JP2883132B2 - バイオ素子 - Google Patents

バイオ素子

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JP2883132B2 JP1303546A JP30354689A JP2883132B2 JP 2883132 B2 JP2883132 B2 JP 2883132B2 JP 1303546 A JP1303546 A JP 1303546A JP 30354689 A JP30354689 A JP 30354689A JP 2883132 B2 JP2883132 B2 JP 2883132B2
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  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、生物の光情報処理機能を模倣したバイオ
素子に関するものである。
(従来の技術) 従来のコンピューターは、シリコン半導体素子等によ
って構成されており、フォン・ノイマン(von Neuman
n)方式によって直列型の論理演算を実行する(以下、
ノイマン型コンピューターと称する。)ものであった。
この方式は、迅速な論理演算を行うことは出来たが、多
数の情報処理を同時に並行して行うことは本質的に困難
であるという欠点を有していた。
これに対し、生物学及び大脳生理学等の知見に基づい
て、ノイマン型コンピューターでは満足し得なかった様
々な機能をもつコンピュータいわゆるバイオコンピュー
タを実現しようとする試みが多数の研究者によって成さ
れている。
例えば、生体の機能のうちの比較的研究が進んでいる
視覚機能を模倣して視覚情報を処理しようするバイオコ
ンピュータもその一例である。
ここで、生体における視覚機能は以下に説明するよう
なものである。
まず、視覚を司る器官である目は周知の通り視細胞に
よって構成されている。この視細胞、特に網膜上に配列
している細胞は、色彩を識別する錐状体細胞と明暗を感
知する桿状体細胞とに大別することができる。
第5図は、桿状体細胞(以下、桿状体と称する場合も
ある。)の概略図である。11は円盤膜、13は結合繊毛、
15はミトコンドリア、17はゴルジ体、19はミオイド、21
は核、23は外節、25は内節、27はシナプス接合部、28は
桿状体である。網膜に配列された桿状体28に外部(図面
左側)から光が入射すると、円盤膜11に存在する光応答
性蛋白質であるロドプシンに変化を生じ、このロドプシ
ンに補欠分子族として共有結合しているシス(cis)−
レチナールがトランス(trans)−レチナールに変化す
ることによって円盤膜11内に包含されているカルシウム
イオンが細胞質に放出される。
細胞質で増えたカルシウムイオンは外節23の細胞膜の
ナトリウムチャネルを閉じ細胞の膜電位の過分極を引き
起す。これはシナプス接合部27への信号となり抑制性神
経伝達物質の放出速度が減少しシナプス後ニューロンの
興奮が起こる。この信号は次々と神経細胞間を伝播して
脳で高度に情報処理される。このように、視覚では、光
によって生じた網膜上の視細胞の膜電位変化の場が脳で
情報処理されたパターン認識される。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、上述のような視覚機能を模倣したバイ
オコンピュータを構築する際に、視細胞の役割を無機系
或いは有機系から成る半導体を用いたフォトダイオード
等の光応答性素子で達成しようとした場合、フォトダイ
オード等が外部からの情報である光子を電子に変換する
ことによって生じる電流により外部情報を得る構造であ
るため、フォトダイオードを二次元配列することで視細
胞の膜電位変化の場に対応する電流変化の場は得られる
が、フォトダイオード等を微細に配列するにも限界があ
ることから、精緻な電流変化の場を得ることは困難であ
る。
この発明はこのような点に鑑みなされたものであり、
従ってこの発明の目的は、生物の視覚を模倣した情報処
