell, as is well known, glucose has a remarkably low permeability to the lipid bilayer membrane constituting the liposome. Therefore, even if the liposome is placed in a fuel solution containing glucose, It is very difficult to take in glucose from the fuel solution inside (see FIG. 58). As a result of intensive studies on this point, the present inventors solved this problem by binding an antibiotic having a hole (channel) capable of permeating glucose to the lipid bilayer membrane constituting the liposome. Found that you can. Antibiotics having holes that allow glucose to pass through can also pass organic acids. Furthermore, the present inventors have found that the permeation rate of organic acids and glucose through the holes of antibiotics can be controlled by binding sterols in addition to antibiotics to lipid bilayer membranes constituting liposomes.

この発明は、本発明者らが独自に得た上記の知見に基づいて、上記の手法の適用が可能な範囲について様々な観点から検討を行い、案出されたものである。   The present invention has been devised by examining the range in which the above-described method can be applied from various viewpoints based on the above-mentioned knowledge obtained independently by the present inventors.

すなわち、上記課題を解決するために、この発明は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
少なくとも一種の上記酵素がリポソームに封入されており、
上記リポソームを構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合している燃料電池である。
That is, in order to solve the above problems, the present invention provides:
The positive electrode and the negative electrode have a structure facing each other through a proton conductor, and are configured to extract electrons from the fuel using an enzyme,
At least one of the above enzymes is encapsulated in the liposome,
This is a fuel cell in which an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol are bound to the lipid bimolecular membrane constituting the liposome.

また、この発明は、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、酵素を用いて燃料から電子を取り出す燃料電池を製造する場合に、少なくとも一種の上記酵素をリポソームに封入した後、上記リポソームを構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールを結合させる工程を有する燃料電池の製造方法である。
In addition, this invention
When manufacturing a fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed to each other through a proton conductor and taking out electrons from fuel using an enzyme, after encapsulating at least one kind of the enzyme in the liposome, It is a method for producing a fuel cell, comprising a step of binding an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol to a lipid bimolecular membrane constituting the same.

上記の各発明においては、典型的には、燃料電池は、酵素および補酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素がリポソームに封入される。   In each of the above inventions, typically, the fuel cell is configured to extract electrons from the fuel using an enzyme and a coenzyme, and at least one enzyme and at least one coenzyme are encapsulated in the liposome.

リポソームは、リン脂質などからなる脂質2分子膜により形成された閉鎖小胞であり、内部が水相となっている。このリポソームには、一層の脂質2分子膜からなる単層リポソーム(SUV:小さな一枚膜リポソーム、GUV:巨大一枚膜リポソーム)だけでなく、小さなリポソーム(SUV)が大きいリポソーム(GUV)に取り込まれて入れ子になった多重層リポソーム(MUV)も含まれる。リポソームは、例えば、直径100nm程度のものから10μmに及ぶ大きなものまで作製することができ、直径は必要に応じて選ばれるが、具体例を挙げると2〜7μmである。リン脂質としては基本的にはどのようなものを用いてもよく、グリセロリン脂質、スフィンゴリン脂質のいずれを用いてもよい。グリセロリン脂質としては、ホスファチジン酸、ホスファチジルコリン(レシチン)、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルセリン、ホスファチジルグリセロール、ジホスファチジルグリセロール(カルジオリピン)などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。スフィンゴリン脂質としては、スフィンゴミエリンなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。ホスファチジルコリンの代表例はジミリストイルホスファチジルコリン(DMPC)である。リポソームの形成およびリポソーム内部への酵素および補酵素の封入には従来公知の方法を用いることができ、必要に応じて選ばれる。   Liposomes are closed vesicles formed by a lipid bimolecular membrane made of phospholipid or the like, and the inside is an aqueous phase. In this liposome, not only monolayer liposomes (SUV: small unilamellar liposomes, GUV: giant unilamellar liposomes) consisting of a single lipid bilayer, but also small liposomes (SUV) are incorporated into large liposomes (GUV). Also included are nested multilamellar liposomes (MUVs). Liposomes can be produced, for example, from those having a diameter of about 100 nm to a large one having a diameter of 10 μm, and the diameter is selected as necessary. Basically, any phospholipid may be used, and either glycerophospholipid or sphingophospholipid may be used. Examples of glycerophospholipid include, but are not limited to, phosphatidic acid, phosphatidylcholine (lecithin), phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine, phosphatidylglycerol, and diphosphatidylglycerol (cardiolipin). Sphingophospholipids include, but are not limited to, sphingomyelin. A representative example of phosphatidylcholine is dimyristoyl phosphatidylcholine (DMPC). Conventionally known methods can be used to form liposomes and encapsulate enzymes and coenzymes inside the liposomes, and are selected as necessary.

リポソームを構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質を結合させることで、抗生物質により縁取られる形で脂質2分子膜を貫通する穴が形成される。この抗生物質としては従来公知の各種のものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。この穴は、リポソームの内部に封入される酵素あるいはさらに補酵素が少なくとも容易に透過しない大きさを有する。抗生物質は典型的には、複数の分子が環状に配列した多分子からなる。   By binding an antibiotic having a hole capable of permeating glucose to the lipid bimolecular membrane constituting the liposome, a hole penetrating the lipid bimolecular membrane is formed in a form bordered by the antibiotic. Various conventionally known antibiotics can be used as the antibiotic, and are selected as necessary. This hole has a size that prevents an enzyme or even a coenzyme enclosed inside the liposome from penetrating at least easily. Antibiotics typically consist of multiple molecules in which a plurality of molecules are arranged in a ring.

リポソームを構成する脂質2分子膜に結合させるステロールとしては従来公知の各種のものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。ステロールの代表例としては、コレステロールやコプロスタノールなどの動物ステロールや、植物中のシトステロールやスチグマステロール、酵母や麦角菌が産出するエルゴステロールなどが挙げられる。リポソームを構成する脂質2分子膜に対するステロールの重量比は、好適には、1/4以上1/3以下であるが、これに限定されるものではない。   As the sterol to be bound to the lipid bilayer membrane constituting the liposome, various conventionally known sterols can be used and selected as necessary. Representative examples of sterols include animal sterols such as cholesterol and coprostanol, sitosterol and stigmasterol in plants, and ergosterol produced by yeasts and ergots. The weight ratio of sterol to the lipid bilayer membrane constituting the liposome is preferably ¼ or more and 3 or less, but is not limited thereto.

このリポソームには、酵素反応に必要な酵素あるいはさらに補酵素のうち、少なくとも一種の酵素あるいはさらに少なくとも一種の補酵素を封入するが、酵素反応に必要な全ての酵素あるいはさらに補酵素をリポソームに封入してもよいし、一部の酵素または補酵素をリポソームに封入せず、このリポソームを構成する脂質2分子膜に組み込んだり、固定化したり、リポソームの外部に存在させるようにしてもよい。酵素または補酵素をリポソームを構成する脂質2分子膜に固定化する場合には、例えばポリエチレングリコール鎖などのアンカーを用いることができる。   The liposome encapsulates at least one enzyme or at least one coenzyme among enzymes or further coenzymes necessary for the enzyme reaction, but encapsulates all the enzymes necessary for the enzyme reaction or further coenzymes in the liposome. Alternatively, a part of the enzyme or coenzyme may not be encapsulated in the liposome, but may be incorporated into the lipid bilayer membrane constituting the liposome, immobilized, or present outside the liposome. When the enzyme or coenzyme is immobilized on the lipid bilayer membrane constituting the liposome, for example, an anchor such as a polyethylene glycol chain can be used.

このリポソームは、好適には負極に固定化されるが、必ずしも固定化する必要はなく、プロトン伝導体に緩衝液(緩衝物質)を含む電解質を用いるような場合にはその緩衝液に含ませるようにしてもよい。リポソームの固定には、例えば細胞の固定に用いられる従来公知の各種の固定化方法を用いることができる。また、この場合、負極に対するリポソームの固定を安定化するために、負極とリポソームとの間に中間層を形成してもよい。この中間層としては、タンパク質やDNAなどの生体高分子のみならず、親水、疎水の両方の性質を持つような高分子電解質や、ミセル、逆ミセル、ラメラなどの構造体を形成することができるものや、ナノメートル構造を持ち、一つまたは複数の性質を持つ化合物であって生体親和性の高い化合物を用いることができる。タンパク質としては、例えば、アルブミンを代表とした、アルコールデヒドロゲナーゼ、ラクテートデヒドロゲナーゼ、オボアルブミン、ミオキナーゼなどの酸性タンパク質のほか、等電点をアルカリ側に持つリゾチウム、チトクロームc、ミオグロビン、トリプシノーゲンなどを用いることができる。このようなタンパク質などからなる中間層を電極表面に物理的に吸着させ、この中間層にリポソームを固定化することにより、負極に対してリポソームを安定に固定化することが可能である。   The liposome is preferably immobilized on the negative electrode, but it is not always necessary to immobilize the liposome. In the case where an electrolyte containing a buffer solution (buffer material) is used as the proton conductor, the liposome is included in the buffer solution. It may be. For fixing the liposome, various conventionally known immobilization methods used for cell immobilization, for example, can be used. In this case, an intermediate layer may be formed between the negative electrode and the liposome in order to stabilize the fixation of the liposome to the negative electrode. As this intermediate layer, not only biopolymers such as proteins and DNA, but also polymer electrolytes having both hydrophilic and hydrophobic properties, and structures such as micelles, reverse micelles, and lamellae can be formed. A compound having a nanometer structure, a compound having one or more properties, and high biocompatibility can be used. As the protein, for example, acidic proteins such as alcohol dehydrogenase, lactate dehydrogenase, ovalbumin, and myokinase represented by albumin, as well as lysotium, cytochrome c, myoglobin, trypsinogen, etc. having an isoelectric point on the alkali side may be used. it can. It is possible to stably immobilize the liposome with respect to the negative electrode by physically adsorbing such an intermediate layer made of protein or the like on the electrode surface and immobilizing the liposome on the intermediate layer.

負極に対してリポソームを安定に固定化する方法としては、次のような方法を用いることが有効である。すなわち、負極には第1の物質を固定化し、リポソームには第2の物質を結合し、負極に固定化された第1の物質とリポソームに結合した第2の物質とが互いに結合することにより、負極に対してリポソームを安定に固定化することができる。このような第1の物質と第2の物質との組み合わせとしては、好適には、特異的に結合する結合対が用いられるが、必ずしもこれに限定されるものではない。このような第1の物質と第2の物質との組み合わせの具体例を挙げると次の通りである。   As a method for stably immobilizing liposomes with respect to the negative electrode, it is effective to use the following method. That is, the first substance is fixed to the negative electrode, the second substance is bonded to the liposome, and the first substance fixed to the negative electrode and the second substance bonded to the liposome are bonded to each other. The liposome can be stably immobilized on the negative electrode. As such a combination of the first substance and the second substance, a binding pair that specifically binds is preferably used, but is not necessarily limited thereto. A specific example of such a combination of the first substance and the second substance is as follows.

・アビジン(avidin) とビオチン(biotin)
アビジンはビオチンと特異的に結合する糖タンパク質である。例えば、負極にアビジンを固定化するとともに、ビオチンをリポソームに結合し、負極に固定化したアビジンとリポソームに結合したビオチンとを結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。負極にビオチンを固定化し、リポソームにアビジンを結合させてもよい。アビジンとしては、ストレプトアビジン(StreptAvidin) 、ニュートロアビジン(NeutroAvidin)などの各種のものを用いることができ、さらにはこれらの変異体を用いることもできる。
・ Avidin and biotin
Avidin is a glycoprotein that specifically binds to biotin. For example, it is possible to immobilize avidin on the negative electrode, bind biotin to the liposome, and bind the avidin immobilized on the negative electrode to biotin bound to the liposome to immobilize the liposome on the negative electrode. Biotin may be immobilized on the negative electrode, and avidin may be bound to the liposome. As avidin, various kinds such as streptavidin (StreptAvidin) and neutroavidin (NeutroAvidin) can be used, and these mutants can also be used.

・抗原と抗体
抗体は抗原と特異的に結合する免疫グロブリンである。例えば、抗原修飾脂質を用いてリポソームを作製するとともに、負極に抗体を固定化し、負極に固定化した抗体とリポソームに結合した抗原とを結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。負極に抗原を固定化し、リポソームに抗体を結合させてもよい。
-Antigens and antibodies Antibodies are immunoglobulins that specifically bind to antigens. For example, while preparing a liposome using an antigen-modified lipid, the antibody can be immobilized on the negative electrode, and the liposome immobilized on the negative electrode can be immobilized by binding the antibody immobilized on the negative electrode and the antigen bound to the liposome. An antigen may be immobilized on the negative electrode, and an antibody may be bound to the liposome.

・プロテインAまたはプロテインGと免疫グロブリンIg
プロテインAまたはプロテインGは免疫グロブリンIg Gに強い親和性を有するタンパク質である。例えば、負極に免疫グロブリンIg Gを固定化するとともに、プロテインAまたはプロテインGをリポソームに結合する。そして、負極に固定化した免疫グロブリンIg Gとリポソームに結合したプロテインAまたはプロテインGとを結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。負極にプロテインAまたはプロテインGを固定化し、リポソームに免疫グロブリンIg Gを結合させてもよい。
・ Protein A or Protein G and immunoglobulin Ig G
Protein A or protein G is a protein having a strong affinity for immunoglobulin I g G. For example, immunoglobulin I g G is immobilized on the negative electrode, and protein A or protein G is bound to the liposome. The liposome can be immobilized on the negative electrode by binding immunoglobulin I g G immobilized on the negative electrode to protein A or protein G bound to the liposome. Protein A or protein G may be immobilized on the negative electrode, and immunoglobulin I g G may be bound to the liposome.

・糖分子(あるいは糖鎖含有化合物)とレクチン
レクチンは糖結合性タンパク質の総称である。例えば、膜貫通型レクチンを混ぜてリポソームを作製するとともに、負極に糖分子(あるいは糖鎖含有化合物)を固定化する。そして、負極に固定化した糖分子(あるいは糖鎖含有化合物)の糖鎖とリポソームに結合したレクチンとを結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。負極にレクチンを固定化し、リポソームに糖分子(あるいは糖鎖含有化合物)を結合させてもよい。
-Sugar molecule (or sugar chain-containing compound) and lectin Lectin is a general term for sugar-binding proteins. For example, a transmembrane lectin is mixed to produce a liposome, and a sugar molecule (or a sugar chain-containing compound) is immobilized on the negative electrode. The liposome can be immobilized on the negative electrode by binding the sugar chain of the sugar molecule (or sugar chain-containing compound) immobilized on the negative electrode and the lectin bound to the liposome. Lectins may be immobilized on the negative electrode, and sugar molecules (or sugar chain-containing compounds) may be bound to the liposomes.

・DNAと相補鎖DNA
例えば、DNAを結合した水溶性脂質を利用してリポソームを作製するとともに、負極に相補鎖DNAを固定化する。そして、負極に固定化した相補鎖DNAとリポソームに結合したDNAとをハイブリダイゼーションにより結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。
・ DNA and complementary DNA
For example, a liposome is prepared using water-soluble lipid bound with DNA, and complementary strand DNA is immobilized on the negative electrode. Then, the liposome can be immobilized on the negative electrode by bonding the complementary strand DNA immobilized on the negative electrode and the DNA bonded to the liposome by hybridization.

・グルタチオンとグルタチオンS−トランスフェラーゼ(GST)
例えば、GST融合膜貫通タンパク質を混ぜてリポソームを作製するとともに、負極にグルタチオンを固定化する。そして、負極に固定化したグルタチオンとリポソームに結合したGSTとを結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。
Glutathione and glutathione S-transferase (GST)
For example, a GST fusion transmembrane protein is mixed to produce a liposome, and glutathione is immobilized on the negative electrode. Then, the liposome can be immobilized on the negative electrode by combining glutathione immobilized on the negative electrode and GST bonded to the liposome.

・ヘパリンとヘパリン結合性分子
例えば、リポソームを構成する脂質2分子膜をヘパリン結合性分子で修飾するとともに、負極をヘパリンで修飾する。そして、ヘパリン修飾負極のヘパリンとリポソームに結合したヘパリン結合性分子とを結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。
-Heparin and heparin binding molecule For example, the lipid bilayer membrane constituting the liposome is modified with heparin binding molecule, and the negative electrode is modified with heparin. The liposome can be immobilized on the negative electrode by binding the heparin of the heparin-modified negative electrode and the heparin-binding molecule bound to the liposome.

・ホルモンとホルモン受容体
ホルモン受容体はホルモン分子を特異的に受容するタンパク質分子または分子複合体である。例えば、負極にホルモン受容体を固定化するとともに、リポソームにホルモンを結合し、負極に固定化したホルモン受容体とリポソームに結合したホルモンとを結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。
Hormones and hormone receptors Hormone receptors are protein molecules or molecular complexes that specifically accept hormone molecules. For example, it is possible to immobilize the hormone receptor on the negative electrode, bind the hormone to the liposome, and immobilize the liposome to the negative electrode by binding the hormone receptor immobilized on the negative electrode and the hormone bound to the liposome. .

・カルボン酸とイミド
例えば、負極にカルボン酸を結合するとともに、リポソームにアミンを結合する。そして、負極に結合したカルボン酸とリポソームに結合したアミンとをカルボジイミドやN−ヒドロキシスクシンイミドなどのイミドを用いてアミドカップリングにより結合することにより負極にリポソームを固定化することができる。負極にアミンを結合するとともに、リポソームにカルボン酸を結合してもよい。
Carboxylic acid and imide For example, carboxylic acid is bonded to the negative electrode and amine is bonded to the liposome. And a liposome can be fix | immobilized by the negative electrode by couple | bonding the carboxylic acid couple | bonded with the negative electrode and the amine couple | bonded with the liposome by amide coupling using imides, such as carbodiimide and N-hydroxysuccinimide. An amine may be bonded to the negative electrode, and a carboxylic acid may be bonded to the liposome.

なお、負極の電極材料が炭素(カーボン)である場合、負極にカルボン酸を結合する方法としては、例えば、ジアゾニウム塩を硝酸、硫酸、過酸化水素などを含む溶液中でリフラックス、もしくは電気化学的酸化を行う方法を用いることができる。   In addition, when the electrode material of the negative electrode is carbon (carbon), as a method for bonding carboxylic acid to the negative electrode, for example, a diazonium salt is refluxed in a solution containing nitric acid, sulfuric acid, hydrogen peroxide, or the like. A method of performing local oxidation can be used.

燃料としては、グルコースなどの種々のものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。グルコース以外の燃料としては、例えば、クエン酸回路に関与する各種の有機酸や、ペントースリン酸回路および解糖系に関与する糖および有機酸などが挙げられる。クエン酸回路に関与する各種の有機酸は、乳酸、ピルビン酸、アセチルCoA、クエン酸、イソクエン酸、αケトグルタル酸、スクシニルCoA、コハク酸、フマル酸、リンゴ酸、オキサロ酢酸などである。ペントースリン酸回路および解糖系に関与する糖および有機酸は、グルコース6リン酸、6ホスホグルコノラクトン、6ホスホグルコン酸、リブロース5リン酸、グリセルアルデヒド3リン酸、フルクトース6リン酸、キシルロース5リン酸、セドヘプツロース7リン酸、エリトロース4リン酸、ホスホエノールピルビン酸、1,3ビスホスホグリセリン酸、リボース5リン酸などである。これらの燃料は、いずれも、リポソームを構成する脂質2分子膜に結合した抗生物質が有する、グルコースの透過が可能な穴の透過が可能である。   Various fuels such as glucose can be used as the fuel, and are selected as necessary. Examples of fuels other than glucose include various organic acids involved in the citric acid cycle, sugars and organic acids involved in the pentose phosphate cycle and glycolysis. Various organic acids involved in the citric acid cycle are lactic acid, pyruvic acid, acetyl CoA, citric acid, isocitric acid, α-ketoglutaric acid, succinyl CoA, succinic acid, fumaric acid, malic acid, oxaloacetic acid and the like. Sugars and organic acids involved in the pentose phosphate cycle and glycolysis are glucose 6-phosphate, 6-phosphogluconolactone, 6-phosphogluconoic acid, ribulose 5-phosphate, glyceraldehyde 3-phosphate, fructose 6-phosphate, xylulose 5-phosphate, sedheptulose 7-phosphate, erythrose 4-phosphate, phosphoenolpyruvate, 1,3-bisphosphoglycerate, ribose 5-phosphate and the like. Any of these fuels can permeate through a hole that is capable of permeating glucose, which is possessed by an antibiotic bonded to a lipid bilayer membrane constituting a liposome.

これらの燃料は、典型的には、これらの燃料をリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの従来公知の緩衝液に溶かした燃料溶液の形で用いる。   These fuels are typically used in the form of a fuel solution obtained by dissolving these fuels in a conventionally known buffer solution such as a phosphate buffer solution or a Tris buffer solution.

リポソームに封入する酵素は、典型的には、グルコースなどの燃料の酸化を促進し分解する酸化酵素を含み、さらに、燃料の酸化に伴って還元された補酵素を酸化体に戻すとともに電子メディエーターを介して電子を負極に渡す補酵素酸化酵素を含む。具体的には、好適には、リポソームに封入する酵素は、グルコースなどの燃料の酸化を促進し分解する酸化酵素と、この酸化酵素によって還元される補酵素を酸化体に戻す補酵素酸化酵素とを含む。この補酵素酸化酵素の作用により、補酵素が酸化体に戻るときに電子が生成され、補酵素酸化酵素から電子メディエーターを介して負極に電子が渡される。例えば燃料としてグルコースを用いる場合、酸化酵素としては例えばグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)(特に、NAD依存型グルコースデヒドロゲナーゼ)が、補酵素としては例えばNAD+ またはNADP+ が、補酵素酸化酵素としては例えばジアホラーゼ(DI)が用いられる。 The enzyme encapsulated in the liposome typically contains an oxidase that promotes and decomposes the oxidation of fuel such as glucose, and further returns the coenzyme that has been reduced along with the oxidation of the fuel to the oxidant and an electron mediator. Including a coenzyme oxidase that passes electrons to the negative electrode. Specifically, the enzyme encapsulated in the liposome is preferably an oxidase that promotes and decomposes oxidation of fuel such as glucose, and a coenzyme oxidase that returns a coenzyme reduced by the oxidase to an oxidant. including. By the action of the coenzyme oxidase, electrons are generated when the coenzyme returns to the oxidized form, and the electrons are transferred from the coenzyme oxidase to the negative electrode via the electron mediator. For example, when glucose is used as a fuel, for example, glucose dehydrogenase (GDH) (particularly NAD-dependent glucose dehydrogenase) is used as an oxidase, NAD + or NADP + is used as a coenzyme, and diaphorase (eg, a coenzyme oxidase is used). DI) is used.

電子メディエーターとしては基本的にはどのようなものを用いてもよいが、好適には、キノン骨格を有する化合物が用いられ、具体的には、例えば、2,3−ジメトキシ−5−メチル−1,4−ベンゾキノン(Q0)や、ナフトキノン骨格を有する化合物、例えば、2−アミノ−1,4−ナフトキノン(ANQ)、2−アミノ−3−メチル−1,4−ナフトキノン(AMNQ)、2−メチル−1,4−ナフトキノン(VK3)、2−アミノ−3−カルボキシ−1,4−ナフトキノン(ACNQ)、ビタミンK1などの各種のナフトキノン誘導体が用いられる。キノン骨格を有する化合物としては、例えば、アントラキノンやその誘導体を用いることもできる。電子メディエーターには、必要に応じて、キノン骨格を有する化合物以外に、電子メディエーターとして働く一種または二種以上の他の化合物を含ませてもよい。この電子メディエーターは、酵素および補酵素が封入されたリポソームとともに負極に固定化してもよいし、このリポソームの内部に封入してもよいし、このリポソームに固定してもよいし、燃料溶液に含ませるようにしてもよい。   Basically, any electron mediator may be used, but a compound having a quinone skeleton is preferably used. Specifically, for example, 2,3-dimethoxy-5-methyl-1 is used. , 4-benzoquinone (Q0) or a compound having a naphthoquinone skeleton, such as 2-amino-1,4-naphthoquinone (ANQ), 2-amino-3-methyl-1,4-naphthoquinone (AMNQ), 2-methyl Various naphthoquinone derivatives such as -1,4-naphthoquinone (VK3), 2-amino-3-carboxy-1,4-naphthoquinone (ACNQ) and vitamin K1 are used. As a compound having a quinone skeleton, for example, anthraquinone or a derivative thereof can be used. In addition to the compound having a quinone skeleton, the electron mediator may contain one or two or more other compounds that function as an electron mediator, if necessary. This electron mediator may be immobilized on the negative electrode together with the liposome in which the enzyme and coenzyme are encapsulated, encapsulated inside the liposome, immobilized on the liposome, or contained in the fuel solution. You may make it let.

