JP6680084B2 - An enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability, a method for producing the enzyme electrode, a biobattery, and a biosensor. - Google Patents

An enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability, a method for producing the enzyme electrode, a biobattery, and a biosensor. Download PDF

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Description

本発明は、グルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極、及び当該酵素電極の作製方法に関し、更に、当該酵素電極を利用したバイオ電池及びバイオセンサーに関する。   The present invention relates to an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability, a method for producing the enzyme electrode, and further to a biobattery and a biosensor using the enzyme electrode.

酵素は、生体内の化学反応(代謝)を進行させる生体触媒であり、アミノ酸の鎖からなるタンパク質を基本構造とする。酵素の特性としては、(1)常温、常圧付近の温和な条件で触媒作用を示す、(2)特定の基質にのみ作用する基質特異性と特定の化学反応に対して触媒作用を示し、副反応を起こさない反応特異性とを併せ持つ、ことが挙げられる。電極表面にある種の酵素を固定すると、酵素の触媒作用によって電極上で特定の反応のみが選択的に進行し、かかる反応による物質の変化を電極により電気信号に変換することができる。このような電極は酵素電極と呼ばれており、バイオ電池やバイオセンサーの電極等に利用されている。   An enzyme is a biocatalyst that promotes a chemical reaction (metabolism) in a living body, and has a basic structure of a protein composed of a chain of amino acids. As the characteristics of the enzyme, (1) it shows a catalytic action under mild conditions near room temperature and normal pressure, (2) it shows a catalytic action for a substrate specificity and a specific chemical reaction that acts only on a specific substrate, It also has a reaction specificity that does not cause side reactions. When a certain enzyme is immobilized on the surface of the electrode, only a specific reaction proceeds selectively on the electrode by the catalytic action of the enzyme, and the change of the substance due to such reaction can be converted into an electric signal by the electrode. Such an electrode is called an enzyme electrode, and is used as an electrode of a bio battery or a bio sensor.

バイオ電池は、生体内のエネルギー変換系を応用した燃料電池であり、電極触媒として生体触媒を用いて、生体触媒による酸化還元反応と電極反応を共役させて電気エネルギーを取り出す発電装置である。バイオプロセスを利用するバイオ電池は、緩和な条件かつ高い選択性を有し、燃料として糖やアルコール等の環境中に存在する多様な物質を利用できるという利点を有する。そのため、安全で環境負荷が小さいことから、携帯型機器や体内埋込型機器等の小型電子機器等の次世代電源としての更なる発展が期待されている。一方、バイオセンサーは、酵素等の生体内分子の優れた分子識別能力を利用して、物質を検出及び検量する装置である。   A bio battery is a fuel cell that applies an in-vivo energy conversion system, and is a power generation device that uses a biocatalyst as an electrode catalyst and couples a redox reaction and an electrode reaction by the biocatalyst to extract electric energy. A bio battery using a bio process has advantages that it has mild conditions and high selectivity, and that various substances existing in the environment such as sugar and alcohol can be used as a fuel. Therefore, since it is safe and has a small environmental load, further development is expected as a next-generation power source for small electronic devices such as portable devices and implantable devices. On the other hand, a biosensor is a device that detects and calibrates a substance by utilizing the excellent molecular discrimination ability of biomolecules such as enzymes.

酵素の触媒機能を利用したバイオ電池及びバイオセンサーの実用化に当たっては、酵素の選択、及び電極上でかかる酵素がその触媒機能を最大限に発揮し得る状態で存在することが成否を左右する。バイオ電池としては、特に、自然界に多く存在し、エネルギー変換効率も高いグルコースを燃料とするバイオ電池の構築が実用性の高い技術として注目されている。グルコースを二酸化炭素と水にまで分解する完全酸化系の構築により、グルコースから最大限のエネルギーを取り出すことができる。しかしながら、人工的な完全酸化系の構築には、各段階における酵素反応により基質(燃料)から効率的にエネルギーを取り出せること、及び、前段の酵素反応によって生成した生成物が後段の酵素反応の基質となるように複数の酵素を適切に組み合わせること等が必要となる。   In the practical application of a biobattery and a biosensor that utilize the catalytic function of an enzyme, the success and failure of the selection of the enzyme and the existence of such an enzyme on the electrode so that the catalytic function can be exerted to the maximum extent depend. As a bio battery, in particular, the construction of a bio battery that uses glucose as a fuel, which is abundant in nature and has high energy conversion efficiency, is drawing attention as a highly practical technique. By constructing a complete oxidation system that decomposes glucose into carbon dioxide and water, maximum energy can be extracted from glucose. However, in constructing an artificial complete oxidation system, energy can be efficiently extracted from the substrate (fuel) by the enzyme reaction in each step, and the product produced by the enzyme reaction in the first step is a substrate for the enzyme reaction in the second step. It is necessary to appropriately combine a plurality of enzymes so that

例えば、非特許文献1には、グルコースの完全酸化系の第1段階目の酵素として利用できるグルコース脱水素酵素を電極触媒とする酵素電極の性能向上に関して報告されている。当該酵素電極は、過ヨウ素酸ナトリウムでの化学的処理により脱糖鎖化されたフラビンアデニンヌクレオチド依存性グルコース脱水素酵素(以下、「FAD-GDH」と略する)を多孔性カーボン電極材に固定化したバイオアノード(負極)用酵素電極であり、脱糖鎖化されていないFAD-GDHを固定化した酵素電極に比べて、グルコース酸化における電流密度が5倍(100 mA/cm2)と優れた電極性能を有することが確認されている(非特許文献1を参照)。 For example, Non-Patent Document 1 reports on improvement of the performance of an enzyme electrode using glucose dehydrogenase as an electrode catalyst, which can be used as a first-stage enzyme of a glucose complete oxidation system. The enzyme electrode has flavin adenine nucleotide-dependent glucose dehydrogenase (hereinafter abbreviated as “FAD-GDH”) deglycosylated by chemical treatment with sodium periodate immobilized on a porous carbon electrode material. This is a modified bioanode (negative electrode) enzyme electrode, which is superior in current density in glucose oxidation to 5 times (100 mA / cm 2 ) compared to the enzyme electrode on which FAD-GDH that is not deglycosylated is immobilized. It has been confirmed to have excellent electrode performance (see Non-Patent Document 1).

非特許文献2には、グルコース脱水素酵素によるグルコースの分解産物であるグルコン酸を酸化分解できる酸化触媒能を有する酵素電極が報告されている。当該酵素電極は、酢酸菌の一種であるグルコノバクター属細菌由来のカスケード(グルコース脱水素酵素及びグルコン酸-2-デヒドロゲナーゼ)により、グルコースをグルクロン酸に分解する。また、非特許文献2には、グルコース完全酸化触媒能を有する酵素電極についての報告もある。酢酸菌や大麦由来の酵素等を電極触媒とすることでグルコース完全酸化系を実現可能な酵素電極が構築できたことが報告されている。   Non-Patent Document 2 reports an enzyme electrode having an oxidation catalytic ability capable of oxidatively decomposing gluconic acid, which is a decomposition product of glucose by glucose dehydrogenase. The enzyme electrode decomposes glucose into glucuronic acid by a cascade (glucose dehydrogenase and gluconate-2-dehydrogenase) derived from a bacterium of the genus Gluconobacter, which is a type of acetic acid bacterium. In addition, Non-Patent Document 2 also reports on an enzyme electrode having a catalytic function for complete glucose oxidation. It has been reported that an enzyme electrode capable of realizing a glucose complete oxidation system could be constructed by using an enzyme such as an acetic acid bacterium or a barley-derived enzyme as an electrode catalyst.

Tsujimura S 他著、“Exceptionally high glucose current on a hierarchically structured porous carbon electrode with "wired" flavin adenine dinucleotide-dependent glucose dehydrogenase.”、J Am Chem Soc. 、2014年、第136巻、第41号、第14432-14437頁(インターネット〈URL:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja5053736〉)Tsujimura S et al., "Exceptionally high glucose current on a hierarchically structured porous carbon electrode with" wired "flavin adenine dinucleotide-dependent glucose dehydrogenase.", J Am Chem Soc., 2014, 136, 41, 14432. -14 pages (Internet <URL: http: //pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja5053736>) Shuai Xu 及び Shelley D. Minteer著、“Enzymatic Biofuel Cell for Oxidation of Glucose to CO2.”、ACS Catal., 2012年、第2巻、第1号、第91-94頁Shuai Xu and Shelley D. Minteer, "Enzymatic Biofuel Cell for Oxidation of Glucose to CO2.", ACS Catal., 2012, Volume 2, Issue 1, pp. 91-94.

しかしながら、非特許文献1の酵素電極に利用されている酵素は、池田糖化工業(株)から入手した未市販品のアスペルギルス・テレウス(Aspergillus terreus)由来のFAD-GDHである。したがって、非特許文献1の技術は、糖鎖の種類及び物性から特殊な酵素についての一例にすぎないと考えられ、糖鎖付加酵素の全般に適用することは困難であると予想される。また、脱糖鎖化処理のために使用される過ヨウ素酸ナトリウムは強酸化力を有する無機塩である。そのため、脱糖鎖化だけでなく、酵素の活性部位における立体構造に影響を与え、酵素を劣化させることが容易に推定できる。   However, the enzyme used in the enzyme electrode of Non-Patent Document 1 is FAD-GDH derived from Aspergillus terreus, which has not been obtained from Ikeda Saccharification Co., Ltd. Therefore, it is considered that the technique of Non-Patent Document 1 is only an example of a special enzyme due to the type and physical properties of the sugar chain, and it is expected to be difficult to apply it to all glycosylated enzymes. Further, sodium periodate used for the deglycosylation treatment is an inorganic salt having a strong oxidizing power. Therefore, it can be easily estimated that not only deglycosylation but also the three-dimensional structure in the active site of the enzyme is affected and the enzyme is deteriorated.

非特許文献2で報告されているグルコース完全酸化系は、人工的な糖代謝反応系に関する仮想の情報に過ぎない。例えば、当該グルコース完全酸化系を構成する大麦由来のシュウ酸酸化酵素による反応について検証実験を行ったところ、非特許文献2で報告されている反応を確認することができなかった。したがって、非特許文献2で開示されている知見に従って酵素を選抜しても、同じグルコース完全酸化の触媒能を有する酵素電極を構築することは困難であり、また現実的ではないと考えられる。   The glucose complete oxidation system reported in Non-Patent Document 2 is merely hypothetical information regarding an artificial sugar metabolism reaction system. For example, when a verification experiment was conducted on the reaction by the barley-derived oxalate oxidase that constitutes the glucose complete oxidation system, the reaction reported in Non-Patent Document 2 could not be confirmed. Therefore, even if an enzyme is selected according to the knowledge disclosed in Non-Patent Document 2, it is difficult and unrealistic to construct an enzyme electrode having the same catalytic ability for complete glucose oxidation.

また、バイオ電池やバイオセンサーの酵素電極は、電極材に固定化する酵素として組換えタンパク質の可溶性の問題等から糖鎖付加酵素を選択する必要がある場合がある。例えば、スルホロバス属細菌由来のグルコン酸脱水酵素は、糖鎖修飾能を持たない宿主で培養した場合には、組換え酵素は不溶性の封入体を形成し本来の生理活性を十分に発揮できない。しかしながら、糖鎖付加酵素をそのままの状態で電極材に固定化すると、糖鎖が絶縁体となり、燃料→酵素→(メディエータ)→電極への電子伝達効率が著しく低下し、酵素触媒電流は数ミリアンペア以下と小さなものになる等の問題が知られていた。   Further, in enzyme electrodes of bio-cells and biosensors, it may be necessary to select a glycosylated enzyme as an enzyme to be immobilized on the electrode material due to the problem of solubility of recombinant protein. For example, when gluconate dehydratase derived from a bacterium belonging to the genus Sulfolobus is cultivated in a host that does not have the ability to modify sugar chains, the recombinant enzyme forms an insoluble inclusion body and cannot sufficiently exhibit its original physiological activity. However, if the glycosylated enzyme is immobilized on the electrode material as it is, the sugar chain becomes an insulator and the electron transfer efficiency to the fuel → enzyme → (mediator) → electrode is significantly reduced, and the enzyme catalytic current is several milliamperes. The following problems were known to be small.

そこで、本発明は、バイオ電池の負極側電極やバイオセンサーの作用電極での使用に適した、グルコン酸の酸化触媒能を有する酵素電極、及び当該酵素電極の作製方法を提供することを目的とする。更に、グルコン酸の酸化触媒能を有する酵素電極を利用したバイオ電池及びバイオセンサーの提供を目的とする。   Therefore, the present invention has an object to provide an enzyme electrode having an ability to catalyze the oxidation of gluconic acid, which is suitable for use as a negative electrode of a bio battery or a working electrode of a biosensor, and a method for producing the enzyme electrode. To do. Furthermore, another object is to provide a biobattery and a biosensor using an enzyme electrode having an oxidation catalyst ability of gluconic acid.

本発明者らは、上記課題を解決すべく研究を重ねた結果、スルホロバス属細菌由来のグルコン酸脱水酵素を、大腸菌のタンパク質発現系を用いて糖鎖が付加しない状態で組換え発現させ、組換えグルコン酸脱水酵素を含む発現菌体の溶菌液の濃縮液を電極材に固定化することにより、グルコン酸酸化触媒能を十分に発揮することができる酵素電極を作製できるとの知見を得た。更に、当該酵素電極がバイオ電池の負極側電極やバイオセンサーの作用電極として機能し得ることを見出した。これらの知見に基づいて、本発明を完成した。   As a result of repeated studies to solve the above problems, the present inventors recombinantly expressed gluconate dehydratase derived from a bacterium of the genus Sulfolobus in a state in which sugar chains were not added using a protein expression system of Escherichia coli. By immobilizing a concentrated solution of a lysate of expressed bacterial cells containing a modified gluconate dehydratase on an electrode material, it was found that an enzyme electrode capable of sufficiently exhibiting gluconate oxidation catalytic ability can be produced. . Furthermore, they have found that the enzyme electrode can function as a negative electrode of a bio battery or a working electrode of a biosensor. The present invention has been completed based on these findings.

すなわち、上記課題を解決するため、以下の〔1〕〜〔7〕に示す発明を提供する。   That is, in order to solve the above problems, the following inventions [1] to [7] are provided.

〔1〕スルホロバス属細菌由来のグルコン酸脱水酵素を電極材に固定したグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極。 [1] An enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability, in which gluconic acid dehydratase derived from a bacterium belonging to the genus Sulfolobus is immobilized on an electrode material.

上記〔1〕の構成によれば、グルコン酸酸化触媒能を十分に発揮することができる酵素電極を提供することができる。従来において、例えばスルホロバス属細菌由来のグルコン酸脱水酵素を、大腸菌等の糖鎖修飾経路を有しないタンパク質合成系を使用して、糖鎖が付加しない状態で合成することは、封入体が形成する等の問題があり困難であった。一方、糖鎖修飾経路を有するタンパク質合成系を使用して合成する場合、糖鎖が付加することで、酵素分子の疎水面同士の会合が低減され可溶性の酵素として合成され、結果的に、酵素の合成効率が向上する。しかしながら、付加する糖鎖の種類や、付加する状態によっても合成酵素の物性は影響を受けることから、糖鎖が付与した酵素の扱いは、産業利用の上でも大きな障害になることが多い。また、糖鎖付加酵素をそのままの状態で電極材に固定化すると、糖鎖が絶縁体となり、燃料→酵素→(メディエータ)→電極への電子伝達効率が著しく低下し、酵素触媒電流は数ミリアンペア以下と小さなものになる等の問題もある。そのため、従来においては、グルコン酸脱水酵素を利用したグルコン酸酸化の触媒機能を有する酵素電極を作製することは困難であった。上記構成により、初めてグルコン酸脱水酵素を利用したグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極を提供することが可能となる。   According to the above configuration [1], it is possible to provide an enzyme electrode capable of sufficiently exhibiting the gluconic acid oxidation catalytic ability. Conventionally, for example, when gluconate dehydratase derived from a bacterium belonging to the genus Sulfolobus is synthesized using a protein synthesis system having no sugar chain modification pathway such as Escherichia coli in a state where no sugar chain is added, an inclusion body is formed. It was difficult because of problems such as On the other hand, in the case of synthesizing using a protein synthesis system having a sugar chain modification pathway, the addition of sugar chains reduces the association between the hydrophobic surfaces of the enzyme molecules, resulting in synthesis as a soluble enzyme. The synthesis efficiency of is improved. However, since the physical properties of the synthetic enzyme are affected by the type of sugar chain to be added and the state of addition, the handling of the enzyme to which the sugar chain is attached is often a major obstacle to industrial use. Moreover, when the glycosylated enzyme is immobilized on the electrode material as it is, the sugar chain becomes an insulator, the electron transfer efficiency to the fuel → enzyme → (mediator) → electrode is significantly reduced, and the enzyme catalytic current is several milliamperes. There are also problems such as the following being small. Therefore, conventionally, it was difficult to produce an enzyme electrode having a catalytic function of gluconic acid oxidation using gluconic acid dehydratase. With the above structure, it is possible to provide an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability using gluconic acid dehydratase for the first time.

上記構成により提供される酵素電極は、バイオ電池の負極側電極、及びバイオセンサーの作用電極として利用することができ、電子、医療、食品、環境分野等の産業分野において利用可能である。   The enzyme electrode provided by the above configuration can be used as a negative electrode of a bio battery and a working electrode of a biosensor, and can be used in industrial fields such as electronics, medical care, foods, and environmental fields.

〔2〕前記電極材が、平均直径が30〜40nmの細孔を備える多孔質構造を有する炭素基材を含む。 [2] The electrode material includes a carbon base material having a porous structure with pores having an average diameter of 30 to 40 nm.

上記〔2〕の構成によれば、グルコン酸酸化触媒能を更に効率よく発揮することができる酵素電極を提供することができる。電極材を、多孔質構造を有する炭素基材とすることで、酵素の電極材への固定化時に酵素分子が炭素基材の細孔内に入り込むことで言わば酵素の精製効果が得られ、また、酵素分子同士の会合が抑制される。これにより、凝集しやすい酵素種であっても酵素電極化を実現でき、グルコン酸酸化の触媒機能を効率よく発揮することができる酵素電極を提供できる。   According to the above configuration [2], it is possible to provide an enzyme electrode that can more efficiently exhibit the gluconic acid oxidation catalytic ability. When the electrode material is a carbon-based material having a porous structure, the enzyme molecules enter the pores of the carbon-based material when the enzyme is immobilized on the electrode material, so to speak, a purification effect of the enzyme can be obtained. , The association between enzyme molecules is suppressed. As a result, it is possible to provide an enzyme electrode capable of realizing an enzyme electrode even with an enzyme species that easily aggregates and efficiently exhibiting the catalytic function of gluconic acid oxidation.

〔3〕スルホロバス属細菌由来のグルコン酸脱水酵素を電極材に固定したグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極の作製方法であって、
(i)糖鎖修飾能を有しない細菌をスルホロバス属細菌由来のグルコース脱水酵素をコードする遺伝子で形質転換し、組換えグルコン酸脱水酵素を発現した発現菌体を調製する工程、
(ii)前記発現菌体を界面活性剤と接触させる工程、
(iii)前記界面活性剤処理後の発現菌体を破砕して、発現菌体破砕液を調製する工程、
(iv)前記発現菌体破砕液中の菌体残渣を分離除去して、発現菌体の溶菌液を調製する工程、
(v)前記発現菌体の溶菌液を濃縮し、発現菌体の溶菌液の濃縮液を調製する工程、
(vi)前記発現菌体の溶菌液の濃縮液を前記電極材に固定化する工程、を備えるグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極の作製方法。
[3] A method for producing an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability, comprising a gluconic acid dehydratase derived from a bacterium belonging to the genus Sulfolobus immobilized on an electrode material,
(I) a step of transforming a bacterium having no sugar chain modifying ability with a gene encoding a glucose dehydratase derived from a bacterium belonging to the genus Sulfolobus, and preparing an expression cell expressing a recombinant gluconate dehydratase,
(Ii) a step of contacting the expressed bacterial cell with a surfactant,
(Iii) a step of crushing the expressed bacterial cells after the treatment with the surfactant to prepare a crushed solution of the expressed bacterial cells,
(Iv) a step of separating and removing the bacterial cell residue in the disrupted liquid of the expressed bacterial cells to prepare a lysate of the expressed bacterial cells,
(V) a step of concentrating the lysate of the expressing bacterial cells to prepare a concentrated solution of the lysing liquid of the expressing bacterial cells,
(Vi) A method for producing an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability, comprising the step of immobilizing a concentrated solution of a lysate of the expressed bacterial cells on the electrode material.