理形態を持つバイオコンピュータの構築に利用出来るよ
うなバイオ素子を提供することにある。
(課題を解決するための手段) この目的の達成を図るため、この発明のバイオ素子に
よれば、生体物質及び生体類似物質の一方又は双方を用
いて形成され、入射した光を膜電位変化に変換するリポ
ソームであって膜電位感受性蛍光色素を内包するリポソ
ームを、基板上に二次元配列して成ることを特徴とす
る。
またこの発明の実施に当たり、前述のリポソームの基
板への固定を抗原−抗体反応を利用して行なうのが好適
である。
(作用) この発明のバイオ素子によれば、入射した光を膜内外
の電位変化に変換し得る生体物質及び又は生体類似物質
より成るリポソーム(人工小胞)を基板上に二次元配列
してあるため、さらに、リポソームは非常に微細に配列
出来るため、網膜上の視細胞での膜電位変化の場と同様
な精緻な膜電位変化の場が得られる。
然も、リポソーム内に膜電位感受性蛍光色素を内包さ
せてあるため、膜電位変化の場と、この場に対応する蛍
光強度変化の場とが得られるので、当該バイオ素子の利
用度がさらに高まる。
また、リポソームの基板への固定を抗原−抗体反応に
より行うと、その手順としては先ず基板に抗体から成る
膜を形成しこれの不要部分を例えばガリウムイオン等の
インオンビーム等を照射して変性除去し残存する抗体に
より二次元パターンを作成し、その後この抗体にリポソ
ームを固定することが出来る。このため、リポソーム自
体がイオンビーム等によって加工されることがないた
め、リポソームの変質を生じさせることなくバイオ素子
が得られる。
(実施例) 以下、図面を参照して、この発明のバイオ素子の実施
例につき詳細に説明する。なお、説明に用いる各図は、
この発明を理解出来る程度に各構成成分の寸法、形状及
び配置関係を概略的に示してある。
リポソームの調整 始めに、生体物質及び生体類似物質を用いて形成さ
れ、入射した光を膜電位変化に変換するリポソームを以
下に説明するように調整する。
先ず、下記式で示されるリン脂質ジパルミトイルホ
スファチジルコリン(シグマ社製)を94重量%、下記
式で示されるリン脂質抗原を1重量%、下記式で示さ
れるジアゾカルボン酸脂質を5重量%の割合で含む混合
脂質を用意する。なお、式で示されるリン脂質抗原は
合成により得ている。
一方、膜電位感受性蛍光色素としての例えば3,3′−
ジプロピルチオカルボシアニンヨウ化物(日本感光色素
製の商品名diS−C3(5))を含み、KClを93mM及びNaCl
を7mMの濃度で含む水溶液を用意する。ここで、diS−C3
(5)の含有量は、必要とする蛍光強度が得られるよう
な値にする。蛍光高度を得ない場合は、diS−C3(5)
は用いない。
次に、この水溶液に上述の場合脂質を分散させる。さ
らに、得られた脂質懸濁液に対し超音波をかけた後この
懸濁液を100,000gの条件で遠心分離機にかける。遠心分
離後の上清に含まれているリポソームを、この発明のバ
イオ素子構築のために用いる。
以上のように調整したリポソームの構造の模式図を第
2図に示す。第2図からも理解出来るように、このリポ
ソーム30は、その内部に膜電位感受性蛍光色素としての
diS−C3(5)37を内包しており、さらに、リン脂質ジ
パルミトイルホスファチジルコリン31で構成される脂質
二重層中に、ジアゾカルボン酸脂質35を含んでいる。ま
た、リン脂質抗原33は、式からも理解出来るように、
その親水基に芳香環を有するため、頭部極性基が嵩高く
なっている。従って、リン脂質抗原33は、リン脂質ジパ
ルミトイルホスファチジルコリン31で構成される脂質二
重層の曲率の大きい側即ち脂質二重層の外側に存在する
確率が高く、第2図に示すように脂質二重層の外側壁に
存在する。
リポソームの特性調査 次に、上述の如く調整したリポソームの特性を調べる
ために、少量のリポソーム懸濁液(上述の上清)を、KC
lを7mM及びNaClを93mMの濃度で含む水溶液に加え撹拌す
る。次に、撹拌の終えた溶液に対し、ジアゾカルボン酸
