JP4963117B2 - Enzyme-silica nanoporous material composite-supported microreactor and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクター及びその製造方法に関するものであり、更に詳しくは、耐熱、耐有機溶媒などの耐環境性を備えた安定な酵素反応場であり、また、高選択性・高反応効率を可能にするコンパクトな反応場である、酵素−ナノ空孔材料複合体を担持した流通型マイクロリアクター及びその作製方法に関するものである。本発明は、次世代の様々な化学反応プロセスへの応用が高く期待されているマイクロリアクター技術において、様々な分子サイズの酵素分子を選択的、かつ単分散した状態で高密度に集積し、酵素活性を安定に保持しながら、高濃度、かつ安定に担持、固定化したマイクロリアクター及びその製造技術に関する新技術・新製品を提供するものである。 The present invention relates to an enzyme-silica-based nanoporous material composite-supported microreactor and a method for producing the same, and more particularly, a stable enzyme reaction field having environmental resistance such as heat resistance and organic solvent resistance. Further, the present invention relates to a flow-type microreactor carrying an enzyme-nanopore material composite, which is a compact reaction field that enables high selectivity and high reaction efficiency, and a method for producing the same. The present invention is a microreactor technology that is highly expected to be applied to various next-generation chemical reaction processes. Enzyme molecules of various molecular sizes are selectively and monodispersed in a high density and are accumulated at a high density. The present invention provides new technologies and new products related to microreactors that are stably supported and immobilized at high concentrations and their manufacturing technologies while maintaining their activity stably.
近年の産業用酵素を利用した物質生産において、例えば、「迅速混合」、「精密温度制御」といった特徴を有し、化学反応プロセスにおける反応速度と収率の飛躍的な向上を可能にすると考えられているマイクロリアクター技術については、様々な化学反応プロセスへの応用が高く期待されている。しかしながら、生産効率の向上を目的とした各種固定化担体への酵素分子の高密度集積化技術の開発過程では、いくかの問題点が指摘されている。 Material production using industrial enzymes in recent years has characteristics such as “rapid mixing” and “precise temperature control”, and is thought to enable dramatic improvement in reaction rate and yield in chemical reaction processes. The microreactor technology is highly expected to be applied to various chemical reaction processes. However, some problems have been pointed out in the development process of high density integration technology of enzyme molecules on various immobilization carriers for the purpose of improving production efficiency.
従来の基板上への酵素の固定化法には、化学結合や静電気相互作用を介して担持するいくつかの手法があるが、従来の手法には、特に、１）基板表面への非特異的吸着によって酵素が失活する、あるいは立体障害によって酵素反応が阻害される、２）酵素の固定化量を増大させると、酵素が自己凝集体を形成し、酵素活性が発現しない場合や、失活する場合がある、といった基本的な問題点がある。 There are several methods for immobilizing an enzyme on a conventional substrate, which are supported via chemical bonds or electrostatic interactions. The conventional methods include, in particular, 1) non-specificity on the substrate surface. Enzyme is inactivated by adsorption, or enzyme reaction is inhibited by steric hindrance. 2) When the amount of immobilized enzyme is increased, the enzyme forms a self-aggregate and the enzyme activity is not expressed. There are some basic problems such as
従来のマイクロリアクターでは、末端特異的な結合により、酵素分子を配向制御することが可能であるが、高コストで、手間もかかる。したがって、簡便、かつ低コストの手法で、酵素分子を単分散した状態で高密度に集積し、更に、酵素活性を保持しながら、高濃度、かつ安定に担持、固定化するための新しい担持、固定化技術の開発が求められている。 In a conventional microreactor, it is possible to control the orientation of enzyme molecules by end-specific binding, but this is expensive and laborious. Therefore, it is a simple and low-cost method to accumulate enzyme molecules in a monodispersed state at a high density, and while maintaining the enzyme activity, a new support for stably supporting and immobilizing at a high concentration, Development of immobilization technology is required.
このような問題を解決するためには、簡便な手法により、多様な酵素分子を選択的、かつ単分散した状態で、高密度に集積できる新しいマイクロリアクターの開発が不可欠であると考えられる。そのためには、従来のマイクロ空間の特徴に加え、更に、耐環境性、すなわち耐熱（非特許文献１）、耐有機溶媒（非特許文献２）などを備えた安定な酵素反応場、また、高選択性・高反応効率を可能にするコンパクトな反応場を提供できる新しいマイクロリアクターを開発することが強く求められる。 In order to solve such problems, it is indispensable to develop a new microreactor capable of collecting various enzyme molecules selectively and monodispersed in a high density by a simple method. For this purpose, in addition to the characteristics of the conventional microspace, the environment resistance, that is, a stable enzyme reaction field having heat resistance (Non-patent Document 1), organic solvent (Non-patent Document 2), and the like, There is a strong demand to develop a new microreactor that can provide a compact reaction field that enables selectivity and high reaction efficiency.
先行技術として、シリカ系メソ多孔体材料、例えば、ＳＢＡ、ＭＣＭ、ＦＳＭタイプなどのシリカ系メソ多孔体材料の細孔内部に、ホモ蛋白質を吸着させ、活性を保持させる人工的な蛋白質複合体の開発や（非特許文献３）、シリカ系メソ多孔体材料−蛋白質複合体に関する報告（特許文献１、非特許文献４、５）、が種々存在する。 As a prior art, an artificial protein complex that adsorbs a homoprotein and retains its activity inside the pores of a silica-based mesoporous material, for example, a silica-based mesoporous material such as SBA, MCM, FSM type, etc. There are various reports on development and (Non-patent Document 3) and silica-based mesoporous material-protein complexes (Patent Document 1, Non-Patent Documents 4 and 5).
本発明者らは、既に、ナノ空孔材料では、極めて大きな比表面積とすることができ、また、細孔径の制御や表面の親和性の制御が容易に行えるとの知見を見出しており、更に、ナノ空孔材料内への酵素の固定化の一つとして、規則性細孔を有するシリカ系メソ多孔体（ナノ空孔材料）に酵素分子をカプセル化する方法を提案している。 The present inventors have already found that nanopore materials can have a very large specific surface area, and that pore diameter control and surface affinity control can be easily performed. As a method for immobilizing an enzyme in a nanoporous material, a method of encapsulating enzyme molecules in a silica-based mesoporous material (nanoporous material) having regular pores has been proposed.
しかしながら、従来、上記シリカ系メソ多孔体材料を用いて、流通型プロセスを構築することを可能とする連続的な酵素反応場としてのリアクター技術を開発することに成功した例はなく、当技術分野においては、従来のマイクロ空間の特徴に加え、更に、耐環境性、高選択性、高反応効率性などを備えた、新しいマイクロリアクター技術を開発することが強く要請されていた。 However, there has been no example of successful development of reactor technology as a continuous enzyme reaction field that enables the construction of a flow-type process using the silica-based mesoporous material. In addition to the characteristics of the conventional microspace, there has been a strong demand to develop a new microreactor technology that has environmental resistance, high selectivity, high reaction efficiency, and the like.
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術の課題を解決することを可能にする、ナノ空孔材料とマイクロリアクター技術を融合した協奏的酵素反応場を構築すること、酵素−ナノ空孔材料複合体を担持した流通型マイクロリアクターの作製と、酵素反応解析について検討すること、酵素−ナノ空孔材料複合体をマイクロリアクターの反応場として利用すること、を目標として鋭意研究を重ねた結果、上記酵素−ナノ空孔材料複合体を酵素反応場とする新しい酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターを開発することに成功し、本発明を完成するに至った。 In such a situation, the present inventors, in view of the above-mentioned prior art, enable a concerted enzymatic reaction that fuses nanopore materials and microreactor technology, which makes it possible to solve the problems of the prior art. To construct a field, to make a flow-type microreactor carrying an enzyme-nanoporous material complex, and to study enzyme reaction analysis, to use the enzyme-nanoporous material complex as a reaction field for a microreactor As a result of extensive research with the goal of achieving the above, the present inventors succeeded in developing a new enzyme-nanopore material composite-supported microreactor using the above enzyme-nanopore material complex as an enzyme reaction field. It came to be completed.
本発明は、ナノ空孔材料とマイクロリアクター技術を融合した新しい酵素反応場を有する、酵素−ナノ空孔材料複合体を担持した流通型マイクロリアクターを提供することを目的とするものである。また、本発明は、リアクターの流路内に酵素−ナノ空孔材料複合体を担持した酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターを提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide a flow-through microreactor carrying an enzyme-nanoporous material complex, which has a new enzyme reaction field obtained by fusing nanoporous material and microreactor technology. Another object of the present invention is to provide an enzyme-nanopore material composite-supported microreactor in which an enzyme-nanopore material composite is supported in the flow path of the reactor.
上記課題を解決する本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）酵素分子をシリカ系ナノ空孔材料の細孔内部に備えた酵素内包複合体を担持したマイクロリアクターであって、
酵素内包複合体が、前記シリカ系ナノ空孔材料の細孔内に安定に固定されている酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体からなり、酵素−反応基質間で相互作用を示すように、前記の酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体が、マイクロリアクターの流路内に担持された状態にあり、前記シリカ系ナノ空孔材料が、ケイ素原子と酸素原子を必須成分として含む無機化合物の多孔体であり、細孔のサイズが、直径で２〜５０ｎｍであり、全細孔容積が０．１〜１．５ｍＬ／ｇであり、比表面積が２００〜１５００ｍ ２ であることを特徴とする酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクター。
（２）前記シリカ系ナノ空孔材料が、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）／ガラス基板から構成されるマイクロリアクター内のガラス基板表面に、シロキサン結合を介して、担持されている、前記（１）に記載の酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクター。
（３）前記シリカ系ナノ空孔材料が、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）／ガラス基板から構成されるマイクロリアクター内のガラス基板表面に、ポリジメチルシロキサンを介して、担持されている、前記（１）に記載の酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクター。
（４）前記シリカ系ナノ空孔材料が、ＦＳＭ、又はＳＢＡタイプのシリカ系メソ多孔体材料である、前記（１）から（３）のいずれかに記載の酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクター。
（５）前記酵素が、加水分解酵素、酸化還元酵素、転移酵素、脱離酵素、異性化酵素、又は合成酵素である、前記（１）から（４）のいずれかに記載の酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクター。
（６）前記酵素が、リパーゼである、前記（１）から（５）のいずれかに記載の酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクター。
（７）前記の酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体が、マイクロリアクターの流路内に担持されて酵素活性が安定に保持された状態にある、前記（１）から（６）のいずれかに記載の酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクター。
（８）酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターが、連続酵素反応プロセスにおいて繰り返し使用される流通型のものである、前記（１）から（７）のいずれかに記載の酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクター。
（９）前記（１）から（８）のいずれかに記載の酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターを製造する方法であって、
前記シリカ系ナノ空孔材料の細孔内部に、酵素分子を、酵素が酵素−反応基質間で相互作用を示すような状態で担持させた酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体を、マイクロリアクターの流路内に担持、固定することを特徴とする酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターの製造方法。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A microreactor carrying an enzyme inclusion complex having enzyme molecules inside the pores of a silica-based nanoporous material,
The enzyme-encapsulated complex is composed of an enzyme-silica nanoporous material complex that is stably fixed in the pores of the silica-based nanoporous material, and exhibits an interaction between the enzyme and the reaction substrate. the enzyme - silica nanopores material complex, Ri state near carried in the flow path of the microreactor, the silica nanopores material, inorganic compounds containing a silicon atom and an oxygen atom as essential components of a porous material, the size of the pores, a 2~50nm in diameter, total pore volume is 0.1~1.5mL / g, specific surface area, wherein 200～1500M 2 der Rukoto An enzyme-silica nanoporous material composite-supported microreactor.