上記〔3〕の構成によれば、グルコン酸酸化触媒能を十分に発揮することができる酵素電極の作製方法を提供することができる。従来において、糖鎖が付加しない状態及び糖鎖が付加した状態の何れにもおいても、スルホロバス属細菌由来のグルコン酸脱水酵素のグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極を作製することは困難であった。これに対して、上記構成によれば、スルホロバス属細菌由来のグルコン酸脱水酵素を、大腸菌のタンパク質発現系を用いて糖鎖が付加しない状態で組換え発現させ、組換えグルコン酸脱水酵素を含む発現菌体の溶菌液の濃縮液を電極材に固定化することにより、グルコン酸酸化触媒能を十分に発揮することができる酵素電極を提供できる。上記の構成により作製される酵素電極は、バイオ電池の負極側電極、及びバイオセンサーの作用電極として利用することができ、電子、医療、食品、環境分野等の産業分野において利用可能である。   According to the configuration of the above [3], it is possible to provide a method for producing an enzyme electrode capable of sufficiently exhibiting a gluconic acid oxidation catalytic ability. Conventionally, it is difficult to produce an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation-catalyzing ability of gluconic acid dehydratase derived from a Sulfolobus bacterium, in both a state in which a sugar chain is not added and a state in which a sugar chain is added. there were. On the other hand, according to the above-mentioned configuration, the gluconate dehydratase derived from the bacterium Sulfolobus is recombinantly expressed in a state in which sugar chains are not added using the protein expression system of Escherichia coli, and contains the recombinant gluconate dehydratase. By immobilizing the concentrated solution of the lysate of the expressed bacterial cells on the electrode material, it is possible to provide an enzyme electrode capable of sufficiently exerting the gluconic acid oxidation catalytic ability. The enzyme electrode produced by the above structure can be used as a negative electrode of a bio battery and a working electrode of a biosensor, and can be used in industrial fields such as electronics, medical care, food and environment.

〔4〕前記電極材が、平均直径が30〜40nmの細孔を備える多孔質構造を有する炭素基材を含む。 [4] The electrode material includes a carbon base material having a porous structure with pores having an average diameter of 30 to 40 nm.

上記〔4〕の構成によれば、グルコン酸酸化触媒能を更に効率よく発揮することができる酵素電極の作製方法を提供することができる。電極材を、多孔質構造を有する炭素基材とすることで、発現菌体の溶菌液の濃縮液を電極材に固定化する際に、酵素分子が炭素基材の細孔内に入り込むことで言わば酵素の精製効果が得られ、更に、酵素分子同士の会合が抑制される。これにより、凝集しやすい酵素種であっても酵素電極化を実現でき、グルコン酸酸化の触媒機能を効率よく発揮することができる酵素電極を提供することができる。   According to the configuration of the above [4], it is possible to provide a method for producing an enzyme electrode that can more efficiently exhibit the gluconic acid oxidation catalytic ability. By using a carbon base material having a porous structure as the electrode material, when immobilizing the concentrated solution of the lysate of the expressing bacterial cells on the electrode material, the enzyme molecules can enter the pores of the carbon base material. In other words, the purification effect of the enzyme is obtained, and furthermore, the association between the enzyme molecules is suppressed. As a result, it is possible to provide an enzyme electrode that can achieve enzyme electrode formation even with an enzyme species that easily aggregates and can efficiently exhibit the catalytic function of gluconic acid oxidation.

〔5〕前記多孔質構造を有する炭素基材を、炭素前駆体と酸化マグネシウム前駆体との混合物を焼成し、得られた焼成物から酸化マグネシウムを除去することによって調製する工程、を有する。 [5] A step of preparing the carbon base material having the porous structure by firing a mixture of a carbon precursor and a magnesium oxide precursor and removing magnesium oxide from the obtained fired product.

上記〔5〕の構成によれば、酸化マグネシウム粒子を鋳型として作製した多孔質の炭素基材を電極材として用いることにより、多数の均一の大きさの細孔が規則正しく整列した炭素基材の細孔に、酵素や必要に応じて酵素と共に固定化されるメディエータを安定的かつ強固に固定することができ、酵素及びメディエータの当該電極材から脱離を抑制することができる。これにより、当該電極材の劣化を抑制し、酵素触媒電流の安定性を図ることができる。また、酵素と導電性基材間の電子の授受を円滑に進めることができることから、酵素触媒電流を向上させることができ、電極性能の向上を図ることができる。   According to the above-mentioned constitution [5], by using the porous carbon base material produced by using magnesium oxide particles as a template as the electrode material, the fine carbonaceous base material in which a large number of pores of uniform size are regularly arranged is used. It is possible to stably and firmly fix the enzyme and, if necessary, the mediator, which is immobilized together with the enzyme, in the pores, and it is possible to suppress the detachment of the enzyme and the mediator from the electrode material. Thereby, the deterioration of the electrode material can be suppressed and the stability of the enzyme catalytic current can be achieved. Further, since the transfer of electrons between the enzyme and the conductive base material can be smoothly promoted, the enzyme catalytic current can be improved and the electrode performance can be improved.

〔6〕グルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極、若しくは、グルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極の作製方法によって作製されたグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極を負極側電極として備えるバイオ電池。 [6] A biobattery having an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability or an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability prepared by a method for producing an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability as a negative electrode.

上記〔6〕の構成によれば、グルコン酸等を燃料としたバイオ電池を提供することができる。燃料としては、グルコン酸等のグルコン酸脱水酵素の基質なる物質を利用できる。更に、グルコースの多段階酸化系において、グルコン酸酸化の前段階の反応を触媒するグルコース脱水素酵素等のグルコースを酸化しグルコン酸を生成する酵素と組み合わせることにより、グルコース等を燃料として利用することができる。多段階酸化系の構築により、グルコース等の燃料から取り出せる電子数が増しバイオ電池の出力を向上させることができる。よって、医療、食品、環境等の分野において特に利用価値が高いバイオ電池を構築することができる。   According to the above configuration [6], it is possible to provide a biobattery using gluconic acid or the like as a fuel. As the fuel, a substance that serves as a substrate for gluconate dehydratase such as gluconate can be used. Further, in a multi-stage glucose oxidation system, by using glucose or the like as a fuel by combining it with an enzyme such as glucose dehydrogenase which catalyzes the reaction in the preceding stage of gluconic acid oxidation to oxidize glucose to produce gluconic acid. You can By constructing a multi-stage oxidation system, the number of electrons that can be taken out from a fuel such as glucose is increased and the output of the biocell can be improved. Therefore, it is possible to construct a biobattery having a particularly high utility value in fields such as medical care, food, and the environment.

〔7〕グルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極、若しくは、グルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極の作製方法によって作製されたグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極を作用電極として備えるバイオセンサー。 [7] A biosensor including, as a working electrode, an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability or an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability produced by a method for producing an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability.

上記〔7〕の構成によれば、試料中のグルコン酸等のグルコン酸脱水酵素の基質となる物質を検出するためのバイオセンサーを提供することができる。また、上記構成によるバイオセンサーの酵素電極がグルコース脱水素酵素等と共に多段階反応系を形成するものである場合には、グルコースの酸化還元反応においてグルコン酸脱水酵素の前段階のグルコース脱水素酵素の基質となる物質の検出に利用することもでき、例えば血糖値等のグルコースの検出に利用することができる。よって、医療、食品、環境等の分野において特に利用価値が高いバイオセンサーを構築することができる。   According to the configuration of [7] above, it is possible to provide a biosensor for detecting a substance serving as a substrate for gluconate dehydratase such as gluconate in a sample. Further, when the enzyme electrode of the biosensor having the above-mentioned configuration forms a multi-step reaction system together with glucose dehydrogenase, etc., in the redox reaction of glucose, the glucose dehydrogenase in the preceding step of gluconate dehydratase It can also be used to detect a substance that serves as a substrate, and can be used to detect glucose such as blood glucose level. Therefore, it is possible to construct a biosensor having a particularly high utility value in the fields of medical care, food, environment and the like.

本実施形態のバイオセンサーの一例を示す模式図。The schematic diagram which shows an example of the biosensor of this embodiment. グルコン酸酸化酵素の選択と合成確認を行った実施例1の結果を示す電気泳動図。1 is an electrophoretogram showing the results of Example 1 in which gluconate oxidase was selected and synthesis was confirmed. 多孔質電極材の検討を行った実施例2の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 2 which investigated the porous electrode material. 多孔質電極材の検討を行った実施例2の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 2 which investigated the porous electrode material. グルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極の電気化学性能の検証を行った実施例3の結果を示すグラフ。5 is a graph showing the results of Example 3 in which the electrochemical performance of an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability was verified. グルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極の反応生成物解析を行った実施例4の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 4 which analyzed the reaction product of the enzyme electrode which has a gluconic acid oxidation catalytic ability.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。しかしながら、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to this embodiment.

〔酵素電極〕
本発明の実施形態に係る酵素電極は、電極材にグルコン酸脱水酵素が固定されてある。前記グルコン酸脱水酵素は、好酸好熱性古細菌に属するスルホロバス(Sulfolobus)属細菌由来である。特に好ましくは、スルホロバス・ソルファタリクス(Sulfolobus solfataricus)由来である。
[Enzyme electrode]
In the enzyme electrode according to the embodiment of the present invention, gluconate dehydratase is immobilized on the electrode material. The gluconate dehydrogenase is derived from a bacterium belonging to the genus Sulfolobus belonging to the thermoacidophilic archaea. Particularly preferably, it is derived from Sulfolobus solfataricus.

スルホロバス属細菌は、好酸好熱性古細菌に属する細菌である。スルホロバス属細菌のような古細菌では、グルコースの分解機構である解糖系においてエムデン−マイヤーホフ(Embden-Meyerhof)経路ではなく、エントナー−ドウドロフ(Entner-Doudoroff)経路とピロ解糖系(Pyroglycolysis)を利用する(参考文献1:解糖、代謝マップ、個別の反応/福岡大学理学部化学科(http://www.sc.fukuoka-u.ac.jp/~bc1/Biochem/glyclysis.htm)を参照)。ピロ解糖系では、グルコースは、グルコン酸を経て2-ケト-3-デオキシグルコン酸へと分解され、2-ケト-3-デオキシグルコン酸は、ピルビン酸又はグリセルアルデヒドに分解される。続いて、グリセルアルデヒドは、グリセリンを経て2-ホスホグリセリン酸、又はグリセロールに分解され、グリセロールはグリセロール 3-リン酸に分解されていく。   The bacterium belonging to the genus Sulfolobus is a bacterium belonging to the thermoacidophilic archaea. In archaebacteria such as Sulfolobus, the glycolysis system, which is the mechanism of glucose decomposition, does not use the Emden-Meyerhof pathway but the Entner-Doudoroff pathway and the pyrolytic system (Pyroglycolysis). Use (Ref. 1: Glycolysis, metabolic map, individual reactions / Fukuoka University Faculty of Science Department of Chemistry (http://www.sc.fukuoka-u.ac.jp/~bc1/Biochem/glyclysis.htm) ). In the pyroglycolysis system, glucose is decomposed to 2-keto-3-deoxygluconic acid via gluconic acid, and 2-keto-3-deoxygluconic acid is decomposed to pyruvic acid or glyceraldehyde. Subsequently, glyceraldehyde is decomposed into 2-phosphoglyceric acid or glycerol via glycerin, and glycerol is decomposed into glycerol 3-phosphate.

グルコン酸脱水酵素は、グルコン酸を2-ケト-3-デオキシグルコン酸へと分解する反応を触媒する酵素であり、特に好ましくは、スルホロバス・ソルファタリクス(Sulfolobus solfataricus)P2株由来のD-グルコン酸脱水酵素(D-gluconate dehydratase、ACCESSION Number:Q97U27)である。かかる酵素をコードするDNAの配列情報を配列表の配列番号1に、推定アミノ酸配列情報を配列番号2に記載する。   Gluconate dehydratase is an enzyme that catalyzes a reaction that decomposes gluconic acid into 2-keto-3-deoxygluconic acid, and particularly preferably, D-glucon derived from Sulfolobus solfataricus P2 strain. Acid dehydratase (D-gluconate dehydratase, ACCESSION Number: Q97U27). The sequence information of the DNA encoding such an enzyme is shown in SEQ ID NO: 1 in the sequence listing, and the deduced amino acid sequence information is shown in SEQ ID NO: 2.

グルコン酸脱水酵素としては、グルコン酸脱水酵素の触媒機能を有する限り、配列番号1の示す塩基配列の相補配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズする塩基配列によってコードされるものや、配列番号2に示すアミノ酸配列と少なくとも80%、好ましくは90%、特に好ましくは95%、又は98%のアミノ酸配列同一性を有するアミノ酸を有するもの、配列番号2に示すアミノ酸配列のうち、数個(1〜9個)のアミノ酸残基が置換、欠失、及び/又は付加されたアミノ酸配列を有するものも好適に利用することができる。このような改変を有するグルコン酸脱水酵素は自然又は人工の突然変異により生じたものであってもよいし、上記配列番号1に示す塩基配列等の公知のスルホロバス属細菌由来のグルコン酸脱水酵素をコードする核酸分子に対して公知の方法で改変を施すことによっても取得できる。例えば、改変の基となるグルコン酸脱水酵素をコードする核酸分子に変異部位を挿入する方法としては、部位特異的突然変異誘発法、PCR法等を利用して変異を導入するPCR突然誘発法、あるいは、トランスポゾン挿入突然変異誘発法等の公知の変異導入技術を利用することができる。また、市販の変異導入用キット(例えば、QuikChange(登録商標) Site-directed Mutagenesis Kit(Stratagene社製))を利用してもよい。   As the gluconate dehydratase, as long as it has a catalytic function of gluconate dehydratase, one encoded by a base sequence that hybridizes with a complementary sequence of the base sequence represented by SEQ ID NO: 1 under stringent conditions, or SEQ ID NO: 2 Having an amino acid sequence having at least 80%, preferably 90%, particularly preferably 95%, or 98% amino acid sequence identity with the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 and several amino acid sequences (1 to Those having an amino acid sequence in which (9) amino acid residues are substituted, deleted, and / or added can also be preferably used. The gluconate dehydratase having such a modification may be one produced by natural or artificial mutation, or a known gluconate dehydratase derived from Sulfolobus bacterium such as the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 may be used. It can also be obtained by modifying the encoding nucleic acid molecule by a known method. For example, as a method for inserting a mutation site into a nucleic acid molecule encoding a gluconate dehydratase that is a base for modification, a site-directed mutagenesis method, a PCR sudden induction method for introducing a mutation using a PCR method, etc., Alternatively, a known mutagenesis technique such as a transposon insertion mutagenesis method can be used. Alternatively, a commercially available mutation introduction kit (for example, QuikChange (registered trademark) Site-directed Mutagenesis Kit (manufactured by Stratagene)) may be used.

スルホロバス属細菌由来のグルコン酸脱水酵素は、下記の実施例の実施例1でも示した通り、大腸菌等のタンパク質発現系で効率よく発現するが、酵素溶液の精製度が上がると不溶性となる。これは、大腸菌等の宿主において、異物である組換え発現したグルコン酸脱水酵素が、封入体と称される不溶性の凝集体を形成したことによるものと考えられる。封入体が形成されると、クロマトグラフィー等による精製が困難となり、また、本来の生理活性を十分に発揮できない等の問題が生じ、結果的に、グルコン酸脱水酵素の触媒機能を有する酵素電極を作製することは困難であった。   The gluconate dehydratase derived from a bacterium belonging to the genus Sulfolobus is efficiently expressed in a protein expression system such as Escherichia coli as shown in Example 1 below, but becomes insoluble when the degree of purification of the enzyme solution is increased. It is considered that this is because the recombinantly expressed gluconate dehydratase, which is a foreign substance, formed an insoluble aggregate called an inclusion body in a host such as Escherichia coli. When the inclusion body is formed, purification by chromatography and the like becomes difficult, and there arises a problem that the original physiological activity cannot be sufficiently exerted. As a result, an enzyme electrode having a catalytic function of gluconate dehydratase is formed. It was difficult to make.

従来においては、タンパク質発現系において封入体が形成される場合には、可溶性発現系の構築を模索することになる。可溶性発現系の構築にあたって、例えば、真核生物を宿主として用いる等により、翻訳後修飾により糖鎖の付加がなされ、発現した組換えタンパク質分子の疎水面同士での会合が低減され可溶性タンパク質として合成することができる。糖鎖が付加した酵素を合成する場合、合成時の糖鎖の付加が合成効率に大きく影響することが知られており(参考文献2:Kataoka K他著、“High-level expression of Myrothecium verrucaria bilirubin oxidase in Pichia pastoris, and its facile purification and characterization.”Protein Expr Purif.、2005年、第41巻、第1号、第77-83頁 (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1046592805000380)を参照)、上記した理由等により結果的に、タンパク質の合成効率が向上する。その一方で、タンパク質の合成効率や物性は、付加する糖鎖の種類や、付加する状態によっても影響を受け、当業者でも、試行錯誤を余儀なくされる。例えば、糖鎖の付加の状態を変更することで、タンパク質の物性が大きく変化することが報告され(参考文献3:パナソニック ヘルスケア株式会社、ニュース、2011年、 プレスリリース:「2011年度農芸化学技術賞」を共同受賞 (http://www.panasonic-healthcare.com/jp/news/2011/0506)を参照)、糖鎖が付加したタンパク質の扱いは、産業利用の上でも大きな障害になることが多いことが知られている。   Conventionally, when inclusion bodies are formed in a protein expression system, a soluble expression system will be sought. In constructing a soluble expression system, for example, by using a eukaryote as a host, sugar chains are added by post-translational modification, and the association between the hydrophobic faces of the expressed recombinant protein molecule is reduced to synthesize it as a soluble protein. can do. When synthesizing an enzyme to which a sugar chain is added, it is known that the addition of the sugar chain at the time of synthesis greatly affects the synthesis efficiency (Reference 2: Kataoka K et al., “High-level expression of Myrothecium verrucaria bilirubin oxidase in Pichia pastoris, and its facile purification and characterization. ”Protein Expr Purif., 2005, Vol. 41, No. 1, pp. 77-83 (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii / S1046592805000380)), and as a result, the efficiency of protein synthesis is improved. On the other hand, the protein synthesis efficiency and physical properties are affected by the type of sugar chain to be added and the state of addition, and those skilled in the art are forced to make trial and error. For example, it has been reported that the physical properties of proteins can be significantly changed by changing the state of sugar chain addition (Reference 3: Panasonic Healthcare Co., Ltd., News, 2011, Press Release: “2011 Agricultural Chemistry Technology”). Award ”(see http://www.panasonic-healthcare.com/jp/news/2011/0506)), handling of proteins with sugar chains is a major obstacle to industrial use. It is known that there are many.

更に、グルコン酸脱水酵素を、真核生物等の糖鎖修飾能を有する生物を宿主として利用するタンパク質発現系において組換え発現させた場合、糖鎖が付与した状態の酵素をそのままの状態で電極に固定化すると、糖鎖が絶縁体となり、燃料→酵素→(メディエータ)→電極への電子伝達効率が著しく低下し、酵素触媒電流は数ミリアンペア以下と小さいものとなることが想定される。   Furthermore, when gluconate dehydratase is recombinantly expressed in a protein expression system using an organism having a sugar chain modifying ability such as a eukaryote as a host, the enzyme with a sugar chain attached is used as it is as an electrode. It is assumed that when immobilized on, the sugar chain becomes an insulator, the electron transfer efficiency to the fuel → enzyme → (mediator) → electrode is remarkably lowered, and the enzyme catalytic current is as small as several milliamperes or less.

また、可溶性発現系の構築のために、従来において、適当な親水性ペプチド等のTagが目的タンパク質に融合してN末端またはC末端側に発現するような配列を有する適当なベクターを利用することも行われている。特に、親水性ペプチドのTagを大きくすることで封入体を形成せず、可溶性タンパク質として合成できる可能性があるが、上記した糖鎖と同様に酵素電極の電極触媒としての使用には適さない。   Further, in order to construct a soluble expression system, conventionally, an appropriate vector having a sequence such that a Tag such as an appropriate hydrophilic peptide is fused to the target protein and expressed at the N-terminal or C-terminal side is used. Has also been done. In particular, by increasing the Tag of the hydrophilic peptide, it is possible that it can be synthesized as a soluble protein without forming an inclusion body, but like the sugar chain described above, it is not suitable for use as an electrocatalyst for an enzyme electrode.