脂質のジアゾ基がtrans−cis変化を起す波長360nmの光
及びcis−trans変化を起す波長450nmの光を間欠的に交
互に照射する。さらに、両光の照射停止期間において波
長622nmの光を照射してこの溶液を励起させて波長670nm
の蛍光強度(F)を測定する。また、上述の蛍光強度の
測定とは別にリポソームの膜電位変化(脱分極が正)Δ
Eを微小電極により直接測定する。
蛍光強度(F)及び膜電位夫々の測定結果を、縦軸に
蛍光強度の変化率ΔF(%)及び膜電位変化ΔE(mV)
をとり、横軸に時間をとり第3図に示す。ここで、ΔF
は下記式により求まる。但し、式中のF0とは、ジア
ゾカルボン酸脂質が完全にtrans型に変化するまで450nm
光を溶液に充分に照射した場合の溶液から得られる蛍光
強度である。
ΔF=100(F−F0)/F0 … また、第3図中の時間軸に沿って矢印を付した各点の
うちのΔ印を付した点は、溶液に対し360nm光を照射し
た点を意味し、□印を付した点は溶液に対し450nm光を
照射した点を意味する。勿論各点における光照射は、あ
る所定の時間を以って行っている。
第3図からも明らかなように、ΔF、ΔE夫々の変化
具合は両者でほぼ一致しており、上述の如く調整したリ
ポソームは、入射された光を膜電位変化に変換し、さら
にその膜電位変化をリポソームに内包された蛍光色素の
蛍光強度変化に変換出来るものであることが分る。
なお、このリポソームが、360nm光によって膜電位の
脱分極を生ずるのは、リポソーム中のジアゾカルボン酸
脂質がtrans型からcis型に変化することによりリポソー
ムの膜の構造が変化しイオン透過性が増大するためと考
えられる。
抗体付着基板の形成 次に、この発明のバイオ素子を構成するため、基板に
抗体を単分子膜として形成する処理操作について説明す
る。この実施例では、基板表面の平面性と処理操作の簡
便さとから基板としてガラス基板を用いた場合につき説
明する。しかし、基板は、ポリスチレン等、その他任意
好適な材料からなる基板としても良い。
まず、オクタデシルトリクロロシランに基板を予め浸
漬することによって、基板表面を疎水化処理する。
また、リン脂質抗原35(第2図参照。特に式のリン
脂質抗原の芳香環近傍)に対して得られた抗体γ−グロ
ブリンを、ラングミュア−ブロジェット(Langmuir−Bl
odgett)膜形成装置の水槽のサブフェイズ水溶液上に展
開し、水溶液表面を圧縮することによって水溶液上に抗
体の単分子膜を形成する。この単分子膜は、抗体分子の
持つ極性分布のため、ある一定の方向性、即ち抗体の抗
原との結合領域を下にして形成される。
続いて、この抗体からなる単分子膜を水平付着法によ
り、表面を疎水化処理した基板の表面に移し取り、基板
上にLB膜を形成する。第4図は、この状態の基板41を模
式的に示した基板断面図である。43は抗体からなるLB膜
を示している。抗体は、抗原との結合領域が基板41側と
は反対側(基板上方方向)を向くように移し取られる。
なお、この実施例では、LB膜形成装置を用いて基板41
の表面上に抗体を付着させていたが、簡単のためには、
抗体を適当な溶液に理解させこの溶液に疎水処理を施し
た基板41を直接浸漬しても、抗体を基板41上に吸着させ
ることができる。
リポソームの二次元配列 次に、抗体のLB膜が形成された基板41をリポソーム懸
濁液(上述の上清)中に浸漬することによって抗原−抗
体反応を行なわせて、リポソームを基板41上に二次元配
列させる。この結果、実施例のバイオ素子を得る。第1
図(A)及び(B)は、このバイオ素子の説明に供する
図であり、特に第1図(A)は、リポソーム30が基板41
に固定された状態を模式的に示した図、第1図(B)は
実施例のバイオ素子の一部分を模式的に示した図であ
る。
なお、リポソームを所定の二次元的なパターンで配列
する場合、先ず基板41上の抗体から成るLB膜43の不要部
分を例えばガリウムイオン等のイオンビーム、或いはエ
レクトロンビームを走査しながら照射して変性除去し残
存する抗体により所定の二次元パターンを作成し、その