(2) the silica nanopores material, from polydimethylsiloxane (PDMS) / glass substrate on the glass substrate surface in the constructed microreactor via a siloxane bond, is carried, to (1) The enzyme-silica nanoporous material composite-supported microreactor as described.
( 3 ) The silica-based nanoporous material is supported on a glass substrate surface in a microreactor composed of polydimethylsiloxane (PDMS) / glass substrate via polydimethylsiloxane ( 1) An enzyme-silica nanoporous material composite-supported microreactor as described in 1 above.
( 4 ) The enzyme-silica nanoporous material composite according to any one of (1) to ( 3 ), wherein the silica-based nanoporous material is an FSM or SBA type silica-based mesoporous material. Body-supported microreactor.
( 5 ) The enzyme-silica system according to any one of (1) to ( 4 ), wherein the enzyme is a hydrolase, oxidoreductase, transferase, desorption enzyme, isomerase, or synthetic enzyme. Nanoporous material composite-supported microreactor.
( 6 ) The enzyme-silica nanoporous material composite-supported microreactor according to any one of (1) to ( 5 ), wherein the enzyme is lipase.
( 7 ) Any one of (1) to ( 6 ), wherein the enzyme-silica nanoporous material composite is supported in a flow path of a microreactor and the enzyme activity is stably maintained. An enzyme-silica nanoporous material composite-supported microreactor as described in 1 above.
( 8 ) The enzyme according to any one of (1) to ( 7 ), wherein the enzyme-silica nanoporous material composite-supported microreactor is a flow-through type that is repeatedly used in a continuous enzyme reaction process. Silica-based nanoporous material composite-supported microreactor.
( 9 ) A method for producing the enzyme-silica nanoporous material composite-supported microreactor according to any one of ( 1 ) to (8) ,
An enzyme-silica nanoporous material complex in which an enzyme molecule is supported in the pores of the silica-based nanoporous material in a state where the enzyme interacts between the enzyme and the reaction substrate is formed into a microreactor. A method for producing an enzyme-silica nanoporous material composite-supported microreactor, wherein the microreactor is supported and fixed in a flow path.
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、酵素分子をシリカ系ナノ空孔材料の細孔内部に備えた酵素内包複合体を担持したマイクロリアクターであって、酵素内包複合体が、前記シリカ系ナノ空孔材料の細孔内に安定に固定されている酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体からなり、酵素−反応基質間で相互作用を示すように、前記の酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体が、マイクロリアクターの流路内に担持された状態にあることを特徴とするものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention is a microreactor carrying an enzyme-encapsulated complex having enzyme molecules inside the pores of a silica-based nanoporous material, wherein the enzyme-encapsulated complex is contained in the pores of the silica-based nanoporous material. The enzyme-silica nanoporous material composite is stably immobilized on the microreactor so that the enzyme-silica nanoporous material composite exhibits an interaction between the enzyme and the reaction substrate. It is characterized by being in a state of being supported in the flow path.
本発明では、前記シリカ系ナノ空孔材料が、１）ケイ素原子と酸素原子を必須成分として含む無機化合物の多孔体であり、２）細孔のサイズが、直径で２〜５０ｎｍであり、３）全細孔容積が０．１〜１．５ｍＬ／ｇであり、４）比表面積が２００〜１５００ｍ２であること、を好ましい実施の態様としている。 In the present invention, the silica-based nanoporous material is 1) a porous body of an inorganic compound containing silicon atoms and oxygen atoms as essential components, and 2) the pore size is 2 to 50 nm in diameter. It is a preferred embodiment that the total pore volume is 0.1 to 1.5 mL / g, and 4) the specific surface area is 200 to 1500 m 2 .
また、本発明は、上記の酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターを製造する方法であって、前記シリカ系ナノ空孔材料の細孔内部に、酵素分子を、酵素が酵素−反応基質間で相互作用を示すような状態で担持させた酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体を、マイクロリアクターの流路内に担持、固定することを特徴とするものである。 The present invention also relates to a method for producing the above-described enzyme-silica nanoporous material composite-supported microreactor, wherein enzyme molecules are contained in the pores of the silica nanoporous material, and the enzyme is enzyme- The enzyme-silica nanoporous material composite supported in a state that shows an interaction between reaction substrates is supported and fixed in the flow path of the microreactor.
本発明では、直径２−５０ｎｍの規則性細孔を持つシリカ系無機多孔体（メソポーラスシリカ）のナノ空孔材料へ酵素分子をカプセル化することにより、酵素−ナノ空孔材料複合体を作製し、また、該酵素−ナノ空孔材料複合体をマイクロリアクターの基板表面の流路内に担持、固定した酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターを構築すること、そして、該酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターを連続酵素反応システムへ適用したこと、を特徴とするものである。 In the present invention, an enzyme-nanoporous material composite is produced by encapsulating enzyme molecules in a silica-based inorganic porous material (mesoporous silica) having a regular pore with a diameter of 2-50 nm. Also, constructing the enzyme-nanoporous material composite-supported microreactor in which the enzyme-nanoporous material complex is supported and fixed in the flow path on the substrate surface of the microreactor; and The porous material composite-supporting microreactor is applied to a continuous enzyme reaction system.
本発明は、酵素とナノ空孔材料を複合体化するとともに、該酵素−ナノ空孔材料複合体をマイクロリアクターの流路内に担持させ、デバイス化することにより、酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターを構築したものである。本発明の酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターは、従来のマイクロ空間に、更に、耐熱、耐有機溶媒などの耐環境性を備えた新しい酵素反応場を提供するものとして有用である。 The present invention combines an enzyme and a nanoporous material, and supports the enzyme-nanoporous material composite by supporting the enzyme-nanoporous material complex in a flow path of a microreactor to form a device. A body-supported microreactor is constructed. The enzyme-nanopore material composite-supported microreactor of the present invention is useful for providing a new enzyme reaction field having environmental resistance such as heat resistance and organic solvent resistance in a conventional microspace.
本発明では、ナノ空孔材料として、好適には、シリカ源（カネマイトなどの層状ケイ酸塩、水ガラスなど）と、カチオン性界面活性剤（塩化アルキルトリメチルアンモニウムなど）を縮合反応させ、これを焼成することによって作製したナノ空孔材料ＦＳＭ（ｆｏｌｄｅｄ−ｓｈｅｅｔ ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌ）や、ＳＢＡタイプのシリカ系メソ多孔体材料などが好適なものとして例示されるが、以下、ＦＳＭをモデルとして、本発明を詳細に説明する。層状ケイ酸塩としては、例えば、カネマイトが好適に用いられ、また、界面活性剤としては、カチオン性の界面活性材である第四級アンモニウム塩が好適に用いられるが、これらと同効のものであれば同様に使用することができる。 In the present invention, as a nanoporous material, a silica source (layered silicate such as kanemite, water glass, etc.) and a cationic surfactant (alkyltrimethylammonium chloride, etc.) are preferably subjected to a condensation reaction. Nanoporous material FSM (folded-sheet mesoporous material) produced by firing, SBA type silica-based mesoporous material, etc. are exemplified as suitable materials. Hereinafter, the present invention will be described using FSM as a model. This will be described in detail. As the layered silicate, for example, kanemite is preferably used, and as the surfactant, a quaternary ammonium salt which is a cationic surfactant is preferably used. Can be used in the same manner.
層状ケイ酸塩（シリカ源）とカチオン性界面活性剤を水溶液中で混合すると、界面活性剤のミセルの分子集合体の形成と、シリカの縮合反応が協奏的に進行し、ハニカム状のシリカの鎧が形成され、最終的には、界面活性剤を焼成、除去することによって、目的のシリカ系メソ多孔体のナノ空孔材料ＦＳＭを作製することができる。得られたナノ空孔材料ＦＳＭは、極めて大きな比表面積（〜１０００ｍ２／ｇ）と細孔容積（〜１ｃｍ３／ｇ）を有しており、また、細孔径の制御が可能（φ２−１０ｎｍ）で、表面は反応性が高く、表面修飾による親和性の制御が可能である、という特徴を持っている。 When layered silicate (silica source) and a cationic surfactant are mixed in an aqueous solution, the formation of surfactant micelles and the condensation reaction of the silica proceed in concert, and the honeycomb silica The armor is formed, and finally, the target silica-based mesoporous nanoporous material FSM can be produced by baking and removing the surfactant. The obtained nanoporous material FSM has a very large specific surface area (˜1000 m 2 / g) and pore volume (˜1 cm 3 / g), and the pore diameter can be controlled (φ2-10 nm) ), The surface is highly reactive, and the affinity can be controlled by surface modification.