そこで、本実施形態の酵素電極においては、グルコン酸酸化能を保持させた酵素電極を構築するため、大腸菌等に代表される原核生物等の糖鎖修飾能を有しない生物を宿主として利用するタンパク質発現系で、糖鎖が付加しないタンパク質として酵素を合成し、当該酵素を含む発現菌体の溶菌液の濃縮液が電極材に固定化されている。なお、ここで、糖鎖修飾能を有さないとは、翻訳後修飾としての糖鎖修飾経路が完全欠如している場合のみならず、糖鎖修飾能が未熟である場合も含むものとする。   Therefore, in the enzyme electrode of the present embodiment, in order to construct an enzyme electrode that retains gluconic acid oxidation ability, a protein that utilizes an organism having no sugar chain modification ability such as a prokaryote such as Escherichia coli as a host In the expression system, an enzyme is synthesized as a protein to which a sugar chain is not added, and a concentrated solution of a lysate of the expressing bacterium containing the enzyme is immobilized on the electrode material. Here, not having the ability to modify the sugar chain includes not only the case where the pathway for modifying the sugar chain as a post-translational modification is completely absent, but also the case where the ability to modify the sugar chain is immature.

グルコン酸脱水酵素を含む発現菌体の溶菌液の濃縮液は、(i)糖鎖修飾能を有しない細菌の菌体内での組換えグルコン酸脱水酵素の発現、(ii)発現菌体と界面活性剤との接触、(iii)界面活性剤処理後の発現菌体の破砕、(iv)発現菌体破砕液から発現菌体の溶菌液の分離、(v)前記発現菌体の溶菌液の濃縮、によって調製される   The concentrated solution of the lysate of the expressing bacterium containing gluconate dehydratase is (i) the expression of recombinant gluconate dehydratase in the bacterium having no sugar chain modifying ability, and (ii) the expressing bacterium and the interface. Contact with an activator, (iii) disruption of the expressed bacterial cells after treatment with a surfactant, (iv) separation of a lysate of the expressed bacterial cells from the disrupted solution of the expressed bacterial cells, (v) Concentrated, prepared by

(i)糖鎖修飾能を有しない細菌の菌体内での組換えグルコン酸脱水酵素の発現
大腸菌等に代表される原核生物等の糖鎖修飾能を有しない細菌を宿主として利用するタンパク質発現系での組換えグルコン酸脱水酵素を発現させる。
(I) Expression of recombinant gluconate dehydratase in bacterial cells of bacteria having no sugar chain modifying ability Protein expression system using bacteria having no sugar chain modifying ability of prokaryotes such as Escherichia coli as hosts Express recombinant gluconate dehydratase in.

具体的には、グルコン酸脱水酵素をコードする核酸分子を適当な発現ベクター中に挿入し、これを、宿主に導入することによって形質転換体を作製する。利用可能なベクターとしては、外来DNAを組み込め、かつ宿主細胞中で自律的に複製可能なものであれば特に制限はない。そして、ベクターは、外来遺伝子がその機能を発現できるように組み込まれ、機能発現に必要な他の既知の塩基配列が含まれていてもよい。例えば、プロモータ配列、リーダー配列、シグナル配列、並びにリボソーム結合配列等が挙げられる。更に、宿主において表現型選択を付与することが可能なマーキング配列等をも含ませることができる。   Specifically, a transformant is prepared by inserting a nucleic acid molecule encoding gluconate dehydratase into an appropriate expression vector and introducing this into a host. The vector that can be used is not particularly limited as long as it can incorporate a foreign DNA and can autonomously replicate in a host cell. Then, the vector may be incorporated so that the foreign gene can express its function, and may contain other known base sequences necessary for functional expression. Examples include promoter sequences, leader sequences, signal sequences, ribosome binding sequences, and the like. Further, a marking sequence or the like capable of imparting phenotypic selection in the host can be included.

グルコン酸脱水酵素をコードする核酸分子は、配列情報が開示されていることから、当該配列情報に基づいて当該技術分野で公知の方法により取得することができる。   Since the nucleic acid molecule encoding gluconate dehydratase has sequence information disclosed, it can be obtained by a method known in the art based on the sequence information.

ベクターへの外来遺伝子の挿入は、例えば、適当な制限酵素で所望のグルコン酸脱水酵素をコードする核酸分子を切断し、適当なベクターの制限酵素部位、又はマルチクローニング部位に挿入して連結する方法等を用いることができるが、これに限定されない。   The insertion of a foreign gene into a vector is, for example, a method in which a nucleic acid molecule encoding a desired gluconate dehydratase is cleaved with an appropriate restriction enzyme, and inserted into a restriction enzyme site of a suitable vector or a multicloning site and ligated. However, the present invention is not limited to this.

形質転換体の作製に際して宿主となる細胞としては、糖鎖修飾能有しない生物であって、外来遺伝子を効率的に発現できるものであれば、特に制限はない。原核生物細胞を好適に利用でき、特には大腸菌を利用することができる。その他、枯草菌、バシラス属細菌、シュードモナス属細菌等をも利用できる。形質転換法としては、塩化カルシウム法、エレクトロポレーション法、リポソームフェクション法、マイクロインジェクション法等を既知の方法を利用することができる。   The host cell for producing the transformant is not particularly limited as long as it is an organism having no sugar chain modification ability and can efficiently express a foreign gene. Prokaryotic cells can be preferably used, and particularly Escherichia coli can be used. In addition, Bacillus subtilis, Bacillus bacterium, Pseudomonas bacterium, etc. can also be used. As the transformation method, known methods such as calcium chloride method, electroporation method, liposome infection method, and microinjection method can be used.

続いて、得られた形質転換体を、導入された核酸分子の発現を可能にする条件下で適切な栄養培地中で培養し、宿主細胞内で組換えグルコン酸脱水酵素を合成する。培養は、常法に準じて行うことができ、宿主細胞の栄養生理学的性質を勘案して、培養条件を選択すればよい。利用される培地としては、宿主細胞が資化し得る栄養素を含み、形質転換体におけるタンパク質の発現を効率的に行えるものであれば特に制限はない。また、培養形態についても特に制限はないが、大量培養の観点から液体培地が好適に利用できる。   Subsequently, the obtained transformant is cultured in an appropriate nutrient medium under conditions that allow the expression of the introduced nucleic acid molecule, and recombinant gluconate dehydratase is synthesized in the host cell. Culturing can be performed according to a conventional method, and the culturing conditions may be selected in consideration of the nutritional physiological properties of host cells. The medium used is not particularly limited as long as it contains nutrients that can be assimilated by the host cell and can efficiently express the protein in the transformant. The culture form is also not particularly limited, but a liquid medium can be preferably used from the viewpoint of large-scale culture.

所望の組換えベクターを保持する形質転換体の選別は、例えば、マーキング配列の発現の有無により行なうことができる。例えば、マーキング配列として薬剤耐性遺伝子を利用する場合には、薬剤耐性遺伝子に対応する薬剤含有培地で培養することによって行うことができる。   The selection of transformants carrying the desired recombinant vector can be performed, for example, by the presence or absence of expression of the marking sequence. For example, when a drug resistance gene is used as the marking sequence, it can be performed by culturing in a drug-containing medium corresponding to the drug resistance gene.

(ii)発現菌体と界面活性剤との接触
前記(i)の工程でのグルコン酸脱水酵素を発現した発現菌体を界面活性剤と接触させる。発現菌体と界面活性剤の接触は、菌体の培養液に所望量の界面活性剤を添加することによって行ってもよいし、遠心分離等により集菌した発現菌体を適当な緩衝液に分散させた分散液中に界面活性剤を添加することによって行ってもよい。発現菌体と界面活性剤の接触時間は、発現菌体量、及び界面活性剤の種類や濃度によって適宜変更することができる。また、界面活性剤の添加量は、発現菌体量や界面活性剤の種類等によって適宜変更できるが、菌体懸濁液に0.08%〜2.0%(w/vol : 重量%)となるように添加することが好ましい。
(Ii) Contact of Expressed Bacteria with Surfactant The expressed bacterium expressing the gluconate dehydratase in the step (i) is brought into contact with a surfactant. The contact between the expressed bacterial cells and the surfactant may be carried out by adding a desired amount of the surfactant to the culture medium of the bacterial cells, or the expressed bacterial cells collected by centrifugation or the like may be added to an appropriate buffer solution. It may be carried out by adding a surfactant to the dispersed liquid. The contact time between the expressed bacterium and the surfactant can be appropriately changed depending on the amount of the expressed bacterium and the kind and concentration of the surfactant. The amount of the surfactant added can be appropriately changed depending on the amount of the expressed cells, the type of the surfactant, etc., but should be 0.08% to 2.0% (w / vol:% by weight) in the cell suspension. It is preferable to add.

界面活性剤は、非イオン性界面活性剤及びイオン性界面活性剤等の別を問わない。タンパク質の可溶性を高めることが従来において公知の界面活性剤を利用することができ、例えば、和光純薬工業、試薬ホーム、製品情報、生化学一般、界面活性剤(http://www.wako-chem.co.jp/siyaku/info/life/article/kaimenkassei1.htm)に挙げられるものを使用できる。具体的には、非イオン性界面活性剤としては、ポリオキシエチレン(20)セチルエーテル(Brij(登録商標)58)、ポリオキシエチレン(23)ラウリルエーテル(Brij(登録商標)35等のポリオキシエチレンアルキルエーテル系、ポリ(オキシエチレン)=オクチルフェニルエーテル(Nonidet(商標)P-40)、ポリオキシエチレン(10)オクチルフェニルエーテル(Triton(登録商標)X-100等のポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル系、N,N-ビス(3-D-グルコンアミドプロピル)コールアミド(BIGCHAP)、ポリオキシエチレン(20)ソルビタンモノラウレート(Tween20)、やポリオキシエチレン(40)ソルビタンモノパルミタート(Tween40)等のポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル系を挙げることができる。イオン性界面活性剤は、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、両性界面活性剤に分類され、例えば、アニオン性界面活性剤としては、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)、両イオン性界面活性剤としては、3-[(3-コールアミドプロピル)ジメチルアンモニオ]-1-プロパンスルホナート(CHAPS)や3-[(3-コラミドプロピル)ジメチルアンモニオ]-2-ヒドロキシ-1-プロパンスルホナート(CHAPSO)、3-[ジメチル(テトラデシル) アンモニオ]プロパン-1-スルホナート(Zwittergent(登録商標)3-14)、3-(N,N-ジメチルパルミチルアンモニオ)プロパンスルホナート(Zwittergent(登録商標)3-16)等のZwittergent(登録商標)系等を挙げることができる。好ましくは、Brij(登録商標)58である。   The surfactant may be a nonionic surfactant, an ionic surfactant, or the like. Conventionally known surfactants can be used to enhance the solubility of proteins. For example, Wako Pure Chemical Industries, Reagent Home, product information, biochemistry in general, surfactants (http: //www.wako- chem.co.jp/siyaku/info/life/article/kaimenkassei1.htm) can be used. Specifically, examples of the nonionic surfactant include polyoxyethylene (20) cetyl ether (Brij (registered trademark) 58), polyoxyethylene (23) lauryl ether (Brij (registered trademark) 35, and other polyoxyethylenes. Polyoxyethylene alkyl phenyl ethers such as ethylene alkyl ether type, poly (oxyethylene) = octyl phenyl ether (Nonidet (trademark) P-40), polyoxyethylene (10) octyl phenyl ether (Triton (registered trademark) X-100) System, N, N-bis (3-D-gluconamidopropyl) cholamide (BIGCHAP), polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate (Tween20), polyoxyethylene (40) sorbitan monopalmitate (Tween40) Examples of the polyoxyethylene sorbitan fatty acid ester system include ionic surfactants such as anionic surfactants and cationic surfactants. Surfactants and amphoteric surfactants are classified. For example, anionic surfactants include sodium dodecyl sulfate (SDS), and zwitterionic surfactants include 3-[(3-cholamidopropyl) dimethylammonium. O] -1-Propane sulfonate (CHAPS) and 3-[(3-Colamidopropyl) dimethylammonio] -2-hydroxy-1-propane sulfonate (CHAPSO), 3- [Dimethyl (tetradecyl) ammonio] propane -1-Sulfonate (Zwittergent (registered trademark) 3-14), 3- (N, N-dimethylpalmitylammonio) propane sulfonate (Zwittergent (registered trademark) 3-16) and other Zwittergent (registered trademark) systems Brij (registered trademark) 58 is preferable.

(iii)界面活性剤処理後の発現菌体の破砕
前記(ii)の工程の界面活性剤処理後の発現菌体の破砕を行う。菌体破砕は、物理的手法により、菌体の細胞構造を破壊して細胞からタンパク質成分を抽出できれば、公知の何れの菌体破砕方法を利用することができる。例えば、超音波のせん断力によって菌体を破砕する超音波破砕や、菌体懸濁液を高圧下で強制的に小穴から噴射させ、せん断力によって菌体を破砕するフレンチプレス等を利用することができる。また、ホモジナイザーや研磨作用のあるガラスビーズ、乳鉢、凍結/融解を利用することによっても菌体を破砕することができる。好ましくは、超音波破砕であり、通常の菌体破砕条件下で行うことができる。なお、菌体破砕の際に熱が発生するため、氷上等で冷却しながら破砕処理を行うことが好ましい。
(Iii) Crushing of Expressed Bacteria After Treatment with Surfactant The crushed expression cells after treatment with a surfactant in the step (ii) above are performed. For crushing bacterial cells, any known method for crushing bacterial cells can be used as long as the cell structure of the bacterial cells can be destroyed by a physical method to extract the protein component from the cells. For example, use ultrasonic crushing that crushes bacterial cells by the shearing force of ultrasonic waves, or use a French press that crushes bacterial cells by shearing force by forcibly injecting the bacterial cell suspension from a small hole under high pressure. You can The cells can also be disrupted by using a homogenizer, glass beads having a polishing action, a mortar, and freezing / thawing. Ultrasonic crushing is preferable, and it can be carried out under normal crushing conditions of cells. Since heat is generated during cell disruption, it is preferable to perform cell disruption while cooling on ice or the like.

(iv)発現菌体破砕液から発現菌体の溶菌液の分離
前記(iii)の工程で得られた菌体破砕液を遠心分離やろ過等により、菌体残渣と分離して、発現菌体の溶菌液を得る。好ましくは、遠心分離であり、例えば、5,000〜50,000×gで、5〜60分間、遠心分離する。ろ過の場合は、重力圧によるろ過であり、ろ紙としては、例えば、セルロースろ紙(グレードI:粒子保持能11μm)等を使用できる。遠心分離後の上澄み側及びろ過後のろ液側の発現菌体の溶菌液には、界面活性剤との接触により可溶化した酵素、及び不溶性だが沈殿していない酵素が含まれる。
(Iv) Separation of a lysate of expressed bacterial cells from the disrupted liquid of expressed bacterial cells The disrupted liquid of bacterial cells obtained in the step (iii) is separated from bacterial cell residue by centrifugation or filtration to express the bacterial cells of expressed bacterial cells. To obtain a lysate of. Centrifugation is preferable, for example, centrifugation is performed at 5,000 to 50,000 × g for 5 to 60 minutes. In the case of filtration, gravity filtration is used, and as the filter paper, for example, cellulose filter paper (grade I: particle retention capacity 11 μm) or the like can be used. The lysate of the expressed bacterial cells on the supernatant side after centrifugation and on the filtrate side after filtration contains an enzyme solubilized by contact with a surfactant and an enzyme that is insoluble but not precipitated.

(v)発現菌体の溶菌液の限外ろ過等での濃縮
前記(iv)の工程で得られた発現菌体の溶菌液を限外ろ過や塩析等により濃縮することにより、発現菌体の溶菌液の濃縮液を得ることができる。限外ろ過は、半透過膜である限外ろ過膜を使用した分子量分画である。加圧や遠心操作により、限外ろ過膜の細孔径に対して低分子側の水や低分子の物質やイオン等は膜面を透過させ、目的となる高分子側の物質は膜面を透過阻止され濃縮される。限外ろ過膜は、0.1μm〜2nmの範囲の粒子や高分子を阻止することができる膜である。例えば、分画分子量(NMWL)が1〜50K、好ましくは3〜30 K、特に好ましくは8〜10Kの多孔質膜として構成することができる。限外ろ過膜の材質は、再生セルロール、トリアセチルセルロース、酢酸セルロース、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニルアルコール、ポリスルフォン、ポリフッ化ビニリデン、芳香族ポリアミド等、限界ろ過膜として公知の材質を利用することができる。膜の形状についても特に制限はなく、中空糸膜やスパイラル膜、平膜等の公知の形状のものを利用することができる。
(V) Concentration of the lysate of the expressed bacterium by ultrafiltration, etc. The lysate of the expressed bacterium obtained in the step (iv) is concentrated by ultrafiltration, salting out, etc. A concentrated solution of the lysate can be obtained. Ultrafiltration is a molecular weight fractionation using an ultrafiltration membrane that is a semipermeable membrane. By pressurizing or centrifuging, low-molecular water, low-molecular substances, ions, etc. permeate the membrane surface with respect to the pore size of the ultrafiltration membrane, and target macromolecular substances permeate the membrane surface. Blocked and concentrated. The ultrafiltration membrane is a membrane capable of blocking particles and macromolecules in the range of 0.1 μm to 2 nm. For example, it can be constituted as a porous membrane having a molecular weight cut-off (NMWL) of 1 to 50K, preferably 3 to 30K, and particularly preferably 8 to 10K. The material of the ultrafiltration membrane, regenerated cellulose, triacetyl cellulose, cellulose acetate, polyacrylonitrile, polyvinyl chloride alcohol, polysulfone, polyvinylidene fluoride, aromatic polyamide, etc., it is possible to use materials known as ultrafiltration membranes. it can. The shape of the membrane is not particularly limited, and known shapes such as hollow fiber membranes, spiral membranes and flat membranes can be used.

限外ろ過方式は、デッドエンド方式及びクロスフロー様式等で行うことができる。限外ろ過には、膜の細孔に対して低分子側の物質を、膜の細孔から透過させるために加圧又は遠心分離等が必要となるが、加圧に際して送液ポンプ等を利用することができ、操作圧力は0.1から1MPaの範囲で行うことができる。また、遠心分離に適したスピンカラムとして構成することができる。市販品を利用することができ、Amicon Ultra-4 10等を好ましく利用できる。   The ultrafiltration method may be a dead end method or a cross flow method. Ultrafiltration requires pressurization or centrifugation to allow substances on the low molecular side of the membrane pores to permeate through the membrane pores, but use a liquid delivery pump or the like for pressurization. The operating pressure can be in the range of 0.1 to 1 MPa. Further, it can be configured as a spin column suitable for centrifugation. Commercially available products can be used, and Amicon Ultra-4 10 and the like can be preferably used.

限外ろ過等により、好ましくは、菌体破砕液を2〜20倍まで濃縮する。限外ろ過により、水や低分子の物質やイオンは膜の反対側に押し出されることにより、グルコン脱水素酵素濃度が高くなる。一連の工程により、グルコン酸脱水酵素の可溶化及びリホールディングが進行し、グルコン酸脱水酵素がその触媒活性を発揮し得る形態となる。   The cell disruption solution is preferably concentrated to 2 to 20 times by ultrafiltration or the like. By ultrafiltration, water and low-molecular substances and ions are extruded to the opposite side of the membrane, increasing the concentration of glucone dehydrogenase. Through a series of steps, solubilization and reholding of gluconate dehydratase proceed, and gluconate dehydratase is in a form in which it can exert its catalytic activity.

電極材としては、外部回路に接続可能で電子を伝達できる導電性基材を利用することができ、その材質に制限はない。カーボンクロス、カーボンフェルト、カーボンペーパー、グラファイト、及びグラッシーカーボン等のカーボン材、アルミニウム、銅、金、白金、銀、ニッケル、パラジウム等の金属又は合金、SnO2、In2O3、WO3、TiO2等の導電性酸化物等が例示できるが、これらに限定するものではない。従来公知の材質の導電性基材を使用することができる。また、これを単層又は2種以上の積層構造をもって構成してもよい。 As the electrode material, a conductive base material that can be connected to an external circuit and can transfer electrons can be used, and the material is not limited. Carbon material such as carbon cloth, carbon felt, carbon paper, graphite, and glassy carbon, metal or alloy such as aluminum, copper, gold, platinum, silver, nickel, palladium, SnO 2 , In 2 O 3 , WO 3 , TiO Examples thereof include conductive oxides such as 2 but are not limited thereto. A conductive base material made of a conventionally known material can be used. In addition, this may be constituted by a single layer or a laminated structure of two or more kinds.

