JP3155854B2 - Protein molecular membrane - Google Patents

Protein molecular membrane

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JP3155854B2
JP3155854B2 JP07375793A JP7375793A JP3155854B2 JP 3155854 B2 JP3155854 B2 JP 3155854B2 JP 07375793 A JP07375793 A JP 07375793A JP 7375793 A JP7375793 A JP 7375793A JP 3155854 B2 JP3155854 B2 JP 3155854B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、例えば電子素子に用
いられるタンパク質分子膜に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a protein molecular film used for electronic devices, for example.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、電子素子に用いられる分子膜とし
ては、例えば谷口彬雄編集、“有機エレクトロニクス材
料”サイエンスフォーラム発行、第166頁に示される
キャスト法やラングミュア−ブロジェット法(以下、L
B法と記す)や電解重合法や真空蒸着法やスパッタリン
グ法などによって形成される薄膜があった。図11
(a)〜(d)のはLB法を工程順に示す模式説明図で
ある。図において、11、11a、11bは機能団、1
2、12a、12bはアルキル鎖、13は圧縮バー、1
4は水、15は電極、16は形成された有機電子素子で
ある。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a molecular film used for an electronic element, for example, a casting method and a Langmuir-Blodgett method (hereinafter, referred to as L) described on page 166, edited by Akio Taniguchi, published by Science Forum, "Organic Electronics Materials".
There is a thin film formed by an electrolytic polymerization method, a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like. FIG.
(A)-(d) is schematic explanatory drawing which shows LB method in order of a process. In the figure, 11, 11a and 11b are functional groups, 1
2, 12a and 12b are alkyl chains, 13 is a compression bar, 1
4 is water, 15 is an electrode, and 16 is the formed organic electronic element.

【0003】LB法について以下に説明する。用いられ
る材料は、機能団11にアルキル鎖12を付加した低分
子(以下、LB分子と称する)である。これを、クロロ
フォルムなどの有機溶媒に溶解し、これを水面上に滴下
する。有機溶媒が蒸発して無くなると、水面上にLB分
子のみによる単分子膜が残る(図11(a))。次に、
圧縮バー13で単分子膜を矢印方向に圧縮すると、単分
子膜中のLB分子が一定方向に揃う(図11(b))。
次に例えばアルミニウムなどの金属を蒸着したガラスの
電極15を水面に対して垂直に浸漬した後引き上げる
と、単分子膜が電極15上に移し取られ、電極15上に
LB分子の単分子膜が形成される(図11(c))。こ
れをラングミュア−ブロジェット膜(LB膜)と呼ぶ。
2種類の機能団11a、11b間の接合は、第2の種類
の分子の単分子膜を第1の分子の単分子膜の上に累積す
ることによって形成できる(図11(d))。
[0003] The LB method will be described below. The material used is a low molecule (hereinafter, referred to as LB molecule) in which an alkyl chain 12 is added to the functional group 11. This is dissolved in an organic solvent such as chloroform, and this is dropped on the water surface. When the organic solvent evaporates and disappears, a monomolecular film composed of only LB molecules remains on the water surface (FIG. 11A). next,
When the monolayer is compressed by the compression bar 13 in the direction of the arrow, the LB molecules in the monolayer are aligned in a certain direction (FIG. 11B).
Next, when a glass electrode 15 on which a metal such as aluminum is deposited is dipped perpendicularly to the water surface and then pulled up, the monomolecular film is transferred onto the electrode 15, and a monomolecular film of LB molecules is deposited on the electrode 15. It is formed (FIG. 11C). This is called a Langmuir-Blodgett film (LB film).
The junction between the two types of functional groups 11a and 11b can be formed by accumulating a monolayer of the second type molecule on the monolayer of the first molecule (FIG. 11D).

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】従来の電子素子に用い
られる分子膜は、上記LB膜のように同一種類の分子の
膜内で機能団11aと機能団11bが直接接触している
か、非常に近接していた。このため電子移動の方向を分
子レベルで制御できず、分子レベルで1個の素子とする
ことは不可能であり、電子素子を高密度に集積すること
は困難であった。
The molecular film used in a conventional electronic device is characterized in that the functional groups 11a and 11b are in direct contact with each other in a film of the same kind of molecule, such as the above-mentioned LB film. Was close. For this reason, the direction of electron transfer cannot be controlled at the molecular level, and it is impossible to form one element at the molecular level, and it has been difficult to integrate electronic elements at high density.

【0005】キャスト法、電解重合法、真空蒸着法、ス
パッタリング法などによって作製される分子膜も同様で
ある。また、これらの分子膜では、電子移動に大きく寄
与している、機能団間の距離や配向を制御することは非
常に困難であるなどの問題点があった。
[0005] The same applies to a molecular film produced by a casting method, an electrolytic polymerization method, a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like. In addition, these molecular films have problems that they greatly contribute to electron transfer, and that it is very difficult to control the distance and orientation between functional groups.

