JP2016524800A - 無細胞の合成酵素経路を用いることによる、電気への糖の完全酸化の方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、その内容が参照により本明細書に全面的に組み入れられる、2013年6月5日に出願した米国仮出願第61/831,346号の恩典を主張する。
本発明は、生体電気の分野に関する。より具体的には、本発明は、様々な再生可能な糖中に貯蔵された化学エネルギーを有用な電気に変換することができる、エネルギー生成システム、方法、および装置を提供する。特定の態様において、本発明は、酵素燃料電池を用いて六炭糖および五炭糖に由来する化学エネルギーを電気に変換するための新規の合成酵素経路、ならびに操作された機能および/または新しく発見された機能を有するいくつかの鍵となる酵素(key enzyme)に関する。
電池(battery)は、電気貯蔵装置である。充電式電池が、現在利用可能である。しかし、そのような充電式電池のエネルギー貯蔵密度は、水素燃料または液体燃料のエネルギー貯蔵密度よりはるかに低い(図1、パネルAおよびパネルB)。エネルギー貯蔵密度がより高く、全ライフサイクルを通してのコストがより低く、環境影響が弱められ、かつ安全性が高められている、より優れた充電式電池が明らかに必要とされている(図1、パネルC)。
本発明は、糖中に貯蔵された化学エネルギーを電気に変換するための方法を提供する。一定の態様において、本発明は、酵素燃料電池を用いて六炭糖および五炭糖に由来する化学エネルギーを電気に変換するための合成(人工)酵素経路を提供する。本発明の好ましい態様において、糖電池は、化学エネルギーを電気に変換するのに使用される。本発明の多くの利点の内の1つは、本明細書において開示する糖電池が、現在使用されている酵素燃料電池および充電式電池のエネルギー密度の約10倍大きい可能性があるエネルギー密度を有するということである。本発明の糖電池の他の利点には、低価格の供給原料、穏やかな(modest)反応条件、および低価格の触媒(例えば酵素)の利用、高いエネルギー貯蔵密度、少ない安全性懸念(例えば、爆発も引火性もない)、すべての材料および触媒の豊富な供給、迅速な補充、炭素排出がないこと、環境に優しいこと、ならびに多種多様の用途における有用性が含まれるが、それらに限定されるわけではない。
本発明の経路は、特定の糖の貯蔵エネルギーを有用な電気に変換するための特異的酵素を含む。糖燃料の全面的な利用は、NAD+またはそのバイオミメティック類似体(またはバイオミミック)の存在下でG6P (グルコース6-リン酸)を酸化することによって、可能である。本発明の態様の利点には、G6PおよびX5P(キシルロース5-リン酸)を直接的に使用せず、出発原料として糖を使用できることが含まれる。これにより、G6PおよびX5Pの低価格供給源が提供される。解糖経路および糖新生経路に由来する酵素と共に改変ペントースリン酸経路を使用し、併せてNAD+またはそのバイオミミックをNADHまたはそのバイオミミックに完全に変換することよって、出発原料(例えば、燃料としての糖)は効率的に使用され、これは、これまでは実現していなかったことである。
1つの態様において、経路は、経路1として提供される。経路1は、グルコースから始まる。グルコースは、オリゴ糖および多糖の簡単な加水分解または加リン酸分解によって生成され得る。G6Pは、ポリリン酸-グルコキナーゼ(PPGK、EC 2.7.1.6、ポリリン酸-グルコースホスホトランスフェラーゼ)による「グルコース+(Pi)n→G6P+(Pi)n-1」として、またはヘキソキナーゼ(HK、EC 2.7.1.1)による「グルコース+ATP→G6P+ADP」(ここで、ATPは、ポリリン酸キナーゼ(PPK、EC 2.7.4.1)もしくはポリリン酸:AMPホスホトランスフェラーゼ(PPT、EC 2.7.4.B2)とポリリン酸非依存性アデニル酸キナーゼ(ADK、EC 2.7.4.3)の組合せによるADP+(Pi)n→ATP+(Pi)n-1として、ポリリン酸を用いて(at the cost of)生成され得る)として、生成され得る。G6Pの完全酸化後、化学的手段または生物学的手段によって遊離リン酸を再生して、ポリリン酸を生成することができる。