後この抗体にリポソームを固定させて行うのが好適であ
る。この方法によれば、リポソーム自体がイオンビーム
やエレクトロンビームによって加工されることがないた
め、リポソームの変質が防止出来好適である。
光応答性の確認 次に、上述の如く作製した実施例のバイオ素子を、KC
lを7mM及びNaClを93mMの濃度で含む水溶液中に浸漬し、
リポソームの懸濁液の場合と同様に、波長360nm光或い
は450nm光をバイオ素子に照射した後波長622nm光を照射
してこのバイオ素子を励起させ波長670nmの蛍光強度を
測定した。この結果、バイオ素子の状態においても、第
3図と同様、リポソームの膜電位変化に対応する蛍光強
度変化を示すことが分った。
上述においては、この発明のバイオ素子の実施例につ
き説明したが、この発明は上述の実施例のみに限定され
るものではなく、以下に説明するような種々の変更又は
変形を加えることが出来る。
まず、上述の実施例で述べた数値的条件は、この発明
の理解を容易にするための好適例であり、この発明の目
的の範囲内で設計の変更等が可能であること明らかであ
る。
また、上述の実施例ではバイオ素子の作製にジアゾカ
ルボン酸脂質を用いていたが、これの代りにスピロピラ
ンのような他の有機材料、或いはロドプシンのような生
体材料を用いても実施例と同様な効果を期待出来る。
(発明の効果) 上述した説明からも明らかなように、この発明のバイ
オ素子は、入射した光を二次元的に配列されたリポソー
ムの膜電位変化の場に変換することが出来る。さらにま
た、リポソーム内に膜電位感受性蛍光色素をに内包させ
てあるため、入射した光を二次元的に配列されたリポソ
ームの蛍光強度変化の場に変換出来る。従って、生物の
視覚を模倣した情報処理形態をもつバイオコンピュータ
の情報処理装置、入力装置或いは出力装置等に利用する
ことが出来る。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)及び(B)は、実施例のバイオ素子の説明
に供する図、 第2図は、実施例のリポソームの構造を模式的に示した
図、 第3図は、実施例のリポソーム及びバイオ素子の光応答
特性を示す図、 第4図は、抗体付着基板の説明に供する図、 第5図は、桿状体細胞を概略的に示した図である。 30……リポソーム、 31……リン脂質ジパルミトイルホスファチジルコリン 33……リン脂質抗原 35……ジアゾカルボン酸脂質 37……膜電位感受性蛍光色素 41……基板、43……抗体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮本 裕生 東京都港区虎ノ門1丁目7番12号 沖電 気工業株式会社内 (72)発明者 小谷野 武 東京都港区虎ノ門1丁目7番12号 沖電 気工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−111428(JP,A) 特開 昭64−57152(JP,A) 特開 平1−245810(JP,A) 特開 平2−59075(JP,A) 特開 平3−137932(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01J 1/00 H01L 49/00 G11C 11/54 G01N 27/30

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】生体物質及び生体類似物質の一方又は双方
    を用いて形成され、入射した光を膜電位変化に変換する
    リポソームであって膜電位感受性蛍光色素を内包するリ
    ポソームを、基板上に二次元配列して成ること を特徴とするバイオ素子。
  2. 【請求項2】請求項1に記載のバイオ素子において、 前記リポソームは、前記基板上に抗原−抗体反応を利用
    して固定されていること を特徴とするバイオ素子。
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