電極材は、好ましくは多孔質構造を備え、例えば、平均直径が20〜50nm、好ましくは30〜40 nmの細孔を有する多孔質構造を備える。平均径は、顕微鏡写真等の画像解析によって得られた細孔の投影面積と同等の投影面積を有する球の径として算出することができる。多孔質構造とは、多数の細孔が分散した構造を意味し、例えば、スポンジ状の構造が挙げられる。細孔は、他の細孔とは独立した単独孔の他、細孔の一部又は全部が隣接する細孔と相互に連通して連続孔を形成してもよい。三次元的な網目構造を有することが好ましい。   The electrode material preferably has a porous structure, for example, a porous structure having pores having an average diameter of 20 to 50 nm, preferably 30 to 40 nm. The average diameter can be calculated as the diameter of a sphere having a projected area equivalent to the projected area of pores obtained by image analysis of a micrograph or the like. The porous structure means a structure in which a large number of pores are dispersed, and examples thereof include a sponge-like structure. The pores may be independent pores independent of other pores, or some or all of the pores may communicate with adjacent pores to form continuous pores. It is preferable to have a three-dimensional network structure.

多孔質構造を備える電極材は、例えば、導電性繊維の集合体として構成することができ、導電性繊維よりなる織布及び不織布等が挙げられる。導電性繊維の材質としては、炭素、アルミニウム、銅、金、白金、銀、ニッケル、パラジウム等の金属又は合金、SnO2、In2O3、WO3、TiO2等の導電性酸化物等、当該技術分野で公知の材質の導電性の物質を利用することができる。これらの物質は1種類で利用してもよく、また2種類以上を混合して利用してもよい。好ましくは、上記したカーボンクロス等の炭素繊維の織布やカーボンフェルト等の炭素繊維の不織布等やグラッシーカーボン等の炭素基材を利用することができる。また、これらは、単層又は2種以上の積層構造をもって構成することができる。 The electrode material having a porous structure can be configured, for example, as an aggregate of conductive fibers, and examples thereof include woven and non-woven fabrics made of conductive fibers. As the material of the conductive fiber, carbon, aluminum, copper, gold, platinum, silver, nickel, metal or alloy such as palladium, SnO 2 , In 2 O 3 , WO 3 , conductive oxide such as TiO 2 , etc., A conductive substance having a material known in the art can be used. These substances may be used alone or in combination of two or more. Preferably, a woven cloth of carbon fibers such as the above-mentioned carbon cloth, a non-woven cloth of carbon fibers such as carbon felt, etc., or a carbon base material such as glassy carbon can be used. In addition, these can be configured to have a single layer or a laminated structure of two or more kinds.

多孔質構造を備える電極材は、導電性の炭素微粒子を上述した導電性基材に塗布したものとして構成することができ、つまり、集電体としての電極基材上に多孔質炭素材が積層したものとして構成することができる。炭素粒子としては、市販のケッチェンブラック等のカーボンブラック、活性炭粉末等が利用でき、好ましくは、多孔質構造を備える多孔質の炭素微粒子を好ましく利用することができる。   The electrode material having a porous structure can be configured by applying the conductive carbon fine particles to the conductive base material described above, that is, the porous carbon material is laminated on the electrode base material as the current collector. Can be configured as As the carbon particles, commercially available carbon black such as Ketjen black, activated carbon powder and the like can be used, and preferably porous carbon fine particles having a porous structure can be preferably used.

多孔質の炭素微粒子は多孔質構造体として構成され、細孔の一部又は全部が相互に連通されている。細孔は、メソ又はマクロ細孔であり、メソ細孔とは平均径が2〜50 nmの細孔であり、マクロ細孔とは平均径が50 nm 以上の細孔を意味するものとする。   The porous carbon fine particles are configured as a porous structure, and some or all of the pores are in communication with each other. The pores are mesopores or macropores, the mesopores mean pores having an average diameter of 2 to 50 nm, and the macropores mean pores having an average diameter of 50 nm or more. .

多孔質構造体とは、多数の細孔が分散した構造体を意味する。したがって、多孔質の炭素微粒子は、炭素が細孔の外郭部分を構成し、スポンジ状の構造をとることが好ましい。細孔は、他の細孔とは独立した単独孔の他、細孔の一部又は全部が隣接する細孔と相互に連通して連続孔を形成してもよい。三次元的な網目構造を有することが好ましい。   The porous structure means a structure in which a large number of pores are dispersed. Therefore, it is preferable that the porous carbon fine particles have a sponge-like structure in which carbon constitutes the outer portion of the pores. The pores may be independent pores independent of other pores, or some or all of the pores may communicate with adjacent pores to form continuous pores. It is preferable to have a three-dimensional network structure.

かかる多孔質の炭素微粒子は、炭素前駆体と酸化マグネシウム(以下、「MgO」と略する場合がある。)前駆体との混合物を焼成し、得られた焼成物からMgO粒子を除去することによって作製されるMgO粒子を鋳型とする多孔質の炭素微粒子(以下、「MgO鋳型炭素微粒子」と称する場合がある。)として構成することができる。かかるMgO鋳型炭素微粒子は、MgO粒子が鋳型となり、MgO粒子が除去された後に同じ大きさ及び形状の細孔が形成されることとなる。これにより均質な細孔が規則的に整列しているMgO鋳型炭素微粒子が形成することができる。例えば、メソ孔とこのメソ孔の外郭を構成する炭素質壁を備えた多孔質炭素及びその製造方法が開示される特開2012-188309号公報に記載の方法で作製することができる。   Such porous carbon fine particles are obtained by firing a mixture of a carbon precursor and a magnesium oxide (hereinafter sometimes abbreviated as “MgO”) precursor, and removing the MgO particles from the obtained fired product. It can be configured as porous carbon fine particles (hereinafter sometimes referred to as “MgO template carbon fine particles”) using the produced MgO particles as a template. In such MgO template carbon fine particles, MgO particles serve as a template, and after the MgO particles are removed, pores having the same size and shape are formed. As a result, it is possible to form MgO template carbon fine particles in which homogeneous pores are regularly arranged. For example, it can be produced by the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-188309, which discloses a porous carbon having mesopores and a carbonaceous wall forming the outer periphery of the mesopores and a method for producing the same.

炭素前駆体としては、炭素を含有し、加熱により炭素化するものである限り特に限定はされない。例えば、炭素前駆体としては、ポリエチレンテレフタラート等のポリエステル系高分子、ポリアクリルアミドやポリアクリロニトリル等のアクリル系、及びポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレンやポリビニルピロリドン等のビニル系高分子、ヒドロキシプロピルセルロース等のセルロース系高分子、ポリアミド系高分子、ポリイミド系高分子、フェノール系高分子、エポキシ系高分子、並びに、石油系ピッチや石炭系ピッチ等のピッチ等が挙げられる。また、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン等の縮合多環炭化水素化合物、インドール、イソインドール、キノリン等の縮合複素環化合物、及びこれらの誘導体も利用可能である。   The carbon precursor is not particularly limited as long as it contains carbon and is carbonized by heating. For example, carbon precursors include polyester polymers such as polyethylene terephthalate, acrylic polymers such as polyacrylamide and polyacrylonitrile, and vinyl polymers such as polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyethylene and polyvinylpyrrolidone, and hydroxypropyl cellulose. Examples thereof include cellulosic polymers, polyamide polymers, polyimide polymers, phenol polymers, epoxy polymers, and pitches such as petroleum pitch and coal pitch. Further, condensed polycyclic hydrocarbon compounds such as naphthalene, phenanthrene and anthracene, condensed heterocyclic compounds such as indole, isoindole and quinoline, and derivatives thereof can also be used.

MgO前駆体としては、加熱による熱分解により、MgO粒子を生成するものである限りは特に限定されない。MgOそのもののほか、水酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、塩基性炭酸マグネシウム、更に、酢酸マグネシウム、クエン酸マグネシウム、シュウ酸マグネシウムやグルコン酸マグネシウム等のマグネシウムの有機酸塩を利用することができる。   The MgO precursor is not particularly limited as long as it produces MgO particles by thermal decomposition by heating. In addition to MgO itself, magnesium hydroxide, magnesium carbonate, basic magnesium carbonate, and magnesium organic acid salts such as magnesium acetate, magnesium citrate, magnesium oxalate, and magnesium gluconate can be used.

炭素前駆体とMgO前駆体との混合は、両者を粉末どうしで混合してもよいし、両者を水溶液等の溶液として混合してもよく、また一方を粉末、他方を溶液として混合してもよい。混合は両者を均一に分布するように行うことが好ましい。   The carbon precursor and the MgO precursor can be mixed by mixing the powders with each other, or by mixing both as a solution such as an aqueous solution, or by mixing one with a powder and the other as a solution. Good. The mixing is preferably performed so that both are evenly distributed.

加熱処理は、好ましくは不活性ガス雰囲気下、例えば、アルゴンや窒素雰囲気下、又は、減圧雰囲気下、例えば133Pa以下の雰囲気下で行う。加熱温度は、炭素前駆体から炭素以外の元素を脱離させて炭素化すると共に、MgO前駆体が熱分解によりMgO粒子を生成する温度で加熱する。加熱温度は低すぎると炭素化が進まないことから、好ましくは500〜1500℃、又は500〜1000℃、特に好ましくは、600〜800℃で加熱する。かかる温度で焼成することで、焼成後に炭素前駆体由来の官能基の一部がMgO鋳型炭素微粒子に残存し酵素の触媒活性の発現に好適な親水性環境を提供することできる。   The heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere, for example, an argon or nitrogen atmosphere, or a reduced pressure atmosphere, for example, an atmosphere of 133 Pa or less. The heating temperature is such that elements other than carbon are desorbed from the carbon precursor to carbonize it, and the MgO precursor is heated at a temperature at which MgO particles are generated by thermal decomposition. If the heating temperature is too low, carbonization does not proceed, so heating is preferably performed at 500 to 1500 ° C, or 500 to 1000 ° C, particularly preferably 600 to 800 ° C. By calcining at such a temperature, a part of the functional group derived from the carbon precursor remains in the MgO template carbon fine particles after calcining, and a hydrophilic environment suitable for expressing the catalytic activity of the enzyme can be provided.

続いて、得られた焼成物からMgO粒子を除去する。MgO粒子の除去は、MgO粒子を溶解可能な溶液を用いて行うことができ、例えば硫酸、塩酸、酢酸、クエン酸、ギ酸等の酸性溶液、又はお湯等で洗浄又は浸漬等を行い、MgO粒子を溶解し除去する。酸性溶液を用いる場合には、炭素の性状の変化を抑制すべく弱酸性溶液を用いることが好ましい。   Subsequently, MgO particles are removed from the obtained fired product. Removal of MgO particles can be carried out using a solution capable of dissolving MgO particles, for example, sulfuric acid, hydrochloric acid, acetic acid, citric acid, acid solutions such as formic acid, or washed or soaked in hot water, etc., MgO particles Are dissolved and removed. When using an acidic solution, it is preferable to use a weak acidic solution in order to suppress changes in the properties of carbon.

MgO粒子の除去後に、更に炭素を結晶化させるため追加の加熱処理を行ってもよい。ここでの加熱処理も好ましくは不活性ガス雰囲気下、例えば、アルゴンや窒素雰囲気下、又は、減圧雰囲気下、例えば133Pa以下の雰囲気下で行う。加熱温度は、非晶質の炭素が結晶化する温度で加熱する。好ましくは800℃以上で加熱する。熱効率の観点から2500℃以下で行うことが好ましいが、酵素の触媒活性の発現に好適な親水性環境が付与されたMgO鋳型炭素微粒子を提供するためには、800〜1000℃で行うことが特に好ましい。   After removing the MgO particles, an additional heat treatment may be performed to further crystallize carbon. The heat treatment here is also preferably performed in an inert gas atmosphere, for example, an argon or nitrogen atmosphere, or a reduced pressure atmosphere, for example, an atmosphere of 133 Pa or less. The heating temperature is such that amorphous carbon crystallizes. It is preferably heated at 800 ° C or higher. From the viewpoint of thermal efficiency, it is preferably performed at 2500 ° C. or lower, but in order to provide the MgO-templated carbon fine particles having a hydrophilic environment suitable for expressing the catalytic activity of the enzyme, it is particularly preferable to perform at 800 to 1000 ° C. preferable.

加熱処理後の炭素は、微粒子として成形するため粉砕処理を行うことが好ましい。粉砕処理は、圧縮力、剪断力、衝撃力、摩擦力を利用して行うことができ、これらの2以上の複数の力を組みわせてもよい。具体的には、ボールミル、遊星ミル、ジェットミル、乳鉢等を利用することができる。   The carbon after the heat treatment is preferably pulverized because it is formed into fine particles. The crushing treatment can be performed by utilizing a compressive force, a shearing force, an impact force, and a frictional force, and a plurality of these two or more forces may be combined. Specifically, a ball mill, a planetary mill, a jet mill, a mortar or the like can be used.

MgO粒子を鋳型とすることで、その表面及び内部に均質な多数の細孔が分散したMgO鋳型炭素粒子を得ることができる。ここで、均質な細孔とは、均一の細孔径を有する細孔が規則的に整列していることを意味する。   By using MgO particles as a template, it is possible to obtain MgO template carbon particles in which a large number of homogeneous pores are dispersed on the surface and inside thereof. Here, the term "homogeneous pores" means that pores having a uniform pore diameter are regularly arranged.

MgO鋳型炭素微粒子の細孔の平均径は、鋳型であるMgO粒子によって決定され、MgO粒子と同じ大きさの細孔が形成される。細孔の平均径は、大きすぎると細孔に固定した酵素やメディエータの脱離を効果的に抑制できず、また、小さすぎると細孔に酵素やメディエータを固定することができない。したがって、細孔の大きさは、細孔に固定する酵素やメディエータの種類に応じて適宜設定することができるが、メソ又はマクロスケール程度の細孔として構成される。ここで、メソ細孔とは平均径が2〜50 nmの細孔であり、マクロ細孔とは平均径が50 nm 以上の細孔である。具体的には、平均径が30〜100 nmであることが好ましく、特に好ましくは30〜40 nmである。このように構成することにより、MgO鋳型炭素微粒子の細孔に酵素やメディエータを安定的かつ強固に固定することができる。   The average diameter of the pores of the MgO template carbon fine particles is determined by the MgO particles that are the template, and pores of the same size as the MgO particles are formed. If the average diameter of the pores is too large, the desorption of the enzyme or mediator immobilized in the pores cannot be effectively suppressed, and if it is too small, the enzyme or mediator cannot be immobilized in the pores. Therefore, the size of the pores can be appropriately set according to the types of enzymes and mediators immobilized in the pores, but the pores are of meso or macroscale size. Here, the mesopores are pores having an average diameter of 2 to 50 nm, and the macropores are pores having an average diameter of 50 nm or more. Specifically, the average diameter is preferably 30 to 100 nm, particularly preferably 30 to 40 nm. With this structure, the enzyme or mediator can be immobilized stably and firmly in the pores of the MgO template carbon fine particles.

また、細孔の形状についても、鋳型であるMgO粒子の形状に応じて決定される。形状について特に制限はないが、略球状、多面体状等とすることができ、等方形状及び異方形状の別は問わない。また、略球状とは、完全な球状の他、楕円球状、球状に近い多面体状等を含む。多面体状とは、多角錘状、多角柱状等を含む。更に、細孔分布についても、鋳型であるMgO粒子の混合割合を変更することにより適宜調整することができる。   Also, the shape of the pores is determined according to the shape of the MgO particles that are the template. The shape is not particularly limited, but may be a substantially spherical shape, a polyhedral shape, or the like, and it does not matter whether it is an isotropic shape or an anisotropic shape. Further, the substantially spherical shape includes a perfect spherical shape, an elliptic spherical shape, a polyhedral shape close to a spherical shape, and the like. The polyhedron shape includes a polygonal pyramid shape, a polygonal column shape, and the like. Further, the pore size distribution can be appropriately adjusted by changing the mixing ratio of MgO particles as a template.

MgO鋳型炭素微粒子の粒子径は、固定する酵素やメディエータの種類や固定する導電性基材の種類等に応じて適宜設定することができるが、好ましくは、0.3〜2μmであり、特に好ましくは、0.5〜1μmである。   The particle diameter of the MgO template carbon fine particles can be appropriately set according to the type of the enzyme or mediator to be immobilized and the type of the conductive substrate to be immobilized, etc., preferably 0.3 to 2 μm, particularly preferably, 0.5 to 1 μm.

MgO鋳型炭素微粒子は、市販品を利用することができ、例えば東洋炭素株式会社から入手できるCNovel(登録商標)(Mesoporous Carbon)サンプルキット grade: P(4)050を利用することが好ましい。   As the MgO template carbon fine particles, commercially available products can be used, and for example, it is preferable to use CNovel (registered trademark) (Mesoporous Carbon) sample kit grade: P (4) 050 available from Toyo Tanso Co., Ltd.

導電性基材への炭素微粒子の固定は、当該技術分野で公知の方法の何れを用いて行ってもよい。例えば、炭素微粒子を適当な溶媒に分散させた分散液を、導電性基材に塗布、含浸することにより固定することができる。分散液は、超音波処理等により懸濁させてスラリーとして調製してもよい。また、必要に応じて、結着剤を用いてもよい。塗布の方法としては、スクリーンプリント法、ロールコート法、ドクターブレード法、スピンコート法、スプレーによる噴霧法等を利用することができる。また、電着法を利用することもでき、例えば、炭素微粒子を適当な溶媒に分散させた分散液中に導電性基材と対向電極とを浸漬し、当該導電性基材と対向電極との間に電流を流して導電性基材に炭素微粒子を固定することもでき、必要に応じて結着剤を用いてもよい。   The carbon fine particles may be fixed to the conductive substrate by any method known in the art. For example, it is possible to fix by coating and impregnating a conductive substrate with a dispersion liquid in which carbon fine particles are dispersed in a suitable solvent. The dispersion may be suspended as a slurry to prepare a slurry. Moreover, you may use a binder as needed. As a coating method, a screen printing method, a roll coating method, a doctor blade method, a spin coating method, a spraying method using a spray, or the like can be used. It is also possible to use an electrodeposition method, for example, by immersing the conductive base material and the counter electrode in a dispersion liquid in which carbon fine particles are dispersed in a suitable solvent, the conductive base material and the counter electrode An electric current may be passed in between to fix the carbon fine particles to the conductive base material, and a binder may be used if necessary.

結着剤は、導電性基材上と炭素微粒子を結着させ導電性基材から炭素微粒子の脱離を抑制することができる。結着剤は、炭素微粒子を導電性基材に結着させ得る物質であれば、当該技術分野で公知の物質を利用することができる。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」と略する)、ポリフッ化ビニリデンやポリヘキサフルオロプロピレン等のフッ素系高分子、ポリシロキサン系高分子等を利用することができる。結着剤は1種類を単独で用いてもよいし、又は2種類以上併用してもよい。   The binder can bind the carbon fine particles to the conductive base material and suppress the detachment of the carbon fine particles from the conductive base material. As the binder, any substance known in the art can be used as long as it is a substance capable of binding the carbon fine particles to the conductive base material. For example, polytetrafluoroethylene (hereinafter abbreviated as “PTFE”), a fluorine-based polymer such as polyvinylidene fluoride or polyhexafluoropropylene, a polysiloxane-based polymer, or the like can be used. The binder may be used alone or in combination of two or more.

導電性基材への炭素微粒子の固定量は、導電性基材の種類及び炭素微粒子の形状等により適宜変更することができるものであるが、導電性基材1cm2当たり、0.05〜0.5 mgの炭素微粒子を固定することが好ましい。また、結着剤を用いる場合には、結着剤が多すぎると電極材の電子移動抵抗が大きくなり円滑な電子の移動を妨げるために好ましくないことから、炭素微粒子に対して10〜60%で結着剤を混合することが好ましい。 The amount of carbon fine particles fixed to the conductive base material can be appropriately changed depending on the type of the conductive base material and the shape of the carbon fine particles, but is 0.05 to 0.5 mg per 1 cm 2 of the conductive base material. It is preferable to fix the carbon fine particles. Further, when using a binder, if too much binder is not preferable because it increases the electron transfer resistance of the electrode material and hinders smooth electron transfer. It is preferable to mix the binder with.