別の態様において、経路は、経路2として提供される。経路2は、フルクトースから始まる。フルクトースは、グルコース(キシロース)イソメラーゼ(EC 5.3.1.5)によってグルコースに変換され得、次いで、グルコースは、上記の経路(経路1)を通じて処理される。別の態様において、グルコースは、酵素ソルビトールデヒドロゲナーゼ(EC 1.1.1.14)およびアルデヒドレダクターゼ(EC 1.1.1.21)の併用によって、生成され得る。
別の態様において、経路は、経路3として提供される。経路3は、マンノースから始まる。1つの態様において、マンノースは、マンノースイソメラーゼ(EC 5.3.1.7)によってフルクトースに変換され得、次いで、フルクトースは、経路2を通じて処理される。別の態様において、マンノースは、2つの酵素(ポリリン酸-グルコースマンノースホスホトランスフェラーゼ、EC 2.7.1.63およびホスホマンノースイソメラーゼ、EC 5.3.1.8)によってフルクトース6-リン酸に変換され得、次いで、フルクトース6-リン酸は、解糖経路および糖新生経路に由来する酵素と協力した改変ペントースリン酸経路(改変PPP)を通じて処理される。別の態様において、フルクトース6-リン酸は、3種の酵素、すなわち、マンノース+(Pi)n→フルクトース6-リン酸+(Pi)n-1という全体的反応をもたらすポリリン酸キナーゼ(EC 2.7.4.1)、ヘキソキナーゼ(EC 2.7.1.1)、およびホスホマンノースイソメラーゼ(EC 5.3.1.8)を用いることによって、生成させる。
別の態様において、経路は、経路4として提供される。経路4は、ガラクトースから始まる。5種の酵素が協力して、ガラクトース+(Pi)n→グルコース6-リン酸+(Pi)n-1という全体的反応において、ガラクトースをグルコース6-リン酸に変換する。これらの5種の酵素は、ポリリン酸キナーゼ(EC 2.7.4.1)、ガラクトキナーゼ(EC 2.7.16)、UDP-グルコース-ヘキソース-1-リン酸ウリジルトランスフェラーゼ(EC 2.7.7.12)、UDP-ガラクトース-4-エピメラーゼ(EC 5.1.3.2)、およびホスホグルコムターゼ(EC 5.4.2.2)である。
別の態様において、経路は、経路5として提供される。経路5は、マルトデキストリンから始まる。DP(重合度)=nのマルトデキストリンは、マルトデキストリンホスホリラーゼ(EC 2.4.1.1)およびマルトースホスホリラーゼ(EC 2.4.1.8)によって、(n-1)グルコース-1-リン酸およびグルコースに変換され得る。グルコース1-リン酸は、ホスホグルコムターゼ(EC 5.4.2.2)とそれに続く、解糖経路および糖新生経路に由来する酵素を伴うPPPによって生成し、グルコースは、経路1を通じて処理される。
別の態様において、経路は、経路6として提供される。経路6は、スクロースから始まる。スクロースは、スクロースホスホリラーゼ(EC 2.4.1.7)によって、グルコース1-リン酸およびフルクトースに変換され得る。フルクトースおよびグルコース1-リン酸は、経路2を通じて、およびホスホグルコムターゼ(EC 5.4.2.2)によって、それぞれ処理され得る。
別の態様において、経路は、経路7として提供される。経路7は、限定されるわけではないがセロビオースおよびセロデキストリンを含む、水溶性セロデキストリンから始まる。DP=nのセロデキストリンは、セロビオースホスホリラーゼ(EC 2.4.1.20)およびセロデキストリンホスホリラーゼ(EC 2.4.1.49)によって、(n-1)グルコース1-リン酸およびグルコースに変換され得る。残りの経路は、経路5と同じであってよい。
別の態様において、経路は、経路8として提供される。経路8は、スクロースから始まる。スクロースは、スクラーゼ(EC 3.2.1.10)によってグルコースおよびフルクトースに加水分解され得る。これらの生成物は、それぞれ経路1および経路2に入ることができる。
