JPH02247233A - Ion transmission membrane and ion transfer method using the membrane - Google Patents
Ion transmission membrane and ion transfer method using the membraneInfo
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Landscapes
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- Peptides Or Proteins (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、光を吸収してイオンを輸送する物質群を利用
した光照射による選択的なイオン透過性膜とその膜を利
用したイオン輸送方法に関するものである。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention provides a selective ion permeable membrane by light irradiation using a group of substances that absorb light and transport ions, and an ion transport system using the membrane. It is about the method.
〔従来の技術]
現在、生体膜の機能の1つにイオン等の選択的透過があ
ることは知られており、例えばそれを利用してイオン能
動輸送性をもつ物質を薄膜中に保持させるなどの方法で
生体膜類似の機能を付与した透析膜や種々のセンサーを
得る研究が進められている。また、上記の原理を利用し
た膜は、該膜を横切るイオン濃度差をいわゆる膜電位と
して、イオン感応電極などと組み合わせて、容易に電気
信号に変換する機能を有する素子に利用することができ
るから、該膜を用いた素子は化学信号を電気信号に変換
する化学素子として、その応用が期待されている。蛋白
質をイオン能動輸送性の物質として使用するものとして
は、例えば生体埋め込み用センサーのような生物化学素
子の構成が特開昭62−41158に開示されている。[Prior Art] Currently, it is known that one of the functions of biological membranes is selective permeation of ions, etc., and for example, this can be used to retain substances with active ion transport properties in thin membranes. Research is underway to obtain dialysis membranes and various sensors that have functions similar to those of biological membranes. Furthermore, a membrane using the above principle can be used in an element that has the function of easily converting the difference in ion concentration across the membrane into an electrical signal by combining it with an ion-sensitive electrode, etc., as a so-called membrane potential. A device using this film is expected to be applied as a chemical device that converts a chemical signal into an electrical signal. As an example of a device using a protein as an ion active transporting substance, a construction of a biochemical device such as a sensor for implantation in a living body is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 62-41158.
ところで、イオン透過性制御を行わせるのに光照射を用
いるならば、単に外部制御法が容易になるだけでなく、
例えば光電変換を少ない発熱量で行わせる化学素子が実
現可能となる。容積効率とエネルギー効率が優れしかも
良好な制御性をもつイオン透過膜は、光通信分野の変換
素子としても今後有望である。By the way, if light irradiation is used to control ion permeability, it not only facilitates the external control method, but also
For example, it will become possible to realize a chemical element that performs photoelectric conversion with a small amount of heat. Ion permeable membranes, which have excellent volumetric and energy efficiency as well as good controllability, are promising as conversion elements in the field of optical communications.
また、光入射により膜イオン透過性を制御する上では、
与える入射光の波長を任意に設定しうることが望ましい
。さらに、膜イオン透過性は一方向のみを制御するので
はなく、透過性の方向を選択でき、しかも与える入射光
の波長に応じてその選択が可能となることが望ましいこ
とは言うまでもない。In addition, in controlling membrane ion permeability by light incidence,
It is desirable to be able to arbitrarily set the wavelength of the incident light. Furthermore, it goes without saying that it is desirable to be able to select the direction of the membrane's ion permeability, rather than controlling it only in one direction, and to be able to select it in accordance with the wavelength of incident light.
しかし、現在のところ光照射によるイオン透過性を充分
制御した素子は得られていない。However, at present, no element has been obtained in which ion permeability due to light irradiation is sufficiently controlled.
そこで、本発明は光照射によりイオン透過の制御が任意
に設定できるイオン透過膜の提供を目的とする。Therefore, an object of the present invention is to provide an ion permeable membrane in which the control of ion permeation can be set arbitrarily by light irradiation.
すなわち本発明は、相異なる波長領域の光照射によって
イオン能動輸送を行う(つまり異なる感応波長域をもつ
)2種類以上の物質群を、脂質膜中に担持させているイ
オン透過膜に、さらに上記イオンの能動輸送によって生
じた濃度勾配を駆動力としてイオン輸送能をもつように
なるイオノフオアを担持させたイオン透過膜を提供する
ものである。That is, the present invention provides an ion-permeable membrane in which two or more types of substances that actively transport ions (that is, have different sensitive wavelength ranges) when irradiated with light in different wavelength ranges are supported in a lipid membrane, and the above-mentioned The present invention provides an ion-permeable membrane that supports ionophores that have ion transport ability using the driving force of the concentration gradient generated by active transport of ions.
さらに、本発明は上記イオン透過膜に対し、光の波長を
選択して照射することにより、該イオン透過膜のイオン
透過性を変化させるイオン透過膜のイオン輸送方法を提
供するものである。Furthermore, the present invention provides an ion transport method for an ion permeable membrane in which the ion permeability of the ion permeable membrane is changed by selectively irradiating the ion permeable membrane with a wavelength of light.