正極に酵素が固定化される場合、この酵素は、典型的には酸素を還元する酵素を含む。この酸素を還元する酵素としては、例えば、ビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどを用いることができる。この場合、正極には、好適には、酵素に加えて電子メディエーターも固定化される。電子メディエーターとしては、例えば、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、オクタシアノタングステン酸カリウムなどを用いる。電子メディエーターは、好適には、十分に高濃度、例えば、平均値で0.64×10-6mol/mm2 以上固定化する。 When an enzyme is immobilized on the positive electrode, this enzyme typically includes an enzyme that reduces oxygen. Examples of the enzyme that reduces oxygen include bilirubin oxidase, laccase, and ascorbate oxidase. In this case, an electron mediator is preferably immobilized on the positive electrode in addition to the enzyme. As the electron mediator, for example, potassium hexacyanoferrate or potassium octacyanotungstate is used. The electron mediator is preferably immobilized at a sufficiently high concentration, for example, 0.64 × 10 −6 mol / mm 2 or more on average.

プロトン伝導体としては種々のものを用いることができ、必要に応じて選択されるが、具体的には、例えば、セロハン、パーフルオロカーボンスルホン酸(PFS)系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、PSSA−PVA(ポリスチレンスルホン酸ポリビニルアルコール共重合体)や、PSSA−EVOH(ポリスチレンスルホン酸エチレンビニルアルコール共重合体)、含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂(ナフィオン(商品名、米国デュポン社)など)などからなるものが挙げられる。   Various proton conductors can be used and are selected as necessary. Specifically, for example, cellophane, perfluorocarbon sulfonic acid (PFS) -based resin film, and trifluorostyrene derivative can be used together. Polymer film, polybenzimidazole film impregnated with phosphoric acid, aromatic polyetherketone sulfonic acid film, PSSA-PVA (polystyrene sulfonate polyvinyl alcohol copolymer), PSSA-EVOH (polystyrene sulfonate ethylene vinyl alcohol copolymer) And an ion exchange resin having a fluorine-containing carbon sulfonic acid group (Nafion (trade name, DuPont, USA), etc.).

プロトン伝導体として緩衝液(緩衝物質)を含む電解質を用いる場合には、高出力動作時に十分な緩衝能を得ることができ、酵素が本来持っている能力を十分に発揮することができるようにするのが望ましい。このために、電解質に含まれる緩衝物質の濃度を0.2M以上2.5M以下にすることが有効であり、好適には0.2M以上2M以下、より好適には0.4M以上2M以下、さらに好適には0.8M以上1.2M以下とする。緩衝物質は、一般的には、pKa が6以上9以下のものであれば、どのようなものを用いてもよいが、具体例を挙げると、リン酸二水素イオン(H2 PO4 - )、2−アミノ−2−ヒドロキシメチル−1,3−プロパンジオール(略称トリス)、2−(N−モルホリノ)エタンスルホン酸(MES)、カコジル酸、炭酸(H2 CO3 )、クエン酸水素イオン、N−(2−アセトアミド)イミノ二酢酸(ADA)、ピペラジン−N,N’−ビス(2−エタンスルホン酸)(PIPES)、N−(2−アセトアミド)−2−アミノエタンスルホン酸(ACES)、3−(N−モルホリノ)プロパンスルホン酸(MOPS)、N−2−ヒドロキシエチルピペラジン−N’−2−エタンスルホン酸(HEPES)、N−2−ヒドロキシエチルピペラジン−N’−3−プロパンスルホン酸(HEPPS)、N−[トリス(ヒドロキシメチル)メチル]グリシン(略称トリシン)、グリシルグリシン、N,N−ビス(2−ヒドロキシエチル)グリシン(略称ビシン)などである。リン酸二水素イオン(H2 PO4 - )を生成する物質は、例えば、リン酸二水素ナトリウム(NaH2 PO4 )やリン酸二水素カリウム(KH2 PO4 )などである。緩衝物質としてはイミダゾール環を含む化合物も好ましい。イミダゾール環を含む化合物は、具体的には、イミダゾール、トリアゾール、ピリジン誘導体、ビピリジン誘導体、イミダゾール誘導体(ヒスチジン、1−メチルイミダゾール、2−メチルイミダゾール、4−メチルイミダゾール、2−エチルイミダゾール、イミダゾール−2−カルボン酸エチル、イミダゾール−2−カルボキシアルデヒド、イミダゾール−4−カルボン酸、イミダゾール−4,5−ジカルボン酸、イミダゾール−1−イル−酢酸、2−アセチルベンズイミダゾール、1−アセチルイミダゾール、N−アセチルイミダゾール、2−アミノベンズイミダゾール、N−(3−アミノプロピル) イミダゾール、5−アミノ−2−(トリフルオロメチル) ベンズイミダゾール、4−アザベンズイミダゾール、4−アザ−2−メルカプトベンズイミダゾール、ベンズイミダゾール、1−ベンジルイミダゾール、1−ブチルイミダゾール)などである。必要に応じて、これらの緩衝物質に加えて、例えば、塩酸(HCl)、酢酸(CH3 COOH)、リン酸(H3 PO4 )および硫酸(H2 SO4 )からなる群より選ばれた少なくとも一種の酸を中和剤として加えてもよい。こうすることで、酵素の活性をより高く維持することができる。緩衝物質を含む電解質のpHは、好適には7付近であるが、一般的には1〜14のいずれであってもよい。 When an electrolyte containing a buffer solution (buffer substance) is used as the proton conductor, sufficient buffer capacity can be obtained during high output operation, and the ability inherent to the enzyme can be fully exhibited. It is desirable to do. For this reason, it is effective that the concentration of the buffer substance contained in the electrolyte is 0.2 M or more and 2.5 M or less, preferably 0.2 M or more and 2 M or less, more preferably 0.4 M or more and 2 M or less, More preferably, it is 0.8M or more and 1.2M or less. Buffer substances, in general, as long as a pK a of 6 to 9, may it be used What Specific examples and, dihydrogen phosphate ion (H 2 PO 4 - ), 2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol (abbreviated to Tris), 2- (N-morpholino) ethanesulfonic acid (MES), cacodylic acid, carbonic acid (H 2 CO 3 ), hydrogen citrate Ions, N- (2-acetamido) iminodiacetic acid (ADA), piperazine-N, N′-bis (2-ethanesulfonic acid) (PIPES), N- (2-acetamido) -2-aminoethanesulfonic acid ( ACES), 3- (N-morpholino) propanesulfonic acid (MOPS), N-2-hydroxyethylpiperazine-N′-2-ethanesulfonic acid (HEPES), N-2-hydroxyethylpiperazine- '-3-propanesulfonic acid (HEPPS), N- [tris (hydroxymethyl) methyl] glycine (abbreviation tricine), glycylglycine, N, N-bis (2-hydroxyethyl) glycine (abbreviation bicine), etc. . Examples of the substance that generates dihydrogen phosphate ions (H 2 PO 4 ) include sodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4 ) and potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ). As the buffer substance, a compound containing an imidazole ring is also preferable. Specifically, the compound containing an imidazole ring includes imidazole, triazole, pyridine derivative, bipyridine derivative, imidazole derivative (histidine, 1-methylimidazole, 2-methylimidazole, 4-methylimidazole, 2-ethylimidazole, imidazole-2 -Ethyl carboxylate, imidazole-2-carboxaldehyde, imidazole-4-carboxylic acid, imidazole-4,5-dicarboxylic acid, imidazol-1-yl-acetic acid, 2-acetylbenzimidazole, 1-acetylimidazole, N-acetyl Imidazole, 2-aminobenzimidazole, N- (3-aminopropyl) imidazole, 5-amino-2- (trifluoromethyl) benzimidazole, 4-azabenzimidazole, 4-aza-2-mercapto Benzimidazole, benzimidazole, 1-benzylimidazole, 1-butylimidazole) and the like. As needed, in addition to these buffer substances, for example, selected from the group consisting of hydrochloric acid (HCl), acetic acid (CH 3 COOH), phosphoric acid (H 3 PO 4 ) and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) At least one acid may be added as a neutralizing agent. By doing so, the activity of the enzyme can be maintained higher. The pH of the electrolyte containing the buffer substance is preferably around 7, but may generally be any of 1-14.

正極および負極の電極材料としては各種のものを用いることができるが、例えば、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンフェルト、カーボンペーパーなどのカーボン系材料が用いられる。電極の材料としては、多孔体材料からなる骨格と、この骨格の少なくとも一部の表面を被覆する、カーボン系材料を主成分とする材料とを含む多孔体導電材料を用いることもできる(特許文献12参照。)。   Various materials can be used as the positive electrode and negative electrode materials. For example, carbon-based materials such as porous carbon, carbon pellets, carbon felt, and carbon paper are used. As the electrode material, a porous conductive material including a skeleton made of a porous material and a material mainly composed of a carbon-based material covering at least a part of the surface of the skeleton can be used (Patent Document). 12).

この燃料電池はおよそ電力が必要なものすべてに用いることができ、大きさも問わないが、例えば、電子機器、移動体(自動車、二輪車、航空機、ロケット、宇宙船など)、動力装置、建設機械、工作機械、発電システム、コージェネレーションシステムなどに用いることができ、用途などによって出力、大きさ、形状、燃料の種類などが決められる。   This fuel cell can be used for almost anything that requires electric power, and can be of any size. For example, electronic devices, mobile objects (automobiles, motorcycles, aircraft, rockets, spacecrafts, etc.), power units, construction machinery, It can be used for machine tools, power generation systems, cogeneration systems, etc. The output, size, shape, type of fuel, etc. are determined depending on the application.

また、この発明は、
一つまたは複数の燃料電池を用い、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
少なくとも一種の上記酵素がリポソームに封入されており、
上記リポソームを構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合しているものである電子機器である。
In addition, this invention
Using one or more fuel cells,
At least one of the fuel cells is
The positive electrode and the negative electrode have a structure facing each other through a proton conductor, and are configured to extract electrons from the fuel using an enzyme,
At least one of the above enzymes is encapsulated in the liposome,
It is an electronic device in which an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol are bound to the lipid bimolecular membrane constituting the liposome.

この電子機器は、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器(携帯情報端末機(PDA)など)、ロボット、パーソナルコンピュータ(デスクトップ型、ノート型の双方を含む)、ゲーム機器、カメラ一体型VTR(ビデオテープレコーダ)、車載機器、家庭電気製品、工業製品などである。   This electronic device may basically be any type, and includes both portable and stationary devices. Specific examples include cell phones, mobile devices (portable information terminals). Machine (PDA), etc.), robot, personal computer (including both desktop type and notebook type), game machine, camera-integrated VTR (video tape recorder), in-vehicle device, home appliance, industrial product and the like.

この電子機器の発明においては、その性質に反しない限り、上記の燃料電池および燃料電池の製造方法の発明に関連して説明したことが成立する。   In the invention of the electronic device, what has been described in relation to the invention of the fuel cell and the method of manufacturing the fuel cell is valid as long as it is not contrary to the nature.

また、この発明は、
少なくとも一種の酵素が封入されたリポソームが固定化されており、
上記リポソームを構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合している酵素固定化電極である。
In addition, this invention
A liposome encapsulating at least one enzyme is immobilized,
It is an enzyme-immobilized electrode in which an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol are bound to a lipid bimolecular membrane constituting the liposome.

この酵素固定化電極の発明においては、その性質に反しない限り、上記の燃料電池および燃料電池の製造方法の発明に関連して説明したことが成立する。   In the invention of the enzyme-immobilized electrode, what has been described in relation to the above-described invention of the fuel cell and the method of manufacturing the fuel cell is valid as long as it does not contradict its properties.

また、この発明は、
酵素を用い、
少なくとも一種の上記酵素がリポソームに封入されており、
上記リポソームを構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合しているバイオセンサーである。
In addition, this invention
Using enzymes,
At least one of the above enzymes is encapsulated in the liposome,
It is a biosensor in which an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol are bound to a lipid bimolecular membrane constituting the liposome.

このバイオセンサーの発明においては、その性質に反しない限り、上記の燃料電池および燃料電池の製造方法の発明に関連して説明したことが成立する。   In the invention of the biosensor, what has been described in relation to the invention of the fuel cell and the method of manufacturing the fuel cell is valid as long as the nature of the biosensor is not violated.

また、この発明は、
少なくとも一種の酵素が封入されたリポソームを用い、上記リポソームを構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合しているエネルギー変換素子である。
In addition, this invention
It is an energy conversion element using a liposome in which at least one enzyme is encapsulated, and an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol bound to a lipid bimolecular membrane constituting the liposome.

ここで、このエネルギー変換素子は、燃料または基質が持つ化学エネルギーを酵素反応により電気エネルギーに変換する素子であり、上記の燃料電池、すなわちバイオ燃料電池はこのエネルギー変換素子の一種である。   Here, this energy conversion element is an element that converts chemical energy of a fuel or a substrate into electric energy by an enzyme reaction, and the above-described fuel cell, that is, a biofuel cell is a kind of this energy conversion element.

このエネルギー変換素子の発明においては、その性質に反しない限り、上記の燃料電池および燃料電池の製造方法の発明に関連して説明したことが成立する。   In the invention of the energy conversion element, what has been described in relation to the invention of the fuel cell and the method of manufacturing the fuel cell is valid as long as it is not contrary to the nature thereof.

また、この発明は、
細胞膜を構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合している細胞である。
In addition, this invention
It is a cell in which an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol are bound to a lipid bimolecular membrane constituting the cell membrane.

また、この発明は、
細胞膜を構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合している細胞小器官である。
In addition, this invention
It is an organelle in which an antibiotic having a hole that allows glucose to permeate and a sterol are bound to a lipid bimolecular membrane constituting the cell membrane.

また、この発明は、
細胞膜を構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合している細菌である。
In addition, this invention
It is a bacterium in which an antibiotic and a sterol having a hole capable of permeating glucose are bound to a lipid bimolecular membrane constituting a cell membrane.

上記の細胞、細胞小器官および細菌は、グルコースなどの燃料または基質の代謝系を有するものである限り、特に限定されるものではなく、従来公知の各種のものを含む。必要に応じて、これらの細胞、細胞小器官および細菌の内部に、上記の燃料電池と同様に、グルコースなどの燃料または基質の分解などに必要な酵素あるいはさらに補酵素を封入してもよい。   The cells, organelles and bacteria are not particularly limited as long as they have a fuel or substrate metabolic system such as glucose, and include various conventionally known ones. If necessary, these cells, organelles, and bacteria may be encapsulated with an enzyme or further a coenzyme necessary for decomposing a fuel such as glucose or a substrate or the like, similar to the fuel cell described above.

上述のように構成されたこの発明においては、酵素反応に関与する少なくとも一種の酵素あるいはさらに少なくとも一種の補酵素を、高活性を保ったままリポソームに封入することができる。このリポソームを構成する脂質2分子膜に結合した抗生物質の穴からこのリポソームの内部にグルコースや有機酸などの燃料または基質を容易に透過させることができ、しかも、このリポソームを構成する脂質2分子膜に結合したステロールによりこの燃料の透過速度を制御することができる。そして、このリポソームの内部の微小な空間を反応場として効率的に酵素反応が行われ、グルコースなどの燃料または基質から効率的に電子を取り出すことができる。この場合、このリポソームの内部に封入された酵素および補酵素の濃度は極めて高く、従って酵素および補酵素の相互の間隔は極めて小さいため、これらの酵素および補酵素による触媒サイクルは極めて高速に進行し、酵素反応が高速に進行する。そして、このリポソームを負極または電極に固定化することにより、このリポソームの内部に封入された酵素あるいはさらに補酵素をこのリポソームを介して負極または電極に容易に固定化することができる。このため、グルコースなどの燃料または基質から取り出された電子を確実に負極または電極に受け渡すことができる。この場合、リポソームの固定は、酵素や補酵素をポリイオンコンプレックスなどにより固定化する場合に比べて簡単に行うことができる。   In the present invention configured as described above, at least one enzyme involved in an enzymatic reaction or at least one coenzyme can be encapsulated in liposomes while maintaining high activity. The liposome can be easily permeated with a fuel or a substrate such as glucose or organic acid from the hole of the antibiotic bound to the lipid bimolecular membrane constituting the liposome, and the lipid two molecules constituting the liposome. This fuel permeation rate can be controlled by the sterols attached to the membrane. Then, an enzymatic reaction is efficiently performed using the minute space inside the liposome as a reaction field, and electrons can be efficiently extracted from a fuel or a substrate such as glucose. In this case, the concentration of the enzyme and the coenzyme encapsulated inside the liposome is extremely high, and therefore the distance between the enzyme and the coenzyme is extremely small, so that the catalytic cycle of these enzymes and coenzyme proceeds very fast. The enzyme reaction proceeds at high speed. Then, by immobilizing the liposome on the negative electrode or electrode, the enzyme or further coenzyme enclosed in the liposome can be easily immobilized on the negative electrode or electrode via the liposome. For this reason, the electrons extracted from the fuel or substrate such as glucose can be reliably transferred to the negative electrode or the electrode. In this case, the liposome can be fixed more easily than when the enzyme or coenzyme is immobilized by a polyion complex or the like.

また、上記の細胞、細胞小器官および細菌においては、これらの細胞、細胞小器官および細菌の内部の微小な空間を反応場として効率的に酵素反応が行われ、グルコースや有機酸などの燃料または基質から効率的に電子を取り出すことができる。この場合、酵素反応は、これらの細胞、細胞小器官および細菌に備わっている代謝系により行われるが、これらの細胞、細胞小器官および細菌の内部に燃料または基質の分解などに必要な酵素あるいはさらに補酵素を封入する場合はこれらの酵素および補酵素により行うことができる。   In addition, in the cells, organelles and bacteria described above, an enzymatic reaction is efficiently carried out using a minute space inside these cells, organelles and bacteria as a reaction field, and fuel such as glucose and organic acids or Electrons can be efficiently extracted from the substrate. In this case, the enzymatic reaction is carried out by the metabolic system of these cells, organelles, and bacteria. However, the enzymes or enzymes necessary for decomposing fuel or substrates in these cells, organelles, and bacteria are not used. Furthermore, when encapsulating a coenzyme, these enzymes and coenzymes can be used.

この発明によれば、酵素あるいはさらに補酵素をリポソームの内部の微小な空間に閉じ込め、このリポソームの内部にグルコースや有機酸などの燃料を容易に透過させることができ、しかもこの燃料の透過速度を制御することができ、リポソームの内部の空間を反応場として酵素反応を行うことにより燃料から効率的に電子を取り出して電気エネルギーを発生させることができ、これらの酵素あるいはさらに補酵素の電極への固定化も容易な高効率の燃料電池を実現することができる。そして、このように高効率の燃料電池を用いることにより、高性能の電子機器などを実現することができる。また、同様に、高効率のバイオセンサーおよびエネルギー変換素子を実現することができる。
また、グルコースや有機酸などの燃料または基質から効率的に電子を取り出して電気エネルギーを発生させることができる細胞、細胞小器官および細菌を実現することができる。
According to the present invention, an enzyme or further a coenzyme can be confined in a minute space inside the liposome, and fuel such as glucose and organic acid can be easily permeated into the liposome, and the permeation rate of this fuel can be increased. Electrons can be efficiently extracted from the fuel by generating an enzymatic reaction using the internal space of the liposome as a reaction field, and electric energy can be generated. A highly efficient fuel cell that can be easily fixed can be realized. By using such a highly efficient fuel cell, a high-performance electronic device can be realized. Similarly, a highly efficient biosensor and energy conversion element can be realized.
In addition, cells, organelles, and bacteria that can efficiently extract electrons from a fuel or substrate such as glucose or an organic acid to generate electric energy can be realized.