別の態様において、経路は、経路9として提供される。経路9は、ラクトースから始まる。1つの態様において、ラクトースは、ラクターゼ(EC 3.2.1.23)によってグルコースおよびガラクトースに加水分解され得る。別の態様において、ラクトースは、ラクトースホスホリラーゼによってガラクトース1‐リン酸およびグルコースに加リン酸分解され得る。これらの生成物は、経路1および経路4に入ることができる。
別の態様において、経路は、経路10として提供される。経路10は、デンプン、グリコーゲン、マルトース、またはマルトデキストリンから始まる。デンプンまたはグリコーゲンは、α-アミラーゼ(EC 3.2.1.1)ならびに他のデンプン加水分解酵素、例えば、イソアミラーゼ(EC 3.2.1.68)、プルラナーゼ(EC 3.2.1.41)を用いることによって、マルトデキストリンおよびマルトースに部分的に加水分解され得る。デンプン、マルトース、またはマルトデキストリンは、グルコアミラーゼ(EC 3.2.1.3)、α-アミラーゼ(EC 3.2.1.1)、および他のデンプン加水分解酵素によって、グルコースに加水分解され得る。グルコースは、経路1に入ることができる。
別の態様において、経路は、経路11として提供される。経路11は、不溶性セルロースまたは前処理されたバイオマスから始まる。不溶性セルロースまたは前処理されたバイオマスは、個々のエンドグルカナーゼ(EC 3.2.1.4)および/もしくはセロビオヒドロラーゼ(EC 3.2.1.74)またはそれらの組合せによって、可溶性セロデキストリンに加水分解され得る。生成物である可溶性セロデキストリンおよびグルコースは、経路1および経路7に入ることができる。
別の態様において、経路は、経路12として提供される。経路12は、DP=nである直鎖状デンプン(アミロース)またはそれらの短い断片から始まる。(n-1)グルコース1-リン酸およびグルコースは、デンプンホスホリラーゼ(EC 2.4.1.1)およびマルトースホスホリラーゼ(EC 2.4.18)によって、デンプンおよび遊離リン酸から生成され得る。ホスホグルコムターゼによるグルコース1-リン酸のグルコース6-リン酸への変換後、G6Pは、発電のためにPPPに入る。
別の態様において、経路は、経路13として提供される。経路13は、分枝状デンプン(アミロペクチン)またはグリコーゲンから始まる。デンプンホスホリラーゼまたはグリコーゲンホスホリラーゼ(EC 2.4.1.1)によって直鎖中の大半のグルコース単位を除去して、グルコース1-リン酸を生成することができる。分岐点の端で、デンプン脱分枝酵素またはプルラナーゼ(EC 3.2.1.41)を用いて、さらなる変換を促進することができる。少量生成物であるグルコースは、経路1を通じてG6Pを生成するのに使用され得る。
別の態様において、経路は、経路14として提供される。経路14は、キシロースから始まる。キシロースは、キシロースイソメラーゼ(XI、EC 5.3.1.5)によってキシルロースに変換され、次いで、ATPを用いることにより、キシルロキナーゼ(XK、EC 2.7.1.17)によってキシルロース5-リン酸に変換される。ATPは、ポリリン酸キナーゼ(PPK、EC 2.7.4.1)またはポリリン酸:AMPホスホトランスフェラーゼ(PPT、EC 2.7.4.B2)とポリリン酸非依存性アデニル酸キナーゼ(ADK、EC 2.7.4.3)の組合せによって、ADP+(Pi)n→ATP+(Pi)n-1として再生され得る。生成物のキシルロース5-リン酸は、非酸化的ペントースリン酸経路を介してG6Pに変換され得る。次いで、G6Pが消費されて、経路1を通じてNADHまたはそのバイオミミックを生成する。
別の態様において、経路は、経路15として提供される。経路15は、キシロースから始まる。キシロースは、キシロースイソメラーゼ(XI、EC 5.3.1.5)によってキシルロースに変換され、次いで、ポリリン酸を用いることによりポリリン酸キシルロキナーゼ(PPXK、EC NA)によってキシルロース5-リン酸に変換される。生成物のキシルロース5-リン酸は、非酸化的ペントースリン酸経路を介してG6Pに変換され得る。次いで、G6Pが消費されて、経路1を通じてNADHまたはそのバイオミミックを生成する。
(C6H10O5)n+Pi→G6P+(C6H10O5)n-1 [1]
G6P+H2O+2NAD+→リブロース-5-リン酸+CO2+2NADH+2H+ [2]