電極材の大きさ及び形状等は特に限定されるものではなく、使用目的に応じて適宜調整することができる。マイクロメートルオーダーに電極面積を小さくした微小電極として構成することができる。   The size and shape of the electrode material are not particularly limited, and can be appropriately adjusted according to the purpose of use. It can be configured as a microelectrode having an electrode area reduced to the order of micrometers.

本実施形態の酵素電極は、電極材にグルコン酸脱水酵素だけではなく、他の種類の酵素を組みわせて固定してもよい。例えば、他の酵素を組み合わせて多段階反応系を構築することが好ましい。例えば、グルコン酸を生成するグルコース脱水素酵素と組み合わせて、グルコースの多段階反応系を構築するように構成してもよい。   The enzyme electrode of the present embodiment may be fixed by combining not only gluconic acid dehydratase but also another type of enzyme with the electrode material. For example, it is preferable to construct a multi-step reaction system by combining other enzymes. For example, it may be configured to construct a multi-step reaction system of glucose by combining with glucose dehydrogenase which produces gluconic acid.

本実施形態の酵素電極は、酵素反応と電極間の電子伝達を媒介するメディエータ等の酵素の触媒活性の発現に必要な物質を、必要に応じて電極材に固定することができる。   In the enzyme electrode of the present embodiment, a substance necessary for expressing the catalytic activity of an enzyme such as a mediator that mediates an enzyme reaction and electron transfer between electrodes can be fixed to the electrode material as necessary.

メディエータは、酵素の触媒反応に応じて酸化還元される低分子の酸化還元物質であり、酵素と導電性基材間の電子移動を媒介する。したがって、メディエータは、酵素と電子を授受することができる共に、導電性基材とも電子を授受することができる物質である限り何れも利用することができる。例えば、メディエータは、一重結合と二重結合が交互に並んだπ共役系化合物であることが好ましい。具体的には、2,2'-アジノ-ビス(3-エチルベンゾチアゾリン-6-スルホン酸)(以下、「ABTS」と略する)、フェリシアン化カリウム等のフェリシアン化物、5-メチルフェナジニウムメチルスルファート(フェナジンメトスルファート:PMS)、5-エチルフェナジニウムメチルスルファート(フェナジンエトスルファート:PES)等のフェナジン系化合物、フェノチアジン系化合物、フェロセンやジメチルフェロセン、フェロセンカルボン酸等のフェロセン系化合物、ナフトキノン、アントラキノン、ハイロドキノン、ピロロキノリンキノン等のキノン系化合物、シトクロム系化合物、ベンジルビオロゲンやメチルビオロゲン等のビオロゲン系化合物、ジクロロフェノールインドフェノール等のインドフェノール系化合物等が挙げられる。ナフトキノンを特に好ましく利用することができる。   A mediator is a low-molecular redox substance that is redox-reduced in response to a catalytic reaction of an enzyme, and mediates electron transfer between the enzyme and a conductive substrate. Therefore, any mediator can be used as long as it is a substance capable of exchanging electrons with the enzyme and also capable of exchanging electrons with the conductive base material. For example, the mediator is preferably a π-conjugated compound in which single bonds and double bonds are alternately arranged. Specifically, 2,2'-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) (hereinafter abbreviated as "ABTS"), ferricyanide such as potassium ferricyanide, 5-methylphenazinium Phenazine compounds such as methylsulfate (phenazine methosulfate: PMS) and 5-ethylphenazinium methylsulfate (phenazineethosulfate: PES), phenothiazine compounds, ferrocene, dimethylferrocene, ferrocenecarboxylic acid and other ferrocenes. Examples thereof include quinone compounds such as naphthoquinone, anthraquinone, hyroquinone, pyrroloquinoline quinone, cytochrome compounds, viologen compounds such as benzyl viologen and methyl viologen, and indophenol compounds such as dichlorophenol indophenol. Naphthoquinone can be used particularly preferably.

本実施形態の酵素電極によれば、グルコン酸酸化触媒能を十分に発揮することができる酵素電極を提供することができる。従来において、例えばスルホロバス属細菌由来のグルコン酸脱水酵素を、大腸菌等の糖鎖修飾経路を有しないタンパク質合成系を使用して、糖鎖が付加しない状態で合成することは、封入体が形成する等の問題があり困難であった。一方、糖鎖修飾経路を有するタンパク質合成系を使用して合成する場合、糖鎖が付加することで、酵素分子の疎水面同士の会合が低減され可溶性の酵素として合成され、結果的に、酵素の合成効率が向上する。しかしながら、付加する糖鎖の種類や、付加する状態によっても合成酵素の物性は影響を受けることから、糖鎖が付与した酵素の扱いは、産業利用の上でも大きな障害になることが多い。また、糖鎖付加酵素をそのままの状態で電極材に固定化すると、糖鎖が絶縁体となり、燃料→酵素→(メディエータ)→電極への電子伝達効率が著しく低下し、酵素触媒電流は数ミリアンペア以下と小さなものになる等の問題もある。そのため、従来においては、グルコン酸脱水酵素を利用したグルコン酸酸化の触媒機能を有する酵素電極を作製することは困難であった。本実施形態の酵素電極によって、初めてグルコン酸脱水酵素を利用したグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極を提供することが可能となる。   According to the enzyme electrode of the present embodiment, it is possible to provide an enzyme electrode capable of sufficiently exerting the gluconic acid oxidation catalytic ability. Conventionally, for example, when gluconate dehydratase derived from a bacterium belonging to the genus Sulfolobus is synthesized using a protein synthesis system having no sugar chain modification pathway such as Escherichia coli in a state where no sugar chain is added, an inclusion body is formed. It was difficult because of problems such as On the other hand, in the case of synthesizing using a protein synthesis system having a sugar chain modification pathway, the addition of sugar chains reduces the association between the hydrophobic surfaces of the enzyme molecules, resulting in synthesis as a soluble enzyme. The synthesis efficiency of is improved. However, since the physical properties of the synthetic enzyme are affected by the type of sugar chain to be added and the state of addition, the handling of the enzyme to which the sugar chain is attached is often a major obstacle to industrial use. Moreover, when the glycosylated enzyme is immobilized on the electrode material as it is, the sugar chain becomes an insulator, the electron transfer efficiency to the fuel → enzyme → (mediator) → electrode is significantly reduced, and the enzyme catalytic current is several milliamperes. There are also problems such as the following being small. Therefore, conventionally, it was difficult to produce an enzyme electrode having a catalytic function of gluconic acid oxidation using gluconic acid dehydratase. The enzyme electrode of the present embodiment makes it possible to provide an enzyme electrode having the ability to catalyze gluconate oxidation using gluconate dehydratase for the first time.

本実施形態の酵素電極は、バイオ電池の負極側電極、及びバイオセンサーの作用電極として利用することができ、電子、医療、食品、環境分野等の産業分野において利用可能である。   The enzyme electrode of the present embodiment can be used as a negative electrode of a bio battery and a working electrode of a biosensor, and can be used in industrial fields such as electronics, medical care, foods and the environment.

本実施形態の酵素電極は、特に、電極材を多孔質構造を有する炭素基材とすることで、グルコン酸酸化の触媒機能を効率よく発揮することができる酵素電極を提供できる。つまり、酵素発現菌体の溶菌液の濃縮液を直接的に多孔質構造を有する炭素基材に含浸させることで、酵素分子が炭素基材の細孔内に入り込み、言わば酵素の精製効果が得られ、更に、酵素分子同士の会合が抑制される利点がある。これにより、凝集しやすい酵素種であっても酵素電極化を実現できる。   The enzyme electrode of the present embodiment can provide an enzyme electrode capable of efficiently exhibiting a catalytic function of gluconic acid oxidation by using an electrode material as a carbon base material having a porous structure. That is, by directly impregnating the concentrated solution of the lysate of the enzyme-expressing bacterial cell into the carbon substrate having a porous structure, the enzyme molecules enter the pores of the carbon substrate, so to speak, the enzyme purification effect is obtained. In addition, there is an advantage that the association between the enzyme molecules is suppressed. This makes it possible to realize an enzyme electrode even for an enzyme species that easily aggregates.

(酵素電極の作製方法)
本実施形態に係る酵素電極の作製方法は、大腸菌等に代表される原核生物等の糖鎖修飾能を有しない生物を宿主として利用するタンパク質発現系で、糖鎖が付加しないタンパク質としてグルコン酸脱水酵素を合成し、当該酵素を含む発現菌体の溶菌液の濃縮液を電極材に固定化することにより酵素電極を作製するものである。
(Method for producing enzyme electrode)
The method for producing an enzyme electrode according to the present embodiment is a protein expression system that utilizes as a host an organism having no sugar chain modifying ability such as a prokaryote typified by Escherichia coli or the like. An enzyme electrode is produced by synthesizing an enzyme and immobilizing a concentrated solution of a lysate of expressed bacterial cells containing the enzyme on an electrode material.

本実施形態に係る酵素電極の作製方法は、詳細には、(i)糖鎖修飾能を有しない細菌をスルホロバス属細菌由来のグルコース脱水酵素をコードする遺伝子で形質転換し、組換えグルコン酸脱水酵素を発現した発現菌体を調製する工程、(ii)前記発現菌体を界面活性剤と接触させる工程、(iii)前記界面活性剤処理後の発現菌体を破砕して、発現菌体破砕液を調製する工程、(iv)前記発現菌体破砕液中の菌体残渣を分離除去して、発現菌体の溶菌液を調製する工程、(v)前記発現菌体の溶菌液を濃縮し、発現菌体の溶菌液の濃縮液を調製する工程、(vi)前記発現菌体の溶菌液の濃縮液を電極材に固定化する工程、を備える。なお、グルコン酸脱水酵素を含む発現菌体の溶菌液の濃縮液の調製、及び電極材については上述した。   Specifically, the method for producing the enzyme electrode according to the present embodiment includes (i) transforming a bacterium having no sugar chain modifying ability with a gene encoding a glucose dehydratase from a bacterium belonging to the genus Sulfolobus to give a recombinant gluconic acid dehydration. A step of preparing expression cells expressing the enzyme; (ii) a step of contacting the expression cells with a surfactant; (iii) crushing the expression cells after the treatment with the surfactant to crush the expression cells. A step of preparing a solution, (iv) a step of separating and removing cell residues in the disrupted solution of the expressed cells to prepare a lysate of the expressed cells, and (v) concentrating the lysate of the expressed cells. A step of preparing a concentrated solution of the lysate of the expressing bacterium, and (vi) immobilizing the concentrated solution of the lysate of the expressing bacterium on an electrode material. The preparation of the concentrated solution of the lysate of the expressing bacterial cells containing gluconate dehydratase and the electrode material are described above.

グルコン酸脱水酵素を含む発現菌体の溶菌液の濃縮液の電極材への固定化は、当該技術分野で公知の方法の何れを用いて行うことができる。例えば、物理的吸着、共有結合、イオン結合、抗体等の生物化学的特異的結合による担体結合法、2以上の官能基をもつ試薬による架橋法、ゲル内に封入する包括法等によって固定することができる。また、これらを組み合わせてもよく、最適な酵素固定法を適宜選択することが望ましい。電極材として炭素微粒子を利用する場合には、酵素の固定は炭素微粒子を導電性基材に固定した後に行ってもよいし、炭素微粒子を導電性基材に固定する前に、予め酵素を鋳型炭素微粒子に固定してもよい。   Immobilization of a concentrated solution of a lysate of expressed bacterial cells containing gluconate dehydratase onto an electrode material can be performed by any method known in the art. For example, immobilization by physical adsorption, covalent bond, ionic bond, carrier-binding method by biochemical specific binding such as antibody, cross-linking method with reagent having two or more functional groups, encapsulation method by encapsulation in gel, etc. You can Further, these may be combined, and it is desirable to appropriately select an optimal enzyme immobilization method. When carbon microparticles are used as the electrode material, the enzyme may be immobilized after the carbon microparticles are immobilized on the conductive substrate, or the enzyme may be preliminarily templated before the carbon microparticles are immobilized on the conductive substrate. It may be fixed to carbon fine particles.

特に好ましくは、物理的吸着であり、酵素を適当な溶媒に溶解又は分散した発現菌体の溶菌液の濃縮液を電極材表面に接触させることにより行うことができる。接触は噴霧、滴下、含浸等の公知の方法で行うことができる。また、スピンコート、スプレー法、スクリーン法、ディップコート、ブレード法等の塗布方法を利用することができる。   Particularly preferred is physical adsorption, which can be carried out by bringing a concentrated solution of a lysate of expressed bacterial cells in which an enzyme is dissolved or dispersed in a suitable solvent into contact with the surface of the electrode material. The contact can be performed by a known method such as spraying, dropping, impregnation and the like. Further, a coating method such as spin coating, spraying method, screen method, dip coating or blade method can be used.

電極材に、酵素反応と電極間の電子伝達を媒介するメディエータ等の酵素の触媒活性の発現に必要な物質を固定する場合には、メディエータ等の固定は、酵素と混合して固定してもよいし、酵素の固定の前、若しくは後に固定してもよい。   When a substance necessary for expressing the catalytic activity of an enzyme such as a mediator that mediates an enzyme reaction and electron transfer between electrodes is immobilized on the electrode material, the mediator can be immobilized by mixing with the enzyme. The enzyme may be fixed before or after the enzyme is fixed.

本実施形態の酵素電極の作製方法によれば、グルコン酸酸化触媒能を十分に発揮することができる酵素電極を作製することが。従来において、糖鎖が付加しない状態及び糖鎖が付加した状態の何れにもおいても、スルホロバス属細菌由来のグルコン酸脱水酵素のグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極を作製することは困難であった。本実施形態において、スルホロバス属細菌由来のグルコン酸脱水酵素を、大腸菌のタンパク質発現系を用いて糖鎖が付加しない状態で組換え発現させ、組換えグルコン酸脱水酵素を含む発現菌体の溶菌液を電極材に固定化することにより、グルコン酸酸化触媒能を十分に発揮することができる酵素電極の作製方法を提供できる。本実施形態の酵素電極の作製方法により作製される酵素電極は、バイオ電池の負極側電極、及びバイオセンサーの作用電極として利用することができ、電子、医療、食品、環境分野等の産業分野において利用可能である。   According to the method for producing an enzyme electrode of the present embodiment, it is possible to produce an enzyme electrode capable of sufficiently exhibiting the gluconic acid oxidation catalytic ability. Conventionally, it is difficult to produce an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation-catalyzing ability of gluconic acid dehydratase derived from a Sulfolobus bacterium, in both a state in which a sugar chain is not added and a state in which a sugar chain is added. there were. In the present embodiment, a gluconate dehydratase derived from a bacterium belonging to the genus Sulfolobus is recombinantly expressed in a state in which a sugar chain is not added using a protein expression system of Escherichia coli, and a lysate of a bacterium containing the recombinant gluconate dehydratase is lysed. By immobilizing the enzyme on an electrode material, it is possible to provide a method for producing an enzyme electrode capable of sufficiently exerting a gluconic acid oxidation catalyst ability. The enzyme electrode produced by the method for producing the enzyme electrode of the present embodiment can be used as a negative electrode of a bio battery and a working electrode of a biosensor, and is used in industrial fields such as electronic, medical, food, and environmental fields. It is available.

特に、電極材を、多孔質構造を有する炭素基材とすることで、発現菌体の溶菌液の濃縮液を電極材に固定化する際に、酵素分子が炭素基材の細孔内に入り込むことで言わば酵素の精製効果が得られ、また、酵素分子同士の会合が抑制されることにより、グルコン酸酸化の触媒機能を効率よく発揮することができる酵素電極の作製方法を提供することができる。更に、多孔質構造を有する炭素基材を、酸化マグネシウム粒子を鋳型として作製することにより、多数の均一の大きさの細孔が規則正しく整列した炭素基材の細孔に酵素やメディエータを安定的かつ強固に固定することができ、酵素及びメディエータの当該電極材から脱離を抑制することができる。これにより、当該電極材の劣化を抑制し、酵素触媒電流の安定性を図ることができる。また、酵素と導電性基材間の電子の授受を円滑に進めることができ、これにより、作製される酵素触媒電流を向上させることができ、電極性能の向上を図ることができる。   In particular, when the electrode material is a carbon-based material having a porous structure, the enzyme molecules enter into the pores of the carbon-based material when the concentrated solution of the lysate of the expressing bacterial cells is immobilized on the electrode material. In other words, it is possible to provide a method for producing an enzyme electrode that can obtain a purification effect of an enzyme and that can suppress the association of enzyme molecules with each other, thereby efficiently exhibiting the catalytic function of gluconic acid oxidation. . Furthermore, by preparing a carbon substrate having a porous structure using magnesium oxide particles as a template, a large number of pores of uniform size are regularly aligned in the pores of the carbon substrate to stabilize the enzyme and mediator. It can be firmly fixed, and desorption of the enzyme and the mediator from the electrode material can be suppressed. Thereby, the deterioration of the electrode material can be suppressed and the stability of the enzyme catalytic current can be achieved. In addition, the transfer of electrons between the enzyme and the conductive base material can be smoothly promoted, whereby the produced enzyme catalytic current can be improved and the electrode performance can be improved.

(バイオ電池)
本実施形態のバイオ電池は、正極側電極、負極側電極、及び電解質層を1組含んで構成されるバイオ燃料電池用セルを含んで構成される。セルは、バイオ燃料電池の最小単位であり、これを積層することによりセルスタックを形成することができ、これによりバイオ燃料電池を構築することができる。
(Bio battery)
The biobattery of the present embodiment is configured to include a biofuel cell, which includes one set of a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte layer. A cell is a minimum unit of a biofuel cell, and a cell stack can be formed by stacking the cells, whereby a biofuel cell can be constructed.

本実施形態のバイオ電池は、例えば、負極側電極と正極側電極とが、電解質層を挟んで対向するように配置され、負極側電極と正極側電極は外部回路によって接続されている。負極側は、負極側電極に燃料を供給できるように燃料タンクが取り付けられ、正極側は、大気中の酸素を取り入れられるように空気取り込み口等が形成されている。例えば、セルは、セパレーター、燃料タンク、負極側電極、電解質層、正極側電極、セパレーターの順で積層される。   In the biobattery of the present embodiment, for example, the negative electrode and the positive electrode are arranged so as to face each other with the electrolyte layer in between, and the negative electrode and the positive electrode are connected by an external circuit. A fuel tank is attached to the negative electrode side so that fuel can be supplied to the negative electrode, and an air intake port or the like is formed on the positive electrode side so as to take in oxygen in the atmosphere. For example, the cells are laminated in the order of a separator, a fuel tank, a negative electrode, an electrolyte layer, a positive electrode, and a separator.

負極側電極は、燃料の酸化反応を行うように構成され、本実施形態の酵素電極を用いて構成される。正極側電極は、酸素の還元反応を行うように構成される。正極側電極ではオキシダーゼ等の酸素の還元反応を行う酵素を選択することが好ましい。正極側電極は、適当な電極材上の少なくとも一部に生体触媒を含んだ生物電極の他、金属の触媒反応を利用する白金等の金属電極等として構成しても良い。ここで、生体触媒とは、生物体内に存在する物質変換能を有する物質である。生体由来の天然物質のほか、それを模した人工の物質をも含む。例えば、酵素、微生物、細胞小器官及び細胞等が含まれる。生物電極として正極側電極を構成する場合には、適当な電極材上に酵素を固定化した酵素電極することが好ましい。電極材については、上記負極側電極で説明したものと同様の導電性の基材を用いることができる。   The negative electrode is configured to perform a fuel oxidation reaction, and is configured using the enzyme electrode of the present embodiment. The positive electrode is configured to carry out a reduction reaction of oxygen. For the positive electrode, it is preferable to select an enzyme such as oxidase that performs a reduction reaction of oxygen. The positive electrode may be configured as a biological electrode containing a biocatalyst on at least a part of an appropriate electrode material, or a metal electrode such as platinum utilizing a catalytic reaction of metal. Here, the biocatalyst is a substance existing in a living body and having a substance converting ability. In addition to natural substances derived from living organisms, artificial substances imitating them are also included. Examples include enzymes, microorganisms, organelles and cells. When the positive electrode is used as the biological electrode, it is preferable to use an enzyme electrode having an enzyme immobilized on a suitable electrode material. As the electrode material, the same conductive base material as that described for the negative electrode can be used.