この発明の第1の実施の形態による酵素固定化電極を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the enzyme fixed electrode by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の形態による酵素固定化電極において用いられる酵素および補酵素が封入されたリポソームを示す略線図である。It is a basic diagram which shows the liposome with which the enzyme and coenzyme which are used in the enzyme fixed electrode by 1st Embodiment of this invention were enclosed. この発明の第1の実施の形態による酵素固定化電極においてリポソームに封入された酵素群および補酵素による電子の受け渡し反応を模式的に示す略線図である。It is a basic diagram which shows typically the electron transfer reaction by the enzyme group enclosed by the liposome and the coenzyme in the enzyme fixed electrode by 1st Embodiment of this invention. リポソームに酵素群および補酵素を封入して酵素反応を行うことによる利点を説明するための略線図である。It is a basic diagram for demonstrating the advantage by enclosing an enzyme group and a coenzyme in a liposome, and performing an enzyme reaction. 蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびNADHを封入したリポソームの蛍光顕微鏡像を示す図面代用写真である。1 is a drawing-substituting photograph showing a fluorescence microscopic image of a liposome encapsulating fluorescently labeled alcohol dehydrogenase, fluorescently labeled diaphorase and NADH. 蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびNADHを封入したリポソームの蛍光顕微鏡像を示す図面代用写真である。1 is a drawing-substituting photograph showing a fluorescence microscopic image of a liposome encapsulating fluorescently labeled alcohol dehydrogenase, fluorescently labeled diaphorase and NADH. 蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびNADHを封入したリポソームの蛍光顕微鏡像を示す図面代用写真である。1 is a drawing-substituting photograph showing a fluorescence microscopic image of a liposome encapsulating fluorescently labeled alcohol dehydrogenase, fluorescently labeled diaphorase and NADH. 蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびNADHを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of having carried out the fluorescence monitoring of the liposome which enclosed fluorescent delabelled alcohol dehydrogenase, the fluorescent labeled diaphorase, and NADH. 蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびNADHを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of having carried out the fluorescence monitoring of the liposome which enclosed fluorescent delabelled alcohol dehydrogenase, the fluorescent labeled diaphorase, and NADH. 蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびNADHを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of having carried out the fluorescence monitoring of the liposome which enclosed fluorescent delabelled alcohol dehydrogenase, the fluorescent labeled diaphorase, and NADH. リポソームの安定性を説明するための略線図である。It is a basic diagram for demonstrating stability of a liposome. アルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびNADHを封入したリポソームを所定の溶液中に分散させた場合ならびにアルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびNADHを単に所定の溶液中に分散させた場合に行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。An abbreviation showing the results of chronoamperometry carried out when liposomes encapsulating alcohol dehydrogenase, diaphorase and NADH were dispersed in a predetermined solution and when alcohol dehydrogenase, diaphorase and NADH were simply dispersed in a predetermined solution. FIG. アルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびNADHを封入したリポソームを緩衝液中に分散させた状態を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the state which disperse | distributed the liposome which enclosed alcohol dehydrogenase, diaphorase, and NADH in the buffer solution. アルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびNADHを単に緩衝液中に分散させた状態を示す略線図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a state where alcohol dehydrogenase, diaphorase and NADH are simply dispersed in a buffer solution. グルコースデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびNADHを封入したリポソームを測定溶液中に分散させた場合に行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of the chronoamperometry performed when the liposome which enclosed glucose dehydrogenase, diaphorase, and NADH was disperse | distributed in the measurement solution. グルコースデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびNADHを封入したリポソームを測定溶液中に分散させた場合に行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of the chronoamperometry performed when the liposome which enclosed glucose dehydrogenase, diaphorase, and NADH was disperse | distributed in the measurement solution. この発明の実施例1において抗生物質として用いるアムホテリシンBの構造式を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the structural formula of amphotericin B used as an antibiotic in Example 1 of this invention. この発明の実施例1においてリポソームを構成する脂質2分子膜にアムホテリシンBが結合して穴が形成されている状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state by which amphotericin B couple | bonds with the lipid bilayer membrane which comprises a liposome in Example 1 of this invention, and the hole is formed. この発明の実施例1においてリポソームを構成する脂質2分子膜にアムホテリシンBが結合して穴が形成されている状態を示す平面図である。It is a top view which shows the state by which amphotericin B couple | bonds with the lipid bilayer membrane which comprises a liposome in Example 1 of this invention, and the hole is formed. 脂質2分子膜にアムホテリシンBを結合させたリポソームをイオン液体に浸漬して撮影した走査型電子顕微鏡像を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the scanning electron microscope image which image | photographed by immersing the liposome which couple | bonded amphotericin B to the lipid bilayer membrane in the ionic liquid. 脂質2分子膜にアムホテリシンBを結合させていないリポソームをイオン液体に浸漬して撮影した走査型電子顕微鏡像を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the scanning electron microscope image which image | photographed by immersing the liposome which has not couple | bonded the amphotericin B with the lipid bilayer membrane in the ionic liquid. この発明の実施例1においてグルコースデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびNADHを封入したリポソームを測定溶液中に分散させた場合に行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of the chronoamperometry performed when the liposome which enclosed glucose dehydrogenase, diaphorase, and NADH in Example 1 of this invention was disperse | distributed in the measurement solution. 実施例1との比較のために行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing the results of chronoamperometry performed for comparison with Example 1. 実施例1との比較のために行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing the results of chronoamperometry performed for comparison with Example 1. 電気化学分析に用いた電気化学測定装置を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the electrochemical measuring apparatus used for the electrochemical analysis. 電気化学分析の測定条件を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the measurement conditions of an electrochemical analysis. 電気化学分析の測定結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the measurement result of an electrochemical analysis. 脂質2分子膜の両側のイオン分布を示す略線図である。It is a basic diagram which shows ion distribution of the both sides of a lipid bilayer membrane. 脂質2分子膜の内外のイオン濃度を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the ion concentration inside and outside a lipid bimolecular membrane. 脂質2分子膜の内外のイオン濃度を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the ion concentration inside and outside a lipid bimolecular membrane. 電気化学分析の測定結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the measurement result of an electrochemical analysis. 各種の有機酸の拡散係数比と有機酸の分子量との関係を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the relationship between the diffusion coefficient ratio of various organic acids, and the molecular weight of an organic acid. コレステロールを用いた場合の電気化学分析の測定結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the measurement result of the electrochemical analysis at the time of using cholesterol. エルゴステロールを用いた場合の電気化学分析の測定結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the measurement result of the electrochemical analysis at the time of using ergosterol. コレステロールまたはエルゴステロールを用いた場合の各種の有機酸の拡散係数比と有機酸の分子量との関係を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the relationship between the diffusion coefficient ratio of various organic acids at the time of using cholesterol or ergosterol, and the molecular weight of an organic acid. 電気化学測定系を示す略線図である。It is a basic diagram which shows an electrochemical measurement system. 電気化学分析の測定結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the measurement result of an electrochemical analysis. エルゴステロールを用いた場合の利点を説明するための略線図である。It is a basic diagram for demonstrating the advantage at the time of using ergosterol. 電気化学分析の測定結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the measurement result of an electrochemical analysis. 電気化学分析の測定結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the measurement result of an electrochemical analysis. 電気化学分析の測定結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the measurement result of an electrochemical analysis. この発明の第2の実施の形態によるバイオ燃料電池を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the biofuel cell by the 2nd Embodiment of this invention. この発明の第2の実施の形態によるバイオ燃料電池の負極の構成の詳細ならびにこの負極に固定化されたリポソームに封入された酵素群および補酵素の一例およびこの酵素群および補酵素による電子の受け渡し反応を模式的に示す略線図である。Details of the configuration of the negative electrode of the biofuel cell according to the second embodiment of the present invention, an example of an enzyme group and a coenzyme encapsulated in a liposome immobilized on the negative electrode, and delivery of electrons by the enzyme group and the coenzyme It is a basic diagram which shows reaction typically. この発明の第2の実施の形態によるバイオ燃料電池の具体的な構成例を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the specific structural example of the biofuel cell by the 2nd Embodiment of this invention. この発明の第3の実施の形態によるバイオ燃料電池において負極の電極材料に用いる多孔体導電材料の構造を説明するための略線図および断面図である。It is the basic diagram and sectional drawing for demonstrating the structure of the porous electroconductive material used for the electrode material of a negative electrode in the biofuel cell by the 3rd Embodiment of this invention. この発明の第3の実施の形態によるバイオ燃料電池において負極の電極材料に用いる多孔体導電材料の製造方法を説明するための略線図である。It is a basic diagram for demonstrating the manufacturing method of the porous electroconductive material used for the electrode material of a negative electrode in the biofuel cell by the 3rd Embodiment of this invention. この発明の第4の実施の形態による細胞の要部を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the principal part of the cell by the 4th Embodiment of this invention. この発明の第5の実施の形態によるミトコンドリアを示す略線図である。It is a basic diagram which shows the mitochondria by 5th Embodiment of this invention. この発明の第6の実施の形態による細菌を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the bacteria by 6th Embodiment of this invention. この発明の第7の実施の形態によるバイオ燃料電池において負極の電極に用いる多孔質電極を示す斜視図および断面図である。It is the perspective view and sectional drawing which show the porous electrode used for the electrode of a negative electrode in the biofuel cell by the 7th Embodiment of this invention. この発明の第8の実施の形態による酵素固定化電極を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the enzyme fixed electrode by 8th Embodiment of this invention. この発明の実施例2においてクロノアンペロメトリー測定を行うために作製した試料を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the sample produced in order to perform a chronoamperometry measurement in Example 2 of this invention. この発明の実施例2との比較のために作製した第1の試料を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the 1st sample produced for the comparison with Example 2 of this invention. この発明の実施例2との比較のために作製した第2の試料を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the 2nd sample produced for the comparison with Example 2 of this invention. この発明の実施例2との比較のために作製した第3の試料を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the 3rd sample produced for the comparison with Example 2 of this invention. この発明の実施例2において行ったクロノアンペロメトリーの結果を比較例の結果とともに示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of the chronoamperometry performed in Example 2 of this invention with the result of a comparative example. この発明の第9の実施の形態による酵素固定化電極を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the enzyme fixed electrode by 9th Embodiment of this invention. 脂質2分子膜に対する種々の分子の透過性を示す略線図である。It is an approximate line figure showing permeability of various molecules to a lipid bimolecular membrane.

以下、発明を実施するための形態(以下「実施の形態」とする)について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態(酵素固定化電極およびその製造方法)
2.第2の実施の形態(バイオ燃料電池)
3.第3の実施の形態(バイオ燃料電池)
4.第4の実施の形態(細胞)
5.第5の実施の形態(ミトコンドリア)
6.第6の実施の形態(細菌)
7.第7の実施の形態(バイオ燃料電池)
8.第8の実施の形態(酵素固定化電極およびその製造方法)
9.第9の実施の形態(酵素固定化電極およびその製造方法)
Hereinafter, modes for carrying out the invention (hereinafter referred to as “embodiments”) will be described. The description will be given in the following order.
1. 1st Embodiment (Enzyme fixed electrode and its manufacturing method)
2. Second embodiment (biofuel cell)
3. Third embodiment (biofuel cell)
4). Fourth embodiment (cell)
5. Fifth embodiment (mitochondrion)
6). Sixth embodiment (bacteria)
7). Seventh embodiment (biofuel cell)
8). Eighth embodiment (enzyme-immobilized electrode and manufacturing method thereof)
9. Ninth embodiment (enzyme-immobilized electrode and manufacturing method thereof)

〈1.第1の実施の形態〉
[酵素固定化電極]
図1はこの発明の第1の実施の形態による酵素固定化電極を示す。この酵素固定化電極においては、基質としてグルコースや有機酸などを用いる。
<1. First Embodiment>
[Enzyme immobilized electrode]
FIG. 1 shows an enzyme-immobilized electrode according to a first embodiment of the present invention. In this enzyme-immobilized electrode, glucose, organic acid, or the like is used as a substrate.

図1に示すように、この酵素固定化電極においては、多孔質カーボンなどからなる電極11の表面にリン脂質などの脂質2分子膜からなるリポソーム12が物理吸着などにより固定化されている。このリポソーム12の内部の水相に、目的とする酵素反応に関与する少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素が封入される。   As shown in FIG. 1, in this enzyme-immobilized electrode, liposomes 12 made of a lipid bimolecular film such as phospholipid are immobilized on the surface of an electrode 11 made of porous carbon or the like by physical adsorption or the like. At least one type of enzyme and at least one type of coenzyme involved in the target enzyme reaction are encapsulated in the aqueous phase inside the liposome 12.

図2にこのリポソーム12の構造の詳細を示す。図2においては、リポソーム12の内部の水相12aに二種類の酵素13、14および一種類の補酵素15が封入されている。このリポソーム12の内部の水相12aには、これらの酵素13、14および補酵素15以外に、例えば電子メディエーターを封入してもよい。この電子メディエーターは、リポソーム12とともに電極11上に固定化してもよい。例えば、酵素13は基質として用いられるグルコースの酸化を促進し分解する酸化酵素、酵素14はこのグルコースの酸化に伴って還元された補酵素15を酸化体に戻すとともに電子メディエーターを介して電子を電極11に渡す補酵素酸化酵素である。   FIG. 2 shows details of the structure of the liposome 12. In FIG. 2, two types of enzymes 13 and 14 and one type of coenzyme 15 are enclosed in the aqueous phase 12 a inside the liposome 12. In addition to these enzymes 13 and 14 and coenzyme 15, for example, an electron mediator may be enclosed in the aqueous phase 12 a inside the liposome 12. This electron mediator may be immobilized on the electrode 11 together with the liposome 12. For example, the enzyme 13 is an oxidase that promotes and decomposes the oxidation of glucose used as a substrate, and the enzyme 14 returns the coenzyme 15 that has been reduced along with the oxidation of glucose to an oxidant, and an electron via an electron mediator. 11 is a coenzyme oxidase to be passed to

図2に示すように、リポソーム12を構成する脂質2分子膜に一つまたは複数の抗生物質16が結合しており、この抗生物質16により縁取られる形でこの脂質2分子膜を貫通する穴17が形成されている。図2においては一つの穴17だけが示されているが、この穴17の数および配置は任意である。この穴17の大きさは、グルコースの透過は可能であるが、リポソーム12の内部に封入された酵素13、14および補酵素15の透過は不可能あるいは困難な大きさに選ばれる。   As shown in FIG. 2, one or a plurality of antibiotics 16 are bonded to the lipid bilayer membrane constituting the liposome 12, and a hole 17 penetrating the lipid bilayer membrane in a form bordered by the antibiotic 16. Is formed. Although only one hole 17 is shown in FIG. 2, the number and arrangement of the holes 17 are arbitrary. The size of the hole 17 is selected so that glucose can be permeated but the permeation of the enzymes 13 and 14 and the coenzyme 15 enclosed in the liposome 12 is impossible or difficult.

抗生物質16としては、例えば、ポリエン系抗生物質であるアムホテリシン(Amphotericin)Bのほか、イオノホア(ionophore)などを用いることができるが、これに限定されるものではない。イオノホアは、例えば、バリノマイシン、イオノマイシン、ナイジェリシン、グラミシジンA、モネンシン、カルボニルシアニド−m−クロロフェニルヒドラゾン、カルボニルシアニド−p−フルオロメトキシフェニルヒドラゾンなどである。   As the antibiotic 16, for example, amphotericin B which is a polyene antibiotic, ionophore and the like can be used, but the antibiotic 16 is not limited thereto. Examples of the ionophore include valinomycin, ionomycin, nigericin, gramicidin A, monensin, carbonyl cyanide-m-chlorophenylhydrazone, carbonylcyanide-p-fluoromethoxyphenylhydrazone, and the like.

リポソーム12を構成する脂質2分子膜には、抗生物質16に加えて、一つまたは複数のステロール18が結合している。図2においては五つのステロール18が示されているが、このステロール18の数および配置は任意であり、必要に応じて選ばれる。好適には、リポソーム12を構成する脂質2分子膜に対するステロール18の重量比は1/4以上1/3以下の範囲に選ばれる。   In addition to the antibiotic 16, one or more sterols 18 are bound to the lipid bilayer membrane constituting the liposome 12. Although five sterols 18 are shown in FIG. 2, the number and arrangement of the sterols 18 are arbitrary and are selected as necessary. Preferably, the weight ratio of the sterol 18 to the lipid bilayer membrane constituting the liposome 12 is selected in the range from 1/4 to 1/3.

ステロール18の具体例を挙げると、コレステロール

Figure 2012146460
やエルゴステロール
Figure 2012146460
などである。 Specific examples of sterol 18 include cholesterol
Figure 2012146460
Or ergosterol
Figure 2012146460
Etc.

[酵素固定化電極の製造方法]
この酵素固定化電極は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、酵素13、14および補酵素15が封入されたリポソーム12を作製する。次に、このリポソーム12を構成する脂質2分子膜に抗生物質16を結合させて穴17を形成するとともに、この脂質2分子膜にステロール18を結合させる。次に、こうして抗生物質16およびステロール18を結合させたリポソーム12を電極11上に固定化する。これによって、酵素固定化電極が製造される。酵素13、14および補酵素15を封入する前のリポソーム12を構成する脂質2分子膜に抗生物質16およびステロール18を結合させるようにしてもよい。また、リポソーム12を電極11上に固定化してからこのリポソーム12を構成する脂質2分子膜に抗生物質16およびステロール18を結合させてもよい。
[Method for producing enzyme-immobilized electrode]
This enzyme-immobilized electrode can be produced, for example, as follows. First, the liposome 12 in which the enzymes 13 and 14 and the coenzyme 15 are encapsulated is prepared. Next, an antibiotic 16 is bound to the lipid bilayer membrane constituting the liposome 12 to form a hole 17, and a sterol 18 is bound to the lipid bilayer membrane. Next, the liposome 12 to which the antibiotic 16 and the sterol 18 are bound in this way is immobilized on the electrode 11. As a result, an enzyme-immobilized electrode is produced. Antibiotic 16 and sterol 18 may be bound to the lipid bilayer membrane constituting liposome 12 before encapsulating enzymes 13 and 14 and coenzyme 15. Alternatively, after the liposome 12 is immobilized on the electrode 11, the antibiotic 16 and the sterol 18 may be bound to the lipid bilayer membrane constituting the liposome 12.

より具体的には、酵素固定化電極は、例えば、次のようにして製造される。まず、酵素13を含む緩衝液、酵素14を含む緩衝液、補酵素15を含む緩衝液およびステロール18が結合しているリポソーム12(内部に酵素13、14および補酵素15が封入されていないもの)を含む緩衝液をそれぞれ作製する。次に、これらの緩衝液を混合した後、この混合溶液をゲルろ過カラムに通したりすることなどによりリポソーム12外の酵素13、14および補酵素15を除去する。次に、こうして内部に酵素13、14および補酵素15が封入されたリポソーム12を緩衝液中に置き、この緩衝液中に抗生物質16を添加してリポソーム12を構成する脂質2分子膜に抗生物質16を結合させて穴17を形成する。   More specifically, the enzyme-immobilized electrode is manufactured as follows, for example. First, a buffer solution containing the enzyme 13, a buffer solution containing the enzyme 14, a buffer solution containing the coenzyme 15 and the liposome 12 to which the sterol 18 is bound (in which the enzymes 13, 14 and the coenzyme 15 are not enclosed) ) Are prepared. Next, after mixing these buffers, the enzymes 13 and 14 and the coenzyme 15 outside the liposome 12 are removed by, for example, passing the mixed solution through a gel filtration column. Next, the liposome 12 in which the enzymes 13 and 14 and the coenzyme 15 are encapsulated in this way is placed in a buffer solution, and an antibiotic 16 is added to the buffer solution so that the lipid bilayer membrane constituting the liposome 12 has antibiotics. The substance 16 is bonded to form the hole 17.

図3にこの酵素固定化電極における酵素、補酵素および電子メディエーターによる電子の受け渡し反応の一例を模式的に示す。この例では、グルコースの分解に関与する酵素がグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)である。また、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素がNAD+ である。また、補酵素の還元体であるNADHを酸化する補酵素酸化酵素がジアホラーゼ(DI)である。そして、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を電子メディエーターが受け取って電極11に渡すようになっている。この場合、グルコースは、リポソーム12を構成する脂質2分子膜に形成された穴17を透過してリポソーム12の内部に入り、グルコースデヒドロゲナーゼによるこのグルコースの分解によりグルコノラクトンが生成され、このグルコノラクトンが穴17を透過してリポソーム12の外部に出る。電子メディエーターは、リポソーム12を構成する脂質2分子膜を出入りして電子伝達を行う。 FIG. 3 schematically shows an example of an electron transfer reaction by an enzyme, a coenzyme, and an electron mediator in the enzyme-immobilized electrode. In this example, the enzyme involved in glucose degradation is glucose dehydrogenase (GDH). In addition, NAD + is a coenzyme that produces a reductant with an oxidation reaction in the glucose decomposition process. A coenzyme oxidase that oxidizes NADH, which is a reduced form of the coenzyme, is diaphorase (DI). An electron mediator receives electrons generated from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes them to the electrode 11. In this case, glucose permeates through the holes 17 formed in the lipid bilayer membrane constituting the liposome 12 and enters the inside of the liposome 12, and gluconolactone is produced by the decomposition of the glucose by glucose dehydrogenase. The lactone passes through the hole 17 and comes out of the liposome 12. The electron mediator enters and exits the lipid bilayer membrane constituting the liposome 12 and performs electron transfer.

実施例について説明する前に、酵素反応の反応場として酵素および補酵素を封入したリポソームを用いることの有効性について詳細に検討を行った結果について説明する(特許文献13参照。)。ただし、ここでは、リポソームとして脂質2分子膜にグルコースの透過が可能な穴が形成されていないものを用い、酵素反応の基質としてエチルアルコールを用いる場合を考える。   Before describing the examples, the results of detailed studies on the effectiveness of using liposomes encapsulating an enzyme and a coenzyme as a reaction field for an enzyme reaction will be described (see Patent Document 13). However, here, a case where a liposome in which a hole capable of permeating glucose is not formed is used as a liposome and ethyl alcohol is used as a substrate for an enzyme reaction is considered.

図4に示すように、電極19に、脂質2分子膜にグルコースの透過が可能な穴が形成されていないリポソーム20の内部にエチルアルコール(EtOH)の分解に関与する酵素および補酵素が封入されたものを固定化した酵素固定化電極を作製した。電極19としては電極11と同様なものを用いた。図4にこの酵素固定化電極における酵素、補酵素および電子メディエーターによる電子の受け渡し反応の一例を模式的に示す。この例では、エチルアルコール(EtOH)の分解に関与する酵素がアルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)である。また、エチルアルコールの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素がNAD+ である。また、補酵素の還元体であるNADHを酸化する補酵素酸化酵素がジアホラーゼ(DI)である。そして、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を電子メディエーターが受け取って電極19に渡す。この場合、エチルアルコールは、リポソーム20を構成する脂質2分子膜を透過してリポソーム20の内部に入り、アルコールデヒドロゲナーゼによるこのエチルアルコールの分解によりアセトアルデヒド(CH3 CHO)が生成され、このアセトアルデヒドがリポソーム20の外部に出る。電子メディエーターは、リポソーム20を構成する脂質2分子膜を出入りして電子伝達を行う。 As shown in FIG. 4, an enzyme and a coenzyme involved in the decomposition of ethyl alcohol (EtOH) are encapsulated in the electrode 19 in the liposome 20 in which a hole capable of permeating glucose is not formed in the lipid bilayer membrane. An enzyme-immobilized electrode was prepared by immobilizing the sample. The electrode 19 was the same as the electrode 11. FIG. 4 schematically shows an example of an electron transfer reaction by an enzyme, a coenzyme, and an electron mediator in the enzyme-immobilized electrode. In this example, the enzyme involved in the decomposition of ethyl alcohol (EtOH) is alcohol dehydrogenase (ADH). Further, NAD + is a coenzyme that generates a reductant with an oxidation reaction in the decomposition process of ethyl alcohol. A coenzyme oxidase that oxidizes NADH, which is a reduced form of the coenzyme, is diaphorase (DI). Then, the electron mediator receives electrons generated from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes them to the electrode 19. In this case, ethyl alcohol permeates the lipid bimolecular membrane constituting the liposome 20 and enters the inside of the liposome 20, and acetaldehyde (CH 3 CHO) is generated by the decomposition of the ethyl alcohol by alcohol dehydrogenase. Go outside 20 The electron mediator enters and exits the lipid bilayer membrane constituting the liposome 20 and performs electron transfer.

この図4に示す酵素固定化電極を実際に作製して実験を行った。
まず、次のようにして酵素固定化電極を作製した。
ジアホラーゼ(DI)(EC 1.8.1.4、天野エンザイム製)を5mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)1mLに溶解させ、DI酵素緩衝溶液(1)とした。
The enzyme-immobilized electrode shown in FIG. 4 was actually produced and tested.
First, an enzyme-immobilized electrode was produced as follows.
5 mg of diaphorase (DI) (EC 1.8.1.4, manufactured by Amano Enzyme) was weighed and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to obtain a DI enzyme buffer solution (1).

アルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)(NAD依存型、EC 1.1.1.1、天野エンザイム製)を5mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)1mLに溶解させ、ADH酵素緩衝溶液(2)とした。   5 mg of alcohol dehydrogenase (ADH) (NAD-dependent, EC 1.1.1.1, manufactured by Amano Enzyme) was weighed and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7). ).

上記の酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ冷蔵保存しておくことが好ましい。   The buffer solution for dissolving the enzyme is preferably refrigerated until just before, and the enzyme buffer solution is preferably stored as refrigerated as much as possible.

NADH(シグマアルドリッチ製、N−8129)を35mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)1mLに溶解させ、NADH緩衝溶液(3)とした。   35 mg of NADH (manufactured by Sigma Aldrich, N-8129) was weighed and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to obtain a NADH buffer solution (3).

2,3−ジメトキシ−5−メチル−1,4−ベンゾキノン(Q0)を15〜300mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)1mLに溶解させ、Q0緩衝溶液(4)とした。   15-300 mg of 2,3-dimethoxy-5-methyl-1,4-benzoquinone (Q0) was weighed and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to obtain a Q0 buffer solution (4).

卵黄レシチン(Wako製)を100mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)10mLに溶解させてホモジナイザーで均一化し、リポソーム緩衝溶液(5)とした。   100 mg of egg yolk lecithin (manufactured by Wako) was weighed and dissolved in 10 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) and homogenized with a homogenizer to obtain a liposome buffer solution (5).

上記のようにして作製した各種の溶液を、下記に示す量ずつ採取して混合し、凍結融解を3度繰り返した。
DI酵素緩衝溶液(1):50μL
ADH酵素緩衝溶液(2):50μL
NADH緩衝溶液(3):50μL
リポソーム緩衝溶液(5):50μL
The various solutions prepared as described above were collected and mixed in the amounts shown below, and freeze-thaw was repeated three times.
DI enzyme buffer solution (1): 50 μL
ADH enzyme buffer solution (2): 50 μL
NADH buffer solution (3): 50 μL
Liposome buffer solution (5): 50 μL

上記の混合溶液をゲルろ過カラムに通し、リポソーム外の酵素およびNADHを除去する。ここで得たリポソーム溶液をADH、DI、NADH封入リポソーム溶液(6)とした。   The mixed solution is passed through a gel filtration column to remove extraliposomal enzymes and NADH. The liposome solution obtained here was used as an ADH, DI, NADH-encapsulated liposome solution (6).