本発明では、ナノ空孔材料ＦＳＭとして、例えば、細孔径分布（ＢＪＨ法による）が２−１０ｎｍの材料、好ましくは、２．６−７．１ｎｍの材料を作製、使用することができ、具体的に、例えば、細孔径：２．６（ＦＳＭ２．６）、３．７（ＦＳＭ３．７）、５．４（ＦＳＭ５．４）、７．１（ＦＳＭ７．１）ｎｍ、そして、それぞれ、壁厚：０．８５、０．８６、０．９９、１．０７ｎｍ、比表面積：１０１６、９５１、９９９、９６６ｍ２ｇ−１、全細孔容量：０．９１、１．０７、１．６０、１．９１ｃｍ３ｇ−１、の材料を作製し、使用することができる。本発明では、これらの材料を、ナノ空孔材料として、適宜使用することができ、また、同様に、ＳＢＡタイプのシリカ系メソ多孔体材料を使用することができる。 In the present invention, as the nanoporous material FSM, for example, a material having a pore size distribution (by the BJH method) of 2 to 10 nm, preferably 2.6 to 7.1 nm can be prepared and used. Thus, for example, pore size: 2.6 (FSM 2.6), 3.7 (FSM 3.7), 5.4 (FSM 5.4), 7.1 (FSM 7.1) nm and, respectively, the wall Thickness: 0.85, 0.86, 0.99, 1.07 nm, specific surface area: 1016, 951, 999, 966 m 2 g −1 , total pore volume: 0.91, 1.07, 1.60, A 1.91 cm 3 g −1 material can be made and used. In the present invention, these materials can be appropriately used as the nanopore material, and similarly, an SBA type silica-based mesoporous material can be used.
また、ナノ空孔材料ＦＳＭのＸ線回折及びＴＥＭ観察の結果、本発明のナノ空孔材料ＦＳＭでは、２Ｄヘキサゴナル構造を示唆する特徴的な回折パターンが示され、また、ハニカム状の細孔構造が広範囲に配列している様子が観察される。また、後記する実施例で用いた酵素リパーゼは、シリンダー構造を持っており、その大きさは、例えば、３．７ｎｍの細孔を持ったナノ空孔材料ＦＳＭにマッチすることが明らかとなった。 Further, as a result of X-ray diffraction and TEM observation of the nanoporous material FSM, the nanoporous material FSM of the present invention shows a characteristic diffraction pattern suggesting a 2D hexagonal structure, and has a honeycomb-shaped pore structure. Are observed in a wide range. In addition, the enzyme lipase used in the examples described later has a cylinder structure, and the size of the enzyme lipase, for example, was found to match that of a nanoporous material FSM having 3.7 nm pores. .
本発明では、細孔径の大きさを２−１０ｎｍの範囲で制御したナノ空孔材料を使用することができ、例えば、細孔径が２．６、３．７、５．４、７．１ｎｍのナノ空孔材料（ＦＳＭ２．６、３．７、５．４、７．１）を適宜作製し、使用することが可能である。タンパク質・酵素分子は、数ナノメートルから大きいもので数十ナノメートルになるが、この酵素分子の大きさに見合ったサイズの細孔径のナノ空孔材料を使用することで、適宜の酵素−ナノ空孔材料複合体を作製することが可能である。 In the present invention, it is possible to use a nanoporous material in which the size of the pore diameter is controlled in the range of 2 to 10 nm. For example, the pore diameter is 2.6, 3.7, 5.4, 7.1 nm. Nanoporous materials (FSM 2.6, 3.7, 5.4, 7.1) can be appropriately prepared and used. Protein / enzyme molecules are several nanometers to several tens of nanometers. By using nanopore materials with pore sizes that match the size of the enzyme molecules, appropriate enzyme-nanomolecules can be used. It is possible to make a pore material composite.
次に、リパーゼを代表例（モデル酵素）として、本発明を更に詳細に説明するが、酵素は、リパーゼに限定されるものではなく、用いるナノ空孔材料ＦＳＭの細孔のサイズにマッチする酵素であれば、その種類に制限されることなく、本発明を適用することが可能である。後記する実施例では、モデル酵素として、糸状菌由来リパーゼを用いた例を示したが、該リパーゼの場合、ナノ空孔材料ＦＳＭとして、３．７ｎｍのものが好適に用いられる。しかし、酵素は、リパーゼに制限されるものではなく、加水分解酵素、酸化還元酵素、転移酵素、脱離酵素、異性化酵素、又は合成酵素などの適宜の酵素が適用可能である。
また、緩衝溶液としては、酵素の等電点に近いｐＨのものが、大きい吸着力を示すことが分かった。
Next, the present invention will be described in more detail using lipase as a representative example (model enzyme). However, the enzyme is not limited to lipase, and an enzyme that matches the pore size of the nanoporous material FSM used. If it is, it is possible to apply this invention, without being restrict | limited to the kind. In the examples described later, an example in which filamentous fungus-derived lipase was used as a model enzyme was shown, but in the case of the lipase, a nanoporous material FSM having 3.7 nm is preferably used. However, the enzyme is not limited to a lipase, and an appropriate enzyme such as a hydrolase, an oxidoreductase, a transferase, a dehydrogenase, an isomerase, or a synthetic enzyme is applicable.
Moreover, as a buffer solution, it turned out that the thing of pH close | similar to the isoelectric point of an enzyme shows big adsorption power.
次に、窒素吸脱着測定により、ナノ空孔材料ＦＳＭの細孔内へ酵素が導入され、酵素−ナノ空孔材料複合体が形成されていることを確認することができる。酵素を吸着させたナノ空孔材料ＦＳＭでは、細孔内に窒素が入り込む余地がなくなり、窒素吸着量及び細孔容積の減少が示されるので、これにより、複合体の形成を確認することができる。 Next, by nitrogen adsorption / desorption measurement, it can be confirmed that an enzyme is introduced into the pores of the nanoporous material FSM and an enzyme-nanoporous material complex is formed. In the nanoporous material FSM adsorbed with the enzyme, there is no room for nitrogen to enter the pores, indicating a decrease in the amount of nitrogen adsorbed and the pore volume, thereby confirming the formation of the complex. .
次に、酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターの作製について説明する。本発明では、好適には、基板として、例えば、厚みが約１ｍｍ程度のガラス基板を用いることができるが、基材の種類、形状及び構造、大きさなどは、使用目的に応じて任意に設計することができる。基板の一部にマスクを施し、次に、フッ酸によってエッチングを行って溝を形成し、この領域に脱水エタノールなどに懸濁したナノ空孔材料ＦＳＭ粉末を浸漬させ、これを焼成し、ガラス基板表面にナノ空孔材料ＦＳＭ粒子を共有結合させる。 Next, production of the enzyme-nanoporous material composite-supported microreactor will be described. In the present invention, a glass substrate having a thickness of, for example, about 1 mm can be preferably used as the substrate, but the type, shape, structure, size, and the like of the base material are arbitrarily designed according to the purpose of use. can do. A mask is applied to a part of the substrate, and then etching is performed with hydrofluoric acid to form a groove. A nanoporous material FSM powder suspended in dehydrated ethanol or the like is immersed in this region, and this is baked, glass The nanoporous material FSM particles are covalently bonded to the substrate surface.
次に、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）膜を上から貼り、酵素溶液を導入し、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）／ガラス基板から構成されるマイクロリアクター内のガラス基板表面に特異的に吸着、固定されたナノ空孔材料ＦＳＭ粒子の細孔内に酵素を吸着、担持させた後、緩衝液で充分に洗浄する。このようにして、マイクロリアクター内の基板表面−特異的に吸着、固定されたナノ空孔材料ＦＳＭ粒子−その細孔内に吸着、担持された酵素の複合構造を構築して、マイクロリアクターの流路内に酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体が担持された状態とすることで、本発明の酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターが作製される。 Next, a polydimethylsiloxane (PDMS) film was applied from above, an enzyme solution was introduced, and the polydimethylsiloxane (PDMS) / glass substrate was specifically adsorbed and fixed on the surface of the glass substrate in the microreactor composed of polydimethylsiloxane (PDMS) / glass substrate. After the enzyme is adsorbed and supported in the pores of the nanoporous material FSM particles, it is thoroughly washed with a buffer solution. In this manner, a composite structure of the substrate surface in the microreactor—specifically adsorbed and immobilized nanoporous material FSM particles—the enzyme adsorbed and supported in the pores is constructed, and the flow of the microreactor The enzyme-silica nanopore material composite-supported microreactor of the present invention is produced by setting the enzyme-silica nanopore material composite in the channel.
また、別の手法として、プラスチックディッシュを利用してマイクロリアクターを作製することが可能である。この手法では、例えば、プラスチックディッシュ底部に形成した約φ１４ｍｍ程度の貫通孔にガラス基板を取り付け、その上に厚み〜０．１ｍｍ程度のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）層を形成し、その表面にナノ空孔材料ＦＳＭ粒子を堆積させ、これを約８５℃程度の温度で数時間静置して硬化させることで、ガラス基板表面にナノ空孔材料ＦＳＭを担持させる。次に、これに、圧縮空気を吹き付けて、非特異的に吸着したナノ空孔材料ＦＳＭ粒子を除去した後、厚み約１ｍｍ程度のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）膜を上から貼り、シールする。この際に、テフロン（登録商標）チューブを連結して、送液部を構築する。 As another method, a microreactor can be manufactured using a plastic dish. In this method, for example, a glass substrate is attached to a through hole of about φ14 mm formed on the bottom of a plastic dish, a polydimethylsiloxane (PDMS) layer having a thickness of about 0.1 mm is formed on the glass substrate, and nano-vacuum is formed on the surface. Porous material FSM particles are deposited and allowed to stand at a temperature of about 85 ° C. for several hours to be cured, thereby supporting the nanoporous material FSM on the glass substrate surface. Next, after compressed air is blown onto this to remove non-specifically adsorbed nanoporous material FSM particles, a polydimethylsiloxane (PDMS) film having a thickness of about 1 mm is applied from above and sealed. At this time, a Teflon (registered trademark) tube is connected to construct a liquid feeding section.