NADH+H+→2H++2e- [3]
6リブロース-5-リン酸+H2O→5G6P+リン酸 [4]
C6H10O5+7H2O→24e-+6CO2+24H+ (アノード区画) [5]
いくつかの態様において、酵素は、ゲル閉じ込め、物理的吸着、化学的共有結合連結、ならびにナノ粒子およびナノチューブを用いた固定を含む様々な方法を用いて固定する。これらの方法は、市販の中温性酵素を固定して遅い反応速度を心配することなく安定性を高めることにより、再生可能なシグナルを実現することに重点を置く、バイオセンサーから始まった。
いくつかの態様において、電子メディエーターが、アノード表面に固定される。
いくつかの態様において、EFCは、キュベットを基にしたEFCである(図20)。組み合わせられた電極材料、プラスチックキュベット、および膜電極集合体の重量は、装置重量全体の約20%を占めるためである。このようなバイオ電池は、エネルギー密度がより優れており環境影響が少ないため、環境に優しい使い捨ての一次電池とみなすことができる。いくつかの態様において、キュベットを基にしたEFC 2個からなるスタックは、デジタル時計およびLED光に電力を供給することができる(図20)。
本発明を用いて、無細胞の生体触媒において余分な還元型NADHまたはその等価物(バイオミミック)を除去し、補助因子を平衡状態にすることができる。
化学物質
タンパク質発現プラスミドを内部に持つ大腸菌BL21 Star(DE3)株を、100mg L-1アンピシリンまたは50mg L-1カナマイシンのいずれかを含むLB培地250mLを入れた1Lエルレンマイヤーフラスコ中でインキュベートした。250rpmで回転振盪しながら、細胞培養物の600nmにおける吸光度が0.6〜0.8に達するまで、細胞を37℃で増殖させた。18℃で一晩インキュベーションする間、100μMイソプロピル-β-D-チオガラクトピラノシド(IPTG)を添加することによって、タンパク質発現を誘導した。これらの細胞を4℃で遠心分離して回収し、0.3M NaClを含む20mM HEPES(pH7.5)で一回洗浄した。細胞沈殿物を同じ緩衝液に再懸濁し、超音波処理(Fisher Scientific製ソニックディスメンブレーターモデル500;5秒間の断続的な出力(pulse on and off)、50%振幅で合計300秒)によって溶解した。遠心分離後、上清中の目的タンパク質を精製した。
クロストリジウム・サーモセラム(Clostridium thermocellum)のα-グルカンホスホリラーゼ(αGP)の活性を、1mM MgCl2、5mM DTT、30mMマルトデキストリン、および10mMリン酸ナトリウムを含む100mM HEPES緩衝液(pH7.5)中、23℃で5分間、分析した。HClO4添加によって反応を停止し、続いてKOHで中和した。ホスホグルコムターゼ(PGM)を追加したグルコースヘキソキナーゼ/G6PDHアッセイキット(Pointe Scientific, Canton, MI, USA)を用いて、グルコース1-リン酸(G1P)を測定した。
空気を吸入する酵素燃料電池装置を図17に示す。アノード区画の反応体積は15mLであった。超高純度の窒素を30分間流すことによって、電解質から酸素を除去した。600rpmで磁石撹拌子を用いて、電解質を混ぜた。ナフィオン212膜を用いて、アノードと0.5mg cm-2 Ptで表面をコーティングしたカソードとを隔てた。アノード区画は、アノード区画を密閉するためのゴム栓が装備されたガラス製の電解質容器であった。
電気化学的試験はすべて、PCに接続された1000Bマルチポテンシオスタット(CH Instruments Inc., Austin, TX, USA)を用いて実施した。アノードで起こる反応が律速段階であり、MEA中のPtによって媒介されるプロトン酸化は律速ではなかったため、電流出力および電力出力に関連する実験データをアノード面積1cm2に対して標準化した。開路電位および線形掃引ボルタンメトリーの測定を走査速度1mVs-1で実施した。
非固定化酵素および固定化酵素の比較