【0006】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、分子中の機能団と電極との電子
移動速度が速く、かつ安定であり、さらに超高密度に集
積可能で、超微細な、分子レベルの1個の整流素子、ス
イッチング素子、光スイッチング素子、記憶素子等の電
子素子を形成できるタンパク質分子膜を提供することを
目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has a high and stable electron transfer speed between a functional group in a molecule and an electrode, and can be integrated at a very high density. It is an object of the present invention to provide a protein molecular film capable of forming an electronic device such as one ultra-fine, molecular-level rectifying device, switching device, optical switching device, and storage device.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】この発明によるタンパク
質分子膜は、水素細菌由来チトクロームc552をプロ
モータ修飾電極上に2次元的に整列させたものである。
Means for Solving the Problems] protein molecular film according to the invention, pro hydrogen bacterial cytochrome c552
It is two-dimensionally aligned on a motor-modified electrode.

【0008】[0008]

【作用】この発明においては、分子内に電子伝達機能を
有するタンパク質としては非常に小さく、電極との電子
移動が速く、熱に対する安定性が優れている水素細菌由
来チトクロームc552を用いる。このため、電極、他
の電子伝達タンパク質、他の酸化還元物質との電子移動
速度を高速に、かつ安定に行ない、所望の電気特性を有
する有機電子素子を形成でき、かつ、2次元的に整列さ
せたタンパク質の分子膜を得ることができる。
In the present invention, a hydrogen bacterium-derived cytochrome c552, which is very small as a protein having an electron transfer function in the molecule, has a fast electron transfer with the electrode, and has excellent heat stability, is used. Therefore, the electron transfer speed with the electrodes, other electron transfer proteins, and other redox substances can be performed at high speed and in a stable manner, and an organic electronic device having desired electric characteristics can be formed. A molecular film of the protein thus obtained can be obtained.

【0009】[0009]

【実施例】実施例1. この発明のタンパク質分子膜は、水素細菌由来チトクロ
ームc552を、単独または他の電子伝達タンパク質と
組み合わせてタンパク質複合体を形成するか、他の酸化
還元物質と組み合わせ、電極上に、2次元的に整列させ
たものである。
[Embodiment 1] The protein molecular membrane of the present invention forms a protein complex by combining hydrogen bacterium-derived cytochrome c552, alone or in combination with another electron transfer protein, or combines with another redox substance, and two-dimensionally aligns them on an electrode. It was made.

【0010】水素細菌ヒドロゲノバクター サーモフィ
ラス(Hydrogenobacter thermo
philus)のチトクロームc552は サンボンギ
(Sanbongi)らのジャーナル オブ バクテ
リオロジー (J.Bacteriol., 171,
65 (1989))によると、Asn−Glu−Gl
u−Leu−Ala−Lys−Gln−Lys−Gly
−Cys−Met−Ala−Cys−His−Asp−
Leu−Lys−Ala−Lys−Lys−Val−G
ly−Pro−Ala−Tyr−Ala−Asp−Va
l−Ala−Lys−Lys−Tys−Ala−Gly
−Arg−Lys−Asp−Ala−Val−Asp−
Tyr−Leu−Ala−Gly−Lys−Ile−L
ys−Lys−Gly−Gly−Ser−Gly−Va
l−Trp−Gly−Ser−Val−Pro−Met
−Pro−Pro−Gln−Asn−Val−Thr−
Asp−Ala−Gln−Als−Lys−Gln−L
eu−Ala−Gln−Trp−Ile−Leu−Se
r−Ile−Lysのアミノ酸配列からなる電子伝達タ
ンパク質で、分子量は7600で、ウマのチトクローム
cの約2/3で非常に小さい電子伝達タンパク質であ
る。さらに120℃、10分間のオートクレーブに対し
て変性しないなど、非常に耐熱性が高い。
The hydrogen bacterium Hydronobacter thermophilus (Hydrogenobacter thermo)
The cytochrome c552 of S. philus is described in the Journal of Bacteriology, Sanbongi et al. (J. Bacteriol., 171, 171).
65 (1989)), Asn-Glu-Gl
u-Leu-Ala-Lys-Gln-Lys-Gly
-Cys-Met-Ala-Cys-His-Asp-
Leu-Lys-Ala-Lys-Lys-Val-G
ly-Pro-Ala-Tyr-Ala-Asp-Va
l-Ala-Lys-Lys-Tys-Ala-Gly
-Arg-Lys-Asp-Ala-Val-Asp-
Tyr-Leu-Ala-Gly-Lys-Ile-L
ys-Lys-Gly-Gly-Ser-Gly-Va
l-Trp-Gly-Ser-Val-Pro-Met
-Pro-Pro-Gln-Asn-Val-Thr-
Asp-Ala-Gln-Als-Lys-Gln-L
eu-Ala-Gln-Trp-Ile-Leu-Se
It is an electron transfer protein consisting of the amino acid sequence of r-Ile-Lys. It has a molecular weight of 7,600 and is about 2/3 of horse cytochrome c, which is very small. Furthermore, it has very high heat resistance, such as being not denatured in an autoclave at 120 ° C. for 10 minutes.