次に、酵素溶液を、シリンジポンプなどを用いて、ナノ空孔材料ＦＳＭ担持マイクロリアクター内に送液して、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）／ガラス基板から構成されるマイクロリアクター内のガラス基板表面に特異的に吸着、固定されたナノ空孔材料ＦＳＭ粒子の細孔内に、酵素を吸着、担持させた後、緩衝液で充分に洗浄する。このようにして、マイクロリアクター内の基板表面−特異的に吸着、固定されたナノ空孔材料ＦＳＭ粒子−その細孔内に吸着、担持された酵素の複合構造を構築して、マイクロリアクターの流路内に酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体が担持された状態とすることで、本発明の酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターが作製される。本発明の酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターの構成は、マイクロリアクター内の基板表面と、該基板表面に特異的に固定化されたシリカ系ナノ空孔材料ＦＳＭ粒子と、該粒子の特定の細孔径の細孔内に固定化された酵素分子とからなる複合構造を有し、上記酵素分子が、上記基板表面に、ナノ空孔材料ＦＳＭ粒子の細孔を介して、基板表面に対して、非直接的、間接的に複合化されていることが重要であり、それにより、酵素分子を、シリカ系ナノ空孔材料ＦＳＭ粒子の細孔内で単分散した状態で、高密度に集積、担持させて、反応基質に対する連続酵素反応機能を高い反応効率で発揮させることが可能となる。 Next, the enzyme solution is fed into the nanoporous material FSM-supported microreactor using a syringe pump or the like, and applied to the surface of the glass substrate in the microreactor composed of polydimethylsiloxane (PDMS) / glass substrate. The enzyme is adsorbed and supported in the pores of the nanoporous material FSM particles specifically adsorbed and fixed, and then thoroughly washed with a buffer solution. In this manner, a composite structure of the substrate surface in the microreactor—specifically adsorbed and immobilized nanoporous material FSM particles—the enzyme adsorbed and supported in the pores is constructed, and the flow of the microreactor The enzyme-silica nanopore material composite-supported microreactor of the present invention is produced by setting the enzyme-silica nanopore material composite in the channel. The structure of the enzyme-nanoporous material composite-supported microreactor of the present invention includes a substrate surface in the microreactor, silica-based nanoporous material FSM particles specifically immobilized on the substrate surface, It has a composite structure composed of enzyme molecules immobilized in pores having a specific pore diameter, and the enzyme molecules are formed on the substrate surface via the pores of the nanoporous material FSM particles. On the other hand, it is important that they are complexed directly and indirectly, so that the enzyme molecules are monodispersed in the pores of the silica-based nanoporous material FSM particles and densely formed. By accumulating and supporting, a continuous enzyme reaction function with respect to the reaction substrate can be exhibited with high reaction efficiency.
本発明では、アミノ基標識用の蛍光色素で表面を標識した酵素を用いて、酵素がリアクターの流路内に担持されていることを確認することができる。標識した酵素は、ゲルろ過によって精製し、蛍光色素を標識した酵素の蛍光スペクトルを測定する。この標識酵素を上記マイクロリアクター内に導入し、洗浄した後に蛍光イメージアナライザーで解析し、蛍光の位置と、ナノ空孔材料ＦＳＭ粒子を固定した領域とを比べることで、酵素が吸着していることを確認することができる。 In the present invention, it is possible to confirm that the enzyme is supported in the flow path of the reactor using an enzyme whose surface is labeled with a fluorescent dye for labeling amino groups. The labeled enzyme is purified by gel filtration, and the fluorescence spectrum of the enzyme labeled with a fluorescent dye is measured. This labeled enzyme is introduced into the microreactor, washed and then analyzed with a fluorescence image analyzer, and the enzyme is adsorbed by comparing the position of fluorescence with the region where the nanoporous material FSM particles are fixed. Can be confirmed.
次に、酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターによる酵素反応の解析を行った。酵素反応は、バッチ反応系と比べて、マイクロリアクターでは、非常に大きな反応活性を示すことが分かった。酵素リパーゼを用いたトリグリセリド加水分解反応系では、マイクロ空間の高反応効果によりその比活性は、バッチ反応の約７０倍になることが分かった。バッチ反応系は、可逆的であるため、一定の反応平衡を示す。 Next, the enzyme reaction was analyzed using an enzyme-nanoporous material composite-supported microreactor. It was found that the enzymatic reaction showed a very large reaction activity in the microreactor compared with the batch reaction system. In the triglyceride hydrolysis reaction system using the enzyme lipase, the specific activity was found to be about 70 times that of the batch reaction due to the high reaction effect in the microspace. Batch reaction systems are reversible and thus exhibit a constant reaction equilibrium.
本発明の酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターを用いた系では、分解物などの酵素反応生成物が反応系外に排出されるために、反応平衡がシフトし、反応効率が向上する。本発明は、活性を保持した状態で酵素を固定化できるプラットフォームとなり、また、高選択性・高反応効率を実現するコンパクトな反応場になる酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターを提供するものとして有用である。 In the system using the enzyme-nanopore material composite-supported microreactor of the present invention, enzyme reaction products such as decomposition products are discharged out of the reaction system, so that the reaction equilibrium is shifted and the reaction efficiency is improved. . The present invention provides a microreactor supporting an enzyme-nanopore material composite that serves as a platform capable of immobilizing an enzyme while maintaining its activity, and that is a compact reaction field that realizes high selectivity and high reaction efficiency. Useful as a thing.
従来、酵素−ナノ空孔材料複合体の作製については、いくつかの報告例があるが、酵素−ナノ空孔材料複合体をリアクターに組み込んで高効率の酵素反応場を形成した酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターは開発されていない。本発明は、上記酵素−ナノ空孔材料複合体を、リアクターの流路内に担持させた酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターを用いて、流通型酵素反応を行うことにより、バッチ反応系と比較して、マイクロ空間の酵素反応場で、約７０倍を超える非常に大きな反応活性、反応効率が得られることを実証して、はじめて完成されたものである。 Conventionally, there have been several reports on the production of enzyme-nanoporous material composites. However, enzyme-nanoporous materials in which an enzyme-nanoporous material complex is incorporated into a reactor to form a highly efficient enzyme reaction field have been reported. No microreactor supporting a porous material composite has been developed. The present invention provides a batch reaction by carrying out a flow-type enzyme reaction using an enzyme-nanopore material composite-supported microreactor in which the enzyme-nanopore material composite is supported in the flow path of the reactor. This was completed for the first time by demonstrating that a very large reaction activity and reaction efficiency exceeding about 70 times can be obtained in an enzyme reaction field in a micro space as compared with the system.
本発明により、次のような効果が奏される。
（１）酵素活性を保持しながら、酵素を高濃度、かつ安定に保持することを可能にする酵素反応場を有する酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターを提供できる。
（２）リアクターの流路内にナノ空孔材料複合体を担持した新しいマイクロリアクターを提供できる。
（３）酵素−ナノ空孔材料複合体を反応場として利用するマイクロリアクターを提供できる。
（４）高選択性・高反応効率を実現するコンパクトな反応場を持つ酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターを提供できる。
（５）本発明の酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターのマイクロ空間の高反応効率と、耐環境性を利用することにより、バッチ反応系に比べて、非常に大きな反応活性が得られる。
（６）酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターを用いた系では、反応生成物を反応系外に排出することができるため、反応効率を大きく向上させることが可能となる。
The present invention has the following effects.
(1) It is possible to provide an enzyme-nanoporous material composite-supported microreactor having an enzyme reaction field that makes it possible to stably maintain an enzyme at a high concentration while maintaining the enzyme activity.
(2) It is possible to provide a new microreactor in which the nanoporous material composite is supported in the reactor channel.
(3) A microreactor using the enzyme-nanoporous material composite as a reaction field can be provided.
(4) An enzyme-nanopore material composite-supported microreactor having a compact reaction field that achieves high selectivity and high reaction efficiency can be provided.
(5) By utilizing the high reaction efficiency and environment resistance of the microspace of the enzyme-nanopore material composite-supported microreactor of the present invention, a very large reaction activity can be obtained compared to a batch reaction system. .
(6) In the system using the enzyme-nanopore material complex-supported microreactor, the reaction product can be discharged out of the reaction system, so that the reaction efficiency can be greatly improved.
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.
本実施例では、シリカ系メソ多孔体の合成を行った。
（１）合成例１
水ガラス１号２７１．５９ｇを、水８２８．４１ｇと混合後、８０℃に加熱した。別途、ドコシルトリメチルアンモニウムクロライド８０ｇを、７０℃の水１リットルに添加、溶解後、トリイソピルベンゼン７０ｍｌ（６０ｇ）を更に添加し、ホモミキサーで３０分撹拌した。この乳化液を水ガラス溶液に瞬時に添加して、更に５分撹拌した。
In this example, a silica-based mesoporous material was synthesized.
(1) Synthesis example 1
271.59 g of water glass No. 1 was mixed with 828.41 g of water and then heated to 80 ° C. Separately, 80 g of docosyltrimethylammonium chloride was added and dissolved in 1 liter of water at 70 ° C., and then 70 ml (60 g) of triisopyrbenzene was further added, followed by stirring with a homomixer for 30 minutes. This emulsion was immediately added to the water glass solution and further stirred for 5 minutes.
これに、２規定塩酸を約１時間かけて添加し、ｐＨ８．５の状態で約３時間撹拌した。吸引濾過後、７０℃の熱水に再分散・濾過を繰り返し、濾液の伝導度が１００μＳ／ｃｍ以下であることを確認した。４５℃で３日間乾燥した後、５５０℃で６時間焼成することにより、中心細孔直径６．２ｎｍのシリカ系メソ多孔体ＦＳＭを得た。 To this, 2N hydrochloric acid was added over about 1 hour, and the mixture was stirred at pH 8.5 for about 3 hours. After suction filtration, redispersion and filtration were repeated in hot water at 70 ° C., and it was confirmed that the conductivity of the filtrate was 100 μS / cm or less. After drying at 45 ° C. for 3 days, calcination was performed at 550 ° C. for 6 hours to obtain a silica-based mesoporous material FSM having a center pore diameter of 6.2 nm.