酵素としては、酸素の還元反応が触媒する酵素である限りは、当該技術分野で公知の何れの酵素を利用することができる。ビリルビンオキシダーゼ、ピルビン酸オキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ等の酸化還元酵素の利用が好ましく、酵素は単独で、若しくは複数組み合わせて利用することができる。ここで、ビリルビンオキシダーゼは、銅イオンを活性中心に持つマルチ銅オキシダーゼであり、ビリルビンからビルベルジンへの酸化反応を触媒する酵素である。基質から取り出した電子を用いて分子状酸素を電子還元し水分子を生成する反応を触媒するという性質を有することから、バイオ電池の正極用の電極触媒としての利用価値が高い酵素である。補酵素及び補因子要求性の有無についても特に制限はない。   As the enzyme, any enzyme known in the art can be used, as long as it is an enzyme that is catalyzed by a reduction reaction of oxygen. It is preferable to use redox enzymes such as bilirubin oxidase, pyruvate oxidase, laccase, and ascorbate oxidase, and the enzymes can be used alone or in combination. Here, bilirubin oxidase is a multi-copper oxidase having a copper ion as an active center and is an enzyme that catalyzes the oxidation reaction of bilirubin to viruverdin. It is an enzyme with a high utility value as an electrode catalyst for the positive electrode of a biobattery because it has a property of catalyzing the reaction of electron-reducing molecular oxygen by using electrons taken out from a substrate to generate a water molecule. There is no particular limitation on the presence or absence of coenzyme and cofactor requirements.

正極側電極の触媒として、酵素を用いる場合、酵素の由来は特に制限されない。したがって、天然に存在する生物体から適当なタンパク質の単離精製技術により精製された天然由来のものであってよく、また遺伝子工学的手法により組み換え体として製造されたものあるいは化学的に合成されたものあってもよい。更には、市販品を利用することもできる。例えば、天野エンザイムから入手できるMyrothecium verrucaria由来のビリルビンオキシダーゼ(MvBOD)等を利用することができる。特に好ましくは、UniProtKB / Swiss-Prot: Q12737(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/Q12737)で開示されるアミノ酸配列を有するビリルビンオキシダーゼを利用することができる。   When an enzyme is used as the catalyst for the positive electrode, the origin of the enzyme is not particularly limited. Therefore, it may be of natural origin, which is purified from a naturally occurring organism by an appropriate protein isolation / purification technique, or may be recombinantly produced by a genetic engineering technique or chemically synthesized. There may be things. Furthermore, commercially available products can also be used. For example, Myrothecium verrucaria-derived bilirubin oxidase (MvBOD) available from Amano Enzyme can be used. Particularly preferably, bilirubin oxidase having the amino acid sequence disclosed in UniProtKB / Swiss-Prot: Q12737 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/Q12737) can be used.

遺伝子工学的手法により製造する場合には当該技術分野で公知の方法を利用することができる。具体的には、所望の酵素遺伝子の塩基配列を基にして作成したDNAをプローブとして用いるハイブリダイゼーション法により、生物体由来のゲノムDNA、全RNAから逆転写反応によって合成したcDNA等から所望の酵素をコードする核酸分子を調製することができる。ここで用いられるプローブは、所望の酵素と相補的な配列を含むオリゴヌクレオチドであり、常法に基づいて調製することができる。例えば、化学合成法の他、既に標的となる核酸が取得されている場合にはその制限酵素断片等が利用可能である。   In the case of producing by a genetic engineering method, a method known in the art can be used. Specifically, by a hybridization method using a DNA prepared based on the nucleotide sequence of a desired enzyme gene as a probe, a desired enzyme is obtained from a genomic DNA derived from an organism, a cDNA synthesized by reverse transcription from total RNA, or the like. A nucleic acid molecule encoding the can be prepared. The probe used here is an oligonucleotide containing a sequence complementary to the desired enzyme and can be prepared according to a conventional method. For example, in addition to the chemical synthesis method, when the target nucleic acid has already been obtained, its restriction enzyme fragment or the like can be used.

また、所望の酵素遺伝子の塩基配列を基にして作成したプライマーとして用いるPCRによっても同様に、生物体由来のゲノムDNA、cDNAを鋳型として所望の酵素をコードする核酸分子を調製することができる。PCRを利用する場合に用いられるプライマーは、所望の酵素をコードする核酸配列と相補的な配列を含むオリゴヌクレオチドであり、上記プローブと同様にして常法に基づいて調製することができる。化学合成法に基づきプローブ又はプライマーを調製する場合には、合成に先立って標的核酸の配列情報に基づいてプローブ又はプライマーの設計を行う。   Similarly, a nucleic acid molecule encoding a desired enzyme can be prepared by using a genomic DNA or cDNA derived from an organism as a template by PCR using a primer prepared based on the nucleotide sequence of the desired enzyme gene. The primer used when PCR is used is an oligonucleotide containing a sequence complementary to the nucleic acid sequence encoding the desired enzyme, and can be prepared in the same manner as the above-mentioned probe based on a conventional method. When the probe or primer is prepared based on the chemical synthesis method, the probe or primer is designed based on the sequence information of the target nucleic acid prior to the synthesis.

ここで、相補的とは、プローブ又はプライマーと標的核酸分子とが塩基対合則にしたがって特異的に結合し安定な二重鎖構造を形成できることを意味する。ここで、完全な相補性のみならず、プローブ又はプライマーと標的核酸分子が互いに安定な二重鎖構造を形成し得るのに十分である限り、いくつかの核酸塩基のみが塩基対合則に沿って適合する部分的な相補性であっても許容される。プローブ又はプライマーの長さはGC含量等の標的核酸の配列情報、並びに、反応温度、反応液中の塩濃度等のハイブリダイゼーション反応条件等の多くの因子に依存して決定される。   Here, “complementary” means that the probe or primer and the target nucleic acid molecule can specifically bind to each other according to the base pairing rule to form a stable double-stranded structure. Here, not only complete complementarity, but only some nucleobases are subject to the rules of base pairing as long as the probe or primer and the target nucleic acid molecule are sufficient to be able to form a stable duplex structure with each other. Even partial complementarity that is compatible with The length of the probe or primer is determined depending on many factors such as sequence information of the target nucleic acid such as GC content and the hybridization reaction conditions such as reaction temperature and salt concentration in the reaction solution.

また、所望の酵素をコードする核酸分子を適当な発現ベクター中に挿入し、これを宿主に導入することによって形質転換体を作製する。ここで、利用可能なベクター、及びベクターへの外来遺伝子の挿入については上述した。   Further, a transformant is prepared by inserting a nucleic acid molecule encoding a desired enzyme into an appropriate expression vector and introducing this into a host. Here, the available vectors and the insertion of the foreign gene into the vectors have been described above.

形質転換体の作製に際して宿主となる細胞としては、外来遺伝子を効率的に発現できる宿主細胞であれば、特に制限はない。原核生物細胞を好適に利用でき、特には大腸菌を利用することができる。その他、枯草菌、バシラス属細菌、シュードモナス属細菌等をも利用できる。更に、原核生物に限定されず真核生物細胞を利用することが可能である。形質転換法、得られた形質転換体の培養方法及び選別方法については上述した。   There is no particular limitation on the host cell for producing the transformant as long as it can efficiently express the foreign gene. Prokaryotic cells can be preferably used, and particularly Escherichia coli can be used. In addition, Bacillus subtilis, Bacillus bacterium, Pseudomonas bacterium, etc. can also be used. Furthermore, it is possible to utilize eukaryotic cells without being limited to prokaryotes. The transformation method, the method of culturing the obtained transformant and the method of selection are described above.

形質転換体の培養物から、所望の酵素を単離精製するには、通常のタンパク質の単離、精製法を用いることができる。精製は、上記形質転換体の培養物から、所望の酵素の存在する画分に応じて、一般的なタンパク質の単離精製方法に準じた手法を適用すればよい。具体的には、所望の酵素が宿主細胞外に生産される場合には、培養液をそのまま利用するか、遠心分離、ろ過等の手段により宿主細胞を除去して培養上清を得る。続いて、培養上清に、当該技術分野で公知のタンパク質精製方法を適宜選択することにより、単離精製することができる。   In order to isolate and purify the desired enzyme from the culture of the transformant, ordinary protein isolation and purification methods can be used. For purification, a method similar to a general protein isolation and purification method may be applied from the culture of the above transformant, depending on the fraction in which the desired enzyme is present. Specifically, when the desired enzyme is produced outside the host cells, the culture solution is used as it is, or the host cells are removed by means such as centrifugation or filtration to obtain a culture supernatant. Subsequently, the culture supernatant can be isolated and purified by appropriately selecting a protein purification method known in the art.

また、所望の酵素が宿主細胞内で産生される場合には、培養物を遠心分離、ろ過等の手段により宿主細胞を回収する。続いて、酵素的破砕方法、又は超音波処理、凍結融解、浸透圧ショック等の物理的破砕方法等により、宿主細胞を破砕する。破砕後、遠心分離、ろ過等の手段により可溶化画分を収集する。得られた可溶化画分を、前述の細胞外に生産できる場合と同様に処理することにより単離精製することができる。また、グルコン酸脱水酵素と同様に発現菌体の溶菌液の濃縮液等を利用してもよい。   Further, when the desired enzyme is produced in the host cells, the host cells are recovered by means such as centrifugation or filtration of the culture. Then, the host cells are disrupted by an enzymatic disruption method, a physical disruption method such as ultrasonic treatment, freeze-thawing, or osmotic shock. After crushing, the solubilized fraction is collected by means such as centrifugation or filtration. The obtained solubilized fraction can be isolated and purified by treating it in the same manner as in the case where it can be produced extracellularly. Further, a concentrated solution of the lysate of the expressing bacterial cells may be used as in the case of gluconate dehydratase.

また、アミノ酸配列が当該技術分野で公知である酵素については、化学的合成技術によっても製造することができる。例えば、所望の酵素のアミノ酸配列の全部、又は一部を、ペプチド合成機を用いて合成し、得られるポリペプチドを適当な条件の下で、再構築することにより調製することもできる。アミノ酸配列が公知である酵素のアミノ酸配列において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換、付加の改変が加えられたアミノ酸配列を有するもの等、少なくとも80%、90%、95%、又は98%の配列同一性を有する改変体についても、所望の活性を有する限り利用することができる。   In addition, an enzyme whose amino acid sequence is known in the art can also be produced by a chemical synthesis technique. For example, it can be also prepared by synthesizing all or part of the amino acid sequence of the desired enzyme using a peptide synthesizer and reconstructing the obtained polypeptide under appropriate conditions. At least 80%, 90%, 95%, or 98, such as those having an amino acid sequence in which one or several amino acids are modified by deletion, substitution, or addition in the amino acid sequence of an enzyme whose amino acid sequence is known Variants having% sequence identity can also be used as long as they have the desired activity.

更に、酸素の還元反応を触媒できる限り、微生物、細胞小器官及び細胞等の生物体自体であってもよい。また、これらの生物体からの粗精製物であってもよい。   Further, the organism itself such as microorganisms, organelles and cells may be used as long as it can catalyze the reduction reaction of oxygen. Further, it may be a crudely purified product from these organisms.

前記電極材には、酵素と共に、酵素がその触媒活性を発揮するのに必要な物質を固定化してもよい。例えば、酵素の触媒反応と電極との間の電子授受を媒介するメディエータを酵素と共に固定化してもよい。使用可能なメディエータに関しては上述した。正極側酵素として、ビリルビンオキシダーゼを使用する場合には、ABTSをメディエータとすることが好ましい。また、酵素の触媒活性の発揮に補酵素等を要求する酵素の場合には、活性化に必要な物質を電極材上に酵素と共に固定化することができる。また、補因子を要求する酵素については、固定化される酵素は、アポ形態及びホロ形態の別を問わないが、電極反応に際しては活性を発揮できるように構成する必要がある。したがって、アポ形態として電極材上に保持した場合には、電極材上に固定化された酵素に補因子を供給する手段を設ける等、アポ形態の酵素を活性型のホロ形態に変換するための手段を設けることが必要となる。   A substance necessary for the enzyme to exert its catalytic activity may be immobilized on the electrode material together with the enzyme. For example, a mediator that mediates electron transfer between the catalytic reaction of the enzyme and the electrode may be immobilized together with the enzyme. The usable mediators are described above. When bilirubin oxidase is used as the enzyme on the positive electrode side, ABTS is preferably used as the mediator. Further, in the case of an enzyme that requires a coenzyme or the like to exhibit the catalytic activity of the enzyme, a substance required for activation can be immobilized on the electrode material together with the enzyme. Regarding the enzyme that requires a cofactor, the immobilized enzyme may be of the apo form or the holo form, but it must be constructed so that it can exhibit activity during the electrode reaction. Therefore, when the apo form is retained on the electrode material, a means for supplying a cofactor to the enzyme immobilized on the electrode material is provided to convert the apo form enzyme into the active holo form. It is necessary to provide means.

本実施形態のバイオ電池の電解質層は、プロトン等を透過できるイオン伝導性を有すると共に、プロトン等のイオン以外の負極構成成分、正極構成成分、及び電子を透過させないという性質を有する限り、その素材及び形状等に制限はない。例えば、固体電解質膜を利用して隔膜として構成することができる。固体電解質膜としては、スルホン基、リン酸基、ホスホン基、及びホスフィン基等の強酸基、カルボキシル基等の弱酸基、及び極性基を有する有機高分子等のイオン交換機能を有する固体膜等が例示されるが、これらに限定するものではない。具体的にはセルロース膜、及びテトラフルオロエチレンとパーフルオロ〔2−(フルオロスルフォニルエトキシ)プロピルビニルエーテル〕:tetrafluoroethyleneとperfluoro[2-(fluorosulfonylethoxy)propylvinyl ether]の共重合体であるナフィオン(登録商標)等のパーフルオロカーボンスルホン酸(PFS)系の樹脂膜を利用することができる。   The electrolyte layer of the biobattery of the present embodiment has ion conductivity capable of penetrating protons and the like, and a negative electrode constituent other than ions such as protons, a positive electrode constituent, and as long as it has a property of not allowing electrons to pass, its material There is no limitation on the shape and the like. For example, a solid electrolyte membrane can be used to form a diaphragm. Examples of the solid electrolyte membrane include a strong acid group such as a sulfone group, a phosphoric acid group, a phosphon group, and a phosphine group, a weak acid group such as a carboxyl group, and a solid membrane having an ion exchange function such as an organic polymer having a polar group. Although illustrated, it is not limited thereto. Specifically, a cellulose membrane and Nafion (registered trademark) which is a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoro [2- (fluorosulfonylethoxy) propylvinyl ether]: tetrafluoroethylene and perfluoro [2- (fluorosulfonylethoxy) propylvinyl ether]. The perfluorocarbon sulfonic acid (PFS) resin film can be used.

燃料タンクには、燃料が充填されている。燃料としては、負極側電極の触媒酵素によって進められる酸化還元反応により電子を放出可能な物質であれば特に制限はない。したがって、燃料は、グルコン酸脱水酵素の基質と成り得る物質であり、好ましくはグルコン酸を利用することができる。また、他の酵素と組み合わせて多段階反応系を構築した場合には、他の酵素の種類に応じて適宜選択することができる。例えば、グルコース脱水素酵素と組み合わせてグルコースの多段階酸化系を構築した場合には、グルコース脱水素酵素の基質となる物質、特に好ましくはグルコース燃料とすることができる。   The fuel tank is filled with fuel. The fuel is not particularly limited as long as it is a substance that can release electrons by the redox reaction which is promoted by the catalytic enzyme of the negative electrode. Therefore, the fuel is a substance that can serve as a substrate for gluconate dehydratase, and preferably gluconate can be used. When a multi-step reaction system is constructed by combining with another enzyme, it can be appropriately selected according to the kind of the other enzyme. For example, when a multistage glucose oxidation system is constructed by combining with glucose dehydrogenase, a substance serving as a substrate for glucose dehydrogenase, particularly glucose fuel, can be used.

燃料は、適当な溶媒に溶解させた形態で供給する、若しくはゲルに燃料を封入させる等、バイオ燃料電池の構造に応じてその供給形態は適宜選択される。溶媒は、水性媒体であり、蒸留水の他、適当な緩衝液であってもよい。緩衝液に含まれる緩衝液成分としては、例えば、イミダゾール、炭酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、酒石酸塩、クエン酸塩、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン(TRIS)、4-(2-ヒドロキシエチル)−ピペラジン-1-エタン スルホン酸(HEPES)、3-モルフォリノプロパン スルホン酸(MOPS)等を例示することができる。これらは単独で用いてもよいが、2種以上を組み合わせて使用することができる。好ましくは、リン酸緩衝液である。ゲルとしては、アガロース、アガロペクチン、アラビアゴム、カラーギナン、コラーゲン、ゼラチン等の天然高分子、ポリアクリルアミド系重合体、ポリビニルアルコール系重合体、ポリビニルピロリドン系重合体、ポリビニルエーテル系重合体等の合成高分子等を好適に利用することができる。燃料には、活性化に必要な物質を電極材上に固定化された酵素に供給する手段を設けてもよい。必要に応じて、メディエータや補酵素等を含んで構成することができる。   The fuel is supplied in the form of being dissolved in an appropriate solvent, or the fuel is encapsulated in a gel, and the supply form is appropriately selected according to the structure of the biofuel cell. The solvent is an aqueous medium, and may be an appropriate buffer solution in addition to distilled water. Examples of the buffer component contained in the buffer include imidazole, carbonate, phosphate, borate, tartrate, citrate, tris (hydroxymethyl) aminomethane (TRIS), 4- (2-hydroxy). Examples thereof include ethyl) -piperazine-1-ethanesulfonic acid (HEPES) and 3-morpholinopropanesulfonic acid (MOPS). These may be used alone or in combination of two or more. Phosphate buffer is preferred. As the gel, natural polymers such as agarose, agaropectin, gum arabic, color ginnan, collagen and gelatin, synthetic polymers such as polyacrylamide polymers, polyvinyl alcohol polymers, polyvinylpyrrolidone polymers and polyvinyl ether polymers. Etc. can be used suitably. The fuel may be provided with a means for supplying a substance necessary for activation to the enzyme immobilized on the electrode material. If necessary, a mediator, a coenzyme and the like can be included.

本実施形態のバイオ燃料電池は、当該バイオ燃料電池内を満たす電極緩衝液としては、公知の緩衝液を利用することができる。緩衝液に含まれる緩衝液成分については上述した通りであるが、好ましくは、リン酸緩衝液である。電極触媒である酵素は、溶液のpHに非常に敏感であることから、電極緩衝液により酵素が機能しやすいpH付近に制御することが好ましい。したがって、大多数の酵素が中性付近で最大活性を示すことから、中性付近に調製することが好ましい。   In the biofuel cell of this embodiment, a known buffer solution can be used as the electrode buffer solution that fills the biofuel cell. The buffer solution component contained in the buffer solution is as described above, but the phosphate buffer solution is preferable. Since the enzyme that is the electrode catalyst is very sensitive to the pH of the solution, it is preferable to control it to a pH around the pH at which the enzyme easily functions by the electrode buffer. Therefore, most of the enzymes show maximum activity in the vicinity of neutrality, and therefore it is preferable to prepare the enzyme in the vicinity of neutrality.

本実施形態のバイオ燃料電池の発電機構を説明すると、燃料が負極側に供給されると、負極側電極上の酵素の触媒作用によって燃料が酸化される。酵素の酸化に伴って生じる電子を導電性基材に伝達する。酵素から導電性基材への電子の伝達は、メディエータを介して行ってもよい。   The power generation mechanism of the biofuel cell of the present embodiment will be described. When the fuel is supplied to the negative electrode side, the fuel is oxidized by the catalytic action of the enzyme on the negative electrode. The electrons generated by the oxidation of the enzyme are transferred to the conductive base material. The transfer of electrons from the enzyme to the conductive base material may be performed via a mediator.

続いて、電子は負極側電極から外部回路を通って正極側電極に伝達され、電流が発生する。一方、酵素による燃料の酸化反応に伴い電子と共に生じたプロトンは電解質層を通って正極側に移行する。正極側電極上で、プロトンは大気から取り込んだ酸素と外部回路を通して移動してきた電子との反応により水を生成する。   Then, the electrons are transmitted from the negative electrode through the external circuit to the positive electrode, and a current is generated. On the other hand, the protons generated together with the electrons due to the oxidation reaction of the fuel by the enzyme move to the positive electrode side through the electrolyte layer. On the positive electrode, the protons produce water by the reaction between oxygen taken from the atmosphere and electrons that have moved through an external circuit.