【0011】また、タンパク質を2次元的に整列させる
方法としては、水面上に単分子膜に吸着させればよい。
例えば、フロムヘルツは脂質の単分子膜にフェリチンを
吸着させて2次元結晶化することにより、整列させた。
金などの貴金属表面に4−メルカプトピリジンや4−メ
ルカプトプロピオン酸を吸着結合させ、ピリジン基やカ
ルボン酸基とタンパク質の相互作用でタンパク質が吸着
することも広く知られている。この方法によりタンパク
質が2次元的に配列することは知られていないが、溶液
のイオン濃度、水素イオン濃度、タンパク質濃度、温度
などを制御することにより、タンパク質を2次元的に配
列することができた。
As a method for two-dimensionally aligning proteins, it is advisable to adsorb a monomolecular film on the water surface.
For example, Fromhertz aligned by adsorbing ferritin to a lipid monolayer and performing two-dimensional crystallization.
It is also widely known that 4-mercaptopyridine or 4-mercaptopropionic acid is adsorbed and bonded to the surface of a noble metal such as gold, and the protein is adsorbed by the interaction between the pyridine group or carboxylic acid group and the protein. Although it is not known that proteins are arranged two-dimensionally by this method, proteins can be arranged two-dimensionally by controlling the ionic concentration, hydrogen ion concentration, protein concentration, and temperature of a solution. Was.

【0012】また、2種類のタンパク質の複合体を形成
する方法としては、プラスの電荷とマイナスの電荷によ
るイオン結合を利用する方法がある。例えば、ウェーバ
ーとトリン(P.C.Weber, G.Tolli
n)は雑誌:ジャーナル オブバイオロジカル ケミス
トリー (J.Biological Chemist
ry, 260,第5568頁(1985年))でウマ
のチトクロームcやチトクロームc551とフラボドキ
シンがタンパク質複合体を形成することを示している。
As a method for forming a complex of two kinds of proteins, there is a method utilizing ionic bonding by a positive charge and a negative charge. For example, Weber and Trin (PC Weber, G. Tolli)
n) is a magazine: Journal of Biological Chemistry (J. Biological Chemist)
ry, 260, p. 5568 (1985)) shows that horse cytochrome c and cytochrome c551 and flavodoxin form a protein complex.

【0013】実施例2. 以下、この発明の一実施例について具体的に説明する。
まず、水素細菌由来チトクロームc552が電極上で構
造的に安定なことと、電極と高速に電子移動を起こすこ
とを示す。水素細菌由来チトクロームc552は、サン
ボンギ(Sanbongi)らのヨーロピアン ジャー
ナル オブ バイオケミストリー(Eur.J.Bio
chem.,198,7(1991年))に準じて大腸菌
を用いて得た。また、ウマのチトクロームcはシグマ社
のものを用いた。水素細菌由来チトクロームc552と
ウマのチトクロームcは共にゲルクロマトグラフィー及
びイオン交換クロマトグラフィーにより精製した。水素
細菌由来チトクロームc552またはウマのチトクロー
ムcをリン酸緩衝液(20mM、pH7.0、過塩素酸
ナトリウム100mM含む)に0.1mMになるように
溶解した。電極として、ガラス上にクロムをまず蒸着
し、その上に金を蒸着した金電極と、この金電極を濃硝
酸に10時間浸漬後水洗し、4−メルカプトピリジンの
1mM水溶液に5分間浸漬して得たプロモータ修飾電極
を用いた。先の水素細菌由来チトクロームc552水溶
液またはウマのチトクロームc水溶液をアルゴン通気に
より脱酸素した後、金電極とプロモータ修飾電極を用い
てサイクリックボルタンメトリを行なった。得られたサ
イクリックボルタモグラム(以下CVと略す)を解析し
た。
Embodiment 2 FIG. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be specifically described.
First, it is shown that the hydrogen bacterium-derived cytochrome c552 is structurally stable on the electrode and that electrons are rapidly transferred to and from the electrode. Hydrogen bacterium-derived cytochrome c552 was obtained from Sanbongi et al., European Journal of Biochemistry (Eur. J. Bio).
chem. , 198, 7 (1991)). The horse cytochrome c was from Sigma. Both hydrogen bacterium-derived cytochrome c552 and horse cytochrome c were purified by gel chromatography and ion exchange chromatography. Hydrogen bacteria-derived cytochrome c552 or horse cytochrome c was dissolved in phosphate buffer (20 mM, pH 7.0, containing 100 mM sodium perchlorate) to a concentration of 0.1 mM. As an electrode, chromium was first vapor-deposited on glass, and a gold electrode on which gold was vapor-deposited, and this gold electrode was immersed in concentrated nitric acid for 10 hours, washed with water, and immersed in a 1 mM aqueous solution of 4-mercaptopyridine for 5 minutes. The obtained promoter-modified electrode was used. After the hydrogen bacterium-derived aqueous solution of cytochrome c552 or the horse cytochrome c aqueous solution was deoxygenated by aeration with argon, cyclic voltammetry was performed using a gold electrode and a promoter-modified electrode. The obtained cyclic voltammogram (hereinafter abbreviated as CV) was analyzed.