図5、図6および図7は、シアニン色素Cy2で蛍光ラベル化したADH、シアニン色素Cy3で蛍光ラベル化したDIおよびNADHを封入したリポソームの蛍光顕微鏡写真である。図5、図6および図7において、Ex(Excitation) は励起光を示し、Exの右に記載されている波長を有し、DM(Dichroic mirror)は励起光と蛍光を分離するミラーを示し、DMの右に記載されている波長以上の光のみを透過し、BA(Barrier filter)
は蛍光と散乱光を分離するフィルターを示し、BAの右に記載されている波長以上の光を透過する。この蛍光顕微鏡では、励起光により色素を励起し、それによって得られる光をDMおよびBAに順次通して不要な光を除去し、色素からの蛍光のみを検出する。図5は波長450〜490nmの励起光でCy2を励起して蛍光を発生させたものでADHの分布を示す。図6は波長510〜560nmの励起光でCy3を励起して蛍光を発生させたものでDIの分布を示す。図7は波長380〜420nmの励起光でNADHを励起して蛍光を発生させたものでNADHの分布を示す。
5, 6 and 7 are fluorescence micrographs of liposomes encapsulating ADH fluorescently labeled with the cyanine dye Cy2 and DI and NADH fluorescently labeled with the cyanine dye Cy3. 5, 6, and 7, Ex (Excitation) indicates excitation light, has a wavelength described on the right of Ex, DM (Dichroic mirror) indicates a mirror that separates excitation light and fluorescence, Transmits only light above the wavelength indicated on the right side of DM, BA (Barrier filter)
Indicates a filter that separates fluorescence and scattered light, and transmits light having a wavelength longer than that indicated on the right side of BA. In this fluorescence microscope, the dye is excited by excitation light, and light obtained thereby is sequentially passed through DM and BA to remove unnecessary light, and only the fluorescence from the dye is detected. FIG. 5 shows the ADH distribution in which fluorescence is generated by exciting Cy2 with excitation light having a wavelength of 450 to 490 nm. FIG. 6 shows the distribution of DI in which fluorescence is generated by exciting Cy3 with excitation light having a wavelength of 510 to 560 nm. FIG. 7 shows NADH distribution in which NADH is excited by excitation light having a wavelength of 380 to 420 nm to generate fluorescence.

図5、図6および図7より、リポソームの直径は平均4.6μm、標準偏差は2.0μmであった。ただし、リポソームの平均直径は、図5、図6および図7中の30個のリポソームの直径を測定し、それらの平均を取ることにより求めた。   From FIG. 5, FIG. 6, and FIG. 7, the average diameter of the liposomes was 4.6 μm, and the standard deviation was 2.0 μm. However, the average diameter of the liposome was determined by measuring the diameters of 30 liposomes in FIGS. 5, 6 and 7 and taking the average of them.

図8、図9および図10は、Cy2で蛍光ラベル化したADH、Cy3で蛍光ラベル化したDIおよびNADHを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示すグラフである。図8はCy2で蛍光ラベル化したADHからの蛍光強度、図9はCy3で蛍光ラベル化したDIからの蛍光強度、図10はNADHからの蛍光強度を示す。図8、図9および図10において、Em(Emission)は励起光Exにより色素を励起した時に放出される光を示し、Emの右に記載されている波長を有し、Exの波長およびEmの波長の右の括弧内の数値は半値幅である。図8、図9および図10から分かるように、いずれの場合も、エチルアルコール濃度100mMまで蛍光強度は変化しなかった。つまり、少なくともエチルアルコール濃度100mMまではリポソームは安定で、リポソーム内部にADH、DIおよびNADHが確実に封入されていることが分かった。また、界面活性剤である0.3%TritonXを添加したところ、蛍光強度が増加した。これは、0.3%TritonXによりリポソームが破壊され、内部のADH、DIおよびNADHがリポソーム外に放出され、蛍光強度が増加したことを意味する。この時の様子をNADHを例に取って図11に示す。図11に示すように、リポソームの内部にNADHが封入されていた状態ではNADHによる蛍光強度は低いが、リポソームが破壊され、内部に封入されていたNADHがリポソームの外部に放出されるとNADHによる蛍光強度が増加する。   8, 9 and 10 are graphs showing the results of fluorescence monitoring of liposomes encapsulating ADH fluorescently labeled with Cy2 and DI and NADH fluorescently labeled with Cy3. FIG. 8 shows the fluorescence intensity from ADH fluorescently labeled with Cy2, FIG. 9 shows the fluorescence intensity from DI fluorescently labeled with Cy3, and FIG. 10 shows the fluorescence intensity from NADH. 8, 9, and 10, Em (Emission) indicates the light emitted when the dye is excited by the excitation light Ex, and has the wavelength described on the right side of Em. The numerical value in the parenthesis on the right side of the wavelength is the full width at half maximum. As can be seen from FIGS. 8, 9 and 10, in any case, the fluorescence intensity did not change up to an ethyl alcohol concentration of 100 mM. That is, it was found that the liposome was stable at least up to an ethyl alcohol concentration of 100 mM, and ADH, DI, and NADH were reliably encapsulated inside the liposome. Further, when 0.3% Triton X as a surfactant was added, the fluorescence intensity increased. This means that the liposome was destroyed by 0.3% Triton X, and internal ADH, DI, and NADH were released outside the liposome, and the fluorescence intensity increased. The state at this time is shown in FIG. 11 taking NADH as an example. As shown in FIG. 11, the fluorescence intensity due to NADH is low when NADH is encapsulated inside the liposome, but when NADH is destroyed and the NADH encapsulated inside is released to the outside of the liposome, it is caused by NADH. The fluorescence intensity increases.

こうして得たADH、DIおよびNADH封入リポソーム溶液(6)とQ0緩衝溶液(4)とを混合して総体積100μLの測定溶液を作製し、カーボンフェルトを作用電極とし、参照電極Ag|AgClに対して、0.3Vと電子メディエーターの酸化還元電位より十分高い電位に設定し、溶液攪拌下においてクロノアンペロメトリーを行った。クロノアンペロメトリー中に測定溶液に、エチルアルコールが終濃度1、10、100mMとなるよう添加したものを順次添加した。   The ADH, DI and NADH encapsulated liposome solution (6) thus obtained and the Q0 buffer solution (4) were mixed to prepare a measurement solution having a total volume of 100 μL. The carbon felt was used as the working electrode, and the reference electrode Ag | AgCl Thus, 0.3 V was set to a potential sufficiently higher than the oxidation-reduction potential of the electron mediator, and chronoamperometry was performed while stirring the solution. During chronoamperometry, ethyl alcohol was added to the measurement solution in such a way that final concentrations of 1, 10, and 100 mM were added.

ADH、DIおよびNADH封入リポソームを含む上記測定溶液に上述のようにしてエチルアルコールを添加した際のクロノアンペロメトリーの結果を図12の曲線(a)に示す。この曲線(a)から明らかなように、ADH、DIおよびNADHをリポソームに封入した場合にはエチルアルコール由来の触媒電流が観察され、エチルアルコールの濃度が高くなるに従って触媒電流は増加する。すなわち、人工細胞であるADH、DIおよびNADH封入リポソームによる電気化学的触媒活性が観察された。一方、ADH、DIおよびNADHをリポソームに封入した場合と同量のADH、DIおよびNADHをリポソームに封入せず、単にQ0緩衝溶液(4)中に分散させた場合について、上記と同様にしてクロノアンペロメトリーを行った。その結果を図12の曲線(b)に示す。この曲線(b)から明らかなように、ADH、DIおよびNADHをリポソームに封入せず、単にQ0緩衝溶液(4)中に分散させた場合にはエチルアルコール由来の触媒電流はほとんど観測されない。例えば、エチルアルコールの濃度が100mMの場合で比較すると、ADH、DIおよびNADHをリポソームに封入せず、単にQ0緩衝溶液(4)中に分散させた場合に得られる触媒電流は、ADH、DIおよびNADHをリポソームに封入した場合に得られる触媒電流の約30分の1程度に過ぎない。このことから、ADH、DIおよびNADHをリポソームに封入した場合には、封入しない場合に比べてはるかに高い触媒電流を得ることができることが明らかである。   The results of chronoamperometry when ethyl alcohol is added to the measurement solution containing ADH, DI, and NADH-encapsulated liposomes as described above are shown in curve (a) of FIG. As is apparent from this curve (a), when ADH, DI and NADH are encapsulated in liposomes, a catalyst current derived from ethyl alcohol is observed, and the catalyst current increases as the concentration of ethyl alcohol increases. That is, the electrochemical catalytic activity by the artificial cells ADH, DI and NADH encapsulated liposomes was observed. On the other hand, the same amount of ADH, DI and NADH as encapsulated in liposomes but not encapsulated in liposomes but simply dispersed in Q0 buffer solution (4) was treated in the same manner as described above. Amperometry was performed. The result is shown in the curve (b) of FIG. As is clear from this curve (b), when ADH, DI and NADH are not encapsulated in the liposome and are simply dispersed in the Q0 buffer solution (4), a catalyst current derived from ethyl alcohol is hardly observed. For example, when compared with the case where the concentration of ethyl alcohol is 100 mM, the catalyst current obtained when ADH, DI and NADH are not encapsulated in liposomes but simply dispersed in the Q0 buffer solution (4) is ADH, DI and This is only about 1 / 30th of the catalyst current obtained when NADH is encapsulated in liposomes. From this, it is clear that when ADH, DI, and NADH are encapsulated in liposomes, a much higher catalyst current can be obtained than when they are not encapsulated.

このように、ADH、DIおよびNADHをリポソームに封入した場合には、封入しない場合に比べてはるかに高い触媒電流が得られる理由について説明する。図13に示すように、リポソーム20内にADH(横線を施した○で示す)、DI(縦線を施した○で示す)およびNADH(空白の○で示す)を封入したものが緩衝液S中に正方格子状に配列している場合を考える。一方、図14に示すように、図13に示すものと同じ体積の緩衝液S中に、図13に示すものと同じ量のADH(横線を施した○で示す)、DI(縦線を施した○で示す)およびNADH(空白の○で示す)が六方格子状に配列している場合を考える。緩衝液Sの体積は例えば100μL、リポソーム20の内部の体積は例えば約0.17μLである。ただし、リポソーム20の脂質2分子膜を構成するリン脂質は緩衝液S中に5.5×10-3μmol存在し、リポソーム20の内部の体積の合計はリポソーム1μmol当たりに換算すると30μL/μmolである。図14に示すようにADH、DIおよびNADHが緩衝液S中に単に分散されている場合におけるADH、DIおよびNADHの濃度に比べて、図13に示すようにリポソーム20内にADH、DIおよびNADHが封入されている場合におけるこれらのADH、DIおよびNADHの局所的な濃度は約600倍も高い。すなわち、リポソーム20内にADH、DIおよびNADHを封入することにより、これらのADH、DIおよびNADHの濃度を著しく高くすることができ、これらのADH、DIおよびNADHの相互の間隔を極めて小さくすることができる。このため、リポソーム20内では、ADH、DIおよびNADHによる触媒サイクルが極めて高速に進行し、図12に示すような結果が得られる。 Thus, the reason why a much higher catalyst current is obtained when ADH, DI, and NADH are encapsulated in liposomes than when they are not encapsulated will be described. As shown in FIG. 13, the liposome 20 encapsulates ADH (indicated by a circle with a horizontal line), DI (indicated by a vertical line with a circle), and NADH (indicated by a blank circle). Consider a case in which a square lattice is arranged inside. On the other hand, as shown in FIG. 14, in the same volume of buffer S as shown in FIG. 13, the same amount of ADH (shown as a circle with a horizontal line) and DI (shown with a vertical line) as shown in FIG. Let us consider a case in which NADH (indicated by blank circles) and NADH (indicated by blank circles) are arranged in a hexagonal lattice pattern. The volume of the buffer S is, for example, 100 μL, and the internal volume of the liposome 20 is, for example, about 0.17 μL. However, 5.5 × 10 −3 μmol of phospholipid constituting the lipid bilayer membrane of liposome 20 is present in buffer S, and the total volume inside liposome 20 is 30 μL / μmol when converted per 1 μmol of liposome. is there. Compared to the concentrations of ADH, DI, and NADH when ADH, DI, and NADH are simply dispersed in buffer S as shown in FIG. 14, ADH, DI, and NADH are present in liposome 20 as shown in FIG. These local concentrations of ADH, DI, and NADH when encapsulated are about 600 times higher. That is, by encapsulating ADH, DI, and NADH in the liposome 20, the concentration of these ADH, DI, and NADH can be remarkably increased, and the distance between these ADH, DI, and NADH can be made extremely small. Can do. For this reason, in the liposome 20, the catalytic cycle by ADH, DI, and NADH advances very rapidly, and a result as shown in FIG. 12 is obtained.

以上のことから、リポソーム12の内部に酵素反応に必要な酵素13、14および補酵素15を封入することにより、酵素反応をリポソーム12の内部の微小な空間を反応場として効率的に行うことができ、基質から効率的に電子を取り出すことができることが分かる。   From the above, by encapsulating the enzymes 13 and 14 and the coenzyme 15 necessary for the enzyme reaction inside the liposome 12, the enzyme reaction can be efficiently performed using the minute space inside the liposome 12 as a reaction field. It can be seen that electrons can be efficiently extracted from the substrate.

次に、リポソーム12を構成する脂質2分子膜に抗生物質16を結合させることの有効性について詳細に検討を行った結果について説明する。抗生物質16としてはアムホテリシンBを用いた。   Next, the results of detailed studies on the effectiveness of binding the antibiotic 16 to the lipid bilayer membrane constituting the liposome 12 will be described. Amphotericin B was used as antibiotic 16.

次のようにして酵素固定化電極を作製した。
ジアホラーゼ(DI)(EC 1.8.1.4、天野エンザイム製)を1〜10mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)1mLに溶解させ、DI酵素緩衝溶液(11)とした。
An enzyme-immobilized electrode was produced as follows.
1 to 10 mg of diaphorase (DI) (EC 1.8.1.4, manufactured by Amano Enzyme) was weighed and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to obtain a DI enzyme buffer solution (11). .

グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)(NAD依存型、EC 1.1.1.47、天野エンザイム製)を10〜50mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)1mLに溶解させ、GDH酵素緩衝溶液(12)とした。   Glucose dehydrogenase (GDH) (NAD-dependent, EC 1.1.1.17, manufactured by Amano Enzyme) was weighed 10 to 50 mg, dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7), and GDH enzyme buffer solution (12).

上記の酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ冷蔵保存しておくことが好ましい。   The buffer solution for dissolving the enzyme is preferably refrigerated until just before, and the enzyme buffer solution is preferably stored as refrigerated as much as possible.

NADH(シグマアルドリッチ製、N−8129)を10〜50mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)1mLに溶解させ、NADH緩衝溶液(13)とした。   10 to 50 mg of NADH (manufactured by Sigma Aldrich, N-8129) was weighed and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to obtain a NADH buffer solution (13).

2,3−ジメトキシ−5−メチル−1,4−ベンゾキノン(Q0)を100〜200mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)1mLに溶解させ、Q0緩衝溶液(14)とした。   100-200 mg of 2,3-dimethoxy-5-methyl-1,4-benzoquinone (Q0) was weighed and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to obtain a Q0 buffer solution (14).

卵黄レシチン(Wako製)を10〜100mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)10mLに溶解させてホモジナイザーで均一化し、リポソーム緩衝溶液(15)とした。   10 to 100 mg of egg yolk lecithin (manufactured by Wako) was weighed and dissolved in 10 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) and homogenized with a homogenizer to obtain a liposome buffer solution (15).

上記のようにして作製した各種の溶液を、下記に示す量ずつ採取して混合し、凍結融解を3度繰り返した。   The various solutions prepared as described above were collected and mixed in the amounts shown below, and freeze-thaw was repeated three times.

DI酵素緩衝溶液(11):50μL
GDH酵素緩衝溶液(12):50μL
NADH緩衝溶液(13):50μL
リポソーム緩衝溶液(15):50μL
DI enzyme buffer solution (11): 50 μL
GDH enzyme buffer solution (12): 50 μL
NADH buffer solution (13): 50 μL
Liposome buffer solution (15): 50 μL

上記の混合溶液をゲルろ過カラムに通し、リポソーム外の酵素およびNADHを除去する。ここで得たリポソーム溶液をGDH、DI、NADH封入リポソーム溶液(16)とした。   The mixed solution is passed through a gel filtration column to remove extraliposomal enzymes and NADH. The liposome solution obtained here was used as a GDH, DI, NADH-encapsulated liposome solution (16).

こうして得たGDH、DIおよびNADH封入リポソーム溶液(16)とQ0緩衝溶液(14)とを混合して総体積100μLの測定溶液を作製した。そして、作用電極としてカーボンフェルト、参照電極としてAg|AgCl、対極として白金ワイヤーを用い、電位をAg|AgClに対して+0.1Vに設定し、グルコースを燃料として、溶液攪拌下においてクロノアンペロメトリーを行った。クロノアンペロメトリーの結果を図15に示す。   The GDH, DI and NADH encapsulated liposome solution (16) thus obtained and the Q0 buffer solution (14) were mixed to prepare a measurement solution having a total volume of 100 μL. Then, carbon felt is used as the working electrode, Ag | AgCl as the reference electrode, platinum wire as the counter electrode, the potential is set to +0.1 V with respect to Ag | AgCl, glucose is used as fuel, and chronoamperometry is performed under solution stirring. Went. The results of chronoamperometry are shown in FIG.

図15に示すように、まず、クロノアンペロメトリー中に測定溶液に、終濃度100mMとなるようにグルコースを添加した時には、反応はほとんど起こらず、得られる電流値はほとんど変化しなかった。これは、リポソームを構成する脂質2分子膜をグルコースが透過する速度が著しく小さく、実質的に透過しないことに起因するものである。   As shown in FIG. 15, first, when glucose was added to the measurement solution so as to have a final concentration of 100 mM during chronoamperometry, the reaction hardly occurred and the obtained current value hardly changed. This is because glucose has a remarkably low rate of permeation through the lipid bilayer membrane constituting the liposome and does not substantially permeate.

次に、測定溶液に、終濃度100μMとなるように抗生物質16としてアムホテリシンB(AmB)を添加した。すると、グルコース由来の触媒電流が観察された。すなわち、リポソームを構成する脂質2分子膜をグルコースが透過し、リポソームの内部で一連の酵素反応が進行したことが判明した。本発明者らが知る限り、このようにリポソームの内部に取り込まれたグルコースに由来する触媒電流を観測したのは初めてである。   Next, amphotericin B (AmB) as antibiotic 16 was added to the measurement solution so as to have a final concentration of 100 μM. Then, a catalytic current derived from glucose was observed. That is, it was found that glucose permeated through the lipid bilayer membrane constituting the liposome and a series of enzyme reactions proceeded inside the liposome. As far as the present inventors know, this is the first time that a catalytic current derived from glucose incorporated into the liposome is observed.

次に、測定溶液に、リポソームを破壊しうる界面活性剤である0.3%TritonXを添加したところ、触媒電流は著しく低下した。これは、0.3%TritonXによりリポソームが破壊され、内部のGDH、DIおよびNADHがリポソーム外に放出されたことを意味する。   Next, when 0.3% Triton X, which is a surfactant capable of breaking liposomes, was added to the measurement solution, the catalyst current was significantly reduced. This means that the liposome was destroyed by 0.3% Triton X, and internal GDH, DI, and NADH were released out of the liposome.

図16に、上記と同様な100mMのグルコースを含む測定溶液に添加するアムホテリシンBの終濃度を1、10、100μMと変化させてクロノアンペロメトリーを行った結果を示す。図16に示すように、この1〜100μMの濃度範囲内では、添加するアムホテリシンBの終濃度が高くなるに従って触媒電流は増加するが、アムホテリシンBの終濃度が100μMでは触媒電流の増加は頭打ちの傾向を示す。   FIG. 16 shows the results of chronoamperometry when the final concentration of amphotericin B added to a measurement solution containing 100 mM glucose similar to that described above was changed to 1, 10, and 100 μM. As shown in FIG. 16, within this concentration range of 1 to 100 μM, the catalyst current increases as the final concentration of amphotericin B added increases. However, when the final concentration of amphotericin B is 100 μM, the increase in the catalyst current peaked out. Show the trend.

図17にアムホテリシンBの構造式を示す。また、図18に、リポソーム12を構成する脂質2分子膜にアムホテリシンBが結合した状態を示す断面図を示す。また、図19に、脂質2分子膜(図示せず)にアムホテリシンBが結合した状態を示す平面図を示す。図19に示すように、脂質2分子膜に環状に複数結合したアムホテリシンBにより、これらのアムホテリシンBで縁取られる形で穴が脂質2分子膜を貫通して形成されている。アムホテリシンBによりリポソームに穴を形成することができることは報告されている(例えば、非特許文献1参照。)。この穴は、グルコースの透過が可能であり、しかも酵素であるGDHおよびDIと補酵素であるNADHとが透過しない大きさを有する。   FIG. 17 shows the structural formula of amphotericin B. FIG. 18 is a cross-sectional view showing a state where amphotericin B is bound to the lipid bimolecular membrane constituting the liposome 12. FIG. 19 is a plan view showing a state in which amphotericin B is bound to a lipid bilayer membrane (not shown). As shown in FIG. 19, a plurality of amphotericin B cyclically bonded to the lipid bilayer membrane form a hole penetrating the lipid bilayer membrane in a form bordered by these amphotericin B. It has been reported that amphotericin B can form holes in liposomes (see, for example, Non-Patent Document 1). This hole is permeable to glucose, and has a size that prevents the enzymes GDH and DI and the coenzyme NADH from permeating.

図20は、リポソームを構成する脂質2分子膜にアムホテリシンBが結合したリポソームの走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。図21は、アムホテリシンBが結合していないリポソームのSEM写真である。ただし、撮影は、走査型電子顕微鏡の試料室内に、このリポソームをイオン液体に浸漬した容器を置き、試料室内を1Pa以下の高真空に真空排気した状態で行った。イオン液体としては、BMIBF4 :1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)

Figure 2012146460
を用いた。試料溶液は、リポソーム懸濁液10μLとBMIBF4 10μLとを混合することにより調製した。このように試料をイオン液体中に浸漬して電子顕微鏡により撮影する手法は、本発明者らが知る限り、これまで全く用いられておらず、本発明者らが初めて用いたものである。 FIG. 20 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a liposome in which amphotericin B is bound to the lipid bilayer membrane constituting the liposome. FIG. 21 is an SEM photograph of liposomes to which amphotericin B is not bound. However, photographing was performed in a state where a container in which the liposome was immersed in an ionic liquid was placed in a sample chamber of a scanning electron microscope and the sample chamber was evacuated to a high vacuum of 1 Pa or less. As the ionic liquid, BMIBF 4 : 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate
Figure 2012146460
Was used. A sample solution was prepared by mixing 10 μL of liposome suspension and 10 μL of BMIBF 4 . Thus, as far as the present inventors know, the method of immersing a sample in an ionic liquid and photographing with an electron microscope has not been used at all so far, and is the first method used by the present inventors.