上記ＦＳＭについて、粉末Ｘ線回折及び窒素吸着等温線の測定を行った。粉末Ｘ線回折は、理学ＲＡＤ−Ｂ装置を用いて測定し、窒素吸着等温線は、液体窒素温度において、定容積法により求めた。Ｘ線回折パターンにより、上記ＦＳＭは、２次元ヘキサゴナルの細孔配列構造を有していることが分かった。また、窒素吸着等温線から、Ｃｒａｎｓｔｏｎ−Ｉｎｋｌａｙ法で計算した細孔分布曲線によると、全細孔容積に占める、中心細孔直径の±４０％の範囲内の直径を有する細孔の全容積の割合は、６０％以上であることが分かった。 The FSM was measured for powder X-ray diffraction and nitrogen adsorption isotherm. X-ray powder diffraction was measured using a RAD-B instrument, and the nitrogen adsorption isotherm was determined by the constant volume method at liquid nitrogen temperature. From the X-ray diffraction pattern, it was found that the FSM had a two-dimensional hexagonal pore arrangement structure. Moreover, according to the pore distribution curve calculated by the Cranston-Inklay method from the nitrogen adsorption isotherm, the total volume of the pores having a diameter within a range of ± 40% of the central pore diameter in the total pore volume. The ratio was found to be 60% or more.
（２）合成例２
乾燥水ガラス（ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏ＝２．００）を、７００℃で６時間、空気中で焼成し、ジケイ酸ソーダ（δ−Ｎａ２Ｓｉ２Ｏ５）に結晶化させた。この結晶５０ｇを５００ｍＬの水に分散させ、３時間撹拌した。その後、濾過して固形分を回収してカネマイトを得た。こうして得られたカネマイト５０ｇを、０．１Ｍのヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド水溶液１０００ｍＬに分散させ、７０℃で３時間攪拌しながら加熱した。加熱初期の分散液のｐＨは１２．３であった。その後、７０℃で加熱、撹拌しながら２Ｎの塩酸を添加して、分散液のｐＨを８．５に下げた。
(2) Synthesis example 2
Dry water glass (SiO 2 / Na 2 O = 2.00) was fired in air at 700 ° C. for 6 hours and crystallized in sodium disilicate (δ-Na 2 Si 2 O 5 ). 50 g of this crystal was dispersed in 500 mL of water and stirred for 3 hours. Thereafter, the solid content was collected by filtration to obtain kanemite. 50 g of kanemite thus obtained was dispersed in 1000 mL of a 0.1 M hexadecyltrimethylammonium chloride aqueous solution and heated at 70 ° C. with stirring for 3 hours. The pH of the dispersion at the initial stage of heating was 12.3. Thereafter, 2N hydrochloric acid was added with stirring and heating at 70 ° C. to lower the pH of the dispersion to 8.5.
そして、更に７０℃で３時間加熱した後、室温まで放冷した。固形生成物をいったん濾過し、再び１０００ｍＬのイオン交換水に分散させ攪拌した。この濾過・分散撹拌を５回繰り返してから風乾した。風乾して得られた試料を、窒素中４５０℃で３時間加熱した後、空気中で５５０℃で６時間焼成することにより、中心細孔直径２．７ｎｍのシリカ系メソ多孔体ＦＳＭを得た。 And after heating at 70 degreeC for 3 hours, it stood to cool to room temperature. The solid product was once filtered, dispersed again in 1000 mL of ion exchange water, and stirred. This filtration and dispersion stirring was repeated 5 times and then air-dried. The sample obtained by air drying was heated at 450 ° C. in nitrogen for 3 hours and then calcined in air at 550 ° C. for 6 hours to obtain a silica-based mesoporous material FSM having a central pore diameter of 2.7 nm. .
（３）合成例３
ドコシルトリメチルアンモニウムクロライド４．２４ｇを、７０℃の水１００ミリリットルに添加し、溶解後、カネマイト５ｇを更に添加し、７０℃に加熱しながら、ホモミキサーで３時間撹拌した。これに、２規定塩酸を約１時間かけて添加し、ｐＨ８．５の状態で、約３時間撹拌した。これを、吸引濾過した後、７０℃の熱水に再分散・濾過を繰り返し、濾液の伝導度が１００μＳ／ｃｍ以下であることを確認した。これを、４５℃で３日間乾燥した後、５５０℃で６時間焼成することにより、中心細孔直径４ｎｍのシリカ系メソ多孔体ＦＳＭを得た。
(3) Synthesis example 3
4.24 g of docosyltrimethylammonium chloride was added to 100 ml of water at 70 ° C. After dissolution, 5 g of kanemite was further added, and the mixture was stirred with a homomixer for 3 hours while heating to 70 ° C. To this, 2N hydrochloric acid was added over about 1 hour, and the mixture was stirred for about 3 hours at pH 8.5. This was subjected to suction filtration and then redispersed and filtered in hot water at 70 ° C. to confirm that the conductivity of the filtrate was 100 μS / cm or less. This was dried at 45 ° C. for 3 days and then calcined at 550 ° C. for 6 hours to obtain a silica-based mesoporous material FSM having a central pore diameter of 4 nm.
上記ＦＳＭについて、粉末Ｘ線回折及び窒素吸着等温線の測定を行った。粉末Ｘ線回折は、理学ＲＡＤ−Ｂ装置を用いて測定し、窒素吸着等温線は、液体窒素温度において、定容積法により求めた。Ｘ線回折パターンにより、上記ＦＳＭは、２次元ヘキサゴナルの細孔配列構造を有していることが分かった。また、窒素吸着等温線から、Ｃｒａｎｓｔｏｎ−Ｉｎｋｌａｙ法で計算した細孔分布曲線によると、全細孔容積に占める、中心細孔直径の±４０％の範囲内の直径を有する細孔の全容積の割合は、６０％以上であることが分かった。 The FSM was measured for powder X-ray diffraction and nitrogen adsorption isotherm. X-ray powder diffraction was measured using a RAD-B instrument, and the nitrogen adsorption isotherm was determined by the constant volume method at liquid nitrogen temperature. From the X-ray diffraction pattern, it was found that the FSM had a two-dimensional hexagonal pore arrangement structure. Moreover, according to the pore distribution curve calculated by the Cranston-Inklay method from the nitrogen adsorption isotherm, the total volume of the pores having a diameter within a range of ± 40% of the central pore diameter in the total pore volume. The ratio was found to be 60% or more.
本実施例では、バッチ法におけるシリカ系ナノ空孔材料への酵素の導入と吸着評価を行った。
（１）酵素―ナノ空孔材料複合体の製造
シリカ系メソ多孔体には、中心細孔直径４ｎｍを有するシリカ系メソ多孔体（ＦＳＭ−２２）を、また、酵素には、リパーゼ（Ｐｈｙｃｏｍｙｃｅｓ Ｎｉｔｅｎｓ由来、分子量〜３０ｋＤａ）を用いた。
In this example, the introduction and adsorption evaluation of the enzyme into the silica-based nanoporous material in the batch method were performed.
(1) Production of Enzyme-Nanopore Material Composite A silica-based mesoporous material (FSM-22) having a central pore diameter of 4 nm is used for a silica-based mesoporous material, and a lipase (Physomyces Nitens) is used for an enzyme. Origin, molecular weight ˜30 kDa) was used.
リパーゼを内包したＦＳＭ粒子は、ＦＳＭの粉末５０ｍｇと、５ｍｇ／ｍＬのリパーゼを含んだ２０ｍＭメス緩衝溶液（ｐＨ６．０）１ｍＬとを混合し、４℃で２０時間震盪させることにより調製した。その後、１０，０００ｒｐｍで２分間遠心分離を行い、上清を除き、得られた沈殿物を同じ緩衝溶液１ｍＬに再懸濁した。更に、これを遠心分離し、緩衝溶液への沈殿物の再懸濁の操作を３〜４回繰り返し、最終的にリパーゼとＦＳＭの複合体のリパーゼ−ＦＳＭ複合体を得た。 FSM particles encapsulating lipase were prepared by mixing 50 mg of FSM powder and 1 mL of 20 mM female buffer solution (pH 6.0) containing 5 mg / mL of lipase and shaking at 4 ° C. for 20 hours. Thereafter, centrifugation was performed at 10,000 rpm for 2 minutes, the supernatant was removed, and the resulting precipitate was resuspended in 1 mL of the same buffer solution. Further, this was centrifuged, and the operation of resuspending the precipitate in the buffer solution was repeated 3 to 4 times to finally obtain a lipase-FSM complex of a complex of lipase and FSM.
（２）窒素吸着の測定
上記リパーゼ−ＦＳＭ複合体を用いて、窒素吸着特性について調べた。図１の左図に、リパーゼ−ＦＳＭ複合体の窒素吸脱着等温線を示す。縦軸は、窒素吸着量を示し、横軸は、その時の相対圧力を示す。図中、ａはＦＳＭのみの場合、ｂはＦＳＭの細孔内部にリパーゼを吸着させた場合、を示す。ＦＳＭのみの場合と比較して、ＦＳＭにリパーゼを吸着させた場合に、窒素吸着量が減少している。このことは、細孔の中にリパーゼが導入されていることを示している。
(2) Measurement of nitrogen adsorption Using the above lipase-FSM complex, nitrogen adsorption characteristics were examined. The left figure of FIG. 1 shows the nitrogen adsorption / desorption isotherm of the lipase-FSM complex. The vertical axis represents the nitrogen adsorption amount, and the horizontal axis represents the relative pressure at that time. In the figure, a shows the case where only FSM is used, and b shows the case where lipase is adsorbed inside the pores of FSM. Compared to the case of FSM alone, the amount of nitrogen adsorbed is reduced when lipase is adsorbed on FSM. This indicates that lipase is introduced into the pore.
（３）細孔分布の測定
前記窒素吸脱着等温線から細孔分布曲線を求めた。図１の右図に、ＦＳＭ、及び、リパーゼ−ＦＳＭ複合体の細孔分布曲線を示す。縦軸は、微分細孔容積を示し、横軸は、ＦＳＭの中心細孔直径を示す。ＦＳＭのみの場合（図中、ｃと比較して、ＦＳＭにリパーゼを吸着させた場合（図中、ｄ）に、細孔容積が減少している。このことは、細孔の中にリパーゼが導入されていることを示している。また、どちらの場合も、４ｎｍ付近にシャープなピークが見られ、これは、４ｎｍ程度の細孔があり、細孔が壊れずに保持されていることを示している。
(3) Measurement of pore distribution A pore distribution curve was determined from the nitrogen adsorption / desorption isotherm. The right figure of FIG. 1 shows pore distribution curves of FSM and lipase-FSM complex. The vertical axis represents the differential pore volume, and the horizontal axis represents the FSM central pore diameter. In the case of FSM alone (compared with c in the figure, the lipase is reduced when lipase is adsorbed to FSM (d in the figure). This means that the lipase is in the pore. In both cases, a sharp peak is observed in the vicinity of 4 nm, which indicates that there are pores of about 4 nm and the pores are maintained without being broken. Show.