【0014】プロモータ修飾電極での水素細菌由来チト
クロームc552のCVの形状は、ウマのチトクローム
cのCVとほぼ等しかった。酸化還元電位はウマのチト
クロームcに比べて約30mV卑の27.3mV(Ag
/AgCl)であった。一方、金電極上では水素細菌由
来チトクロームc552では安定なCVが得られたが、
ウマのチトクロームcでは全く得られなかった。電極反
応速度定数kの評価はニコルソン(Nicholso
n)の方法を用いた。酸化及び還元ピーク電位差(m
V)と掃引速度(mV/s)の関係を図1に示す。図に
おいて、三角印(▲)は金電極上の水素細菌由来チトク
ロームc552、白丸印(○)はウマのチトクローム
c、黒丸印(●)はプロモータ修飾電極での水素細菌由
来チトクロームc552の結果である。この結果から、
電極反応速度定数kは、プロモータ修飾電極上の水素細
菌由来チトクロームc552では1.3×10の−2乗
cm/s、金電極上では2×10の−4乗cm/s、プ
ロモータ修飾電極上のウマのチトクロームcでは4.9
×10の−3乗cm/sであった。即ち、水素細菌由来
チトクロームc552は、プロモータ修飾電極及び金電
極上で、ウマのチトクロームcに比べて非常に速く電子
移動を起こすことができることがわかった。また、金電
極上で安定なCVを示すことから、水素細菌由来チトク
ロームc552が構造的に非常に安定なことがわかっ
た。
The shape of CV of cytochrome c552 derived from hydrogen bacterium at the promoter-modified electrode was almost equal to that of horse cytochrome c. The oxidation-reduction potential is 27.3 mV (Ag), which is about 30 mV lower than that of horse cytochrome c.
/ AgCl). On the other hand, a stable CV was obtained with the hydrogen bacterium-derived cytochrome c552 on the gold electrode,
No results were obtained with equine cytochrome c. The evaluation of the electrode reaction rate constant k is performed by Nicholson (Nicholso).
The method of n) was used. Oxidation and reduction peak potential difference (m
FIG. 1 shows the relationship between V) and the sweep speed (mV / s). In the figure, a triangle mark ()) shows the result of hydrogen bacterium-derived cytochrome c552 on the gold electrode, a white circle mark (○) shows the result of horse cytochrome c, and a black circle mark (●) shows the result of hydrogen bacterium-derived cytochrome c552 on the promoter-modified electrode. . from this result,
The electrode reaction rate constant k was 1.3 × 10 −2 cm / s for hydrogen bacterium-derived cytochrome c552 on the promoter-modified electrode, 2 × 10 −4 cm / s on the gold electrode, and on the promoter-modified electrode. 4.9 for horse cytochrome c
× 10 −3 cm / s. That is, it was found that the hydrogen bacterium-derived cytochrome c552 can cause electron transfer on the promoter-modified electrode and the gold electrode much faster than the equine cytochrome c. In addition, since stable CV was exhibited on the gold electrode, it was found that cytochrome c552 derived from hydrogen bacteria was structurally very stable.

【0015】実施例3. 次に、水素細菌由来チトクロームc552(以下、チト
クロームc552と記す)を電極上に2次元に整列させ
る方法を示す。フォスファチジルコリンは脂質であり、
これのクロロフォルム溶液(濃度1mg/mL)を水面
上に展開する。この水を、水素細菌由来チトクロームc
552の0.1mM水溶液とポンプで徐々に置換する。
さらに30分後にもう一度水で置換することにより、チ
トクロームc552を2次元的に整列させた。
Embodiment 3 FIG. Next, a method for two-dimensionally aligning hydrogen bacterium-derived cytochrome c552 (hereinafter, referred to as cytochrome c552) on an electrode will be described. Phosphatidylcholine is a lipid,
This chloroform solution (concentration: 1 mg / mL) is spread on the water surface. This water is converted into cytochrome c derived from hydrogen bacteria.
Slowly replace with a 0.1 mM aqueous solution of 552 with a pump.
After another 30 minutes, the cytochrome c552 was two-dimensionally aligned by another replacement with water.

【0016】この2次元配列膜を、金単結晶電極上にラ
ングミュアーブロジェット法(Langmuir−Bl
odgett法(LB法))で移し取った。このように
して作製した、金電極上のチトクロームc552の構成
図を図2に示す。1はフォスファチジルコリン、2はチ
トクロームc552、3は金単結晶電極である。また、
同様にして、4−メルカプトピリジンを修飾したプロモ
ータ修飾金単結晶電極上に移し取った構成図を図3に示
す。4はメルカプトピリジンである。
The two-dimensionally arranged film is placed on a gold single crystal electrode by the Langmuir-Blodget method (Langmuir-Bl).
transfer method (odgett method (LB method)). FIG. 2 shows a configuration diagram of the thus prepared cytochrome c552 on the gold electrode. 1 is phosphatidylcholine, 2 is cytochrome c552, and 3 is a gold single crystal electrode. Also,
Similarly, FIG. 3 shows a configuration diagram in which 4-mercaptopyridine was transferred onto a promoter-modified gold single crystal electrode modified with 4-mercaptopyridine. 4 is mercaptopyridine.