本実施形態のバイオ燃料電池によれば、グルコン酸等を燃料としたバイオ電池を提供することができる。燃料としては、グルコン酸等のグルコン酸脱水酵素の基質となる物質を利用することができる。更に、グルコースの多段階酸化系において、グルコン酸酸化の前段階の反応を触媒するグルコース脱水素酵素等のグルコースを酸化しグルコン酸を生成する酵素と組み合わせることにより、グルコース等を燃料として利用することができる。多段階酸化系の構築により、グルコース等の燃料から取り出せる電子数が増しバイオ電池の出力を向上させることができる。本実施形態のバイオ電池によれば、医療、食品、環境等の分野において特に利用価値が高いバイオ電池を構築することができる。   According to the biofuel cell of this embodiment, a biocell using gluconic acid or the like as a fuel can be provided. As the fuel, a substance that serves as a substrate for gluconate dehydratase such as gluconate can be used. Further, in a multi-stage glucose oxidation system, by using glucose or the like as a fuel by combining it with an enzyme such as glucose dehydrogenase which catalyzes the reaction in the preceding stage of gluconic acid oxidation to oxidize glucose to produce gluconic acid. You can By constructing a multi-stage oxidation system, the number of electrons that can be taken out from a fuel such as glucose is increased and the output of the biocell can be improved. According to the biobattery of the present embodiment, it is possible to construct a biobattery having a particularly high utility value in the fields of medical care, food, environment and the like.

(バイオセンサー)
本実施形態のバイオセンサーAは、本実施形態の酵素電極1を備え、バイオセンサーAの電極、好ましくは作用電極として利用することができる。本実施形態のバイオセンサーAは、本実施形態の酵素電極1を作用電極、及びその対極を設けて二電極方式で構成してもよいし、測定精度の信頼性を高める観点から、銀塩化銀等の参照極を設けた三電極方式として構成してもよい。
(Biosensor)
The biosensor A of this embodiment includes the enzyme electrode 1 of this embodiment and can be used as an electrode of the biosensor A, preferably a working electrode. In the biosensor A of the present embodiment, the enzyme electrode 1 of the present embodiment may be configured by a two-electrode system by providing a working electrode and a counter electrode thereof, and from the viewpoint of increasing the reliability of measurement accuracy, silver-silver chloride is used. It may be configured as a three-electrode system having a reference electrode such as.

本実施形態のバイオセンサーAの一例を図1に模式的に示す。図1に示すバイオセンサーAの酵素電極1は、集電体としての電極基材10a上に多孔質炭素材10bが積層した電極材10上に酵素11及びメディエータ12が固定化されている。測定は、測定試料を本実施形態のバイオセンサーAと接触させ、電極上の酵素11と基質(検出対象物100)の酸化還元反応により発生した電流を検出器2で検知することで行われ、これにより、試料中の基質(検出対象物100)の存在の有無若しくは濃度を測定することができる。例えば、酸化電流もしくは還元電流を測定するクロノアンペロメトリー(Chrono amperometry)またはクーロメトリー、サイクリックボルタンメトリー(Cyclic voltammetry)法等、公知の方法を利用して測定することができる。   An example of the biosensor A of this embodiment is schematically shown in FIG. In the enzyme electrode 1 of the biosensor A shown in FIG. 1, the enzyme 11 and the mediator 12 are immobilized on the electrode material 10 in which the porous carbon material 10b is laminated on the electrode base material 10a as the current collector. The measurement is performed by bringing the measurement sample into contact with the biosensor A of the present embodiment, and detecting the current generated by the redox reaction of the enzyme 11 on the electrode and the substrate (detection target 100) with the detector 2. Thereby, the presence or absence or the concentration of the substrate (detection target 100) in the sample can be measured. For example, it can be measured using a known method such as chronoamperometry or coulometry for measuring an oxidation current or a reduction current, and a cyclic voltammetry method.

本実施形態のバイオセンサーAによれば、試料中のグルコン酸等のグルコン酸脱水酵素(酵素11)の基質となる物質(検出対象物100)を検出するためのバイオセンサーを提供することができる。また、本実施形態のバイオセンサーAの酵素電極1の酵素11がグルコース脱水素酵素等と共に多段階反応系を形成するものである場合には、グルコースの酸化還元反応においてグルコン酸脱水酵素の前段階のグルコース脱水素酵素の基質となる物質(検出対象物100)の検出に利用することもでき、例えば血糖値等のグルコースの検出に利用することができる。本実施形態のバイオセンサーAによれば、医療、食品、環境等の分野において特に利用価値が高いバイオセンサーAを構築することができる。   According to the biosensor A of the present embodiment, it is possible to provide a biosensor for detecting a substance (detection target 100) that is a substrate of gluconate dehydratase (enzyme 11) such as gluconate in a sample. . Further, when the enzyme 11 of the enzyme electrode 1 of the biosensor A of the present embodiment forms a multi-step reaction system together with glucose dehydrogenase and the like, the step before the gluconate dehydratase in the redox reaction of glucose is performed. It can also be used for detection of a substance (detection target 100) that is a substrate of the glucose dehydrogenase, and can be used for detection of glucose such as blood glucose level. According to the biosensor A of the present embodiment, it is possible to construct the biosensor A having a particularly high utility value in the fields of medical care, food, environment and the like.

以下に、本実施形態を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

以下、実施例により詳細に説明する。   Hereinafter, detailed description will be given with reference to examples.

実施例1:グルコン酸酸化酵素の選択と合成確認
本実施例では、以下の実施例で使用するグルコン酸酸化酵素を選択し、当該グルコン酸酸化酵素の合成方法を確立するため、検証を行った。
Example 1: Selection of gluconate oxidase and confirmation of synthesis In this example, gluconate oxidase used in the following examples was selected, and verification was performed to establish a method for synthesizing the gluconate oxidase. .

(方法)
1.グルコン酸酸化酵素の選択
本実施例では、グルコン酸酸化酵素として、スルホロバス・ソルファタリクス(Sulfolobus solfataricus)P2株由来のD-グルコン酸脱水酵素(D-gluconate dehydratase、ACCESSION Number:Q97U27)を選択した。スルホロバス属細菌は、好酸好熱性古細菌に属する細菌である。スルホロバス属細菌のような古細菌では、グルコースの分解機構である解糖系においてエムデン−マイヤーホフ(Embden-Meyerhof)経路ではなく、エントナー−ドウドロフ(Entner-Doudoroff)経路とピロ解糖系(Pyroglycolysis)を利用する。(参考文献3:http://www.sc.fukuoka-u.ac.jp/~bc1/Biochem/glyclysis.htmを参照)。ピロ解糖系では、グルコースは、グルコン酸を経て2-ケト-3-デオキシグルコン酸へと分解されていく。
(Method)
1. Selection of Gluconate Oxidase In this example, D-gluconate dehydratase (ACCESSION Number: Q97U27) derived from Sulfolobus solfataricus P2 strain was selected as the gluconate oxidase. . The bacterium belonging to the genus Sulfolobus is a bacterium belonging to the thermoacidophilic archaea. In archaebacteria such as Sulfolobus, the glycolysis system, which is the mechanism of glucose decomposition, does not use the Emden-Meyerhof pathway but the Entner-Doudoroff pathway and the pyrolytic system (Pyroglycolysis). To use. (Reference 3: See http://www.sc.fukuoka-u.ac.jp/~bc1/Biochem/glyclysis.htm). In the pyrolysis system, glucose is decomposed into 2-keto-3-deoxygluconic acid via gluconic acid.

2.グルコン酸酸化酵素の合成確認
上記でグルコン酸酸化酵素として選択したスルホロバス・ソルファタリクス(Sulfolobus solfataricus)P2株由来のD-グルコン酸脱水酵素を大腸菌タンパク質合成系で合成するために、前記酵素をコードする遺伝子を発現プラスミドベクター(pET22b)にクローニングして大腸菌BL21(DE3)pLysS株を形質転換した。形質転換後の大腸菌をプレ培養(37℃、吸光度OD600=0.2)培養し、IPTG(0.2mM isopropyl thio-β-galactoside)を添加して、本培養(37℃、4時間)した(25ml)。発現菌体を緩衝液(20 mM Tris-HCl pH7.4)に懸濁し、界面活性剤(0.4% Brij-58)を加えて氷中で30分間放置した。菌体を超音波破砕し、遠心分離(42,000×g、30分間)後の上澄み液を、酵素発現菌体の溶菌液として分取した。次に、アフィニティー担体を用いて酵素を精製した。具体的には、ヒスチジンタグ融合タンパク質精製用金属アフィニティー担体TALON(クロンテック)をオープンカラムに適当量充填し、50 mM リン酸ナトリウム、0.3 M NaCl溶液で前洗浄後、発現菌体の破砕液に0.3 M NaClを加えてカラムにアプライした。50 mM リン酸ナトリウム、5 mMイミダゾール、0.3 M NaCl溶液で洗浄後、50 mM リン酸ナトリウム、150 mMイミダゾール、0.3 M NaCl溶液で酵素を溶出した。溶出に使用した塩類を除去するために緩衝液(25 mM Tris-HCl pH7.4)に対して透析した。界面活性剤(Brij(登録商標)58)処理後の酵素発現菌体、超音波破砕後の酵素発現菌体破砕液、遠心分離後の上澄み画分、遠心分離後の沈殿画分につき、アクリルアミドゲル電気泳動を行った。また、大腸菌発現菌体の溶菌液を限外ろ過(Amicon Ultra-4 10K)により分子量分画の処理を行ったものについても同様にアクリルアミドゲル電気泳動を行った。
2. Confirmation of synthesis of gluconate oxidase In order to synthesize the D-gluconate dehydratase from the Sulfolobus solfataricus P2 strain selected as the gluconate oxidase above in the Escherichia coli protein synthesis system, the above-mentioned enzyme was coded The gene was cloned into an expression plasmid vector (pET22b) to transform E. coli BL21 (DE3) pLysS strain. E. coli after transformation was pre-cultured (37 ° C, absorbance OD 600 = 0.2), IPTG (0.2 mM isopropyl thio-β-galactoside) was added, and main culture (37 ° C, 4 hours) was performed (25 ml). . The expressed bacterial cells were suspended in a buffer solution (20 mM Tris-HCl pH7.4), a surfactant (0.4% Brij-58) was added, and the mixture was allowed to stand on ice for 30 minutes. The cells were ultrasonically disrupted, and the supernatant after centrifugation (42,000 × g, 30 minutes) was collected as a lysate of enzyme-expressing cells. The enzyme was then purified using an affinity carrier. Specifically, TALON (Clontech), a metal affinity carrier for purifying histidine-tagged proteins, was packed in an appropriate amount in an open column, pre-washed with 50 mM sodium phosphate, 0.3 M NaCl solution, and then crushed to 0.3 in the disrupted solution of expressed cells. M NaCl was added and applied to the column. After washing with 50 mM sodium phosphate, 5 mM imidazole, 0.3 M NaCl solution, the enzyme was eluted with 50 mM sodium phosphate, 150 mM imidazole, 0.3 M NaCl solution. It was dialyzed against a buffer (25 mM Tris-HCl pH 7.4) to remove the salts used for elution. Acrylamide gel for enzyme-expressing bacterial cells after treatment with surfactant (Brij (registered trademark) 58), disrupted solution of enzyme-expressing bacterial cells after ultrasonic disruption, supernatant fraction after centrifugation, and precipitation fraction after centrifugation Electrophoresis was performed. Further, the lysate of the Escherichia coli-expressing cells was subjected to ultrafiltration (Amicon Ultra-4 10K) for molecular weight fractionation, and acrylamide gel electrophoresis was also performed in the same manner.

(結果)
結果を図2に示す。図2のレーン1は、界面活性剤(Brij(登録商標)58)処理後の酵素発現菌体、レーン2は、超音波破砕後の酵素発現菌体破砕液、レーン3は、酵素発現菌体破砕液(レーン2)の遠心分離後の上澄み画分(酵素発現菌体の溶菌液)、レーン4は、酵素発現菌体破砕液(レーン2)の遠心分離後の沈殿画分、レーン5は、酵素発現菌体の溶菌液(レーン3)を限外ろ過で20倍濃縮した酵素発現菌体の溶菌液の濃縮液(酵素溶液1)、レーン6は、酵素発現菌体の溶菌液(レーン3)を限外ろ過で10倍濃縮し、水で20倍希釈して、更に20倍濃縮した酵素発現菌体の溶菌液の濃縮液(酵素溶液2)の電気泳動結果、レーンMは分子量マーカーを示す。また、アフィニティー精製を行ったサンプルについても同様に電気泳動を行ったが、酵素由来のバンドを確認できなかった(結果は図示せず)。これらの結果から、スルホロバス・ソルファタリクス P2株由来のグルコン酸脱水酵素は、大腸菌タンパク質発現系で効率よく発現する。しかしながら、酵素溶液の精製度が上がると不溶性となることが理解できる。さらに、精製した酵素の加熱処理(70℃)や、大腸菌の低温発現も試みたが、まったく同じ結果となった。
(result)
The results are shown in Figure 2. Lane 1 in FIG. 2 is an enzyme-expressing bacterial cell after treatment with a surfactant (Brij (registered trademark) 58), lane 2 is an enzyme-expressing bacterial cell lysate after ultrasonic disruption, and lane 3 is an enzyme-expressing bacterial cell. The supernatant fraction after centrifugation of the disrupted solution (lane 2) (lysate of enzyme-expressing bacterial cells), lane 4 is the precipitate fraction after centrifugation of the disrupted solution of enzyme-expressing bacterial cells (lane 2), and lane 5 is , A lysate of enzyme-expressing bacterial cells (lane 3) concentrated 20 times by ultrafiltration, a concentrated solution of lysate of enzyme-expressing bacterial cells (enzyme solution 1), lane 6 is a lysate of enzyme-expressing bacterial cells (lane) 3) was concentrated 10 times by ultrafiltration, diluted 20 times with water, and was further concentrated 20 times. The result of electrophoresis of a concentrated solution (enzyme solution 2) of a lysate of enzyme-expressing bacterial cells, lane M indicates a molecular weight marker. Indicates. In addition, electrophoresis was also performed on the affinity-purified sample, but no enzyme-derived band could be confirmed (results not shown). From these results, gluconate dehydratase derived from Sulfolobus solfataricus P2 strain is efficiently expressed in the Escherichia coli protein expression system. However, it can be understood that the enzyme solution becomes insoluble as the degree of purification increases. In addition, heat treatment of purified enzyme (70 ℃) and low temperature expression of E. coli were tried, but the same result was obtained.

実施例2.多孔質電極材の検討
本実施例では、グルコン酸脱水酵素の発現菌体の溶菌液を、酵素電極の酵素部材として使用するために、酵素分子を内包できる細孔を有する多孔質炭素の電極材を検討した。なお、酵素分子として、グルコース脱水素酵素を用いて多孔質炭素の電極材、及び電極緩衝液の検討を行った。
Embodiment 2. FIG. Examination of Porous Electrode Material In this example, a lysate of bacterium expressing gluconate dehydratase is used as an enzyme member of an enzyme electrode, and thus a porous carbon electrode material having pores capable of encapsulating an enzyme molecule is used. It was investigated. In addition, the electrode material of porous carbon and the electrode buffer solution were examined using glucose dehydrogenase as the enzyme molecule.

(方法)
1.電池セルの作製
電池セルの負極側電極と正極側電極を、以下に示す方法で作製した。
(Method)
1. Production of Battery Cell A negative electrode and a positive electrode of the battery cell were produced by the method described below.

1-1.負極側電極の調製
負極側の電極材として、炭素電極材を多孔質炭素微粒子で修飾した電極材(以下、「多孔質炭素電極材」と称する場合がある)と、多孔質炭素微粒子による修飾がなされていない炭素電極材をそのまま電極材としたものを作製した。
1-1. Preparation of Negative Electrode Side As an electrode material on the negative electrode side, an electrode material obtained by modifying a carbon electrode material with porous carbon fine particles (hereinafter sometimes referred to as “porous carbon electrode material”) and a modification with porous carbon fine particles are used. A carbon electrode material which was not made was used as it was as an electrode material.

1-1-1.多孔質炭素電極を利用した負極側電極
多孔質炭素微粒子(0.4 g)、20%PVDF溶液(0.8 g、KFポリマー、クレハ・バッテリー・マテリアルズ・ジャパン)、N-メチル-2-ピロリドン(8 ml)を混合し、超音波処理(15 W、5 分間)して炭素インクを作製した。電極材(日本カーボンGF-20、2 cm × 2 cm)を炭素インクに浸して引き揚げ、ガラス板上で乾熱乾燥(60℃)させた。メディエータ(1,4-ナフトキノン溶液、アセトニトリル中で8 mg)を電極材に滴下し、減圧デシケータ内で乾燥させた。このようにして調製した電極材に、1M リン酸カリウム pH7.0中にグルコース脱水素酵素(2〜10 mg、測定は2 mg)を含んで調製した溶液を滴下し、減圧
デシケータ内で乾燥させた。ここで用いたグルコース脱水素酵素は、アシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)NBRC12552株由来のPQQ依存可溶性グルコース脱水素酵素である。かかる酵素の作製方法及び配列情報は特開2013-45647号に開示されている。
1-1-1. Negative electrode using porous carbon electrode Porous carbon particles (0.4 g), 20% PVDF solution (0.8 g, KF polymer, Kureha Battery Materials Japan), N-methyl-2-pyrrolidone (8 ml) ) Was mixed and sonicated (15 W, 5 minutes) to prepare a carbon ink. The electrode material (Nippon Carbon GF-20, 2 cm × 2 cm) was dipped in carbon ink, lifted, and dried on a glass plate by dry heat (60 ° C.). A mediator (1,4-naphthoquinone solution, 8 mg in acetonitrile) was added dropwise to the electrode material and dried in a vacuum desiccator. A solution prepared by adding glucose dehydrogenase (2 to 10 mg, measured 2 mg) in 1 M potassium phosphate pH 7.0 was added dropwise to the electrode material thus prepared, and dried in a vacuum desiccator. It was The glucose dehydrogenase used here is a PQQ-dependent soluble glucose dehydrogenase derived from Acinetobacter calcoaceticus NBRC12552 strain. A method for producing such an enzyme and sequence information are disclosed in JP-A-2013-45647.

1-1-2.多孔質炭素微粒子による修飾がなされていない炭素電極材を利用した負極側電極
多孔質炭素微粒子を使用しなかったことを除いては、上記1-1-1と同様に作製した。
1-1-2. Negative Electrode on the Negative Electrode Side Utilizing Carbon Electrode Material Unmodified with Porous Carbon Fine Particles Except that the porous carbon fine particles were not used, it was prepared as in 1-1-1 above.

1-2.正極側電極の調製
MgO多孔質炭素微粒子(0.4 g:平均細孔径35 nm、東洋炭素)、PTFE(0.4g、PTFE 6J、三井・デュポンフロロケミカル)、イソプロパノール(8 ml)を混合し、超音波処理(15 W、5 分間)してカーボンスラリーを作製した。電極基材としてカーボンクロス(日本カーボンGF-20、2 cm × 2 cm)をカーボンスラリーに浸漬することにより、多孔質炭素微粒子を塗布した。これをガラス板上で乾熱乾燥(60℃、6時間)させた。このようにして調製した電極材に、1M リン酸カリウム pH7.0中に酵素(MvBOD, 2〜10 mg、測定は5 mg:アマノエンザイムBO“Amano”3)とメディエータ(ABTS:2,2'-アジノ-
ビス(3-エチルベンゾチアゾリン-6-スルホン酸)、Milli-Q水中で5 mg)を含んで調製した溶液を滴下し、減圧デシケータ内で乾燥させた。
1-2. Preparation of positive electrode
MgO porous carbon fine particles (0.4 g: average pore size 35 nm, Toyo Tanso), PTFE (0.4 g, PTFE 6J, Mitsui DuPont Fluorochemicals), isopropanol (8 ml) were mixed and sonicated (15 W, 5 minutes) to prepare a carbon slurry. Porous carbon fine particles were applied by immersing carbon cloth (Nippon Carbon GF-20, 2 cm x 2 cm) as an electrode substrate in carbon slurry. This was dried on a glass plate by dry heat (60 ° C., 6 hours). The electrode material prepared in this way was added to the enzyme (MvBOD, 2-10 mg, measured 5 mg: Amanoenzyme BO “Amano” 3) and mediator (ABTS: 2,2 ′) in 1 M potassium phosphate pH 7.0. -Azino-
A solution prepared containing bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) and Milli-Q water (5 mg) was added dropwise and dried in a vacuum desiccator.