本実施例では、酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体を担持させたマイクロリアクターを製造した。
シリカ系メソ多孔体には、中心細孔直径４ｎｍを有するシリカ系メソ多孔体ＦＳＭを用い、また、酵素には、リパーゼを用いた。リパーゼを内包したＦＳＭ粒子を担持したマイクロリアクター（リパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクター）は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）／ガラス基板から構成され、工程の異なる二種類の手法で作製した。ここで、未焼成のＦＳＭは、基板表面への固定化効率が極めて低かったため、焼成済みのＦＳＭ粉末を用いることにした。
In this example, a microreactor carrying an enzyme-silica nanopore material composite was produced.
A silica-based mesoporous material FSM having a central pore diameter of 4 nm was used as the silica-based mesoporous material, and lipase was used as the enzyme. A microreactor carrying FSM particles encapsulating lipase (lipase-FSM complex-carrying microreactor) was composed of polydimethylsiloxane (PDMS) / glass substrate, and was produced by two different methods. Here, since the unfired FSM had extremely low immobilization efficiency on the substrate surface, the fired FSM powder was used.
（手法１）
１Ｍ ＨＦ−２Ｍ ＮＨ４Ｆ溶液でエッチングすることにより掘削したガラス基板の流路（１０×４６ｍｍ、厚み：０．１５ｍｍ）に、脱水エタノールに懸濁したＦＳＭ粒子を浸漬し、乾燥後、９５℃／時間の速度で５００℃まで昇温させ、更に、５００℃で５時間焼成することによって、ガラス基板表面にＦＳＭ粒子を担持させた。次に、ＦＳＭ担持ガラス基板を、２０ｍＭメス緩衝溶液（ｐＨ６．０）に溶解した０．２ｍｇ／ｍＬリパーゼ溶液２００ｍＬ中に４℃で一晩浸漬することで、リパーゼの吸着を行った。
(Method 1)
FSM particles suspended in dehydrated ethanol were immersed in a flow path (10 × 46 mm, thickness: 0.15 mm) of a glass substrate excavated by etching with 1M HF-2M NH 4 F solution, dried, and then 95 ° C. The FSM particles were supported on the surface of the glass substrate by raising the temperature to 500 ° C. at a rate of / hour and further firing at 500 ° C. for 5 hours. Next, the lipase was adsorbed by immersing the FSM-supported glass substrate overnight at 4 ° C. in 200 mL of a 0.2 mg / mL lipase solution dissolved in a 20 mM female buffer solution (pH 6.0).
ここで調製された、リパーゼ−ＦＳＭ複合体担持ガラス基板は、２０ｍＭメス緩衝溶液（ｐＨ６．０）２００ｍＬ中に浸漬することによって洗浄した後、ＰＤＭＳ膜（厚み：１ｍｍ）によりシールした。また、ＰＥＥＫチューブ（内径：０．１ｍｍ、外径：０．３６ｍｍ）を連結することによって、送液部を構築した。図２の図中、ａは、手法１により作製したリパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクターを撮影した写真、ｂは、同マイクロリアクターを模式的に示した説明図、を示す。 The lipase-FSM complex-supported glass substrate prepared here was washed by dipping in 200 mL of a 20 mM female buffer solution (pH 6.0), and then sealed with a PDMS membrane (thickness: 1 mm). Moreover, the liquid feeding part was constructed by connecting PEEK tubes (inner diameter: 0.1 mm, outer diameter: 0.36 mm). In FIG. 2, “a” is a photograph of the lipase-FSM complex-supported microreactor produced by Method 1, and “b” is an explanatory diagram schematically showing the microreactor.
（手法２）
プラスチックディッシュ底部の貫通孔（φ１４ｍｍ）に取り付けた硼珪酸ガラスの上にＰＤＭＳ溶液（１５μＬ）を滴下した後、ここで形成されたＰＤＭＳ層（厚み： 〜０．１ｍｍ）の表面にＦＳＭ粒子を堆積させた。次に、８５℃で３時間静置し、ＰＤＭＳを硬化させることで、ガラス基板表面にＦＳＭ粒子を担持させた。ＦＳＭ担持ガラス基板は、圧縮空気を吹き付けることで、非特異的に吸着したＦＳＭ粒子を除去した後、ＰＤＭＳ膜（厚み：１ｍｍ）によりシールした。また、テフロン（登録商標）チューブ（内径：０．５ｍｍ、外径：１．０ｍｍ）を連結することによって、送液部を構築した。
(Method 2)
After dropping a PDMS solution (15 μL) on a borosilicate glass attached to a through hole (φ14 mm) at the bottom of a plastic dish, FSM particles are deposited on the surface of the PDMS layer (thickness: ˜0.1 mm) formed here. I let you. Next, it was allowed to stand at 85 ° C. for 3 hours to cure PDMS, thereby supporting FSM particles on the glass substrate surface. The FSM-supported glass substrate was sealed with a PDMS film (thickness: 1 mm) after removing nonspecifically adsorbed FSM particles by blowing compressed air. In addition, a liquid feeding section was constructed by connecting Teflon (registered trademark) tubes (inner diameter: 0.5 mm, outer diameter: 1.0 mm).
次に、０．２ｍｇ／ｍＬに調整したリパーゼ溶液１ｍＬ（緩衝溶液：２０ｍＭメス緩衝溶液（ｐＨ６．０））を、シリンジポンプを用いてＦＳＭ担持マイクロリアクター内に送液（流速：１０μＬ／分）することによって、リパーゼの固定化を行った。続いて、２０ｍＭメス緩衝溶液（ｐＨ６．０）４ｍＬを４０μＬ／分の流速で送液し、洗浄を行った。図２の図中、ｃは、手法２により作製したリパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクターを撮影した写真、ｄは、同マイクロリアクターを模式的に示した説明図、を示す。 Next, 1 mL of lipase solution adjusted to 0.2 mg / mL (buffer solution: 20 mM female buffer solution (pH 6.0)) is fed into the FSM-supported microreactor using a syringe pump (flow rate: 10 μL / min). By doing so, the lipase was immobilized. Subsequently, 4 mL of 20 mM female buffer solution (pH 6.0) was fed at a flow rate of 40 μL / min for washing. In FIG. 2, c is a photograph of the lipase-FSM complex-supported microreactor produced by Method 2, and d is an explanatory diagram schematically showing the microreactor.
本実施例では、リパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクター内のリパーゼの固定化状態を可視化するために、実施例３と同様にして作製されたＦＳＭ担持マイクロリアクターに、予め蛍光物質によって標識したリパーゼ溶液を導入し、蛍光標識リパーゼを、本マイクロリアクター内のＦＳＭの細孔内に固定化した。 In this example, in order to visualize the immobilization state of the lipase in the lipase-FSM complex-supported microreactor, the lipase solution labeled in advance with a fluorescent substance in the FSM-supported microreactor produced in the same manner as in Example 3. And the fluorescently labeled lipase was immobilized in the pores of the FSM in the microreactor.
（リパーゼの蛍光標識）
アミノ基反応性の蛍光物質Ａｌｅｘａ Ｆｌｕｏｒ ４８８（Ａｂｓ／Ｅｍ＝４９５ｎｍ／５１９ｎｍ）を用いて、酵素１分子あたり蛍光物質１分子の標識効率になるようにリパーゼを標識した。標識反応の緩衝溶液には、２０ｍＭメス緩衝溶液（ｐＨ６．０）を用いた。また、蛍光標識リパーゼは、ゲルろ過によって精製した。
(Lipase fluorescent labeling)
The amino group-reactive fluorescent substance Alexa Fluor 488 (Abs / Em = 495 nm / 519 nm) was used to label the lipase so as to achieve the labeling efficiency of one fluorescent substance molecule per enzyme molecule. A 20 mM female buffer solution (pH 6.0) was used as the buffer solution for the labeling reaction. The fluorescently labeled lipase was purified by gel filtration.
上記蛍光標識リパーゼを固定化した、リパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクターを、蛍光イメージアナライザー（ＦＬＡ−５１００； ＦＵＪＩＦＩＬＭ製）に設置した後、レーザー励起（４７３ｎｍ）し、５１０ｎｍ以上の波長の蛍光を解析した。 The lipase-FSM complex-supported microreactor on which the above-mentioned fluorescently labeled lipase is immobilized is placed on a fluorescence image analyzer (FLA-5100; manufactured by FUJIFILM), then laser-excited (473 nm), and fluorescence having a wavelength of 510 nm or more is analyzed. did.
図３に、前記蛍光イメージアナライザーで解析したＦＳＭ担持マイクロリアクター内に固定化されたリパーゼの蛍光像を示す。図中、ａは、手法１により作製したリパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクター（上図は、「ＡＩＳＴ」の英字に沿ってＦＳＭをパターニングした場合。下図は、１０×４６ｍｍの領域にＦＳＭを固定した場合。）の場合、ｂは、手法２により作製したリパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクターの場合、を示す。図３の緑色の蛍光像は、リパーゼを標識している蛍光物質の蛍光発光を観測しており、ガラス基板上に固定化されたＦＳＭの細孔内にリパーゼが特異的に吸着していることを示している。 FIG. 3 shows a fluorescence image of lipase immobilized in the FSM-supported microreactor analyzed by the fluorescence image analyzer. In the figure, a is a lipase-FSM complex-supported microreactor prepared by Method 1 (the upper figure is when the FSM is patterned along the letters “AIST”. The lower figure is an FSM fixed in a 10 × 46 mm area. B) shows the case of the lipase-FSM complex-supported microreactor produced by Method 2. In the green fluorescence image of FIG. 3, the fluorescence emission of the fluorescent substance labeled with lipase is observed, and the lipase is specifically adsorbed in the pores of the FSM immobilized on the glass substrate. Is shown.