【0017】図4(a)に、チトクロームc552の2
次元配列を記憶素子として使用し、情報の書き込みをS
TMの探針5により行なっている様子を示す。探針に5
Vの電圧パルスを印加することによって、任意の分子を
変性することが可能である。また、図4(b)に、書き
込み終了後の記憶素子の一部の模式図を示す。8×8=
64ビットの素子が示されている。6が非変性チトクロ
ームc552、7が変性チトクロームc552である。
非変性は、‘1’、変性は‘0’を表わす。よって記憶
素子の最初の横1列の情報は、‘11110000’で
ある。なお、パルスの電圧は厳密なものではない。
FIG. 4 (a) shows cytochrome c552-2.
Using a dimensional array as a storage element, writing information
This shows a state where the probe 5 of the TM performs the operation. 5 for the probe
By applying a voltage pulse of V, any molecule can be denatured. FIG. 4B is a schematic view of a part of the storage element after the writing is completed. 8 × 8 =
A 64-bit element is shown. 6 is non-denatured cytochrome c552, and 7 is denatured cytochrome c552.
Undenatured represents '1', and denatured represents '0'. Therefore, the information in the first horizontal row of the storage element is '11110000'. The voltage of the pulse is not strict.

【0018】なお、上記実施例では、脂質としてフォス
ファチジルコリン1を用いたが、LB膜を形成するもの
であれば、すべて用いることができる。例えば、アラキ
ジン酸やステアリン酸などの脂肪酸などである。さら
に、ベンゼン環、2重結合、3重結合など、π電子系を
持つものは、電流値を大きく取ることができるので望ま
しい。
In the above embodiment, phosphatidylcholine 1 was used as a lipid, but any lipid that forms an LB film can be used. For example, fatty acids such as arachidic acid and stearic acid. Further, those having a π-electron system such as a benzene ring, a double bond, and a triple bond are preferable because a large current value can be obtained.

【0019】実施例4. タンパク質を直接金電極に吸着されることによって、水
素細菌由来チトクロームc552を2次元的に配列させ
ることも可能である。まず、金単結晶電極を硝酸と水で
洗浄した後、メルカプトプロピオン酸の0.1mg/m
lの水溶液中に1分間浸漬した後、水洗する。これを、
チトクロームc552の0.1mM水溶液(リン酸緩衝
液1mM、pH7.0)、中に5分浸漬した後に、水洗
すればよい。こうして作製した2次元配列の構成図を図
5に示す。図において、8はメルカプトプロピオン酸で
ある。実施例2と同様に、超高密度記憶素子として機能
することが確認された。なお、濃度、時間は厳密なもの
ではない。また、メルカプトプロピオン酸以外にも、チ
オール基と、カルボン酸基またはスルフォン酸基または
アミノ基など電荷を持つ置換基、を有する分子を用いて
も良い。電荷がマイナスの場合にはチトクロームc55
2のヘムが電極近傍に配向してチトクロームc552が
電極に吸着し、電荷がプラスの場合にはヘムが電極から
離れて電極に吸着すると考えられる。また、実施例1で
示したプロモータ修飾に用いる物質でも良い。
Embodiment 4 FIG. By directly adsorbing the protein to the gold electrode, the hydrogen bacterium-derived cytochrome c552 can be two-dimensionally arranged. First, after washing the gold single crystal electrode with nitric acid and water, 0.1 mg / m 2 of mercaptopropionic acid was used.
After being immersed in 1 l of an aqueous solution for 1 minute, it is washed with water. this,
After immersion in a 0.1 mM aqueous solution of cytochrome c552 (phosphate buffer 1 mM, pH 7.0) for 5 minutes, washing may be performed with water. FIG. 5 shows a configuration diagram of the two-dimensional array thus manufactured. In the figure, 8 is mercaptopropionic acid. As in Example 2, it was confirmed that the element functions as an ultra-high-density storage element. The concentration and time are not strict. In addition to the mercaptopropionic acid, a molecule having a thiol group and a charged substituent such as a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, or an amino group may be used. When the charge is negative, cytochrome c55
It is considered that heme No. 2 is oriented near the electrode and cytochrome c552 is adsorbed on the electrode, and when the charge is positive, the heme separates from the electrode and is adsorbed on the electrode. Further, the substance used for promoter modification shown in Example 1 may be used.

【0020】また、チトクロームc552水溶液のリン
酸などの塩濃度やpH、温度などを制御することによ
り、金、白金などの金属電極やグラファイト、フラーレ
ン蒸着膜、シリコン、酸化錫などの半導体電極、ポリピ
ロールなどの有機金属電極に修飾剤を用いることなく、
直接水素細菌由来チトクロームc552を配列させるこ
ともできた。
Further, by controlling the concentration, pH, temperature, etc. of the salt of phosphoric acid or the like in the aqueous solution of cytochrome c552, a metal electrode such as gold or platinum, a semiconductor electrode such as graphite, fullerene deposited film, silicon or tin oxide, polypyrrole, etc. Without using a modifier for organometallic electrodes such as
It was also possible to directly sequence cytochrome c552 derived from hydrogen bacteria.