図21に示すように、アムホテリシンBが結合していないリポソームは球状の形状を有する。これに対し、図20に示すように、アムホテリシンBが結合したリポソームは、全体として球状で周囲に小さな突起がある形状を有する。この突起はアムホテリシンBが結合している部分に対応する。このように、イオン液体中にリポソームを浸漬した状態で観察することにより、リポソームを極めて鮮明に撮影することができ、リポソームの形状を正確に知ることができる。   As shown in FIG. 21, the liposome to which amphotericin B is not bound has a spherical shape. On the other hand, as shown in FIG. 20, the liposome to which amphotericin B is bonded has a spherical shape with a small protrusion around it. This protrusion corresponds to the portion where amphotericin B is bound. Thus, by observing the liposome in an ionic liquid in an immersed state, the liposome can be photographed very clearly, and the shape of the liposome can be accurately known.

〈実施例1〉
次に、リポソーム12を構成する脂質2分子膜にステロール18を結合させることの有効性について詳細に検討を行った結果について説明する。ステロール18としてはコレステロールを用いた。なお、この検証に関しても抗生物質16を用いている。
<Example 1>
Next, the results of a detailed study of the effectiveness of binding sterol 18 to the lipid bilayer membrane constituting liposome 12 will be described. Cholesterol was used as sterol 18. Antibiotic 16 is also used for this verification.

次のようにして酵素固定化電極を作製した。
ジアホラーゼ(DI)(EC 1.8.1.4、天野エンザイム製)を1〜10mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)1mLに溶解させ、DI酵素緩衝溶液(17)とした。
An enzyme-immobilized electrode was produced as follows.
1 to 10 mg of diaphorase (DI) (EC 1.8.1.4, manufactured by Amano Enzyme) was weighed and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to obtain a DI enzyme buffer solution (17). .

グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)(NAD依存型、EC 1.1.1.47、天野エンザイム製)を10〜50mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)1mLに溶解させ、GDH酵素緩衝溶液(18)とした。   Glucose dehydrogenase (GDH) (NAD-dependent, EC 1.1.1.17, manufactured by Amano Enzyme) was weighed 10 to 50 mg, dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7), and GDH enzyme buffer solution (18).

上記の酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ冷蔵保存しておくことが好ましい。   The buffer solution for dissolving the enzyme is preferably refrigerated until just before, and the enzyme buffer solution is preferably stored as refrigerated as much as possible.

NADH(シグマアルドリッチ製、N−8129)を10〜50mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)1mLに溶解させ、NADH緩衝溶液(19)とした。   10 to 50 mg of NADH (manufactured by Sigma Aldrich, N-8129) was weighed and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to obtain a NADH buffer solution (19).

2,3−ジメトキシ−5−メチル−1,4−ベンゾキノン(Q0)を100〜200mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)1mLに溶解させ、Q0緩衝溶液(20)とした。   100-200 mg of 2,3-dimethoxy-5-methyl-1,4-benzoquinone (Q0) was weighed and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to obtain a Q0 buffer solution (20).

卵黄レシチン(Wako製)を10〜100mg、コレステロールを1〜50mg秤量し、エタノール10mLに溶解させ、ロータリーエバポレーターによりエタノールを揮発させ、レシチンとコレステロールとが均一に混合したフィルムを形成する。そのフィルムを緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)10mLで懸濁させてホモジナイザーで均一化し、リポソーム緩衝溶液(21)とした。   10 to 100 mg of egg yolk lecithin (manufactured by Wako) and 1 to 50 mg of cholesterol are weighed, dissolved in 10 mL of ethanol, ethanol is volatilized by a rotary evaporator, and a film in which lecithin and cholesterol are uniformly mixed is formed. The film was suspended in 10 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) and homogenized with a homogenizer to obtain a liposome buffer solution (21).

上記のようにして作製した各種の溶液を、下記に示す量ずつ採取して混合し、凍結融解を3度繰り返した。   The various solutions prepared as described above were collected and mixed in the amounts shown below, and freeze-thaw was repeated three times.

DI酵素緩衝溶液(17):50μL
GDH酵素緩衝溶液(18):50μL
NADH緩衝溶液(19):50μL
リポソーム緩衝溶液(21):50μL
DI enzyme buffer solution (17): 50 μL
GDH enzyme buffer solution (18): 50 μL
NADH buffer solution (19): 50 μL
Liposome buffer solution (21): 50 μL

上記の混合溶液をゲルろ過カラムに通し、リポソーム外の酵素およびNADHを除去する。ここで得たリポソーム溶液をGDH、DI、NADH封入リポソーム溶液(22)とした。   The mixed solution is passed through a gel filtration column to remove extraliposomal enzymes and NADH. The liposome solution obtained here was used as a GDH, DI, and NADH encapsulated liposome solution (22).

こうして得たGDH、DIおよびNADH封入リポソーム溶液(22)とQ0緩衝溶液(20)とを混合して総体積100μLの測定溶液を作製した。そして、作用電極としてカーボンフェルト、参照電極としてAg|AgCl、対極として白金ワイヤーを用い、電位をAg|AgClに対して+0.1Vに設定し、グルコースを燃料として、溶液攪拌下においてクロノアンペロメトリーを行った。クロノアンペロメトリー中に測定溶液に、終濃度が100mMとなるようにグルコースを添加し、さらに終濃度が100μMとなるようにアムホテリシンBを添加した。クロノアンペロメトリーの結果を図22に示す。比較のために、コレステロールが結合していないことを除いて同様な条件で行った二つの例のクロノアンペロメトリーの結果を図23および図24に示す。図23および図24に示すように、コレステロールが結合していないリポソームでは電流の下降が観測されるのに対し、図22に示すように、コレステロールが結合したリポソームは定常電流を示す。これより、ステロールを結合させることにより、アムホテリシンBが結合したリポソームは構造的に安定化し、グルコースの透過が改善され、より安定した触媒電流を示すことが確認できた。すなわち、ステロールを結合させることは、リポソームを電気化学触媒として用いる上で非常に有用な物質であるということが分かる。   The GDH, DI and NADH encapsulated liposome solution (22) thus obtained and the Q0 buffer solution (20) were mixed to prepare a measurement solution having a total volume of 100 μL. Then, carbon felt is used as the working electrode, Ag | AgCl as the reference electrode, platinum wire as the counter electrode, the potential is set to +0.1 V with respect to Ag | AgCl, glucose is used as fuel, and chronoamperometry is performed under solution stirring. Went. During chronoamperometry, glucose was added to the measurement solution so that the final concentration was 100 mM, and amphotericin B was further added so that the final concentration was 100 μM. The results of chronoamperometry are shown in FIG. For comparison, FIGS. 23 and 24 show the results of chronoamperometry of two examples performed under the same conditions except that cholesterol is not bound. As shown in FIGS. 23 and 24, a decrease in current is observed in liposomes not bound with cholesterol, whereas liposomes bound with cholesterol show a steady current as shown in FIG. From this, it was confirmed that by binding sterol, the amphotericin B-bound liposome was structurally stabilized, glucose permeation was improved, and a more stable catalytic current was exhibited. That is, it can be seen that binding of sterol is a very useful substance for using liposome as an electrochemical catalyst.

これまでの検証により、ステロールが脂質2分子膜に対する有機酸の透過の改善に有用であることを確認したが、次にステロールの種類によって透過が変化するかを検討した。リポソームを構成する脂質2分子膜にアムホテリシンBおよびステロールとしてコレステロールまたはエルゴステロールが結合した状態において、アムホテリシンBに対する有機酸の透過性を調べた。有機酸は水溶液中で電離し、電荷を持つ。そこで、有機酸イオンの移動を電気化学的に分析した。   The verification so far confirmed that sterols are useful for improving the permeation of organic acids to lipid bilayers. Next, we examined whether permeation changes depending on the type of sterol. The permeability of organic acid to amphotericin B was examined in a state where amphotericin B and cholesterol or ergosterol as sterol were bound to the lipid bilayer membrane constituting the liposome. Organic acids are ionized in aqueous solutions and have a charge. Therefore, the movement of organic acid ions was analyzed electrochemically.

ただし、電気化学分析は、リポソームの代わりに、平坦な脂質2分子膜にアムホテリシンBおよびステロールとしてコレステロールまたはエルゴステロールが結合したものを用いて行った。   However, the electrochemical analysis was performed by using amphotericin B and cholesterol or ergosterol bound as sterol to a flat lipid bilayer membrane instead of liposome.

図25は電気化学分析に用いた電気化学測定装置を示す。図25に示すように、この電気化学測定装置においては、二つの容器W1、W2が、それらの壁に形成された穴H1と穴H2とが互いに一致するように連結されている。穴H1と穴H2との間には脂質2分子膜BLMが容器W1の内部と容器W2の内部とを仕切るように設けられている。脂質2分子膜BLMにアムホテリシンBおよびコレステロールを結合させた。脂質2分子膜BLMとしては、ホスファチジルコリンからなるものを用いた。容器W1、W2内にはそれぞれ緩衝液からなる支持電解質SEが入れられている。容器W1内の支持電解質SEに対極CEおよび参照電極REを浸漬し、容器W2内の支持電解質SEに作用極WEを浸漬し、これらの対極CE、参照電極REおよび作用極WEにポテンショスタットPを接続した。対極CEとしては白金(Pt)を用い、参照電極REおよび作用極WEとしてはAg|AgClを用いた。容器W1内の支持電解質SEを基準とし、容器W2内の支持電解質SEに電圧ΔEを印加して、脂質2分子膜BLMに対する有機酸の透過を作用極WEと対極CEとの間に流れる電流値(電流密度j)を求めた。   FIG. 25 shows an electrochemical measurement apparatus used for electrochemical analysis. As shown in FIG. 25, in this electrochemical measuring apparatus, two containers W1 and W2 are connected so that a hole H1 and a hole H2 formed in their walls coincide with each other. A lipid bimolecular membrane BLM is provided between the hole H1 and the hole H2 so as to partition the inside of the container W1 and the inside of the container W2. Amphotericin B and cholesterol were bound to the lipid bilayer membrane BLM. As the lipid bilayer membrane BLM, one made of phosphatidylcholine was used. A supporting electrolyte SE made of a buffer solution is placed in each of the containers W1 and W2. The counter electrode CE and the reference electrode RE are immersed in the supporting electrolyte SE in the container W1, the working electrode WE is immersed in the supporting electrolyte SE in the container W2, and the potentiostat P is placed in the counter electrode CE, the reference electrode RE, and the working electrode WE. Connected. Platinum (Pt) was used as the counter electrode CE, and Ag | AgCl was used as the reference electrode RE and the working electrode WE. The value of current that flows between the working electrode WE and the counter electrode CE to permeate the organic acid through the lipid bilayer membrane BLM by applying a voltage ΔE to the supporting electrolyte SE in the container W2 with reference to the supporting electrolyte SE in the container W1. (Current density j) was determined.

有機酸として乳酸ナトリウムを用い、乳酸ナトリウムの電離により発生する乳酸イオンおよびナトリウムイオン(Na+ )のアムホテリシンBに対する透過を観察した。図26に示すように、容器W1、W2内の支持電解質SEとして用いた緩衝液は10-2MのBisTris−HEPES(pH7.4)である。アムホテリシンBの量は5×10-7Mである。容器W1内の支持電解質SEに0.01Mの乳酸ナトリウムを添加し、容器W2内の支持電解質SEにそのc倍、すなわち0.01×cMの乳酸ナトリウムを添加した。 Sodium lactate was used as the organic acid, and the permeation of lactate ion and sodium ion (Na + ) generated by ionization of sodium lactate to amphotericin B was observed. As shown in FIG. 26, the buffer solution used as the supporting electrolyte SE in the containers W1 and W2 is 10 −2 M BisTris-HEPES (pH 7.4). The amount of amphotericin B is 5 × 10 −7 M. 0.01M sodium lactate was added to the supporting electrolyte SE in the container W1, and c times, that is, 0.01 × cM sodium lactate was added to the supporting electrolyte SE in the container W2.

図27に電気化学測定の結果を示す。図27に示すように、cが大きくなるにつれて電流jは大きな負の値になり、電流がゼロとなる電位(ゼロ電流電位)が正にシフトする。図28に、容器W1、W2内の支持電解質SE中の乳酸イオンおよびNa+ の分布を模式的に示す。図28に示すように、濃度勾配による乳酸イオンおよびNa+ の移動をゼロにするには、正の電圧Eを印加しなければならない。このことから、アムホテリシンBはアニオン選択性を有することが分かる。 FIG. 27 shows the results of electrochemical measurement. As shown in FIG. 27, as c increases, the current j becomes a large negative value, and the potential at which the current becomes zero (zero current potential) shifts positively. FIG. 28 schematically shows the distribution of lactate ions and Na + in the supporting electrolyte SE in the containers W1 and W2. As shown in FIG. 28, in order to make the movement of lactate ions and Na + due to the concentration gradient zero, a positive voltage E must be applied. This shows that amphotericin B has anion selectivity.

ここで、脂質2分子膜BLMの内外でのイオン分布の評価を行う。
図29は容器W1、W2内の支持電解質SE中のNa+ および乳酸イオン(Org- )の分布を模式的に示す。容器W1内の支持電解質SE中のNa+ の濃度を[Na+ W1、乳酸イオン(Org- )の濃度を[Org- W1、容器W2内の支持電解質SE中のNa+ の濃度を[Na+ W2、乳酸イオン(Org- )の濃度を[Org- W2と表す。また、脂質2分子膜BLMのうちの容器W1内の支持電解質SEと接する部分のNa+ の濃度を[Na+ M1、乳酸イオン(Org- )の濃度を[Org- M1と表す。また、脂質2分子膜BLMのうちの容器W2内の支持電解質SE中のNa+ の濃度を[Na+ M2、乳酸イオン(Org- )の濃度を[Org- M2と表す。
Here, the ion distribution inside and outside the lipid bilayer membrane BLM is evaluated.
FIG. 29 schematically shows the distribution of Na + and lactate ions (Org ) in the supporting electrolyte SE in the containers W1 and W2. The concentration of Na + in the supporting electrolyte SE in the container W1 is [Na + ] W1 , the concentration of lactate ion (Org ) is [Org ] W1 , and the concentration of Na + in the supporting electrolyte SE in the container W2 is [ The concentration of Na + ] W2 and lactate ions (Org ) is expressed as [Org ] W2 . In addition, the concentration of Na + in the portion of the lipid bilayer membrane BLM in contact with the supporting electrolyte SE in the container W1 is expressed as [Na + ] M1 , and the concentration of lactate ion (Org ) is expressed as [Org ] M1 . In the lipid bilayer membrane BLM, the Na + concentration in the supporting electrolyte SE in the container W2 is represented as [Na + ] M2 , and the lactate ion (Org ) concentration is represented as [Org ] M2 .

脂質2分子膜BLMの内外でのイオンの分配平衡は

Figure 2012146460
と表される。 The distribution equilibrium of ions inside and outside the lipid bilayer membrane BLM is
Figure 2012146460
It is expressed.

実験条件は

Figure 2012146460
である。また、電気的中性則より
Figure 2012146460
となる。 Experimental conditions are
Figure 2012146460
It is. From the electrical neutral law
Figure 2012146460
It becomes.

以上より、

Figure 2012146460
が成立する。 From the above,
Figure 2012146460
Is established.

次に、理論式によりゼロ電流電位の評価を行う。
図29における[Na+ W2および[Org- W2をそれぞれ[Na+ W1および[Org- W1で表し、[Na+ M2および[Org- M2をそれぞれ[Na+ M1および[Org- M1で表したものを図30に示す。容器W1内の支持電解質SEと脂質2分子膜BLMとの界面電位をES:W1/BLM、容器W2内の支持電解質SEと脂質2分子膜BLMとの界面電位をES:BLM/W2、脂質2分子膜BLMの電位をEM と表す。
Next, the zero current potential is evaluated by a theoretical formula.
[Na +] W2 and in Figure 29 [Org -] W2, respectively [Na +] W1 and - expressed in W1, [Na +] M2 and [Org] [Org -] M2, respectively [Na +] M1 and [ Org ] M1 is shown in FIG. The interface potential between the supporting electrolyte SE and the lipid bilayer membrane BLM in the container W1 is expressed as ES: W1 / BLM , and the interface potential between the supporting electrolyte SE and the lipid bilayer membrane BLM in the container W2 is expressed as ES: BLM / W2 , The potential of the lipid bilayer membrane BLM is represented as E M.

Goldman式およびNernst式より

Figure 2012146460
が成立する。 From Goldman formula and Nernst formula
Figure 2012146460
Is established.

Na+ およびOrg- の拡散係数をそれぞれDNa+ およびDOrg-と表し、拡散係数比

Figure 2012146460
とすると、
Figure 2012146460
と表すことができる。ただし、Rは気体定数、Fはファラデー定数、Tは絶対温度である。 The diffusion coefficient of Na + and Org is expressed as D Na + and D Org− , respectively, and the diffusion coefficient ratio
Figure 2012146460
Then,
Figure 2012146460
It can be expressed as. However, R is a gas constant, F is a Faraday constant, and T is an absolute temperature.

次に、拡散係数比αの算出方法について説明する。
図31はcratio の実測値に対してゼロ電流電位Eobs をプロットした図である。図31に示すように、Eobs の式から、実測値に対するフィッティングによりα=2.0と求められる。
図32に各種の有機酸イオンのα値を有機酸の分子量に対して示す。
Next, a method for calculating the diffusion coefficient ratio α will be described.
FIG. 31 is a diagram in which the zero current potential E obs is plotted with respect to the actually measured value of c ratio . As shown in FIG. 31, α = 2.0 is obtained from the E obs equation by fitting to the actual measurement value.
FIG. 32 shows α values of various organic acid ions with respect to the molecular weight of the organic acid.

図33および図34はそれぞれステロールとしてコレステロールおよびエルゴステロールを用いた場合の電気化学測定の結果を示す。測定条件は図26においてc=1としたものである。図33および図34より、コレステロールを用いた場合には、乳酸0.01Mでの電流密度jは、乳酸なしと比較して約200倍増加する。これに対し、エルゴステロールを用いた場合には、乳酸0.01Mでの電流密度jは、乳酸なしと比較して約30倍増加する。このように、エルゴステロールを用いた場合にはコレステロールを用いた場合に比べて、電流密度jの増加は少ない。これは、リポソームを構成する脂質2分子膜にアムホテリシンBに加えてステロールを結合させたことにより、アムホテリシンBの穴の径が影響を受け、乳酸ナトリウムの透過が制御されたことを意味する。あるいは、脂質2分子膜BLMにアムホテリシンBに加えてステロールを結合させたことにより、アムホテリシンBのアニオン選択性が増加し、乳酸ナトリウムが透過しやすくなったことによるものとも考えられる。つまり、ステロールを利用することにより、有機酸の透過やアニオン選択性を制御することができるということである。   FIGS. 33 and 34 show the results of electrochemical measurements when cholesterol and ergosterol were used as sterols, respectively. The measurement conditions are set to c = 1 in FIG. From FIG. 33 and FIG. 34, when cholesterol is used, the current density j with lactic acid 0.01M increases about 200 times compared with the case without lactic acid. On the other hand, when ergosterol is used, the current density j at lactic acid 0.01M increases about 30 times compared with the case without lactic acid. Thus, when ergosterol is used, the increase in current density j is less than when cholesterol is used. This means that the pore diameter of amphotericin B was affected and the permeation of sodium lactate was controlled by binding sterol in addition to amphotericin B to the lipid bilayer membrane constituting the liposome. Alternatively, it is considered that the anion selectivity of amphotericin B is increased by binding sterol to the lipid bilayer membrane BLM in addition to amphotericin B, and sodium lactate is easily permeated. That is, by using sterols, the permeation of organic acids and anion selectivity can be controlled.

図35は、コレステロールまたはエルゴステロールを用いた場合において、種々の有機酸の拡散係数比αを有機酸の分子量に対して示したものである。   FIG. 35 shows the diffusion coefficient ratio α of various organic acids with respect to the molecular weight of the organic acid when cholesterol or ergosterol is used.

図35に示すように、いずれの有機酸でも、コレステロールを用いた場合の方が、エルゴステロールを用いた場合に比べて、拡散係数比αは大きい。これは、エルゴステロールを用いた場合には、コレステロールを用いた場合に比べて、Na+ に対し、全ての有機酸イオンの透過性が低下することによるものと考えられる。 As shown in FIG. 35, with any organic acid, the diffusion coefficient ratio α is greater when cholesterol is used than when ergosterol is used. This is considered to be due to the reduced permeability of all organic acid ions to Na + when ergosterol is used compared to when cholesterol is used.

次に、アムホテリシンBの穴をグルコースが透過することを確認した結果について説明する。グルコースは電荷を持たないため、直接、電気化学測定を行うことができない。そこで、グルコースを酵素で酸化し、電極で電子移動を観測するものとする。   Next, the result of confirming that glucose permeates through the hole of amphotericin B will be described. Since glucose has no charge, it cannot perform electrochemical measurements directly. Therefore, glucose is oxidized with an enzyme, and electron transfer is observed with an electrode.

図36は使用した電気化学測定系を示す。図36に示すように、カーボンペースト電極CP上にグルコースオキシダーゼ(GOD)、ペルオキシダーゼ(POD)およびフェロセンを固定化したバイオセンサーを作製した。そして、リポソーム内にグルコースを封入し、アムホテリシンBの添加によるグルコースの溶出を測定した。   FIG. 36 shows the electrochemical measurement system used. As shown in FIG. 36, a biosensor in which glucose oxidase (GOD), peroxidase (POD) and ferrocene were immobilized on a carbon paste electrode CP was produced. And glucose was enclosed in a liposome and the elution of glucose by addition of amphotericin B was measured.

図37に測定結果を示す。図37の縦軸はグルコース濃度c、横軸は時間tを示す。図37に示すように、アムホテリシンBの添加と同時に、グルコース濃度が立ち上がり、グルコースが溶出したことが分かる。   FIG. 37 shows the measurement results. In FIG. 37, the vertical axis represents glucose concentration c, and the horizontal axis represents time t. As shown in FIG. 37, it can be seen that simultaneously with the addition of amphotericin B, the glucose concentration rose and glucose was eluted.

グルコース溶出速度は理論的に次のように求められる。
グルコース溶出速度をV、グルコースの初期濃度をcin、リポソームの外部のグルコース濃度をcout と表すと、グルコース溶出速度Vは次式で表される。
The glucose elution rate is theoretically determined as follows.
When the glucose elution rate is expressed as V, the initial glucose concentration as c in , and the glucose concentration outside the liposome as c out , the glucose elution rate V is expressed by the following equation.

Figure 2012146460
ただし、kはアムホテリシンBの穴の透過性を示す定数である。
Figure 2012146460
Here, k is a constant indicating the permeability of the amphotericin B hole.

この微分方程式を解くと、リポソームの外部のグルコース濃度cout

Figure 2012146460
と求められる。ただし、
Figure 2012146460
である。 Solving this differential equation, the glucose concentration c out outside the liposome is
Figure 2012146460
Is required. However,
Figure 2012146460
It is.

out の式を図37に示す実験結果とフィッティングすることによりkを算出することができる。その結果、コレステロール使用時のkは6.1±1.8×10-5-1 、エルゴステロール使用時のkは6.3±0.3×10-5-1であり、両者はほぼ同じであった。このことから、コレステロールもエルゴステロールも、アムホテリシンBの穴の径は変わらないことが分かる。 k can be calculated by fitting the expression of c out with the experimental result shown in FIG. As a result, k when using cholesterol was 6.1 ± 1.8 × 10 −5 s −1 and k when using ergosterol was 6.3 ± 0.3 × 10 −5 s −1. It was almost the same. This shows that the diameter of the hole of amphotericin B does not change for both cholesterol and ergosterol.

図38を参照して、リポソームにエルゴステロールを結合させた場合の利点について説明する。図38に示すように、この場合には、基質としてグルコースのような中性物質を用い、中間体に有機酸などのアニオンが生じる場合には、アムホテリシンBの穴からの基質の取り込みを低下させることなく、エルゴステロールによるアムホテリシンBのアニオン選択性の低下により、リポソームの外部への中間体の漏出を抑制することができる。   With reference to FIG. 38, the advantage at the time of making an ergosterol couple | bond with a liposome is demonstrated. As shown in FIG. 38, in this case, when a neutral substance such as glucose is used as a substrate, and an anion such as an organic acid is generated as an intermediate, the substrate uptake from the amphotericin B hole is reduced. Without any problem, leakage of the intermediate to the outside of the liposome can be suppressed by reducing the anion selectivity of amphotericin B by ergosterol.