本実施例では、リパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクター内のＦＳＭ粒子及びリパーゼの固定化状態を、同時かつ高精度に可視化するために、実施例３及び４と同様にして作製された蛍光標識リパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクターを、高感度カメラと分光器を搭載した倒立型蛍光顕微鏡（ＴＥ−２０００Ｕ；Ｎｉｋｏｎ製）のステージ上に設置した後、ガラス基板上に固定されたＦＳＭ粒子の微分干渉観察及びリパーゼの蛍光観察、スペクトル観測を行った。図４に、リパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクターを設置した前記蛍光顕微鏡の観察システムの写真、を示す。 In this example, in order to visualize the immobilized state of the FSM particles and lipase in the lipase-FSM complex-supported microreactor simultaneously and with high accuracy, a fluorescently labeled lipase produced in the same manner as in Examples 3 and 4 was used. -FSM complex-supported microreactor was placed on the stage of an inverted fluorescence microscope (TE-2000U; manufactured by Nikon) equipped with a high-sensitivity camera and spectrometer, and then differential interference of FSM particles fixed on the glass substrate Observation, fluorescence observation of lipase, and spectrum observation were performed. FIG. 4 shows a photograph of the observation system of the fluorescence microscope in which the lipase-FSM complex-supported microreactor is installed.
（１）手法１により作製したリパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクター内部の観察
図５に、前記顕微鏡（４０倍対物レンズ）で観察した、マイクロリアクター内に固定化されたリパーゼ−ＦＳＭ複合体の微分干渉像及び蛍光像を示す。図中、ａは、ＦＳＭ粒子の微分干渉像、ｂは、リパーゼの蛍光像、また、ｃは、ａ、ｂの像を重ね合わせた画像、を示す。スケールバーは、５０μｍを示す。図５ｃより、同一視野内におけるＦＳＭの微分干渉像とリパーゼの蛍光像の位置が一致した。この結果は、ガラス基板上に固定化されたＦＳＭの細孔内にリパーゼが特異的に吸着していることを直接的に示している。
(1) Observation inside lipase-FSM complex-supported microreactor produced by Method 1 FIG. 5 shows the differential of lipase-FSM complex immobilized in the microreactor observed with the microscope (40 × objective lens). An interference image and a fluorescence image are shown. In the figure, a is a differential interference image of FSM particles, b is a fluorescent image of lipase, and c is an image obtained by superimposing the images of a and b. The scale bar indicates 50 μm. From FIG. 5c, the positions of the differential interference image of FSM and the fluorescence image of lipase in the same visual field coincided. This result directly indicates that lipase is specifically adsorbed in the pores of FSM immobilized on the glass substrate.
（２）手法２により作製したリパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクター内部の観察
図６に、前記顕微鏡（４０倍対物レンズ）で観察した、マイクロリアクター内に固定化されたリパーゼ−ＦＳＭ複合体の微分干渉像及び蛍光像を示す。図中、ａは、ＦＳＭ粒子の微分干渉像、ｂは、リパーゼの蛍光像、また、ｃは、ａ、ｂの像を重ね合わせた画像を示す。スケールバーは、５０μｍを示す。
(2) Observation inside the lipase-FSM complex-supported microreactor produced by Method 2 FIG. 6 shows the differential of the lipase-FSM complex immobilized in the microreactor observed with the microscope (40 × objective lens). An interference image and a fluorescence image are shown. In the figure, a is a differential interference image of FSM particles, b is a fluorescent image of lipase, and c is an image obtained by superimposing images a and b. The scale bar indicates 50 μm.
図６ｃより、同一視野内におけるＦＳＭの微分干渉像とリパーゼの蛍光像の位置が一致した。この結果は、ガラス基板上に固定化されたＦＳＭの細孔内にリパーゼが特異的に吸着していることを示している。図６ｄは、図６ｂの白円の領域（φ１０μｍ）における蛍光物質に固有の蛍光スペクトルを示しており、この結果も、ＦＳＭ粒子にリパーゼが吸着していることを直接的に示している。 From FIG. 6c, the position of the differential interference image of FSM and the fluorescence image of lipase in the same visual field coincided. This result shows that the lipase is specifically adsorbed in the pores of the FSM immobilized on the glass substrate. FIG. 6d shows the fluorescence spectrum specific to the fluorescent substance in the white circle region (φ10 μm) of FIG. 6b, and this result also directly shows that the lipase is adsorbed on the FSM particles.
手法１で作製されたマイクロリアクターでは、ガラス基板表面に担持されたＦＳＭ粒子の微分干渉像が均一な大きさのスポット（＞２０００ｓｐｏｔｓ／ｍｍ２）として観測された（図５ａ）。これは、ＦＳＭの一次粒子のみがガラス基板上にシロキサン結合を介して直接的に担持されているため、大きさが揃っていることと推察される。一方、手法２で作製されたマイクロリアクターでは、ＦＳＭ粒子が凝集した形態で担持されている様子が観察された（図６ａ）。 In the microreactor produced by Method 1, a differential interference image of FSM particles supported on the glass substrate surface was observed as a spot having a uniform size (> 2000 spots / mm 2 ) (FIG. 5a). This is presumed that since only the primary particles of the FSM are directly supported on the glass substrate via siloxane bonds, the sizes are uniform. On the other hand, in the microreactor produced by the method 2, it was observed that the FSM particles were supported in an aggregated form (FIG. 6a).
手法２では、ガラス基板とＦＳＭ粒子の間にバインダーとしてＰＤＭＳ層が存在するため、ＦＳＭ粒子は一次粒子のみではなく、凝集したままＰＤＭＳ層の表面に担持されていると考えられる。二種類の手法を比較すると、手法１では、ＦＳＭ粒子の固定化密度はガラス基板表面のシラノール基の数に依存するため制限があるが、手法２では、シラノール基非依存的にＰＤＭＳバインダーを介して高密度にＦＳＭ粒子を担持できると考えられる。また、手法１よりも手法２の場合に、顕微鏡視野内の蛍光強度が大きかったことから、ＦＳＭ粒子の担持量に比例して、リパーゼの固定化量が増大することが確認できた。 In Method 2, since the PDMS layer exists as a binder between the glass substrate and the FSM particles, it is considered that the FSM particles are supported not only on the primary particles but also on the surface of the PDMS layer in an aggregated state. Comparing the two methods, in Method 1, the immobilization density of FSM particles is limited because it depends on the number of silanol groups on the surface of the glass substrate, but in Method 2, it passes through a PDMS binder in a silanol group-independent manner. Therefore, it is considered that the FSM particles can be supported at a high density. Further, in the case of the method 2 than the method 1, since the fluorescence intensity in the microscope field was larger, it was confirmed that the amount of lipase immobilized increased in proportion to the amount of FSM particles supported.
本実施例では、バッチ反応でのＦＳＭの有無における、リパーゼによるリパーゼ基質の加水分解反応について、その酵素活性を評価した。リパーゼ基質には、二本の炭化水素鎖の末端に、それぞれ蛍光物質Ｐｙｒｅｎｅ（Ａｂｓ／Ｅｍ＝３４２ｎｍ／４００ｎｍ）と消光物質が結合したトリグリセリド（１−ｔｒｉｎｉｔｒｏｐｈｅｎｙｌ−ａｍｉｎｏ−ｄｏｄｅｃａｎｏｙｌ−２−ｐｙｒｅｎｄｅｃａｎｏｙｌ−３−Ｏ−ｈｅｘａｄｅｃｙｌ−ｓｎ−ｇｌｙｃｅｒｏｌ）を用いた（参考文献１、２）。 In this example, the enzymatic activity of a lipase substrate hydrolysis reaction with lipase in the presence or absence of FSM in a batch reaction was evaluated. The lipase substrate is a triglyceride (1-trinitrophenyl-amino-dodecanoyl-2-pyredecanoyl-3-yl) having a fluorescent substance Pyrene (Abs / Em = 342 nm / 400 nm) and a quencher bonded to the ends of two hydrocarbon chains, respectively. O-hexadecyl-sn-glycerol) was used (reference documents 1, 2).
この蛍光性トリグリセリドは、リパーゼによって分解を受ける前は消光しているが、分解するとＰｙｒｅｎｅが遊離し、蛍光発光を提示するようになるため、この蛍光量をリパーゼ活性として測定することができる。また、蛍光プローブの強度を指標にするため、従来の紫外吸収法やクロマトグラフィによる定量法と比較して、簡便かつ高感度に解析できる。 Although this fluorescent triglyceride is quenched before being decomposed by lipase, when it is decomposed, Pyrene is liberated, and fluorescence emission is presented. Therefore, this amount of fluorescence can be measured as lipase activity. In addition, since the intensity of the fluorescent probe is used as an index, the analysis can be performed easily and with higher sensitivity as compared with the conventional ultraviolet absorption method or chromatographic determination method.
バッチ法におけるリパーゼによる蛍光性トリグリセリド（濃度：３ｎｍｏｌ／ｍＬ、液量：１ｍＬ）の加水分解反応は、室温で１００分間行い、反応後の分解産物であるＰｙｒｅｎｅの生成量を、蛍光マイクロプレートリーダー（ＳｐｅｃｔｒａＭａｘ Ｍ２ｅ； Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ製）で解析することにより、酵素活性を評価した。 The hydrolysis reaction of fluorescent triglyceride (concentration: 3 nmol / mL, liquid volume: 1 mL) by lipase in the batch method is performed at room temperature for 100 minutes, and the amount of Pyrene, which is a degradation product after the reaction, is determined using a fluorescent microplate reader ( The enzyme activity was evaluated by analyzing with SpectraMax M2e (Molecular Devices).
ＦＳＭに固定化していないリパーゼと、実施例３と同様にして作製されたリパーゼ−ＦＳＭ複合体を用いた場合の酵素活性測定の結果を図７に示す。縦軸は、Ｐｙｒｅｎｅの生成量を示し、横軸は、リパーゼ量を示す。図７より、リパーゼ量の増大にともなってＰｙｒｅｎｅの生成量の増大が示されたが、ＦＳＭに吸着させていないリパーゼ（図７ｂ）と比較して、リパーゼ−ＦＳＭ複合体の場合に、より高いＰｙｒｅｎｅの生成量が示された（図７ａ）。 FIG. 7 shows the results of enzyme activity measurement when lipase not immobilized on FSM and a lipase-FSM complex produced in the same manner as in Example 3 were used. The vertical axis represents the amount of Pyrene produced, and the horizontal axis represents the amount of lipase. FIG. 7 shows that the amount of Pyrene produced increases with an increase in the amount of lipase, but is higher in the case of the lipase-FSM complex compared to the lipase not adsorbed to FSM (FIG. 7b). The amount of Pyrene produced was shown (FIG. 7a).