【0021】実施例5. 水素細菌由来チトクロームc552と他のタンパク質と
複合体を形成し、電子素子として用いる例を示す。デサ
ルフォビブリオ ブルガリス (Desulfovib
rio vulgaris)から得られたフラボドキシ
ンとチトクロームc552の0.1mM水溶液(リン酸
緩衝液1mM、pH7.0)をそれぞれ1ミリリットル
混合し、静置することによりフラボドキシン−チトクロ
ームc552複合体(以下、これをFCと略す)水溶液
を得た。この水溶液を実施例2と同様にしてフォスファ
チジルコリンを用いて2次元配列させることができた。
このチトクロームc552単分子膜を金単結晶電極及び
プロモータ修飾電極上に移し取ることができた。図6は
このタンパク質分子膜を示す断面図である。図におい
て、9はフラボドキシンである。また、図7はSTMを
用いて分子1つの電流−電圧特性を測定した結果を示す
特性図である。横軸は電圧(V)、縦軸は電流(nA)
である。フラボドキシンは酸化還元電位が約−600m
V(Ag/AgCl)で、チトクロームc552より6
00mV以上卑である。このため電子移動はフラボドキ
シンからチトクロームc552の方向にのみ起こる。そ
の結果、図6に示すように整流特性がみられた。即ち、
FCは分子2個からなる複合体1個で1つの整流素子の
機能を持つことが示された。
Embodiment 5 FIG. An example is shown in which a complex is formed with hydrogen bacterium-derived cytochrome c552 and another protein and used as an electronic element. Desulfovibrio Bulgaris
rio vulgaris) and 1 ml each of a 0.1 mM aqueous solution of cytochrome c552 (phosphate buffer 1 mM, pH 7.0) were mixed and allowed to stand, and the mixture was allowed to stand. FC). This aqueous solution could be two-dimensionally arrayed using phosphatidylcholine in the same manner as in Example 2.
This cytochrome c552 monomolecular film could be transferred onto the gold single crystal electrode and the promoter-modified electrode. FIG. 6 is a sectional view showing the protein molecular membrane. In the figure, 9 is flavodoxin. FIG. 7 is a characteristic diagram showing a result of measuring current-voltage characteristics of one molecule using STM. The horizontal axis is voltage (V), and the vertical axis is current (nA).
It is. Flavodoxine has a redox potential of about -600 m
V (Ag / AgCl), 6 more than cytochrome c552
It is lower than 00 mV. Therefore, electron transfer occurs only in the direction from flavodoxin to cytochrome c552. As a result, rectification characteristics were observed as shown in FIG. That is,
FC was shown to have the function of one rectifying element with one complex consisting of two molecules.

【0022】上記実施例ではチトクロームc552と複
合体を形成するタンパク質としてデサルフォビブリオ
ブルガリスから得られたフラボドキシンを用いた例を示
したが、他の生物から得られるフラボドキシンやチトク
ロームcオキシダーゼやチトクロームリダクターゼなど
も複合体を形成し、整流機能を示す。また、実施例3と
同様にフォスファチジルコリンの膜を用いることなく、
直接金単結晶や修飾金単結晶などの電極に複合体をつ
け、分子膜を形成してもよい。
In the above embodiment, desalphovibrio was used as a protein forming a complex with cytochrome c552.
Although an example using flavodoxin obtained from Bulgaris is shown, flavodoxin, cytochrome c oxidase, cytochrome reductase, and the like obtained from other organisms also form a complex and exhibit a rectifying function. Also, as in Example 3, without using a phosphatidylcholine film,
A molecular film may be formed by directly attaching a complex to an electrode such as a gold single crystal or a modified gold single crystal.

【0023】実施例6. また、ヘムは可視光を照射されると電子が励起される。
これによって金属などの電極との電子移動速度が変化す
る。この性質を用いて光スイッチ素子として機能する例
を示す。図8に410nmの光を照射した時の時間
(秒)に対する電流(nA)の変化を示す特性図であ
る。光が照射された時の電流値は、照射されない時に比
べて大きく増加していることがわかる。このことから光
スイッチの機能があることがわかった。また、フラボド
キシンの吸収は350nm及び450nm付近にピーク
を持つ。よって、この波長範囲の光を照射しても、フラ
ボドキシンの電子励起にともなう電流変化がみられた。
フラボドキシンとチトクロームc552のそれぞれの吸
収の効果から200〜700nmの波長範囲の光照射で
光スイッチの機能がみられた。
Embodiment 6 FIG. When heme is irradiated with visible light, electrons are excited.
As a result, the electron transfer speed with an electrode such as a metal changes. An example in which this property is used to function as an optical switch element will be described. FIG. 8 is a characteristic diagram illustrating a change in current (nA) with respect to time (second) when light of 410 nm is irradiated. It can be seen that the current value when light is applied is greatly increased as compared with the case where no light is applied. This proved that the optical switch functioned. The absorption of flavodoxin has peaks at around 350 nm and 450 nm. Therefore, even when light in this wavelength range was irradiated, a change in current due to electronic excitation of flavodoxin was observed.
Due to the respective absorption effects of flavodoxin and cytochrome c552, the function of the optical switch was observed by irradiation with light in the wavelength range of 200 to 700 nm.