各グルコース単位から最大限の潜在的電子(maximum electron potential)(すなわち、グルコース1個につき24個)を放出させるために、本発明者らは、13種の酵素を含む非天然酵素経路を設計した(図14)。この合成経路は、4つの機能的モジュールからなる:α-グルカンホスホリラーゼおよびホスホグルコムターゼによって媒介される、マルトデキストリンからのグルコース-6-リン酸(G6P)生成(化学反応式1);2つのNAD依存性のG6PDHおよび6-ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼ(6PGDH)によって媒介される、G6Pから生成される2個のNADH(化学反応式2);NADH 1個につき2個の電子を生成する、固定化VK3への非固定化DIを介したNADH電解酸化(化学反応式3);ならびにペントースリン酸経路、解糖経路、および糖新生経路の酵素からなる混成経路を介した、1モルのリブロース5-リン酸から5/6モルのG6Pの再生(化学反応式4)。化学反応式1〜4の組合せに対応する全体的アノード反応は、おおよそ、化学反応式5という結果になる。マルトデキストリンに由来する各グルコース単位が、この新規の経路を介して、アノード表面で24個の電子を生成できることが明らかである(化学反応式5)。
(C6H10O5)n+Pi→G6P+(C6H10O5)n-1 [1]
G6P+H2O+2NAD+→リブロース5-リン酸+CO2+2NADH+2H- [2]
NADH+H+→2H++2e- [3]
6リブロース5-リン酸+H2O→5G6P+リン酸 [4]
C6H10O5+7H2O→24e-+6CO2+24H+ (アノード区画) [5]
FNADH-電流=ΔC/(Δc×V×2×F)
式中、FNADH-電流は、NADHの電気酵素的酸化のファラデー効率であり、ΔCは電荷増加の合計の傾き(slope)(C)であり、ΔcはNADH濃度低下の傾き(M)であり、Vは反応体積(L)であり、2は、消費されたNADH 1つにつき生成される電子2個を表し、Fはファラデー定数である。
野生型ゲオバチルス・ステアロサーモフィルスG6PDH(GsG6PDH)はNADPよりもNADを好むが、バイオミミック(図7、化合物A〜E)を対象としない。合理的設計および/または一定方向への進化によるタンパク質工学の後、NMN(化合物A)を対象とする操作されたGsG6PDH(T13G/R46G)を作製した(図11)。
Claims (36)
- ヘキソース糖とポリリン酸、ATP、または遊離リン酸との化学反応によってグルコース6-リン酸(G6P)および6-ホスホグルコン酸(6PG)を生成する段階であって、
(i)ポリリン酸を使用する場合、ポリリン酸-グルコースホスホトランスフェラーゼの存在下でポリリン酸とヘキソース糖との化学反応が行われるか、
(ii)ATPを使用する場合、ヘキソキナーゼの存在下でATPとヘキソース糖との化学反応が行われ、その際、ポリリン酸キナーゼの存在下でADPとポリリン酸とを反応させることによってATPが再生されるか、または
(iii)遊離リン酸を使用する場合、グルカンホスホリラーゼおよびホスホグルコムターゼの存在下で遊離リン酸とヘキソース糖との化学反応が行われる、
段階;
水中でG6Pおよび6PGをNAD+またはその酸化型バイオミミックと反応させて、NADHまたはその還元型バイオミミックを得る段階;ならびに
アノード表面でNADHまたはその還元型バイオミミックを酸化してアノードで電子を生成する段階
を含む、ヘキソース糖から電子を生成するための方法。 - ペントースリン酸経路、解糖、および糖新生の混成経路を介してリブロース5-リン酸からG6Pを再生する段階をさらに含む、請求項1記載の方法。
- NAD+を利用するグルコース6-リン酸デヒドロゲナーゼおよび6-ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼの存在下で、G6Pおよび6PGをNAD+と反応させる、請求項1記載の方法。
- NAD+バイオミミックを利用する操作されたグルコース6-リン酸デヒドロゲナーゼおよび6-ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼの存在下で、G6Pおよび6PGを酸化型NAD+バイオミミックと反応させる、請求項1記載の方法。