1-3.電池セル
1-3-1.電池セル(負極材:多孔質炭素電極材+電極緩衝液:イミダゾール)
上記1-1-1で作製した負極側電極(多孔質炭素電極材)及び上記1-2で作製した正極側電極を用い、負極側にはグルコース溶液(1M、400μl)、正極側には電極緩衝液(1 Mイミダゾール、200μl)を添加し、両極をセルロース膜で挟んで、電池セルの筐体の電極部に入れた。
1-3. Battery cell
1-3-1. Battery cell (negative electrode material: porous carbon electrode material + electrode buffer: imidazole)
Using the negative electrode (porous carbon electrode material) prepared in 1-1-1 above and the positive electrode prepared in 1-2 above, glucose solution (1M, 400 μl) on the negative electrode, and electrode on the positive electrode A buffer solution (1 M imidazole, 200 μl) was added, and both electrodes were sandwiched between cellulose membranes and placed in the electrode part of the battery cell casing.

1-3-2.電池セル(負極材:多孔質微粒子を使用しない炭素電極材+電極緩衝液:イミダゾール)
負極側電極として、上記1-1-2で作製した多孔質炭素微粒子による修飾がなされていない炭素電極材を用いた以外は、上記1-3-1と同様にして作製した(比較例)。
1-3-2. Battery cell (negative electrode material: carbon electrode material that does not use porous fine particles + electrode buffer solution: imidazole)
The negative electrode was prepared in the same manner as 1-3-1 above except that the carbon electrode material prepared in 1-1-2 that was not modified with the porous carbon fine particles was used (Comparative Example).

1-3-3.電池セル(負極側電極材:多孔質炭素電極材+電極緩衝液:リン酸緩衝液)
電極緩衝液として、リン酸緩衝液(1 M リン酸カリウム pH7.0)を使用した以外は、上記1-3-1と同様にして作製した(比較例)。
1-3-3. Battery cell (negative electrode material: porous carbon electrode material + electrode buffer: phosphate buffer)
It was prepared in the same manner as 1-3-1 above except that a phosphate buffer (1 M potassium phosphate pH 7.0) was used as the electrode buffer (Comparative Example).

2.測定方法
電子負荷装置を使い、上記で作製した電池セルに一定電流(1 mA/cm2)を付加して電圧変化を測定した。
2. Measurement method Using an electronic load device, a constant current (1 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell prepared above and the voltage change was measured.

(結果)
上記で作製した電池セルの放電特性を調べた結果を図3及び図4に示す。図3は、波形1及び波形2ともに、電極緩衝液としてイミダゾールを使用した結果であり、波形1は、負極側電極材として多孔質炭素微粒子で修飾して作製したものを使用して作製した電池セル(1-3-1)、波形2は、負極側電極材として多孔質炭素微粒子で修飾せずに作製したものを使用して作製した電池セル(1-3-2)での結果を示す。これらの結果、波形1の方が、高い電気変換効率を得ることができた。多孔質炭素の細孔に酵素分が内包されることで、グルコース→酵素→メディエータ→電極材への電子伝達効率が向上したと理解できる。
(result)
The results of examining the discharge characteristics of the battery cell manufactured above are shown in FIGS. 3 and 4. FIG. 3 shows the results of using imidazole as the electrode buffer solution for both waveform 1 and waveform 2, and waveform 1 is a battery prepared by using the negative electrode material modified with porous carbon fine particles. The cell (1-3-1) and the waveform 2 show the results of the battery cell (1-3-2) prepared by using the negative electrode material prepared without modification with the porous carbon fine particles. . As a result, the waveform 1 was able to obtain higher electrical conversion efficiency. It can be understood that the efficiency of electron transfer to glucose → enzyme → mediator → electrode material was improved by encapsulating the enzyme component in the pores of the porous carbon.

図4は、波形3及び波形4ともに、負極側電極材として多孔質炭素微粒子で修飾して作製したものを使用して作製した電池セルでの結果であり、波形3は、図3の波形1と同じ電極緩衝液としてイミダゾールを使用した電池セル(1-3-1)での結果、波形4は、電極緩衝液としてリン酸緩衝液を使用した電池セル(1-3-3)での結果を示す。これらの結果、波形4の方が、高い電気変換効率を得ることができた。バイオ電池の電極緩衝液として従来から汎用されているイミダゾールより、リン酸緩衝液の方がグルコース燃料の電気変換効率は1.3倍向上した。   FIG. 4 shows the results of the battery cell prepared by using both the waveform 3 and the waveform 4 prepared by modifying the negative electrode material with the porous carbon fine particles, and the waveform 3 represents the waveform 1 of FIG. The same result as in the battery cell (1-3-1) using imidazole as the electrode buffer solution, waveform 4 is the result in the battery cell (1-3-3) using phosphate buffer solution as the electrode buffer solution. Indicates. As a result, the waveform 4 was able to obtain higher electric conversion efficiency. Phosphate buffer solution improved the electrical conversion efficiency of glucose fuel by 1.3 times compared with imidazole which has been widely used as an electrode buffer solution for biocells.

実施例3:グルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極の電気化学性能
本実施例では、実施例2にて、酵素電極の性能測定系として、電池セルの放電特性を指標にした測定系が構築できたことから、この測定系を使いグルコン酸脱水酵素の大腸菌発現菌体の溶菌液の濃縮液を、負極側電極材に固定化して、電池セルの放電特性を検討した。
Example 3 Electrochemical Performance of Enzyme Electrode Having Gluconic Acid Oxidation Catalytic Activity In this example, a measurement system using the discharge characteristics of battery cells as an index can be constructed as the enzyme electrode performance measurement system in Example 2. Therefore, using this measurement system, the concentrated solution of the lysate of Escherichia coli expressing gluconate dehydrogenase was immobilized on the negative electrode material, and the discharge characteristics of the battery cell were examined.

(方法)
1.電池セルの作製
負極側電極用の電極触媒として、グルコース脱水素酵素のみを使用した電池セル、及び、グルコース脱水素酵素とグルコン酸脱水酵素を使用した電池セルの2種類を作製した。
(Method)
1. Preparation of Battery Cell Two types of battery cells were prepared as an electrode catalyst for the negative electrode, a battery cell using only glucose dehydrogenase and a battery cell using glucose dehydrogenase and gluconate dehydratase.

1-1.電池セル(負極側電極触媒:グルコース脱水素酵素のみ)
負極側に添加したグルコース溶液として、グルコース溶液(1M、200μl)を用いた以外は、実施例2の1-3-1と同様にして電池セルを作製した。
1-1. Battery cell (negative electrode catalyst: glucose dehydrogenase only)
A battery cell was produced in the same manner as in 1-3-1 of Example 2 except that a glucose solution (1M, 200 μl) was used as the glucose solution added to the negative electrode side.

1-2.電池セル(負極側電極触媒:グルコース脱水素酵素+グルコン酸脱水酵素)
負極側電極材に、実施例1で作製したグルコン酸脱水酵素の大腸菌発現菌体の溶菌液を限外ろ過(Amicon Ultra-4 10K)により分子量分画の処理を行ったものを、グルコース脱水素酵素と共に固定化した以外は、上記1-1と同様にして作製した。ここで用いたグルコン酸脱水酵素の大腸菌発現菌体の溶菌液は、酵素発現菌体の培養液(25 ml)から得られる菌体破砕液(遠心分離後の上澄み液)を全量使用したものであり、これを限外ろ過により20倍に濃縮した(実施例1の酵素溶液1に相当)。
1-2. Battery cell (negative electrode catalyst: glucose dehydrogenase + gluconate dehydratase)
Glucose dehydrogenation was performed on the negative electrode material by subjecting the lysate of Escherichia coli-expressing bacterium of gluconate dehydratase prepared in Example 1 to ultrafiltration (Amicon Ultra-4 10K) for molecular weight fractionation. It was prepared in the same manner as in 1-1 above except that it was immobilized together with the enzyme. The lysate of Escherichia coli expressing bacterial cells of gluconate dehydratase used here was the total amount of the disrupted bacterial cells (supernatant after centrifugation) obtained from the culture solution (25 ml) of the enzyme expressing bacterial cells. Yes, this was concentrated 20 times by ultrafiltration (corresponding to enzyme solution 1 of Example 1).

2.測定方法
実施例2と同様にして、電池セルに一定電流を付加して電圧変化を測定した。
2. Measurement Method In the same manner as in Example 2, a constant current was applied to the battery cell to measure the voltage change.

(結果)
結果を図5に示す。図5の波形1は、負極側電極触媒としてグルコース脱水素酵素のみを使用した電池セル(1-1)での結果(実施例2の結果を示す図4の波形4と同じ条件)を、図5の波形2は、負極側電極触媒としてグルコース脱水素酵素とグルコン酸脱水酵素の2種の酵素を使用した電池セル(1-2)での結果を示す。これらの結果から、グルコース脱水素酵素の1種のみの酵素では約12,300sec(セル電圧0.1V低下時)であるのに対して、グルコース脱水素酵素とグルコン酸脱水酵素の2種の酵素では約24,500sec(同電圧)となり、酵素2種では発電持続時間が2倍になることが判明した。これは、酵素2種を固定化した負極側電極では、メディエータ(1,4-ナフトキノン)との組み合わせで、グルコン酸が酸化される時の電子伝達反応のよるものと推定される。
(result)
Results are shown in FIG. Waveform 1 in FIG. 5 shows the result (same condition as waveform 4 in FIG. 4 showing the result of Example 2) in the battery cell (1-1) using only glucose dehydrogenase as the negative electrode catalyst. Waveform 2 of 5 shows the result in the battery cell (1-2) using two enzymes, glucose dehydrogenase and gluconate dehydratase, as the negative electrode catalyst. From these results, it is about 12,300 seconds (when the cell voltage is 0.1 V lower) with only one enzyme of glucose dehydrogenase, whereas it is about 2300 with glucose dehydrogenase and gluconate dehydratase. It became 24,500 seconds (same voltage), and it was revealed that the duration of power generation was doubled with the two enzymes. This is presumed to be due to the electron transfer reaction when gluconic acid is oxidized in the negative electrode on which two kinds of enzymes are immobilized, in combination with the mediator (1,4-naphthoquinone).

なお、電圧0.1V低下時に付加電流が停止するため、その後の電池セルの電圧は、初期値まで戻ることも確認でき、本実施例で作製した電極は安定性も有していることが理解できる。   Since the additional current stops when the voltage drops by 0.1 V, the voltage of the battery cell thereafter can be confirmed to return to the initial value, and it can be understood that the electrode manufactured in this example also has stability. .

実施例4:グルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極の反応生成物解析
実施例3にて、グルコース脱水素酵素及びグルコン酸脱水酵素を電極触媒とする酵素電極が、グルコースの2段階酸化系が機能していることが確認された。これをうけ、本実施例では、実施例3にて使用したグルコン酸脱水酵素による反応生成物の解析をガスクロマトグラフィー(GCMS)により行った。
Example 4: Analysis of reaction product of enzyme electrode having gluconic acid oxidation catalytic ability In Example 3, the enzyme electrode using glucose dehydrogenase and gluconic acid dehydratase as an electrocatalyst has a two-step glucose oxidation system functioning. It was confirmed that In response to this, in this example, the reaction product by the gluconate dehydratase used in Example 3 was analyzed by gas chromatography (GCMS).

(方法)
1.酵素反応
25mMリン酸カリウム pH7.0、1mM グルコン酸(基質)、酵素液、0.1mM DCIPとなるように酵素反応溶液を調製し、40℃で30分間反応させ、等量のクロロホルムを加えて撹拌して反応を停止した。酵素は、実施例3で電極材に固定したものと同じ発現菌体の溶菌液の濃縮液を使用した。また、酵素を添加しないで調製したことを除いては上記と同様にして調製したものをコントロールとした。
(Method)
1. Enzymatic reaction
25 mM potassium phosphate pH 7.0, 1 mM gluconic acid (substrate), enzyme solution, prepare an enzyme reaction solution to be 0.1 mM DCIP, react at 40 ° C for 30 minutes, add equal volume of chloroform and stir The reaction was stopped. As the enzyme, a concentrated solution of a lysate of the same expressing bacterial cell as that immobilized on the electrode material in Example 3 was used. A control was prepared in the same manner as above except that the enzyme was not added.

2.GCMS試料の調製
反応停止後の酵素反応液の上清10μLを、ガラスバイアルに採取し、N2ガス吹き付けにより乾固処理した。続いて、メトキシアミン塩酸塩/ピリジン(20mg/mL)を50μL添加し、30℃で90分間インキュベートした。MSTFAを50μL添加し、37℃で30分間インキュベートした後、GCMSで解析を行った。
2. Preparation of GCMS sample 10 μL of the supernatant of the enzyme reaction solution after the reaction was stopped was collected in a glass vial and dried to dryness by blowing N 2 gas. Then, 50 μL of methoxyamine hydrochloride / pyridine (20 mg / mL) was added, and the mixture was incubated at 30 ° C. for 90 minutes. After adding 50 μL of MSTFA and incubating at 37 ° C. for 30 minutes, analysis was performed by GCMS.

3.GCMS条件
GCMS条件は以下の通りである。
GCMS使用機器:SHIMADZU OP-2010 Ultra
Auto Sampler:SHIMADZU AOC-5000 Plus
使用カラム:Agilent Technologies DB-5 30m 0.250mm 1.00μm
気化室温度:280℃
オーブン温度:100℃(Duration 4min)-Rate 4℃/min-320℃(Duration 8min)
連結部温度:280℃
イオン源温度:200℃
イオン化法:EI
試料導入法:Splitless
Flow Rate:39cm/sec(1.1mL/min)
Scan Speed:2000u/sec
MassRange:m/z=45-600
試料注入量:1mL
3. GCMS conditions
The GCMS conditions are as follows.
GCMS equipment: SHIMADZU OP-2010 Ultra
Auto Sampler: SHIMADZU AOC-5000 Plus
Column used: Agilent Technologies DB-5 30m 0.250mm 1.00 μm
Vaporization chamber temperature: 280 ℃
Oven temperature: 100 ℃ (Duration 4min) -Rate 4 ℃ / min-320 ℃ (Duration 8min)
Connection temperature: 280 ℃
Ion source temperature: 200 ℃
Ionization method: EI
Sample introduction method: Splitless
Flow Rate: 39cm / sec (1.1mL / min)
Scan Speed: 2000u / sec
MassRange: m / z = 45-600
Sample injection volume: 1mL

(結果)
結果を図6に示す。図6は、反応生成物のGCMS解析の結果を示すものである。酵素を添加しなかったコントロールでは、添加基質であるグルコン酸のみが検出した。一方、グルコン酸酸化酵素を添加することにより、グルコン酸脱水酵素の反応生成物である2-ケト-3-デオキシグルコン酸の検出が確認された。これらの結果から、グルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極はグルコン酸の酸化反応を触媒し、実施例3で確認されたグルコースの2段階酸化系は、グルコース脱水素酵素及びグルコン酸脱水酵素によるものであることを証明することができる。
(result)
FIG. 6 shows the results. FIG. 6 shows the result of GCMS analysis of the reaction product. In the control to which no enzyme was added, only gluconic acid as the added substrate was detected. On the other hand, the addition of gluconate oxidase confirmed the detection of 2-keto-3-deoxygluconate, which is the reaction product of gluconate dehydratase. From these results, the enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability catalyzes the oxidation reaction of gluconic acid, and the two-step oxidation system of glucose confirmed in Example 3 is based on glucose dehydrogenase and gluconate dehydratase. You can prove that.

本発明は、酵素電極、酵素電極の作製方法、バイオ電池、及びバイオセンサーに関し、これらが要求されるあらゆる分野、特に、電子、医療、食品、環境分野等の産業分野において利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention relates to an enzyme electrode, a method for producing an enzyme electrode, a biobattery, and a biosensor, and can be used in all fields in which these are required, particularly in the industrial fields such as electronics, medical care, food, and the environment.

バイオセンサー A
酵素電極 1
電極材 10
電極基材(集電体) 10a
多孔質炭素材 10b
酵素 11
メディエータ 12
検出器 2
検出対象物 100
Biosensor A
Enzyme electrode 1
Electrode material 10
Electrode substrate (collector) 10a
Porous carbon material 10b
Enzyme 11
Mediator 12
Detector 2
Object to be detected 100

Claims (7)

スルホロバス属細菌由来のグルコン酸脱水酵素を電極材に固定したグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極。   An enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability, which comprises gluconic acid dehydratase derived from a bacterium belonging to the genus Sulfolobus immobilized on an electrode material. 前記電極材が、平均直径が30〜40nmの細孔を備える多孔質構造を有する炭素基材を含む請求項1に記載のグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極。   The enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability according to claim 1, wherein the electrode material includes a carbon substrate having a porous structure having pores having an average diameter of 30 to 40 nm. スルホロバス属細菌由来のグルコン酸脱水酵素を電極材に固定したグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極の作製方法であって、
(i)糖鎖修飾能を有しない細菌をスルホロバス属細菌由来のグルコース脱水酵素をコードする遺伝子で形質転換し、組換えグルコン酸脱水酵素を発現した発現菌体を調製する工程、
(ii)前記発現菌体を界面活性剤と接触させる工程、
(iii)前記界面活性剤処理後の発現菌体を破砕して、発現菌体破砕液を調製する工程、
(iv)前記発現菌体破砕液中の菌体残渣を分離除去して、発現菌体の溶菌液を調製する工程、
(v)前記発現菌体の溶菌液を濃縮し、発現菌体の溶菌液の濃縮液を調製する工程、
(vi)前記発現菌体の溶菌液の濃縮液を前記電極材に固定化する工程、を備えるグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極の作製方法。
A method for producing an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability, which comprises fixing a gluconic acid dehydratase derived from a sulforobas bacterium to an electrode material,
(I) a step of transforming a bacterium having no sugar chain modifying ability with a gene encoding a glucose dehydratase derived from a bacterium belonging to the genus Sulfolobus, and preparing an expression cell expressing a recombinant gluconate dehydratase,
(Ii) a step of contacting the expressed bacterial cell with a surfactant,
(Iii) a step of crushing the expressed bacterial cells after the treatment with the surfactant to prepare a crushed solution of the expressed bacterial cells,
(Iv) a step of separating and removing the bacterial cell residue in the disrupted liquid of the expressed bacterial cells to prepare a lysate of the expressed bacterial cells,
(V) a step of concentrating the lysate of the expressing bacterial cells to prepare a concentrated solution of the lysing liquid of the expressing bacterial cells,
(Vi) A method for producing an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability, comprising the step of immobilizing a concentrated solution of a lysate of the expressed bacterial cells on the electrode material.
前記電極材が、平均直径が30〜40nmの細孔を備える多孔質構造を有する炭素基材を含む請求項3に記載のグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極の作製方法。   The method for producing an enzyme electrode having a gluconic acid oxidation catalytic ability according to claim 3, wherein the electrode material includes a carbon substrate having a porous structure having pores having an average diameter of 30 to 40 nm. 前記多孔質構造を有する炭素基材を、炭素前駆体と酸化マグネシウム前駆体との混合物を焼成し、得られた焼成物から酸化マグネシウムを除去することによって調製する工程、を有する請求項4に記載のグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極の作製方法。   The carbon substrate having the porous structure is prepared by calcining a mixture of a carbon precursor and a magnesium oxide precursor, and removing magnesium oxide from the obtained calcined product. A method for producing an enzyme electrode having the ability to catalyze gluconic acid oxidation. 請求項1又は2に記載のグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極、若しくは、請求項3〜5の何れか一項に記載のグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極の作製方法によって作製されたグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極を負極側電極として備えるバイオ電池。   Glucon produced by the method for producing the enzyme electrode having the gluconic acid oxidation catalytic ability according to claim 1 or 2, or the enzyme electrode having the gluconic acid oxidation catalytic ability according to any one of claims 3 to 5. A biobattery comprising an enzyme electrode having an acid oxidation catalytic ability as a negative electrode. 請求項1又は2に記載のグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極、若しくは、請求項3〜5の何れか一項に記載のグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極の作製方法によって作製されたグルコン酸酸化触媒能を有する酵素電極を作用電極として備えるバイオセンサー。   Glucon produced by the method for producing the enzyme electrode having the gluconic acid oxidation catalytic ability according to claim 1 or 2, or the enzyme electrode having the gluconic acid oxidation catalytic ability according to any one of claims 3 to 5. A biosensor comprising an enzyme electrode having an acid oxidation catalytic ability as a working electrode.
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