【0024】実施例7. 次に、水素細菌由来チトクロームc552単分子膜を他
の酸化還元物質上に形成した例を図9に示す。リボフラ
ビンを1×10の−7乗トール(torr)の真空度中
で300℃に熱し、金単結晶3上にフラビン膜10を2
nmの厚さで蒸着した。これに実施例2と同様にフォス
ファチジルコリンを用いてチトクロームc552を2次
元的に整列させて付着させた。リボフラビンは酸化還元
電位が約−400mV(Ag/AgCl)であり、チト
クロームc552より約400mV卑である。そのため
電子移動はリボフラビン10からチトクロームc552
の方向にのみ起こる。図10にSTMを用いて分子1つ
の電流(nA)−電圧(V)特性を示す。この図からも
整流機能を持つことが示された。
Embodiment 7 FIG. Next, FIG. 9 shows an example in which a hydrogen bacterium-derived cytochrome c552 monolayer is formed on another redox substance. The riboflavin is heated to 300 ° C. in a vacuum of 1 × 10 −7 torr, and the flavin film 10 is
Deposited with a thickness of nm. To this, cytochrome c552 was two-dimensionally aligned and attached using phosphatidylcholine as in Example 2. Riboflavin has a redox potential of about -400 mV (Ag / AgCl) and is about 400 mV lower than cytochrome c552. Therefore, electron transfer from riboflavin 10 to cytochrome c552
Happens only in the direction of. FIG. 10 shows a current (nA) -voltage (V) characteristic of one molecule using STM. This figure also shows that it has a rectifying function.

【0025】この実施例では酸化還元物質としてリボフ
ラビンの蒸着膜を用いたが、ルミフラビンなど他のフラ
ビン誘導体の蒸着膜でもよい。また、リボフラビンを蒸
留水に0.1μMの濃度で溶解しこれに金単結晶を浸漬
することによりリボフラビンを吸着させたものでも、整
流機能及び光スイッチング機能を持つタンパク質分子膜
が得られた。
In this embodiment, a deposited film of riboflavin is used as the redox substance. However, a deposited film of another flavin derivative such as lumiflavin may be used. In addition, even when riboflavin was dissolved in distilled water at a concentration of 0.1 μM and immersed in a single crystal of gold to adsorb riboflavin, a protein molecule membrane having a rectifying function and a light switching function was obtained.

【0026】また、リボフラビンの代わりに金属ポルフ
ィリン、金属フタロシアニン、フェロセンなどの有機金
属錯体、ポルフィリン、フタロシアニン、キノン、ピリ
ジンヌクレオチド、ビオロゲンまたはそれらの誘導体、
テトラ シアノ キノ ジメタン(TCNQ)などの有
機電荷移動錯体、鉄−硫黄クラスターなどの酸化還元物
質でも、蒸着や溶液を用いた電極上への吸着などにより
電極上に酸化還元物質の薄膜形成させることによって、
同様の分子膜が得られた。
Also, instead of riboflavin, organometallic complexes such as metalloporphyrin, metallophthalocyanine, ferrocene, porphyrin, phthalocyanine, quinone, pyridine nucleotide, viologen or derivatives thereof,
Organic charge-transfer complexes such as tetracyanoquinodimethane (TCNQ) and redox substances such as iron-sulfur clusters can be formed by depositing thin films of redox substances on electrodes by vapor deposition or adsorption onto electrodes using solutions. ,
A similar molecular film was obtained.

【0027】上記実施例1ないし実施例3では水素細菌
由来チトクロームc552として大腸菌により発現させ
た蛋白質を用いたが、もちろん本来のヒドロゲノバクタ
ーサーモフィラスを培養して得られるチトクロームc5
52でも同様の効果が得られた。また、他の微生物に遺
伝子を導入しても同様の効果が得られる。さらに、N
末、C末どちらか一方または両方に、1個ないし十数個
のアミノ酸が付与した蛋白質でも同様の結果が得られ
た。
In Examples 1 to 3, the protein expressed by Escherichia coli was used as the cytochrome c552 derived from the hydrogen bacterium. Of course, the cytochrome c5 obtained by culturing the original hydrogenobacter thermophilus was used.
A similar effect was obtained with 52. Similar effects can be obtained by introducing a gene into another microorganism. Furthermore, N
Similar results were obtained with proteins in which one or more than ten amino acids were added to one or both of the C-terminal and C-terminal.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、水素
細菌由来チトクロームc552をプロモータ修飾電極上
に2次元的に整列させることにより、分子中の機能団と
電極との電子移動速度が速く、かつ安定であり、さらに
超高密度に集積可能で、超微細な、分子レベルの1個の
整流素子、スイッチング素子、光スイッチング素子、記
憶素子等の電子素子を形成できるタンパク質の分子膜が
得られる。
As described above, according to the present invention, the electron transfer speed between the functional group in the molecule and the electrode is increased by aligning the hydrogen bacterium-derived cytochrome c552 two-dimensionally on the promoter-modified electrode. A stable, stable, and ultra-high-density integrated, ultra-fine, molecular-level protein molecular film capable of forming one electronic device such as a rectifier, switching, optical switching, or storage device is obtained. Can be