- ヘキソース糖がグルコースまたはフルクトースである、請求項1記載の方法。
- (i)グルコース(キシロース)イソメラーゼを用いてフルクトースをグルコースに変換すること;または
(ii)ソルビトールデヒドロゲナーゼおよびアルデヒドレダクターゼを用いてフルクトースをグルコースに変換すること
によってグルコースを生成する、請求項5記載の方法。 - (i)マンノースイソメラーゼを用いてマンノースをフルクトースに変換すること;
(ii)ポリリン酸-グルコースマンノースホスホトランスフェラーゼおよびホスホマンノースイソメラーゼを用いてマンノースをフルクトース6-リン酸(F6P)に変換し、次いでホスホグルコースイソメラーゼによって該F6PをG6Pに変換すること;または
(iii)ポリリン酸キナーゼ、ヘキソキナーゼ、およびホスホマンノースイソメラーゼを用いてマンノースをフルクトース6-リン酸(F6P)に変換し、次いでホスホグルコースイソメラーゼによって該F6PをG6Pに変換すること
によってフルクトースを生成する、請求項5記載の方法。 - ヘキソース糖がデンプンまたはマルトデキストリンである、請求項1記載の方法。
- デンプンホスホリラーゼまたはマルトデキストリンホスホリラーゼおよびホスホグルコムターゼによって、リン酸およびデンプンまたはマルトデキストリンからG6Pを生成する、請求項8記載の方法。
- ヘキソース糖およびポリリン酸、ATP、または遊離リン酸からグルコース6-リン酸(G6P)を生成し、かつ該G6PをNAD+またはその酸化型バイオミミックと水中で反応させてNADHまたはその還元型バイオミミックを得ることができる、ヘキソース糖および酵素を含む溶液であって、
(i)ポリリン酸を使用する場合、ポリリン酸-グルコースホスホトランスフェラーゼの存在下でポリリン酸とヘキソース糖との化学反応が行われるか、
(ii)ATPを使用する場合、ヘキソキナーゼの存在下でATPとヘキソース糖との化学反応が行われ、その際、ポリリン酸キナーゼの存在下でADPとポリリン酸とを反応させることによってATPが再生されるか、または
(iii)遊離リン酸を使用する場合、グルカンホスホリラーゼおよびホスホグルコムターゼの存在下で遊離リン酸とヘキソース糖との化学反応が行われる、
溶液と;
任意で酵素で修飾したアノードと;
酵素で修飾した、または標準的な白金基準カソードと;
電解質と
を含む、糖電池であって、
任意で酵素で修飾したアノードが、前記溶液と接触しており、酵素で修飾した、または標準的な白金基準カソードと任意で酵素で修飾したアノードの両方が、前記電解質と接触しており、かつ
前記電解質が、金属イオン、NAD+もしくはNADHまたはそのバイオミミック、およびチアミンピロリン酸を含むpH調整緩衝液を含む、
糖電池。 - アノード表面でのNADHまたはその還元型バイオミミックの酸化を可能にしてアノードで電子を生成するように、機能的に構成されている、請求項10記載の電池。
- 六炭糖単量体またはオリゴヘキソースもしくはポリヘキソースに由来する1つもしくは複数の六炭糖をポリリン酸、ATP、または遊離リン酸と反応させることによってグルコース6-リン酸(G6P)を生成し、該G6PをNAD-またはその酸化型バイオミミックと水中で反応させてNADHまたはその還元型バイオミミックを得るための溶液であって、
(i)ポリリン酸を使用する場合、ポリリン酸-グルコースホスホトランスフェラーゼの存在下でポリリン酸と糖単量体との化学反応が行われるか、
(ii)ATPを使用する場合、ヘキソキナーゼの存在下でATPと糖単量体との化学反応が行われ、その際、ポリリン酸キナーゼの存在下でADPとポリリン酸とを反応させることによってATPが再生されるか、または
(iii)遊離リン酸を使用する場合、グルカンホスホリラーゼおよびホスホグルコムターゼの存在下で遊離リン酸とオリゴヘキソースまたはポリヘキソースとの化学反応が行われる、
溶液と;
NADHまたはその還元型バイオミミックをアノードで酸化して電子を生成し、かつプロトンをカソードへ送達するように、機能的に構成された燃料電池と
を含む、発電のためのシステム。 - カソードにおいてプロトンおよび酸素を水に変換するための触媒を該カソード上にさらに含む、請求項12記載のシステム。