次に、リポソームを構成する脂質2分子膜が単層の場合と多層の場合とでリポソームからのグルコースの流出を確認した結果について説明する。   Next, the result of confirming the outflow of glucose from the liposome when the lipid bilayer membrane constituting the liposome is a monolayer and when it is a multilayer will be described.

図39Aはコレステロールを結合させた直径50nmの単層リポソームを用いた場合のグルコース濃度の時間変化、図39Bはコレステロールを結合させた直径100nmの単層リポソームを用いた場合のグルコース濃度の時間変化を示す。図40はコレステロールを結合させた多重層リポソームを用いた場合のグルコース濃度の時間変化を示す。図39AおよびBならびに図40より、単層リポソームでも多重層リポソームでも、アムホテリシンBの添加まではグルコースの溶出は観測されない。   FIG. 39A shows the time change of glucose concentration when using a monolayer liposome having a diameter of 50 nm combined with cholesterol, and FIG. 39B shows the time change of glucose concentration when using a monolayer liposome having a diameter of 100 nm combined with cholesterol. Show. FIG. 40 shows the change in glucose concentration over time when multilamellar liposomes bound with cholesterol are used. From FIGS. 39A and B and FIG. 40, no elution of glucose is observed until amphotericin B is added in both unilamellar liposomes and multilamellar liposomes.

図41Aはエルゴステロールを結合させた直径100nmの単層リポソームを用いた場合のグルコース濃度の時間変化、図41Bはエルゴステロールを結合させた多層リポソームを用いた場合のグルコース濃度の時間変化を示す。   FIG. 41A shows the time change of the glucose concentration when using a monolayer liposome with a diameter of 100 nm combined with ergosterol, and FIG. 41B shows the time change of the glucose concentration when using a multilayer liposome combined with ergosterol.

以上のように、この第1の実施の形態によれば、脂質2分子膜に抗生物質16が結合して穴17が形成され、さらにステロール18が結合したリポソーム12の内部に、基質、例えばグルコースや有機酸などを分解するための酵素反応に必要な酵素13、14および補酵素15を封入している。そして、このリポソーム12を電極11に固定化している。このため、酵素反応をこのリポソーム12の内部の微小な空間を反応場として効率的に行うことができ、基質であるグルコースから効率的に電子を取り出し、電極11に受け渡すことができる。また、従来のように酵素などをポリイオンコンプレックスなどにより電極11上に直接固定化する場合に比べて固定化を簡単に行うことができる。   As described above, according to the first embodiment, the antibiotic 16 is bonded to the lipid bilayer membrane to form the hole 17, and the sterol 18 is further bonded to the inside of the liposome 12, for example, a substrate such as glucose. Enzymes 13 and 14 and coenzyme 15 necessary for an enzymatic reaction for decomposing organic acids and organic acids are enclosed. The liposome 12 is immobilized on the electrode 11. For this reason, the enzyme reaction can be efficiently performed using the minute space inside the liposome 12 as a reaction field, and electrons can be efficiently extracted from glucose as a substrate and transferred to the electrode 11. Further, the immobilization can be easily performed as compared with the conventional case in which an enzyme or the like is directly immobilized on the electrode 11 by a polyion complex or the like.

〈2.第2の実施の形態〉
[バイオ燃料電池]
次に、この発明の第2の実施の形態について説明する。この第2の実施の形態においては、バイオ燃料電池の負極として、第1の実施の形態による酵素固定化電極を用いる。
<2. Second Embodiment>
[Bio fuel cell]
Next explained is the second embodiment of the invention. In the second embodiment, the enzyme-immobilized electrode according to the first embodiment is used as the negative electrode of the biofuel cell.

図42はこのバイオ燃料電池を模式的に示す。このバイオ燃料電池では、燃料としてグルコースを用いる。図43は、このバイオ燃料電池の負極の構成の詳細ならびにこの負極に固定化されたリポソーム12に封入された酵素群および補酵素の一例およびこの酵素群および補酵素による電子の受け渡し反応を模式的に示す。   FIG. 42 schematically shows this biofuel cell. In this biofuel cell, glucose is used as a fuel. FIG. 43 schematically shows details of the configuration of the negative electrode of this biofuel cell, an example of an enzyme group and a coenzyme enclosed in the liposome 12 immobilized on the negative electrode, and an electron transfer reaction by the enzyme group and the coenzyme. Shown in

図42および図43に示すように、このバイオ燃料電池は、負極21と正極22とが電解質層23を介して対向した構造を有する。負極21は、燃料として供給されたグルコースを酵素により分解し電子を取り出すとともにプロトン(H+ )を発生する。正極22は、負極21から電解質層23を通って輸送されたプロトンと負極21から外部回路を通って送られた電子と例えば空気中の酸素とにより水を生成する。 As shown in FIGS. 42 and 43, this biofuel cell has a structure in which the negative electrode 21 and the positive electrode 22 face each other with the electrolyte layer 23 therebetween. The negative electrode 21 decomposes glucose supplied as fuel with an enzyme to extract electrons and generate protons (H + ). The positive electrode 22 generates water by protons transported from the negative electrode 21 through the electrolyte layer 23, electrons sent from the negative electrode 21 through an external circuit, and oxygen in the air, for example.

負極21としては、第1の実施の形態による酵素固定化電極が用いられる。この酵素固定化電極は、具体的には、電極11上に、脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴17を有する抗生物質16およびステロール18が結合したリポソーム12が固定化されたものである。このリポソーム12の内部には、グルコースの分解に関与する酵素、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素および補酵素の還元体を酸化する補酵素酸化酵素が封入されている。電極11上には、必要に応じて、リポソーム12に加えて、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極11に渡す電子メディエーターも固定化される。   As the negative electrode 21, the enzyme-immobilized electrode according to the first embodiment is used. Specifically, the enzyme-immobilized electrode is obtained by immobilizing an antibiotic 11 having a hole 17 capable of permeating glucose and a sterol 18 bound to a lipid bimolecular membrane on the electrode 11. It is. Encapsulated in the liposome 12 are enzymes involved in the degradation of glucose, a coenzyme that produces a reductant during the oxidation process in the glucose degradation process, and a coenzyme oxidase that oxidizes the reductant of the coenzyme. ing. On the electrode 11, if necessary, in addition to the liposome 12, an electron mediator that receives electrons generated from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes it to the electrode 11 is also immobilized.

グルコースの分解に関与する酵素としては、例えば、グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)、好適にはNAD依存型グルコースデヒドロゲナーゼを用いることができる。この酸化酵素を存在させることにより、例えば、β−D−グルコースをD−グルコノ−δ−ラクトンに酸化することができる。   As an enzyme involved in the degradation of glucose, for example, glucose dehydrogenase (GDH), preferably NAD-dependent glucose dehydrogenase can be used. In the presence of this oxidase, for example, β-D-glucose can be oxidized to D-glucono-δ-lactone.

さらに、このD−グルコノ−δ−ラクトンは、グルコノキナーゼとフォスフォグルコネートデヒドロゲナーゼ(PhGDH)との二つの酵素を存在させることにより、2−ケト−6−フォスフォ−D−グルコネートに分解することができる。すなわち、D−グルコノ−δ−ラクトンは、加水分解によりD−グルコネートになり、D−グルコネートは、グルコノキナーゼの存在下、アデノシン三リン酸(ATP)をアデノシン二リン酸(ADP)とリン酸とに加水分解することでリン酸化されて、6−フォスフォ−D−グルコネートになる。この6−フォスフォ−D−グルコネートは、酸化酵素PhGDHの作用により、2−ケト−6−フォスフォ−D−グルコネートに酸化される。   Furthermore, this D-glucono-δ-lactone can be decomposed into 2-keto-6-phospho-D-gluconate by the presence of two enzymes, gluconokinase and phosphogluconate dehydrogenase (PhGDH). Can do. That is, D-glucono-δ-lactone is converted to D-gluconate by hydrolysis, and D-gluconate is converted to adenosine triphosphate (ATP) and adenosine diphosphate (ADP) in the presence of gluconokinase. And then phosphorylated to 6-phospho-D-gluconate. This 6-phospho-D-gluconate is oxidized to 2-keto-6-phospho-D-gluconate by the action of the oxidase PhGDH.

また、グルコースは上記分解プロセスのほかに、糖代謝を利用してCO2 まで分解することもできる。この糖代謝を利用した分解プロセスは、解糖系によるグルコースの分解およびピルビン酸の生成ならびにTCA回路に大別されるが、これらは広く知られた反応系である。 In addition to the above decomposition process, glucose can also be decomposed to CO 2 by utilizing sugar metabolism. The decomposition process utilizing sugar metabolism is roughly divided into glucose decomposition and pyruvic acid generation by a glycolysis system and a TCA cycle, which are widely known reaction systems.

単糖類の分解プロセスにおける酸化反応は、補酵素の還元反応を伴って行われる。この補酵素は作用する酵素によってほぼ定まっており、GDHの場合、補酵素にはNAD+ が用いられる。すなわち、GDHの作用によりβ−D−グルコースがD−グルコノ−δ−ラクトンに酸化されると、NAD+ がNADHに還元され、H+ を発生する。 The oxidation reaction in the monosaccharide decomposition process is accompanied by a coenzyme reduction reaction. This coenzyme is almost determined by the acting enzyme. In the case of GDH, NAD + is used as the coenzyme. That is, when β-D-glucose is oxidized to D-glucono-δ-lactone by the action of GDH, NAD + is reduced to NADH to generate H + .

生成されたNADHは、ジアホラーゼ(DI)の存在下で直ちにNAD+ に酸化され、二つの電子とH+ とを発生する。したがって、グルコース1分子につき1段階の酸化反応で二つの電子と二つのH+ とが生成されることになる。2段階の酸化反応では、合計四つの電子と四つのH+ とが生成される。 The produced NADH is immediately oxidized to NAD + in the presence of diaphorase (DI), generating two electrons and H + . Therefore, two electrons and two H + are generated by one-step oxidation reaction per glucose molecule. In the two-stage oxidation reaction, a total of four electrons and four H + are generated.

上記プロセスで生成された電子はジアホラーゼから電子メディエーターを介して電極11に渡され、H+ は電解質層23を通って正極22へ輸送される。 The electrons generated in the above process are transferred from diaphorase to the electrode 11 via the electron mediator, and H + is transported to the positive electrode 22 through the electrolyte layer 23.

上記の酵素および補酵素が封入されたリポソーム12および電子メディエーターは、電極反応が効率よく定常的に行われるようにするために、電解質層23に含まれるリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの緩衝液によって、酵素にとって最適なpH、例えばpH7付近に維持されていることが好ましい。リン酸緩衝液としては、例えばNaH2 PO4 やKH2 PO4 が用いられる。さらに、イオン強度(I.S.)は、あまり大きすぎても小さすぎても酵素活性に悪影響を与えるが、電気化学応答性も考慮すると、適度なイオン強度、例えば0.3程度であることが好ましい。ただし、pHおよびイオン強度は、用いる酵素それぞれに最適値が存在し、上述した値に限定されない。 The liposome 12 encapsulating the enzyme and coenzyme and the electron mediator are provided with a buffer such as a phosphate buffer or a Tris buffer contained in the electrolyte layer 23 so that the electrode reaction can be performed efficiently and constantly. The solution is preferably maintained at an optimum pH for the enzyme, for example, around pH 7. As the phosphate buffer, for example, NaH 2 PO 4 or KH 2 PO 4 is used. Further, the ionic strength (IS) is too large or too small to adversely affect the enzyme activity, but considering the electrochemical response, it should be an appropriate ionic strength, for example, about 0.3. Is preferred. However, pH and ionic strength have optimum values for each enzyme used, and are not limited to the values described above.

図43には、一例として、グルコースの分解に関与する酵素がグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素がNAD+ 、補酵素の還元体であるNADHを酸化する補酵素酸化酵素がジアホラーゼ(DI)、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極11に渡す電子メディエーターがACNQである場合が図示されている。 In FIG. 43, for example, glucose dehydrogenase (GDH) is an enzyme involved in the degradation of glucose, NAD + is a coenzyme that produces a reductant in the oxidation reaction in the glucose degradation process, and a reductant of coenzyme. The case where the coenzyme oxidase that oxidizes a certain NADH is diaphorase (DI), and the electron mediator that receives electrons from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes it to the electrode 11 is ACNQ is shown.

正極22は、例えば多孔質カーボンなどの電極材料からなる電極に、例えばビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどの酸素を分解する酵素を固定化したものである。この正極22の外側の部分(電解質層23と反対側の部分)は通常、多孔質カーボンよりなるガス拡散層により形成されるが、これに限定されるものではない。正極22には、好適には、酵素に加えて、この正極22との間で電子の受け渡しを行う電子メディエーターも固定化される。   The positive electrode 22 is obtained by immobilizing an enzyme that decomposes oxygen, such as bilirubin oxidase, laccase, and ascorbate oxidase, on an electrode made of an electrode material such as porous carbon. The outer part of the positive electrode 22 (the part opposite to the electrolyte layer 23) is usually formed by a gas diffusion layer made of porous carbon, but is not limited thereto. Preferably, in addition to the enzyme, an electron mediator that transfers electrons to and from the positive electrode 22 is also immobilized on the positive electrode 22.

この正極22においては、上記の酸素を分解する酵素の存在下で、電解質層23からのH+ と負極21からの電子とにより空気中の酸素を還元し水を生成する。 In the positive electrode 22, in the presence of the enzyme that decomposes oxygen, oxygen in the air is reduced by H + from the electrolyte layer 23 and electrons from the negative electrode 21 to generate water.

電解質層23は負極21において発生したH+ を正極22に輸送するためのもので、電子伝導性を持たず、H+ を輸送することが可能な材料により構成されている。電解質層23としては、具体的には、例えば、セロハンなどの既に挙げたものが用いられる。 The electrolyte layer 23 is for transporting H + generated in the negative electrode 21 to the positive electrode 22, and is made of a material that does not have electron conductivity and can transport H + . Specific examples of the electrolyte layer 23 include those already mentioned, such as cellophane.

以上のように構成されたバイオ燃料電池において、負極21側にグルコースが供給されると、このグルコースが酸化酵素を含む分解酵素により分解される。この単糖類の分解プロセスで酸化酵素が関与することで、負極21側で電子とH+ とを生成することができ、負極21と正極22との間で電流を発生させることができる。 In the biofuel cell configured as described above, when glucose is supplied to the negative electrode 21 side, the glucose is decomposed by a decomposing enzyme including an oxidase. Since the oxidase is involved in the monosaccharide decomposition process, electrons and H + can be generated on the negative electrode 21 side, and a current can be generated between the negative electrode 21 and the positive electrode 22.

次に、バイオ燃料電池の具体的な構造例について説明する。
図44AおよびBに示すように、このバイオ燃料電池は、負極21と正極22とが電解質層23を介して対向した構成を有している。この場合、正極22の下および負極21の下にそれぞれTi集電体41、42が置かれ、集電を容易に行うことができるようになっている。符号43、44は固定板を示す。これらの固定板43、44はねじ45により相互に締結され、それらの間に、正極22、負極21、電解質層23およびTi集電体41、42の全体が挟み込まれている。固定板43の一方の面(外側の面)には空気取り込み用の円形の凹部43aが設けられ、この凹部43aの底面に他方の面まで貫通した多数の穴43bが設けられている。これらの穴43bは正極22への空気の供給路となる。一方、固定板44の一方の面(外側の面)には燃料装填用の円形の凹部44aが設けられ、この凹部44aの底面に他方の面まで貫通した多数の穴44bが設けられている。これらの穴44bは負極21への燃料の供給路となる。この固定板44の他方の面の周辺部にはスペーサー46が設けられており、固定板43、44をねじ45により相互に締結したときにそれらの間隔が所定の間隔になるようになっている。
Next, a specific structural example of the biofuel cell will be described.
As shown in FIGS. 44A and B, this biofuel cell has a configuration in which the negative electrode 21 and the positive electrode 22 face each other with the electrolyte layer 23 therebetween. In this case, Ti current collectors 41 and 42 are placed under the positive electrode 22 and the negative electrode 21, respectively, so that current collection can be performed easily. Reference numerals 43 and 44 denote fixed plates. The fixing plates 43 and 44 are fastened to each other by screws 45, and the positive electrode 22, the negative electrode 21, the electrolyte layer 23, and the Ti current collectors 41 and 42 are sandwiched between them. One surface (outer surface) of the fixing plate 43 is provided with a circular recess 43a for taking in air, and a plurality of holes 43b penetrating to the other surface are provided in the bottom surface of the recess 43a. These holes 43 b serve as air supply paths to the positive electrode 22. On the other hand, a circular recess 44a for fuel loading is provided on one surface (outer surface) of the fixing plate 44, and a number of holes 44b penetrating to the other surface are provided on the bottom surface of the recess 44a. These holes 44 b serve as a fuel supply path to the negative electrode 21. A spacer 46 is provided on the periphery of the other surface of the fixing plate 44, and when the fixing plates 43 and 44 are fastened to each other with screws 45, the interval between them becomes a predetermined interval. .

図44Bに示すように、Ti集電体41、42の間に負荷47を接続し、固定板44の凹部44aに燃料として例えばリン酸緩衝液にグルコースを溶かしたグルコース溶液を入れて発電を行う。   As shown in FIG. 44B, a load 47 is connected between the Ti current collectors 41 and 42, and a glucose solution in which glucose is dissolved in a phosphate buffer, for example, is put in the recess 44a of the fixed plate 44 to generate power. .

この第2の実施形態によれば、酵素反応に必要な酵素群および補酵素が封入され、かつ脂質2分子膜に、穴17を有する抗生物質16およびステロール18が結合したリポソーム12を電極11上に固定化した酵素固定化電極を負極21として用いている。このため、酵素反応をリポソーム12の内部の微小な空間を反応場として効率的に行うことができ、燃料であるグルコースから効率的に電子を取り出し、電極11に受け渡すことができるとともに、酵素などをポリイオンコンプレックスなどにより電極11上に直接固定化する場合に比べて固定化を簡単に行うことができる。このように負極21として用いられる酵素固定化電極が高効率であることにより、高効率のバイオ燃料電池を実現することができる。また、バイオ燃料電池の高出力化のためには燃料であるグルコースから2電子よりも多くの電子を取り出す必要があり、このためには三種類以上の酵素が適切な位置に固定化された酵素固定化電極を負極21に用いる必要があるが、リポソーム12の内部に三種類以上の酵素を封入することによりこのような要求も満たすことができる。また、互いに異なる三種類以上の酵素が封入された多種類のリポソームを混在させることにより多種類の燃料への対応が容易になる。さらには、負極リポソームと正極リポソームとを配列させたマイクロバイオ燃料電池の実現も可能である。   According to the second embodiment, the liposomes 12 on which the antibiotics 16 having the holes 17 and the sterols 18 are bound to the lipid bimolecular membrane are encapsulated on the electrode 11. The enzyme-immobilized electrode immobilized on is used as the negative electrode 21. For this reason, the enzyme reaction can be efficiently performed using the minute space inside the liposome 12 as a reaction field, and electrons can be efficiently extracted from the fuel glucose and transferred to the electrode 11, as well as enzymes, etc. Can be immobilized more easily than the case of directly immobilizing on the electrode 11 with a polyion complex or the like. As described above, since the enzyme-immobilized electrode used as the negative electrode 21 is highly efficient, a highly efficient biofuel cell can be realized. In addition, in order to increase the output of a biofuel cell, it is necessary to extract more than two electrons from glucose as a fuel. For this purpose, an enzyme in which three or more enzymes are immobilized at appropriate positions. Although it is necessary to use an immobilized electrode for the negative electrode 21, such a requirement can be satisfied by encapsulating three or more kinds of enzymes inside the liposome 12. In addition, by mixing a plurality of types of liposomes in which three or more different types of enzymes are encapsulated, it becomes easy to handle various types of fuels. Furthermore, it is possible to realize a micro biofuel cell in which negative and positive liposomes are arranged.

〈3.第3の実施の形態〉
[バイオ燃料電池]
この第3の実施の形態によるバイオ燃料電池は、負極21の電極材に図45AおよびBに示すような多孔体導電材料を用いることを除いて、第2の実施の形態によるバイオ燃料電池と同様な構成を有する。
<3. Third Embodiment>
[Bio fuel cell]
The biofuel cell according to the third embodiment is the same as the biofuel cell according to the second embodiment except that a porous conductive material as shown in FIGS. 45A and 45B is used for the electrode material of the negative electrode 21. It has a configuration.

図45Aはこの多孔体導電材料の構造を模式的に示し、図45Bはこの多孔体導電材料の骨格部の断面図である。図45AおよびBに示すように、この多孔体導電材料は、三次元網目状構造の多孔体材料からなる骨格79aと、この骨格79aの表面を被覆するカーボン系材料79bとからなり、このカーボン系材料79bの表面に、第2の実施形態と同様なリポソーム12が固定化されている。この多孔体導電材料は、カーボン系材料79bに囲まれた多数の孔80が網目に相当する三次元網目状構造を有する。この場合、これらの孔80同士は互いに連通している。カーボン系材料79bの形態は問わず、繊維状(針状)、粒状などのいずれであってもよい。   FIG. 45A schematically shows the structure of the porous conductive material, and FIG. 45B is a cross-sectional view of the skeleton of the porous conductive material. As shown in FIGS. 45A and B, this porous conductive material includes a skeleton 79a made of a porous material having a three-dimensional network structure and a carbon-based material 79b covering the surface of the skeleton 79a. Liposomes 12 similar to those of the second embodiment are immobilized on the surface of the material 79b. This porous conductive material has a three-dimensional network structure in which a large number of holes 80 surrounded by the carbon-based material 79b correspond to a network. In this case, these holes 80 communicate with each other. The form of the carbon-based material 79b is not limited and may be any of fibrous (needle-like) or granular.

多孔体材料からなる骨格79aとしては、発泡金属あるいは発泡合金、例えば発泡ニッケルが用いられる。この骨格79aの多孔率は一般的には85%以上、あるいは90%以上であり、その孔径は、一般的には例えば10nm〜1mm、あるいは10nm〜600μm、あるいは1〜600μm、典型的には50〜300μm、より典型的には100〜250μmである。カーボン系材料79bとしては、例えばケッチェンブラックなどの高導電性のものが好ましいが、カーボンナノチューブやフラーレンなどの機能性カーボン材料を用いてもよい。   As the skeleton 79a made of the porous material, foam metal or foam alloy, for example, foam nickel is used. The porosity of the skeleton 79a is generally 85% or more, or 90% or more, and the pore diameter is generally, for example, 10 nm to 1 mm, alternatively 10 nm to 600 μm, alternatively 1 to 600 μm, typically 50 ˜300 μm, more typically 100 to 250 μm. The carbon-based material 79b is preferably a highly conductive material such as ketjen black, but a functional carbon material such as carbon nanotube or fullerene may be used.

この多孔体導電材料の多孔率は一般的には80%以上、あるいは90%以上であり、孔80の径は、一般的には例えば9nm〜1mm、あるいは9nm〜600μm、あるいは1〜600μm、典型的には30〜400μm、より典型的には80〜230μmである。   The porosity of the porous conductive material is generally 80% or more, or 90% or more, and the diameter of the hole 80 is typically 9 nm to 1 mm, alternatively 9 nm to 600 μm, alternatively 1 to 600 μm, typically Specifically, the thickness is 30 to 400 μm, more typically 80 to 230 μm.