この結果は、ＦＳＭの細孔内に吸着したリパーゼが酵素活性を保持していることを示している。また、酵素量の増大にともない、リパーゼ−ＦＳＭ複合体が、ＦＳＭに固定化していないリパーゼよりも酵素活性が高くなったことより、ＦＳＭは、高濃度領域におけるリパーゼの凝集体形成による酵素活性の低下を抑制し、酵素を分散した状態で細孔内に安定に固定できることを示唆している。 This result indicates that the lipase adsorbed in the FSM pores retains the enzyme activity. In addition, as the amount of enzyme increased, the lipase-FSM complex had higher enzyme activity than the lipase not immobilized on FSM. It is suggested that the decrease can be suppressed and the enzyme can be stably fixed in the pores in a dispersed state.
本実施例では、実施例３（手法２）と同様にして作製されたリパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクターを、実施例６と同様の蛍光性トリグリセリドの加水分解反応に適用した結果を示す。本マイクロリアクター内に固定化したリパーゼの量は、１μｇである。酵素反応は、前記蛍光性トリグリセリド（濃度：３ｎｍｏｌ／ｍＬ、液量：１ｍＬ、流速：１０μＬ／分）をシリンジポンプにより送液することで開始した。反応温度は、室温、滞留時間は１０分間とした。酵素活性は、実施例６と同様の方法により解析することで、定量的に評価した。また、同様の操作を４度連続して行う繰り返し反応を実施した。 In this example, the result of applying the lipase-FSM complex-supported microreactor produced in the same manner as in Example 3 (Method 2) to the hydrolysis reaction of fluorescent triglyceride similar to that in Example 6 is shown. The amount of lipase immobilized in this microreactor is 1 μg. The enzyme reaction was started by feeding the fluorescent triglyceride (concentration: 3 nmol / mL, liquid volume: 1 mL, flow rate: 10 μL / min) with a syringe pump. The reaction temperature was room temperature and the residence time was 10 minutes. The enzyme activity was quantitatively evaluated by analyzing by the same method as in Example 6. Moreover, the repeated reaction which implemented the same operation 4 times continuously was implemented.
図８に、リパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクターを用いたトリグリセリド加水分解反応の結果を示す。図中、ａは、実施例６と同様に用いられた、バッチ法におけるＦＳＭに固定していないリパーゼの場合（リパーゼ量：２μｇ）、ｂは、ＦＳＭ粒子を担持せずにリパーゼ溶液を導入、洗浄したマイクロリアクターの場合、また、ｃ−ｆは、リパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクターを用いた繰り返し反応の場合（ｃ：一度目、ｄ：二度目、ｅ：三度目、ｆ：四度目）、を示す。 FIG. 8 shows the results of a triglyceride hydrolysis reaction using a lipase-FSM complex-supported microreactor. In the figure, a is a lipase used in the same manner as in Example 6 and not fixed to FSM in the batch method (lipase amount: 2 μg), b is a lipase solution introduced without carrying FSM particles, In the case of a washed microreactor, and cf is a case of repeated reaction using a lipase-FSM complex-supported microreactor (c: first time, d: second time, e: third time, f: fourth time) , Indicate.
図８より、ＦＳＭ粒子を担持せずに、リパーゼ溶液を導入したマイクロリアクターの場合（図８ｂ）と比較して、リパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクターでは、非常に高いＰｙｒｅｎｅの生成量が示された（図８ｃ）。これは、マイクロリアクター内のＦＳＭ粒子に固定されたリパーゼが、活性を発現していることを強く示している。 FIG. 8 shows that the amount of Pyrene produced is much higher in the lipase-FSM complex-supported microreactor than in the case of the microreactor in which the lipase solution is introduced without supporting the FSM particles (FIG. 8b). (FIG. 8c). This strongly indicates that the lipase immobilized on the FSM particles in the microreactor expresses the activity.
また、バッチ反応（図８ａ）と比較して、リパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクターを用いた反応系（図８ｃ、１度目）では、７０倍程度高いリパーゼの比活性を示した。単位時間あたりの比活性（リパーゼ１ｇあたりのＰｙｒｅｎｅの生成量）に換算すると、バッチ反応では、０．１２ｍＭ／ｇ／分、マイクロリアクターでは、８．９２ｍＭ／ｇ／分である。この極めて高い反応活性には、マイクロ空間の特徴である分子拡散距離の短さ、すなわち、基質と酵素の衝突頻度の増大が大きく影響していると考えられる。 In addition, compared with the batch reaction (FIG. 8a), the reaction system using the lipase-FSM complex-supported microreactor (FIG. 8c, first time) showed a specific activity of lipase that is about 70 times higher. In terms of specific activity per unit time (production amount of Pyrene per gram of lipase), it is 0.12 mM / g / min in the batch reaction and 8.92 mM / g / min in the microreactor. It is considered that this extremely high reaction activity is greatly influenced by the short molecular diffusion distance, which is a feature of the microspace, that is, the increase in the collision frequency between the substrate and the enzyme.
１度目の反応終了後に、同様の操作で３度の繰り返し反応を行ったところ、徐々に分解活性が低下した（図８ｃ−ｆ）。この原因としては、ＦＳＭ細孔内からのリパーゼ分子の脱離、細孔内への基質の吸着による反応阻害、また、酵素活性の低下などが推察される。しかしながら、バッチ反応（図８ａ）と比較して、４度の繰り返し反応におけるＰｙｒｅｎｅの生成量の積算値は、極めて高く、これは、繰り返し反応を可能とするリパーゼ−ＦＳＭ複合体担持マイクロリアクターの優位性を示している。以上の結果は、ナノ空孔材料ＦＳＭの細孔内にカプセル化されたリパーゼが、安定に活性を発現すること、また、酵素反応におけるマイクロ空間の優位性、を示唆している。 When the reaction was repeated three times by the same operation after the completion of the first reaction, the degradation activity gradually decreased (FIGS. 8c-f). This is presumed to be due to desorption of lipase molecules from the inside of the FSM pores, reaction inhibition due to adsorption of the substrate into the pores, and a decrease in enzyme activity. However, compared with the batch reaction (FIG. 8a), the integrated value of the amount of Pyrene produced in the four-time repeated reaction is extremely high, which is superior to the lipase-FSM complex-supported microreactor that enables the repeated reaction. Showing sex. The above results suggest that the lipase encapsulated in the pores of the nanoporous material FSM exhibits stable activity and the superiority of the microspace in the enzyme reaction.
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以上詳述したように、本発明は、酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクター及びその製造方法に係るものであり、本発明により、酵素活性を保持しながら、酵素を、高濃度、かつ安定に保持するための酵素反応場を有する酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターを提供できる。リアクターの流路内に酵素−ナノ空孔材料複合体を担持したマイクロリアクターを提供できる。酵素−ナノ空孔材料複合体を反応場として利用するマイクロリアクターを提供できる。高選択性・高反応効率を実現するコンパクトな反応場を持つ酵素−ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターを提供できる。本発明のマイクロリアクターのマイクロ空間の高反応効率を利用することにより、バッチ反応系に比べて、非常に大きな反応活性が得られる、マイクロリアクターを用いた系では、反応生成物が反応系外に排出されるため、反応効率を大きく向上させることができる。本発明は、次世代の様々な化学反応プロセスへの応用が可能なマイクロリアクターの新技術を提供するものとして有用である。 As described above in detail, the present invention relates to an enzyme-silica-based nanoporous material composite-supported microreactor and a method for producing the same. In addition, an enzyme-nanoporous material composite-supported microreactor having an enzyme reaction field for stably maintaining the reaction can be provided. It is possible to provide a microreactor in which an enzyme-nanoporous material complex is supported in the flow path of the reactor. A microreactor using the enzyme-nanoporous material complex as a reaction field can be provided. An enzyme-nanoporous material composite-supported microreactor having a compact reaction field that achieves high selectivity and high reaction efficiency can be provided. By utilizing the high reaction efficiency of the micro space of the microreactor of the present invention, a very large reaction activity can be obtained compared to a batch reaction system. In a system using a microreactor, reaction products are out of the reaction system. Since it is discharged, the reaction efficiency can be greatly improved. The present invention is useful as providing a new technology of a microreactor that can be applied to various next-generation chemical reaction processes.
Claims (9)
酵素内包複合体が、前記シリカ系ナノ空孔材料の細孔内に安定に固定されている酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体からなり、酵素−反応基質間で相互作用を示すように、前記の酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体が、マイクロリアクターの流路内に担持された状態にあり、前記シリカ系ナノ空孔材料が、ケイ素原子と酸素原子を必須成分として含む無機化合物の多孔体であり、細孔のサイズが、直径で２〜５０ｎｍであり、全細孔容積が０．１〜１．５ｍＬ／ｇであり、比表面積が２００〜１５００ｍ ２ であることを特徴とする酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクター。 A microreactor carrying an enzyme-encapsulated complex with enzyme molecules inside the pores of a silica-based nanoporous material,
The enzyme-encapsulated complex is composed of an enzyme-silica nanoporous material complex that is stably fixed in the pores of the silica-based nanoporous material, and exhibits an interaction between the enzyme and the reaction substrate. the enzyme - silica nanopores material complex, Ri state near carried in the flow path of the microreactor, the silica nanopores material, inorganic compounds containing a silicon atom and an oxygen atom as essential components of a porous material, the size of the pores, a 2~50nm in diameter, total pore volume is 0.1~1.5mL / g, specific surface area, wherein 200～1500M 2 der Rukoto An enzyme-silica nanoporous material composite-supported microreactor.
前記シリカ系ナノ空孔材料の細孔内部に、酵素分子を、酵素が酵素−反応基質間で相互作用を示すような状態で担持させた酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体を、マイクロリアクターの流路内に担持、固定することを特徴とする酵素−シリカ系ナノ空孔材料複合体担持マイクロリアクターの製造方法。 A method for producing the enzyme-silica nanoporous material composite-supported microreactor according to any one of claims 1 to 8 ,
An enzyme-silica nanoporous material complex in which an enzyme molecule is supported in the pores of the silica-based nanoporous material in a state where the enzyme interacts between the enzyme and the reaction substrate is formed into a microreactor. A method for producing an enzyme-silica nanoporous material composite-supported microreactor, wherein the microreactor is supported and fixed in a flow path.
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