- ペントース糖とポリリン酸またはATPとの化学反応からキシルロース5-リン酸(X5P)を生成する段階であって、
(i)ポリリン酸を使用する場合、キシロースイソメラーゼおよびポリリン酸キシルロキナーゼの存在下でペントース糖とポリリン酸との化学反応が行われるか、または
(ii)ATPを使用する場合、キシロースイソメラーゼおよびATPを利用する(based)キシルロキナーゼの存在下でペントース糖とATPとの化学反応が行われ、その際、ポリリン酸キナーゼもしくはポリリン酸:AMPホスホトランスフェラーゼおよびポリリン酸非依存性アデニル酸キナーゼの組合せの存在下でADPとポリリン酸とを反応させることによってATPが生成される、
段階;
ペントースリン酸経路にX5Pを入れて、G6Pを生成する段階;
水中でG6PをNAD+またはその酸化型バイオミミックと反応させて、NADHまたはその還元型バイオミミックを得る段階;ならびに
アノードの表面でNADHまたはその還元型バイオミミックを酸化してアノードで電子を生成する段階
を含む、ペントース糖から電子を生成するための方法。 - 五炭糖およびポリリン酸またはATPからキシルロース5-リン酸を生成し、非酸化的ペントースリン酸経路を介して該キシルロース5-リン酸からグルコース6-リン酸(G6P)を生成し、かつ該G6PをNAD+またはその酸化型バイオミミックと水中で反応させてNADHまたはその還元型バイオミミックを得ることができる、五炭糖および酵素を含む溶液であって、
a.ポリリン酸を使用する場合、ポリリン酸-キシロースキナーゼの存在下でポリリン酸と五炭糖との化学反応が行われるか、または
b.ATPを使用する場合、キシルロキナーゼの存在下でATPと五炭糖との化学反応が行われ、その際、ポリリン酸キナーゼの存在下でADPとポリリン酸とを反応させることによりATPが生成される、
溶液と;
任意で酵素で修飾したアノードと;
酵素で修飾した、または標準的な白金基準カソードと;
電解質と
を含む、糖電池であって、
任意で酵素で修飾したアノードが、前記溶液と接触しており、酵素で修飾した、または標準的な白金基準カソードと任意で酵素で修飾したアノードの両方が、前記電解質と接触しており、かつ
前記電解質が、金属イオン、NAD+もしくはNADHまたはそのバイオミミック、およびチアミンピロリン酸を含むpH調整緩衝液を含む、
糖電池。 - 五炭糖およびポリリン酸またはATPからキシルロース5-リン酸を生成し、非酸化的ペントースリン酸経路を介してキシルロース5-リン酸からグルコース6-リン酸(G6P)を生成し、かつ該G6PをNAD+またはその酸化型バイオミミックと水中で反応させてNADHまたはその還元型バイオミミックを得るための溶液であって、
(i)ポリリン酸を使用する場合、ポリリン酸-キシルロキナーゼの存在下でポリリン酸と五炭糖との化学反応が行われるか、または
(ii)ATPを使用する場合、キシルロキナーゼの存在下でATPと五炭糖との化学反応が行われ、その際、ポリリン酸キナーゼの存在下でADPとポリリン酸とを反応させることによりATPが生成される、
溶液と;
NADHまたはその還元型バイオミミックをアノードで酸化して電子を生成し、かつプロトンをカソードへ送達するように、機能的に構成された燃料電池と;
プロトンおよび酸素を水に変換するためのカソード触媒と
を含む、発電のためのシステム。 - pH調整緩衝液がHEPES緩衝液である、請求項10または15記載の糖電池。
- 金属イオンが、Mg2+およびMn2+からなる群より選択される1種類または複数種のイオンである、請求項10または15記載の糖電池。
- 糖からNADHまたはその還元型バイオミミックを生成する段階;および
NADHまたはその還元型バイオミミックを酸化してアノードで電子を生成する段階
を含む、糖から電子を生成するための方法であって、
グルコース6-リン酸デヒドロゲナーゼ、6-ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼ、リボース5-リン酸イソメラーゼ、リブロース5-リン酸3-エピメラーゼ、トランスケトラーゼ、トランスアルドラーゼ、トリオースリン酸イソメラーゼ、アルドラーゼ、フルクトース1,6-ビスホスファターゼ、およびホスホグルコースイソメラーゼを含む酵素群を用いて、NADHまたはその還元型バイオミミックを生成する、