次に、この多孔体導電材料の製造方法について説明する。
図46Aに示すように、まず、発泡金属あるいは発泡合金(例えば、発泡ニッケル)からなる骨格79aを用意する。
Next, a method for producing this porous conductive material will be described.
As shown in FIG. 46A, first, a skeleton 79a made of a foam metal or a foam alloy (for example, foam nickel) is prepared.

次に、図46Bに示すように、この発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格79aの表面にカーボン系材料79bをコーティングする。このコーティング方法としては従来公知の方法を用いることができる。一例を挙げると、カーボン粉末や適当な結着剤などを含むエマルションをスプレーにより骨格79aの表面に噴射することによりカーボン系材料79bをコーティングする。このカーボン系材料79bのコーティング厚さは、発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格79aの多孔率および孔径との兼ね合いで、多孔体導電材料に要求される多孔率および孔径に応じて決められる。このコーティングの際には、カーボン系材料79bに囲まれた多数の孔80同士が互いに連通するようにする。   Next, as shown in FIG. 46B, a carbon-based material 79b is coated on the surface of the skeleton 79a made of the foam metal or foam alloy. As this coating method, a conventionally known method can be used. For example, the carbon-based material 79b is coated by spraying an emulsion containing carbon powder, a suitable binder, or the like onto the surface of the skeleton 79a by spraying. The coating thickness of the carbon-based material 79b is determined in accordance with the porosity and pore size required for the porous conductive material in consideration of the porosity and pore size of the skeleton 79a made of foam metal or foam alloy. In this coating, a large number of holes 80 surrounded by the carbon-based material 79b communicate with each other.

こうして、目的とする多孔体導電材料が製造される。この後、この多孔体導電材料のカーボン系材料79bの表面にリポソーム12を固定化する。
上記以外のことは第2の実施の形態と同様である。
In this way, the target porous conductive material is manufactured. Thereafter, the liposome 12 is immobilized on the surface of the carbon-based material 79b of the porous conductive material.
The other than the above is the same as that of the second embodiment.

この第3の実施の形態によれば、第2の実施の形態と同様な利点に加えて次のような利点を得ることができる。すなわち、発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格79aの表面をカーボン系材料79bにより被覆した多孔体導電材料は、孔80の径が十分に大きく、粗な三次元網目状構造を有しながら、高強度でしかも高い導電性を有し、必要十分な表面積を得ることもできる。このため、この多孔体導電材料を電極材に用い、これに酵素、補酵素および電子メディエーターを固定化することで得られる酵素/補酵素/電子メディエーター固定化電極からなる負極21は、その上での酵素代謝反応を高効率に行わせることができ、あるいは、電極の近傍で起こっている酵素反応現象を効率よく電気信号として捉えることが可能であり、しかも使用環境によらずに安定であり、高性能のバイオ燃料電池を実現することが可能である。   According to the third embodiment, in addition to the same advantages as those of the second embodiment, the following advantages can be obtained. That is, the porous conductive material in which the surface of the skeleton 79a made of a foam metal or a foam alloy is coated with the carbon-based material 79b has a sufficiently large hole 80 diameter and a rough three-dimensional network structure, while having a high strength. In addition, it has high conductivity and can provide a necessary and sufficient surface area. For this reason, the negative electrode 21 composed of an enzyme / coenzyme / electron mediator immobilized electrode obtained by immobilizing an enzyme, a coenzyme and an electron mediator on the porous conductive material is used as an electrode material. The enzyme metabolic reaction can be performed with high efficiency, or the enzyme reaction phenomenon occurring in the vicinity of the electrode can be efficiently captured as an electrical signal, and is stable regardless of the use environment, It is possible to realize a high-performance biofuel cell.

〈4.第4の実施の形態〉
[細胞]
この第4の実施の形態においては、生物から採取した細胞あるいは生物から採取した細胞の培養などにより得られる細胞の細胞膜を構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールを結合させる。
<4. Fourth Embodiment>
[cell]
In the fourth embodiment, an antibiotic having a hole capable of permeating glucose in a lipid bimolecular film constituting a cell membrane of a cell obtained by culturing a cell collected from a living organism or a cell collected from an organism. And binds sterols.

図47に、細胞の外周の脂質2分子膜からなる細胞膜81の一部分を示す。ここでは、この細胞が動物細胞である場合を考えるが、植物細胞であってもよい。この細胞は、主として、核とミトコンドリア、小胞体、ゴルジ体、リソゾームなどの細胞小器官と種々のイオン、養分、酵素などが溶けた水とを含む。図47に示すように、この細胞の細胞膜81には種々のタンパク質82、83、84などが埋め込まれている。例えば、タンパク質82はイオンなどを細胞の外部から内部に輸送するポンプタンパク質、タンパク質83は膜内タンパク質、タンパク質84は特定の分子を細胞の内外へ輸送する機能を有するチャネルタンパク質である。この細胞膜81には、上述の種々のタンパク質82、83、84に加えて抗生物質16が結合しており、グルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴17が形成され、さらにステロール18が結合している。   FIG. 47 shows a part of a cell membrane 81 composed of a lipid bimolecular membrane on the outer periphery of the cell. Here, although the case where this cell is an animal cell is considered, it may be a plant cell. These cells mainly include the nucleus, organelles such as mitochondria, endoplasmic reticulum, Golgi apparatus, lysosome, and water in which various ions, nutrients, enzymes, and the like are dissolved. As shown in FIG. 47, various proteins 82, 83, 84, etc. are embedded in the cell membrane 81 of this cell. For example, the protein 82 is a pump protein that transports ions and the like from the outside to the inside of the cell, the protein 83 is an intramembrane protein, and the protein 84 is a channel protein that has a function of transporting a specific molecule into and out of the cell. In addition to the above-mentioned various proteins 82, 83, and 84, the antibiotic 16 is bound to the cell membrane 81, and one or a plurality of holes 17 capable of permeating glucose are formed, and further sterol 18 is bound. is doing.

上記のように構成された細胞は、従来公知の方法により、多孔質カーボンなどからなる電極に固定化される。   The cells configured as described above are immobilized on an electrode made of porous carbon or the like by a conventionally known method.

この第4の実施の形態によれば、上記の細胞がグルコースを含む緩衝液などに置かれた場合、細胞膜81の穴17を透過して内部に例えばグルコースを取り込むことができる。こうして細胞の内部に取り込まれたグルコースは、この細胞が有するクエン酸回路、解糖系、ペントースリン酸回路などの代謝系により分解され、電子が取り出される。こうして取り出された電子は最終的には電子メディエーターを介して、もしくは電子メディエーターなしで直接、この細胞が固定化された電極に受け渡されて外部に取り出される。こうして、グルコースから電気エネルギーを取り出すことができる。   According to the fourth embodiment, when the cells are placed in a buffer solution or the like containing glucose, for example, glucose can be taken into the cell membrane 81 through the holes 17. The glucose thus taken into the cell is decomposed by a metabolic system such as a citrate circuit, a glycolysis system, and a pentose phosphate circuit of the cell, and electrons are taken out. The electrons taken out in this way are finally delivered to the electrode on which the cells are immobilized via the electron mediator or directly without the electron mediator and taken out to the outside. Thus, electric energy can be extracted from glucose.

〈5.第5の実施の形態〉
[ミトコンドリア]
この第5の実施の形態においては、生物から採取した細胞あるいは生物から採取した細胞の培養などにより得られる細胞に含まれる細胞小器官であるミトコンドリアを構成する脂質2分子膜にグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を形成する。ミトコンドリアは真核細胞のエネルギー生産の場であり、食物の分子の酸化反応に際して得られるエネルギーでATPを作る。
<5. Fifth Embodiment>
[Mitochondria]
In the fifth embodiment, it is possible to permeate glucose into the lipid bilayer membrane constituting mitochondria, which is an organelle contained in a cell collected from a cell or a cell obtained by culturing a cell collected from a living organism. Forming one or more holes. Mitochondria are the place of eukaryotic energy production, and ATP is produced by the energy obtained during the oxidation reaction of food molecules.

図48にミトコンドリアを示す。図48に示すように、ミトコンドリアは、外膜85および内膜86を有する。これらの外膜85および内膜86は脂質2分子膜からなる細胞膜である。内膜86はひだ状のクリステを形成している。内膜86の内部のマトリックス腔87には多種の酵素が濃縮されている。分子の酸化の最終段階は内膜86で起こる。このミトコンドリアの外膜85および内膜86を構成する細胞膜には抗生物質16が結合しており、グルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴17が形成され、さらにステロール18が結合している。   FIG. 48 shows mitochondria. As shown in FIG. 48, the mitochondria have an outer membrane 85 and an inner membrane 86. These outer membrane 85 and inner membrane 86 are cell membranes composed of lipid bimolecular membranes. The inner membrane 86 forms a pleated crystal. Various enzymes are concentrated in the matrix cavity 87 inside the inner membrane 86. The final stage of molecular oxidation occurs at the inner membrane 86. Antibiotics 16 are bound to the cell membranes constituting the mitochondrial outer membrane 85 and inner membrane 86, one or more holes 17 capable of permeating glucose are formed, and sterols 18 are further bound. .

上記のように構成されたミトコンドリアは、従来公知の方法により、多孔質カーボンなどからなる電極に固定化される。   The mitochondria configured as described above are immobilized on an electrode made of porous carbon or the like by a conventionally known method.

この第5の実施の形態によれば、上記のミトコンドリアがグルコースを含む緩衝液などに置かれた場合、外膜85および内膜86の穴17を透過して内部にグルコースを取り込むことができる。こうしてミトコンドリアの内部に取り込まれたグルコースは、このミトコンドリアが有する分子の酸化系、すなわちクエン酸回路、解糖系、ペントースリン酸回路などにより分解され、電子が取り出される。こうして取り出された電子は最終的には電子メディエーターを介して、もしくは電子メディエーターなしで直接、このミトコンドリアが固定化された電極に受け渡されて外部に取り出される。こうして、グルコースから電気エネルギーを取り出すことができる。   According to the fifth embodiment, when the mitochondria are placed in a buffer solution or the like containing glucose, glucose can be taken in through the holes 17 of the outer membrane 85 and the inner membrane 86. The glucose thus taken into the mitochondria is decomposed by the oxidation system of the molecules of the mitochondria, that is, the citrate circuit, glycolysis system, pentose phosphate circuit, etc., and electrons are taken out. The electrons taken out in this way are finally transferred to the electrode on which the mitochondria are immobilized via the electron mediator or directly without the electron mediator and taken out to the outside. Thus, electric energy can be extracted from glucose.

〈6.第6の実施の形態〉
[細菌]
この第6の実施の形態においては、細菌の細胞膜を構成する脂質2分子膜にグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を形成する。
<6. Sixth Embodiment>
[Bacteria]
In the sixth embodiment, one or a plurality of holes capable of glucose permeation are formed in the lipid bimolecular membrane constituting the bacterial cell membrane.

図49に細菌を示す。ここでは、この細菌が真正細菌である場合を考える。図49に示すように、この細菌は外部から順に莢膜88、細胞壁89および細胞膜90により取り囲まれており、その内部に細胞質91が入っている。この細菌の外部には鞭毛92および繊毛93が結合している。ただし、細菌によっては莢膜88、鞭毛92および繊毛93がないものもある。例えば、大腸菌にはこれらの莢膜88、鞭毛92および繊毛93がない。細胞質91には、図示は省略するが、核様体、リボソームなどが存在している。細胞膜90には電子伝達系や各種の輸送体などのタンパク質が分布している。この細菌の脂質2分子膜からなる細胞膜90には抗生物質16が結合しており、グルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴17が形成され、さらにステロール18が結合している。   FIG. 49 shows bacteria. Here, consider a case where this bacterium is an eubacteria. As shown in FIG. 49, this bacterium is surrounded by a capsule 88, a cell wall 89, and a cell membrane 90 in order from the outside, and contains a cytoplasm 91 therein. Flagella 92 and cilia 93 are bound to the outside of this bacterium. However, some bacteria lack the capsule 88, flagella 92, and cilia 93. For example, E. coli does not have these capsules 88, flagella 92, and cilia 93. In the cytoplasm 91, although not shown, nucleoids, ribosomes and the like are present. Proteins such as an electron transport system and various transporters are distributed in the cell membrane 90. Antibiotic 16 is bound to cell membrane 90 made of this bacterial lipid bilayer, one or a plurality of holes 17 capable of permeating glucose are formed, and sterol 18 is further bound.

上記のように構成された細菌は、従来公知の方法により、多孔質カーボンなどからなる電極に固定化される。   The bacterium configured as described above is immobilized on an electrode made of porous carbon or the like by a conventionally known method.

この第6の実施の形態によれば、この細菌がグルコースを含む緩衝液などに置かれた場合、この細菌の細胞膜90の穴17を透過して内部にグルコースを取り込むことができる。こうして細菌の内部に取り込まれたグルコースは、この細菌が有するクエン酸回路、解糖系、ペントースリン酸回路などの代謝系により分解され、電子が取り出される。こうして取り出された電子は最終的には電子メディエーターを介して、もしくは電子メディエーターなしで直接、この細菌が固定化された電極に受け渡されて外部に取り出される。こうして、グルコースから電気エネルギーを取り出すことができる。   According to the sixth embodiment, when this bacterium is placed in a buffer solution or the like containing glucose, glucose can be taken in through the hole 17 of the cell membrane 90 of this bacterium. The glucose thus taken into the inside of the bacterium is decomposed by a metabolic system such as a citrate circuit, a glycolysis system, and a pentose phosphate circuit of the bacterium, and an electron is taken out. The electrons thus extracted are finally transferred to the electrode on which the bacteria are immobilized via the electron mediator or directly without the electron mediator, and taken out to the outside. Thus, electric energy can be extracted from glucose.

〈7.第7の実施の形態〉
[バイオ燃料電池]
この第7の実施の形態によるバイオ燃料電池は、負極21の電極11として図50AおよびBに示すような多孔質電極を用いることを除いて、第2の実施の形態によるバイオ燃料電池と同様な構成を有する。
<7. Seventh Embodiment>
[Bio fuel cell]
The biofuel cell according to the seventh embodiment is the same as the biofuel cell according to the second embodiment except that a porous electrode as shown in FIGS. 50A and B is used as the electrode 11 of the negative electrode 21. It has a configuration.

図50Aはこの多孔質電極からなる電極11の全体構成を示し、図50Bはこの電極11の断面構造を模式的に示す。図50Bに示すように、この多孔質電極からなる電極11は多数の孔(ポア)11aを有する。この孔11aの内面に、第2の実施形態と同様なリポソーム12(内部の水相に封入されている酵素および補酵素や脂質2分子膜に結合した抗生物質およびこの抗生物質に縁取られる穴などの図示は省略)が固定化されている。この場合、これらの孔11a同士は互いに連通している。この多孔質電極の材料としては、好適にはカーボン系材料が用いられるが、これに限定されるものではない。この多孔質電極は、典型的にはカーボンペースト電極である。   FIG. 50A shows the overall configuration of the electrode 11 made of this porous electrode, and FIG. 50B schematically shows the cross-sectional structure of the electrode 11. As shown in FIG. 50B, the electrode 11 made of this porous electrode has a large number of pores 11a. On the inner surface of the hole 11a, the same liposome 12 as in the second embodiment (enzymes and coenzymes enclosed in the internal aqueous phase, antibiotics bound to the lipid bilayer, holes bordered by the antibiotics, etc.) Is omitted). In this case, these holes 11a communicate with each other. As the material for the porous electrode, a carbon-based material is preferably used, but the material is not limited to this. This porous electrode is typically a carbon paste electrode.

この多孔質電極からなる電極11の孔11aの内面へのリポソーム12の固定化は、リポソーム12を含む溶液を電極11中に浸透させることにより行うことができる。
上記以外のことは第2の実施の形態と同様である。
この第7の実施の形態によれば、第3の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
The liposome 12 can be fixed to the inner surface of the hole 11a of the electrode 11 made of this porous electrode by allowing a solution containing the liposome 12 to penetrate into the electrode 11.
The other than the above is the same as that of the second embodiment.
According to the seventh embodiment, the same advantages as those of the third embodiment can be obtained.

〈8.第8の実施の形態〉
[酵素固定化電極]
図51はこの第8の実施の形態による酵素固定化電極を示す。この酵素固定化電極においては、基質としてグルコースを用いる。
<8. Eighth Embodiment>
[Enzyme immobilized electrode]
FIG. 51 shows an enzyme-immobilized electrode according to the eighth embodiment. In this enzyme-immobilized electrode, glucose is used as a substrate.

図51に示すように、この酵素固定化電極においては、多孔質カーボンなどからなる電極11の表面(電極11の内部の孔の内面も含む)にアビジン101が固定化されている。一方、第1の実施の形態と同様なリポソーム12にビオチン102が結合している。そして、電極11の表面に固定化されたアビジン101とリポソーム12に結合したビオチン102とが不可逆的に特異的に結合している。図51においては、一つのリポソーム12に一つのビオチン102が結合している場合が示されているが、一つのリポソーム12に複数のビオチン102を結合させてもよい。   As shown in FIG. 51, in this enzyme-immobilized electrode, avidin 101 is immobilized on the surface of electrode 11 made of porous carbon or the like (including the inner surface of the hole inside electrode 11). On the other hand, biotin 102 is bound to the same liposome 12 as in the first embodiment. Then, avidin 101 immobilized on the surface of electrode 11 and biotin 102 bound to liposome 12 are irreversibly specifically bound. In FIG. 51, a case where one biotin 102 is bound to one liposome 12 is shown, but a plurality of biotins 102 may be bound to one liposome 12.

リポソーム12の内部の水相12aには、目的とする酵素反応に関与する酵素13、14および補酵素15が封入されている。このリポソーム12の内部の水相12aには、これらの酵素13、14および補酵素15以外に、例えば電子メディエーターを封入してもよい。この電子メディエーターは、リポソーム12とともに電極11上に固定化してもよい。酵素13は基質として用いられるグルコースの酸化を促進し分解する酸化酵素、酵素14はこのグルコースの酸化に伴って還元された補酵素15を酸化体に戻すとともに電子メディエーターを介して電子を電極11に渡す補酵素酸化酵素である。   Enzymes 13 and 14 and coenzyme 15 involved in the target enzyme reaction are enclosed in the aqueous phase 12a inside the liposome 12. In addition to these enzymes 13 and 14 and coenzyme 15, for example, an electron mediator may be enclosed in the aqueous phase 12 a inside the liposome 12. This electron mediator may be immobilized on the electrode 11 together with the liposome 12. Enzyme 13 is an oxidase that promotes and decomposes the oxidation of glucose used as a substrate, and enzyme 14 returns coenzyme 15 that has been reduced due to the oxidation of glucose to an oxidant and also sends electrons to electrode 11 via an electron mediator. It is a coenzyme oxidase that passes.

図示は省略するが、図2に示すリポソーム12と同様に、リポソーム12を構成する脂質2分子膜に一つまたは複数の抗生物質およびステロールが結合しており、この抗生物質により縁取られる形でこの脂質2分子膜を貫通する穴が形成されている。   Although illustration is omitted, like the liposome 12 shown in FIG. 2, one or a plurality of antibiotics and sterols are bound to the lipid bilayer membrane constituting the liposome 12, and this antibiotic is surrounded by this antibiotic. A hole penetrating the lipid bilayer membrane is formed.

[酵素固定化電極の製造方法]
この酵素固定化電極は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、酵素13、14および補酵素15が封入され、外周面にビオチン102が結合したリポソーム12を作製する。リポソーム12にビオチン102を結合するためには、例えば、NHSエステルによって修飾されたビオチン102を用いてリン脂質、例えばホスファチジルエタノールアミンと脱水縮合させてアミド結合させる。次に、このリポソーム12を構成する脂質2分子膜に抗生物質を結合させて穴を形成するとともに、この脂質2分子膜にステロールを結合させる。一方、電極11の表面にアビジン101を固定化する。アビジン101を電極11に固定化するためには、例えば、アビジン101が結合したアガロースビーズが混合されたカーボンペースト電極を電極11として用いたり、アビジン101を電極11の表面上でポリ−L−リシン(PLL)などのポリマーに埋め込ませたりする。次に、こうして電極11の表面に固定化したアビジン101と、穴17を形成したリポソーム12に結合したビオチン102とを結合させることにより、リポソーム12を電極11上に固定化する。これによって、酵素固定化電極が製造される。酵素13、14および補酵素15を封入する前のリポソーム12を構成する脂質2分子膜に抗生物質を結合させて穴を形成するとともに、ステロールを結合させるようにしてもよい。また、リポソーム12を電極11上に固定化してからこのリポソーム12を構成する脂質2分子膜に抗生物質を結合させて穴を形成するとともに、ステロールを結合させるようにしてもよい。
[Method for producing enzyme-immobilized electrode]
This enzyme-immobilized electrode can be produced, for example, as follows. First, the liposomes 12 in which the enzymes 13 and 14 and the coenzyme 15 are enclosed and the biotin 102 is bound to the outer peripheral surface are prepared. In order to bind the biotin 102 to the liposome 12, for example, biotin 102 modified with NHS ester is used for dehydration condensation with a phospholipid such as phosphatidylethanolamine to form an amide bond. Next, an antibiotic is bound to the lipid bilayer membrane constituting the liposome 12 to form a hole, and sterol is bound to the lipid bilayer membrane. On the other hand, avidin 101 is immobilized on the surface of the electrode 11. In order to immobilize the avidin 101 on the electrode 11, for example, a carbon paste electrode mixed with agarose beads to which the avidin 101 is bonded is used as the electrode 11, or the avidin 101 is poly-L-lysine on the surface of the electrode 11. Or embedded in a polymer such as (PLL). Next, the liposome 12 is immobilized on the electrode 11 by binding the avidin 101 thus immobilized on the surface of the electrode 11 and the biotin 102 bound to the liposome 12 having the holes 17 formed therein. As a result, an enzyme-immobilized electrode is produced. Antibiotics may be bound to the lipid bimolecular membrane constituting the liposome 12 before encapsulating the enzymes 13 and 14 and the coenzyme 15 to form holes, and sterols may be bound. Further, after immobilizing the liposome 12 on the electrode 11, an antibiotic may be bound to the lipid bimolecular membrane constituting the liposome 12 to form a hole, and a sterol may be bound.

〈実施例2〉
次のようにして酵素固定化電極を作製した。ただし、ここでは、ステロールの効果を除外するために、リポソームにはステロールを結合させない。
<Example 2>
An enzyme-immobilized electrode was produced as follows. Here, however, sterol is not bound to the liposome in order to exclude the effect of sterol.

ジアホラーゼ(DI)(EC 1.8.1.4、天野エンザイム製)を5mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)1mLに溶解させ、5mg/mLのDI酵素緩衝溶液を調製した。   Diaphorase (DI) (EC 1.8.1.4, manufactured by Amano Enzyme) was weighed in 5 mg and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to prepare a 5 mg / mL DI enzyme buffer solution. .

グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)(NAD依存型、EC 1.1.1.47、天野エンザイム製)を25mg秤量し、緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)1mLに溶解させ、25mg/mLのGDH酵素緩衝溶液を調製した。   Glucose dehydrogenase (GDH) (NAD-dependent, EC 1.1.1.47, manufactured by Amano Enzyme) was weighed in 25 mg and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to obtain 25 mg / mL GDH enzyme. A buffer solution was prepared.

上記の酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ冷蔵保存しておくことが好ましい。   The buffer solution for dissolving the enzyme is preferably refrigerated until just before, and the enzyme buffer solution is preferably stored as refrigerated as much as possible.

NADH(シグマ社製)を緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)に溶解させ、50mMのNADH緩衝溶液を調製した。   NADH (manufactured by Sigma) was dissolved in a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to prepare a 50 mM NADH buffer solution.

2,3−ジメトキシ−5−メチル−1,4−ベンゾキノン(Q0)を緩衝溶液(10mMリン酸緩衝液、pH7)に溶解させ、10mMのQ0緩衝溶液を調製した。   2,3-dimethoxy-5-methyl-1,4-benzoquinone (Q0) was dissolved in a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to prepare a 10 mM Q0 buffer solution.