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】プロモータ修飾金電極及び金電極での水素細菌
由来チトクロームc552並びにプロモータ修飾電極で
のウマのチトクロームcのサイクリックボルタモグラム
における酸化及び還元ピーク電位差と掃引速度の関係を
示すグラフである。
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a graph showing the relationship between the oxidation and reduction peak potential differences and the sweep rate in cyclic voltammograms of a promoter-modified gold electrode and a hydrogen bacterium-derived cytochrome c552 at a gold electrode and a horse cytochrome c at a promoter-modified electrode.

【図2】この発明の実施例2に係わるタンパク質分子膜
を示す構成図である。
FIG. 2 is a configuration diagram showing a protein molecular membrane according to Example 2 of the present invention.

【図3】この発明の実施例2に係わるタンパク質分子膜
の変形例を示す構成図である。
FIG. 3 is a configuration diagram showing a modified example of the protein molecular membrane according to the second embodiment of the present invention.

【図4】この発明の実施例2に係わるタンパク質分子膜
を記憶素子として応用し、STMにより情報を書き込む
様子を表す構成図及び記憶させた記憶素子を示す模式図
である。
FIGS. 4A and 4B are a configuration diagram illustrating a state in which information is written by STM by applying the protein molecular film according to the second embodiment of the present invention as a storage element, and a schematic view illustrating the storage element in which the information is stored.

【図5】この発明の実施例3に係わるタンパク質分子膜
を示す構成図である。
FIG. 5 is a configuration diagram showing a protein molecular membrane according to Example 3 of the present invention.

【図6】この発明の実施例4に係わるタンパク質分子膜
を示す構成図である。
FIG. 6 is a configuration diagram showing a protein molecular membrane according to Example 4 of the present invention.

【図7】この発明の実施例4のタンパク質分子膜による
素子の整流機能を表す電流−電圧特性図である。
FIG. 7 is a current-voltage characteristic diagram showing a rectifying function of an element by a protein molecular film of Example 4 of the present invention.

【図8】この発明の実施例5のタンパク質分子膜による
素子の光照射による電流変化を示す特性図である。
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a current change due to light irradiation of an element by the protein molecular film of Example 5 of the present invention.

【図9】この発明の実施例6に係わるタンパク質分子膜
を示す構成図である。
FIG. 9 is a configuration diagram showing a protein molecular membrane according to Example 6 of the present invention.

【図10】この発明の実施例6のタンパク質分子膜によ
る素子の整流機能を表す電流−電圧特性図である。
FIG. 10 is a current-voltage characteristic diagram showing a rectifying function of an element by a protein molecular film according to Example 6 of the present invention.

【図11】従来の電子素子に用いる分子膜の製造方法で
あるLB法を工程順に示す模式説明図である。
FIG. 11 is a schematic explanatory view showing an LB method, which is a conventional method for producing a molecular film used for an electronic element, in the order of steps.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 フォスファチジルコリン 2 水素細菌由来チトクロームc552 4 4−メルカプトピリジン 5 STM探針 6 非変性チトクロームc552 7 変性チトクロームc552 9 フラボドキシン DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Phosphatidylcholine 2 Hydrogen bacteria-derived cytochrome c552 4 4-mercaptopyridine 5 STM probe 6 Non-denatured cytochrome c552 7 Denatured cytochrome c552 9 Flavodoxin

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上山 智嗣 尼崎市塚口本町8丁目1番1号 三菱電 機株式会社 中央研究所内 (72)発明者 磯田 悟 尼崎市塚口本町8丁目1番1号 三菱電 機株式会社 中央研究所内 (56)参考文献 特開 平5−75096(JP,A) 特開 平5−109263(JP,A) 特開 平5−75097(JP,A) 特公 平2−32358(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 51/00 - 51/40 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Satoshi Ueyama 8-1-1 Tsukaguchi Honcho, Amagasaki City Inside the Central Research Laboratory, Mitsubishi Electric Corporation (72) Inventor Satoru Isoda 8-1-1 Honcho Tsukaguchi, Amagasaki City Mitsubishi (56) References JP 5-75096 (JP, A) JP 5-109263 (JP, A) JP 5-75097 (JP, A) JP 2- 32358 (JP, B2) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 51/00-51/40

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 水素細菌由来チトクロームc552を
ロモータ修飾電極上に2次元的に整列させたタンパク質
分子膜。
1. A flop hydrogen bacterial cytochrome c552
Protein molecular membranes two-dimensionally aligned on a motor-modified electrode.
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