方法。 - 糖がヘキソース糖またはペントース糖である、請求項19記載の方法。
- NADHまたはその還元型バイオミミックが、ジアホラーゼによって酸化される、請求項19記載の方法。
- NADHまたはその還元型バイオミミックが、ビタミンK3、ベンジルビオロゲン、またはそのバイオミメティックの内の1つまたは複数の存在下で酸化される、請求項21記載の方法。
- ビタミンK3、ベンジルビオロゲン、またはそのバイオミメティックの内の1つまたは複数がアノード表面に固定される、請求項22記載の方法。
- ビタミンK3、ベンジルビオロゲン、またはそのバイオミメティックの内の1つまたは複数がアノード区画中に遊離している、請求項22記載の方法。
- 糖、酵素、および電解質を含む溶液と;
アノードと;
カソードと
を含む、糖電池であって、
前記アノードおよび前記カソードが前記溶液と接触しており、
前記電解質が、金属イオン、NAD+もしくはNADHまたはそのバイオミミック、およびチアミンピロリン酸を含むpH調整緩衝液を含み、かつ
前記酵素が、グルコース6-リン酸デヒドロゲナーゼ、6-ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼ、リボース5-リン酸イソメラーゼ、リブロース5-リン酸3-エピメラーゼ、トランスケトラーゼ、トランスアルドラーゼ、トリオースリン酸イソメラーゼ、アルドラーゼ、フルクトース1,6-ビスホスファターゼ、ホスホグルコースイソメラーゼ、およびNADHまたはその還元型バイオミミックを酸化することができる酵素を含む、
糖電池。 - 糖がヘキソース糖またはペントース糖である、請求項25記載の糖電池。
- NADHまたはその還元型バイオミミックを酸化することができる酵素がジアホラーゼである、請求項25記載の糖電池。
- ビタミンK3、ベンジルビオロゲン、またはそのバイオミメティックの内の1つまたは複数をさらに含む、請求項25記載の糖電池。
- ビタミンK3、ベンジルビオロゲン、またはそのバイオミメティックの内の1つまたは複数がアノード表面に固定される、請求項28記載の糖電池。
- ビタミンK3、ベンジルビオロゲン、またはそのバイオミメティックの内の1つまたは複数がアノード区画中に遊離している、請求項28記載の糖電池。
- 糖、酵素、および電解質を含む溶液と;
アノードおよびカソードを含む燃料電池と;
発電機と
を含む、発電のためのシステムであって、
前記溶液および前記発電機が、前記燃料電池と接触しており、
前記電解質が、金属イオン、NAD+もしくはNADHまたはそのバイオミミック、およびチアミンピロリン酸を含むpH調整緩衝液を含み、かつ
前記酵素が、グルコース6-リン酸デヒドロゲナーゼ、6-ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼ、リボース5-リン酸イソメラーゼ、リブロース5-リン酸3-エピメラーゼ、トランスケトラーゼ、トランスアルドラーゼ、トリオースリン酸イソメラーゼ、アルドラーゼ、フルクトース1,6-ビスホスファターゼ、ホスホグルコースイソメラーゼ、およびNADHまたはその還元型バイオミミックを酸化することができる酵素を含む、
発電のためのシステム。 - 糖が、ヘキソース糖もしくはペントース糖、またはそれらの混合物である、請求項31記載のシステム。
- NADHまたはその還元型バイオミミックを酸化することができる酵素がジアホラーゼである、請求項31記載のシステム。
- ビタミンK3、ベンジルビオロゲン、またはそのバイオミメティックの内の1つまたは複数をさらに含む、請求項31記載のシステム。
- ビタミンK3、ベンジルビオロゲン、またはそのバイオミメティックの内の1つまたは複数がアノード表面に固定される、請求項34記載のシステム。
- ビタミンK3、ベンジルビオロゲン、またはそのバイオミメティックの内の1つまたは複数がアノード区画中に遊離している、請求項34記載のシステム。
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