リン脂質として卵黄レシチン(Wako製)およびビオチン修飾ホスファチジルエタノールアミン(1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-(cap biotinyl)を用いた。   Egg yolk lecithin (manufactured by Wako) and biotin-modified phosphatidylethanolamine (1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N- (cap biotinyl)) were used as phospholipids.

次のようにしてビオチン修飾リポソームを作製した。
レシチンをエタノールに溶解し、100mg/mLレシチン溶液を調製する。また、CHCl3 、メタノールおよび水の混合溶液(CHCl3 :メタノール:水=65:35:8)にビオチン修飾ホスファチジルエタノールアミンを溶解し、10mg/mLビオチン修飾ホスファチジルエタノールアミン溶液を調製する。
Biotin-modified liposomes were prepared as follows.
Lecithin is dissolved in ethanol to prepare a 100 mg / mL lecithin solution. In addition, biotin-modified phosphatidylethanolamine is dissolved in a mixed solution of CHCl 3 , methanol and water (CHCl 3 : methanol: water = 65: 35: 8) to prepare a 10 mg / mL biotin-modified phosphatidylethanolamine solution.

エタノール20mLに上記のレシチン溶液を1mL、上記のビオチン修飾ホスファチジルエタノールアミン溶液を50μL加え、良く混合する。こうして得られた混合溶液をロータリーエバポレーターにより40℃バス、真空下で1時間以上処理して溶媒を減圧除去する。   Add 1 mL of the above lecithin solution and 50 μL of the above biotin-modified phosphatidylethanolamine solution to 20 mL of ethanol and mix well. The mixed solution thus obtained is treated with a rotary evaporator in a 40 ° C. bath under vacuum for 1 hour or longer to remove the solvent under reduced pressure.

次に、得られた生成物に、25mg/mLのGDH酵素緩衝溶液50μL、5mg/mLのDI酵素緩衝溶液50μL、50mMのNADH緩衝溶液50μLを混合してから加え、30〜60秒、超音波バスにつける。その際、ポリテトラフルオロエチレン製スクレーパーによりリン脂質フィルムをかきとるように混ぜる。   Next, 50 μL of 25 mg / mL GDH enzyme buffer solution and 50 μL of 5 mg / mL DI enzyme buffer solution and 50 μL of 50 mM NADH buffer solution were added to the obtained product, and added for 30 to 60 seconds. Put on the bus. At that time, the phospholipid film is scraped off with a polytetrafluoroethylene scraper.

次に、上記のようにして得られたリポソーム溶液を1.5mLのチューブに移し、50μLの100mMリン酸緩衝液で残りのリポソーム溶液も回収し、1mLの100mMリン酸緩衝液を用いて1500g、4minの条件での遠心分離により2回、洗浄する。   Next, the liposome solution obtained as described above is transferred to a 1.5 mL tube, and the remaining liposome solution is also collected with 50 μL of 100 mM phosphate buffer, and 1500 g using 1 mL of 100 mM phosphate buffer, Wash twice by centrifugation at 4 min.

こうして得たGDH、DIおよびNADH封入ビオチン修飾リポソームを600μLの0.1Mリン酸緩衝液に懸濁させて、終濃度1mMになるようにアムホテリシンBを添加し、ボルテックスで混合する。   GDH, DI and NADH encapsulated biotin-modified liposomes thus obtained are suspended in 600 μL of 0.1 M phosphate buffer, amphotericin B is added to a final concentration of 1 mM, and mixed by vortexing.

以上のようにして、GDH、DIおよびNADHが封入され、アムホテリシンBが結合したビオチン修飾リポソームが作製される。   As described above, biotin-modified liposomes in which GDH, DI, and NADH are encapsulated and amphotericin B is bound are prepared.

次のようにしてアビジン修飾電極を作製した。
均一な粒子径のグラファイトパウダーと接着剤として用いるパラフィンオイルとを混合したカーボンペースト(ビー・エー・エス株式会社製)200mgにアビジンアガロースビーズ懸濁液100μLを加え、めのう乳鉢上で軽い力で練り込む。次に、こうして得られたアビジン含有カーボンペーストをデシケーター内で1時間以上乾燥させた後、上面にポケット部(凹部)を有する電極のポケット部に練り込む。この後、この電極の上面側をコピー紙に円を描くように押し付け、表面を平らにした。
以上のようにしてアビジン修飾電極が作製される。
An avidin modified electrode was produced as follows.
Add 100 μL of avidin agarose bead suspension to 200 mg of carbon paste (manufactured by BAS Co., Ltd.) mixed with graphite powder of uniform particle size and paraffin oil used as an adhesive, and knead with light force on an agate mortar. Include. Next, the avidin-containing carbon paste thus obtained is dried in a desiccator for 1 hour or more, and then kneaded into a pocket portion of an electrode having a pocket portion (concave portion) on the upper surface. Thereafter, the upper surface side of the electrode was pressed in a circle on a copy paper to flatten the surface.
An avidin modified electrode is produced as described above.

次に、次のようにして、GDH、DIおよびNADHが封入され、アムホテリシンBが結合したビオチン修飾リポソームをアビジン修飾電極に固定化した。   Next, GDH, DI, and NADH were encapsulated and biotin-modified liposomes bound with amphotericin B were immobilized on an avidin-modified electrode as follows.

まず、上記のようにして作製されたビオチン修飾リポソーム300μLに、上記のようにして作製されたアビジン修飾電極を浸漬する。そして、1時間、室温でインキュベーションを行った後、0.1Mリン酸緩衝液500μLで2回洗浄する。   First, the avidin-modified electrode prepared as described above is immersed in 300 μL of the biotin-modified liposome prepared as described above. Then, after incubation at room temperature for 1 hour, the cells are washed twice with 500 μL of 0.1 M phosphate buffer.

図52に、GDH、DIおよびNADHが封入され、アムホテリシンBが結合したビオチン修飾リポソームをアビジン修飾電極に固定化したものを示す。図52に示すように、電極103の上面に設けたポケット部103aにカーボンペースト電極104が埋め込まれ、このカーボンペースト電極104にアビジン101が固定化されている。そして、このアビジン101とリポソーム12のビオチン102とが結合することにより、カーボンペースト電極104にリポソーム12が結合し、固定化されている。リポソーム12の内部の水相12aに封入された酵素13、14および補酵素15はそれぞれGDH、DIおよびNADHである。   FIG. 52 shows a biotin-modified liposome in which GDH, DI, and NADH are encapsulated and amphotericin B is bound to an avidin-modified electrode. As shown in FIG. 52, a carbon paste electrode 104 is embedded in a pocket portion 103 a provided on the upper surface of the electrode 103, and the avidin 101 is fixed to the carbon paste electrode 104. The avidin 101 and the biotin 102 of the liposome 12 are bonded to each other, so that the liposome 12 is bonded to the carbon paste electrode 104 and immobilized. Enzymes 13 and 14 and coenzyme 15 enclosed in aqueous phase 12a inside liposome 12 are GDH, DI and NADH, respectively.

上記のようにして作製されたリポソーム固定化電極(以下、必要に応じてAviCPE−BioLipoと略称)の電気化学応答を測定した。第1の比較例として、図53に示すように、カーボンペースト電極104にアビジン101が固定化されていないことを除いて上記と同様なリポソーム固定化電極(以下、必要に応じてCPE−BioLipoと略称)を作製した。第2の比較例として、図54に示すように、リポソーム12にビオチン102が結合していないことを除いて上記と同様なリポソーム固定化電極(以下、必要に応じてAviCPE−Lipoと略称)を作製した。第3の比較例として、図55に示すように、カーボンペースト電極104にアビジン101が固定化されていないこと、および、リポソーム12にビオチン102が結合していないことを除いて上記と同様なリポソーム固定化電極(以下、必要に応じてCPE−Lipoと略称)を作製した。   The electrochemical response of the liposome-immobilized electrode prepared as described above (hereinafter abbreviated as AviCPE-BioLipo if necessary) was measured. As a first comparative example, as shown in FIG. 53, a liposome-immobilized electrode similar to the above except that the avidin 101 is not immobilized on the carbon paste electrode 104 (hereinafter referred to as CPE-BioLipo as necessary). (Abbreviation) was prepared. As a second comparative example, as shown in FIG. 54, a liposome-immobilized electrode similar to the above except that biotin 102 is not bound to the liposome 12 (hereinafter abbreviated as AviCPE-Lipo as necessary). Produced. As a third comparative example, as shown in FIG. 55, a liposome similar to the above except that avidin 101 is not immobilized on carbon paste electrode 104 and biotin 102 is not bound to liposome 12. A fixed electrode (hereinafter abbreviated as CPE-Lipo as needed) was produced.

2mLのチューブに0.1Mリン酸緩衝液180μL、終濃度1mMになるように10mMのQ0緩衝溶液20μLを加え、これに対極として白金ワイヤー、参照電極としてAg|AgCl、作用電極として上記の四種類のリポソーム固定化電極(AviCPE−BioLipo、CPE−BioLipo、AviCPE−Lipo、CPE−Lipo)を浸漬させ、電位をAg|AgClに対して+0.3Vに設定し、クロノアンペロメトリーを行った。測定開始後、終濃度100mMになるように20μLの1Mグルコース溶液を加えた。クロノアンペロメトリーの結果を図56に示す。図56の各電流(I)−時間曲線は0.03μAのオフセットが加算されて示されているが、ベース電流値は同程度である。図56から、カーボンペースト電極104にアビジン101が固定化され、かつリポソーム12にビオチン102が結合しているリポソーム固定化電極(AviCPE−BioLipo)を用いた場合だけ、グルコースの添加時に0.015μA→0.023μAと他のリポソーム固定化電極(CPE−BioLipo、AviCPE−Lipo、CPE−Lipo)に比べて比較的高い電流値応答が見られることが分かる。   Add 180 μL of 0.1 M phosphate buffer and 20 μL of 10 mM Q0 buffer solution to a final concentration of 1 mM into a 2 mL tube, and add platinum wire as a counter electrode, Ag | AgCl as a reference electrode, and the above four types as a working electrode. The liposome-immobilized electrode (AviCPE-BioLipo, CPE-BioLipo, AviCPE-Lipo, CPE-Lipo) was dipped, the potential was set to +0.3 V with respect to Ag | AgCl, and chronoamperometry was performed. After the start of measurement, 20 μL of 1M glucose solution was added so that the final concentration was 100 mM. The results of chronoamperometry are shown in FIG. Each current (I) -time curve in FIG. 56 is shown with an offset of 0.03 μA added, but the base current values are comparable. From FIG. 56, when using a liposome-immobilized electrode (AviCPE-BioLipo) in which avidin 101 is immobilized on the carbon paste electrode 104 and biotin 102 is bound to the liposome 12, 0.015 μA → It turns out that a comparatively high electric current value response is seen compared with 0.023 microampere and other liposome fixed electrodes (CPE-BioLipo, AviCPE-Lipo, CPE-Lipo).

以上のように、この第8の実施の形態によれば、脂質2分子膜に抗生物質16が結合して穴17が形成されるとともに、ステロール18が結合したリポソーム12の内部に、グルコースを分解するための酵素反応に必要な酵素13、14および補酵素15を封入している。そして、電極11にアビジン101を固定化するとともに、リポソーム12にビオチン102を結合し、電極11に固定化したアビジン101とリポソーム12に結合したビオチン102とを結合させることにより、電極11にリポソーム12を固定化している。このため、第1の実施の形態と同様な利点に加えて、電極11にリポソーム12を容易かつ確実にしかも強固に固定化することができるという利点を得ることができる。このリポソーム固定化電極は、例えば、バイオ燃料電池の負極として用いて好適なものである。   As described above, according to the eighth embodiment, the antibiotic 16 is bonded to the lipid bilayer membrane to form the hole 17, and glucose is decomposed inside the liposome 12 to which the sterol 18 is bonded. Enzymes 13 and 14 and a coenzyme 15 necessary for the enzyme reaction to enclose are encapsulated. The avidin 101 is immobilized on the electrode 11, the biotin 102 is bound to the liposome 12, and the avidin 101 immobilized on the electrode 11 and the biotin 102 bound to the liposome 12 are bound, whereby the liposome 12 is bound to the electrode 11. Is fixed. For this reason, in addition to the advantage similar to 1st Embodiment, the advantage that the liposome 12 can be fixed to the electrode 11 easily and reliably and firmly can be acquired. This liposome-immobilized electrode is suitable for use as, for example, a negative electrode of a biofuel cell.

〈9.第9の実施の形態〉
[酵素固定化電極]
図57はこの第9の実施の形態による酵素固定化電極を示す。この酵素固定化電極においては、基質としてグルコースを用いる。
<9. Ninth Embodiment>
[Enzyme immobilized electrode]
FIG. 57 shows an enzyme-immobilized electrode according to the ninth embodiment. In this enzyme-immobilized electrode, glucose is used as a substrate.

図57に示すように、この酵素固定化電極においては、アビジン101が4個のビオチン結合ポケットを有することを利用して、電極11の表面に多層のリポソーム12が固定化されている。すなわち、第8の実施の形態と同様に、電極11の表面に固定化されたアビジン101とリポソーム12に結合したビオチン102とが不可逆的に特異的に結合することにより、電極11の表面にリポソーム12が固定化されている。これに加えて、この場合、この電極11の表面に固定化されたリポソーム12には複数(図57に示す例では二つ)のビオチン102が結合している。この電極11の表面に固定化されたリポソーム12の、電極11の表面への固定化に用いられていないビオチン102は、電極11の表面に固定化されていないアビジン101と結合している。そして、このアビジン101と他のリポソーム12に結合した一つまたは二つ以上のビオチン102とが結合することにより、リポソーム12同士が互いに結合している。こうして、電極11の表面に多層のリポソーム12が固定化されている。その他のことは第8の実施の形態と同様である。   As shown in FIG. 57, in this enzyme-immobilized electrode, multilayer liposome 12 is immobilized on the surface of electrode 11 by utilizing the fact that avidin 101 has four biotin binding pockets. That is, as in the eighth embodiment, the avidin 101 immobilized on the surface of the electrode 11 and the biotin 102 bound to the liposome 12 are irreversibly and specifically bound to each other, thereby causing the liposome on the surface of the electrode 11. 12 is fixed. In addition, in this case, a plurality of (two in the example shown in FIG. 57) biotins 102 are bound to the liposome 12 immobilized on the surface of the electrode 11. Biotin 102 that is not used for immobilizing liposome 12 immobilized on the surface of electrode 11 on the surface of electrode 11 is bonded to avidin 101 that is not immobilized on the surface of electrode 11. And this avidin 101 and the one or two or more biotin 102 couple | bonded with the other liposome 12 couple | bond together, and the liposomes 12 mutually couple | bond together. Thus, the multilayer liposome 12 is immobilized on the surface of the electrode 11. Others are the same as in the eighth embodiment.

[酵素固定化電極の製造方法]
この酵素固定化電極を製造するためには、第8の実施の形態による酵素固定化電極と同様にしてリポソーム12を電極11上に固定化した後、例えば、アビジン101またはアビジンアガロースビーズを加えることで、リポソーム12を積層させる。この場合、加えるアビジンの量やリポソーム12を構成する脂質2分子膜中のビオチン修飾脂質の比を調整することにより、積層するリポソーム12の層の厚さやリポソーム12の密度などを制御することができる。
この第9の実施の形態によれば、第8の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
[Method for producing enzyme-immobilized electrode]
In order to manufacture this enzyme-immobilized electrode, after the liposome 12 is immobilized on the electrode 11 in the same manner as the enzyme-immobilized electrode according to the eighth embodiment, for example, avidin 101 or avidin agarose beads are added. Then, the liposome 12 is laminated. In this case, by adjusting the amount of avidin to be added and the ratio of biotin-modified lipid in the lipid bilayer membrane constituting the liposome 12, the layer thickness of the liposome 12 to be laminated, the density of the liposome 12 and the like can be controlled. .
According to the ninth embodiment, the same advantages as in the eighth embodiment can be obtained.

以上、この発明の実施の形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。   Although the embodiments and examples of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications based on the technical idea of the present invention. Is possible.

例えば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、構造、構成、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、材料などを用いてもよい。   For example, the numerical values, structures, configurations, shapes, materials, and the like given in the above-described embodiments and examples are merely examples, and different numerical values, structures, configurations, shapes, materials, etc. are used as necessary. Also good.

なお、アビジンとビオチンとの特異的な結合などを用いたこの発明によるリポソームの電極への固定化方法は、リポソームを構成する脂質2分子膜がグルコースの透過が可能な穴を有しない場合にも有効な方法である。例えば、この電極を燃料電池の負極に用いる場合、燃料はグルコースに限定されず、アルコールを始めとした各種の燃料を用いることができる。   The method of immobilizing the liposomes on the electrode according to the present invention using specific binding between avidin and biotin, etc. is also used when the lipid bilayer membrane constituting the liposome does not have a hole through which glucose can permeate. It is an effective method. For example, when this electrode is used for the negative electrode of a fuel cell, the fuel is not limited to glucose, and various fuels including alcohol can be used.

11…電極、12…リポソーム、13、14…酵素、15…補酵素、16…抗生物質、17…穴、18…ステロール、21…負極、22…正極、23…電解質層、41、42…Ti集電体、43、44…固定板、47…負荷、81、90…細胞膜、85…外膜、86…内膜、101…アビジン、102…ビオチン   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Electrode, 12 ... Liposome, 13, 14 ... Enzyme, 15 ... Coenzyme, 16 ... Antibiotic, 17 ... Hole, 18 ... Sterol, 21 ... Negative electrode, 22 ... Positive electrode, 23 ... Electrolyte layer, 41, 42 ... Ti Current collector, 43, 44 ... Fixing plate, 47 ... Load, 81, 90 ... Cell membrane, 85 ... Outer membrane, 86 ... Inner membrane, 101 ... Avidin, 102 ... Biotin

Claims (20)

正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
少なくとも一種の上記酵素がリポソームに封入されており、
上記リポソームを構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合している燃料電池。
The positive electrode and the negative electrode have a structure facing each other through a proton conductor, and are configured to extract electrons from the fuel using an enzyme,
At least one of the above enzymes is encapsulated in the liposome,
A fuel cell in which an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol are bound to a lipid bimolecular membrane constituting the liposome.
上記酵素および補酵素を用いて上記燃料から電子を取り出すように構成され、少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の補酵素が上記リポソームに封入されている請求項1記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is configured to take out electrons from the fuel using the enzyme and the coenzyme, and at least one kind of the enzyme and at least one coenzyme are encapsulated in the liposome. 上記リポソームを構成する脂質2分子膜に対する上記ステロールの重量比が1/4以上1/3以下である請求項2記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 2, wherein the weight ratio of the sterol to the lipid bilayer membrane constituting the liposome is from 1/4 to 1/3. 上記抗生物質はアムホテリシンBまたはイオノホアである請求項3記載の燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 3, wherein the antibiotic is amphotericin B or ionophore. 上記ステロールはコレステロール、エルゴステロール、コプロスタノール、シトステロールおよびスチグマステロールからなる群より選ばれた少なくとも一つである請求項4記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 4, wherein the sterol is at least one selected from the group consisting of cholesterol, ergosterol, coprostanol, sitosterol and stigmasterol. 上記リポソームが上記負極に固定化されている請求項5記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 5, wherein the liposome is immobilized on the negative electrode. 上記負極に固定化された第1の物質と上記リポソームに結合した第2の物質とが互いに結合している請求項6記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 6, wherein the first substance immobilized on the negative electrode and the second substance bonded to the liposome are bonded to each other. 上記第1の物質と上記第2の物質との組み合わせが、アビジンとビオチン、抗原と抗体、プロテインAと免疫グロブリンIg G、プロテインGと免疫グロブリンIg G、糖分子とレクチン、DNAと相補鎖DNA、グルタチオンとグルタチオンS−トランスフェラーゼ、ヘパリンとヘパリン結合性分子、ホルモンとホルモン受容体またはカルボン酸とイミドである請求項7記載の燃料電池。 Combination of the first substance and the second substance, avidin and biotin, antigen and antibody, protein A and immunoglobulin I g G, protein G and immunoglobulin I g G, sugar molecule and a lectin, a DNA complementary The fuel cell according to claim 7, which is a strand DNA, glutathione and glutathione S-transferase, heparin and heparin-binding molecule, hormone and hormone receptor or carboxylic acid and imide. 少なくとも二つの上記リポソーム間が互いに結合している請求項7記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 7, wherein at least two liposomes are bonded to each other. 正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、酵素を用いて燃料から電子を取り出す燃料電池を製造する場合に、少なくとも一種の上記酵素をリポソームに封入した後、上記リポソームを構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールを結合させる工程を有する燃料電池の製造方法。   When manufacturing a fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed to each other through a proton conductor and taking out electrons from fuel using an enzyme, after encapsulating at least one kind of the enzyme in the liposome, A method for producing a fuel cell, comprising a step of binding an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol to a lipid bimolecular membrane constituting the same. 上記燃料電池は上記酵素および補酵素を用いて上記燃料から電子を取り出し、少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の補酵素を上記リポソームに封入する請求項10記載の燃料電池の製造方法。   The method for producing a fuel cell according to claim 10, wherein the fuel cell takes out electrons from the fuel using the enzyme and the coenzyme, and encapsulates at least one type of the enzyme and at least one type of coenzyme in the liposome. 一つまたは複数の燃料電池を用い、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
少なくとも一種の上記酵素がリポソームに封入されており、
上記リポソームを構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合している燃料電池である電子機器。
Using one or more fuel cells,
At least one of the fuel cells is
The positive electrode and the negative electrode have a structure facing each other through a proton conductor, and are configured to extract electrons from the fuel using an enzyme,
At least one of the above enzymes is encapsulated in the liposome,
An electronic device that is a fuel cell in which an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol are bonded to a lipid bimolecular membrane constituting the liposome.
上記酵素および補酵素を用いて上記燃料から電子を取り出すように構成され、少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の補酵素が上記リポソームに封入されている請求項12記載の電子機器。   13. The electronic device according to claim 12, wherein the electronic device is configured to take out electrons from the fuel using the enzyme and the coenzyme, and at least one kind of the enzyme and at least one coenzyme are encapsulated in the liposome. 少なくとも一種の酵素が封入されたリポソームが固定化されており、
上記リポソームを構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合している酵素固定化電極。
A liposome encapsulating at least one enzyme is immobilized,
An enzyme-immobilized electrode in which an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol are bound to a lipid bimolecular membrane constituting the liposome.
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の補酵素が上記リポソームに封入されている請求項14記載の酵素固定化電極。   The enzyme-immobilized electrode according to claim 14, wherein at least one enzyme and at least one coenzyme are encapsulated in the liposome. 酵素を用い、
少なくとも一種の上記酵素がリポソームに封入されており、
上記リポソームを構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合しているバイオセンサー。
Using enzymes,
At least one of the above enzymes is encapsulated in the liposome,
A biosensor in which an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol are bound to a lipid bimolecular membrane constituting the liposome.
少なくとも一種の酵素が封入されたリポソームを用い、上記リポソームを構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合しているエネルギー変換素子。   An energy conversion element, wherein a liposome encapsulating at least one enzyme is used, and an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol are bound to a lipid bimolecular membrane constituting the liposome. 細胞膜を構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合している細胞。   A cell in which an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol are bound to a lipid bimolecular membrane constituting the cell membrane. 細胞膜を構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合している細胞小器官。   An organelle in which an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol are bound to a lipid bimolecular membrane constituting a cell membrane. 細胞膜を構成する脂質2分子膜に、グルコースの透過が可能な穴を有する抗生物質およびステロールが結合している細菌。   A bacterium in which an antibiotic having a hole capable of permeating glucose and a sterol are bound to a lipid bimolecular membrane constituting a cell membrane.
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