本発明者らは、物理的あるいは化学的反応に比べて生体
内でみられる生化学的反応における反応の選択性(特異
性)や反応効率が極めて高いといった点に注目し、照射
波長域を任意に選定でき、また光照射エネルギーによっ
て高感度で、また特定のイオンについて、膜のイオン透
過性を制御でき、しかも入射波長に応じてイオン透過の
方向性を選択できるイオン透過性膜とその制御方法の検
討を行ってきた。The present inventors focused on the fact that the selectivity (specificity) and reaction efficiency of biochemical reactions observed in the living body are extremely high compared to physical or chemical reactions, and the irradiation wavelength range can be adjusted arbitrarily. An ion-permeable membrane and its control method that can be selected according to the irradiation energy, have high sensitivity, and control the ion permeability of the membrane for specific ions, as well as select the direction of ion transmission according to the incident wavelength. We have been considering the following.
その過程において、本発明者らは、動物の網膜等に存在
し、生体で可視光に対して非常に高感度、高解像度で物
質輸送を行って光感知を司る物質である光受容蛋白質に
着目し、それに類似の構造および機能を持ち、しかも常
温で比較的安定に存在し得る光受容蛋白質を脂質膜内に
保持させて用いること、及び微生物が産生ずる物質で、
イオン輸送能をもつ抗生物質に着目し、それら抗生物質
もしくはそれに類似の構造及び機能を持ち、天然もしく
は合成によって得られるイオン輸送性物質(イオノフオ
ア)を脂質膜内に保持させ用いることを同一脂質膜にて
行うことにより上述の機能を実現できることを見い出し
た。In this process, the present inventors focused on photoreceptor proteins, which exist in the retina of animals and are substances that control light sensing by transporting substances with extremely high sensitivity and high resolution to visible light in living organisms. However, the use of a photoreceptor protein that has a similar structure and function and can exist relatively stably at room temperature is retained in a lipid membrane, and is a substance produced by microorganisms.
Focusing on antibiotics with ion-transporting ability, we aim to retain these antibiotics or ionophores, which are naturally or synthetically obtained ion-transporting substances (ionophores) with similar structures and functions, within the same lipid membrane. We have discovered that the above function can be achieved by performing the following steps.
本発明で言う光を吸収して各種イオンを輸送する機能を
もつ物質として、光受容蛋白質を挙げることができるが
、このような機能を有するものであれば、各種の光受容
蛋白質あるいはその類似物が利用でき、その種類は限定
されるものではない。Photoreceptor proteins can be mentioned as substances with the function of absorbing light and transporting various ions as referred to in the present invention, but as long as they have such functions, various photoreceptor proteins or their analogues may be used. can be used, and the types are not limited.
光受容蛋白質の代表例としては、動物網膜に存在する色
素蛋白質、いわゆる視物質があり、これは、発色団(例
えばレチナール)部分と蛋白(例えばオプシン)部分と
からなり、動物の網膜視細胞性節において光を受容し、
それを何らかの膜イオン透過性変化に置き換える作用を
有するものである。そのようなものとして、例えば、ロ
ドプシン、ポリフィロプシン、アイオドプシン等が抽出
精製されている。また、視物質と同様な機能を有するも
のとして、好塩菌の細胞膜に存在するバクテリオロドプ
シンおよびハロロドプシンがあり、これらは比較的に取
り扱いが簡便であり好ましい。A typical example of a photoreceptor protein is a pigment protein that exists in the animal retina, so-called photoreceptor. Receive light at the nodes;
It has the effect of replacing this with some kind of change in membrane ion permeability. Examples of such substances include rhodopsin, polyphyllopsin, and iodopsin, which have been extracted and purified. In addition, there are bacteriorhodopsin and halorhodopsin, which are present in the cell membrane of halophilic bacteria, which have the same function as visual substances, and these are preferable because they are relatively easy to handle.
バクテリオロドプシンは、ハロバクテリウム(Halo
bacterium)属に属する高度好塩菌ハロバクテ
リウム ハロビウム(Hal。Bacteriorhodopsin is derived from Halobacterium (Halo
Halobacterium halobium (Hal.
bacterium halobium)等の細胞膜
(紫膜)の蛋白質の主成分であり、レチナールを発色団
として含み、可視光を受けて水素イオンを輸送する機能
(プロトンポンプ能)を有する[A、Danon、W、
5toeckenlus;Proc、Natl、Aca
d、5ciUSA、エユ、1234 (1974)]。It is a main component of protein in the cell membrane (purple membrane) of bacteria such as Bacterium halobium, contains retinal as a chromophore, and has the function of transporting hydrogen ions (proton pumping ability) in response to visible light [A, Danon, W.
5toeckenlus; Proc, Natl, Aca
d, 5ciUSA, Eyu, 1234 (1974)].
このバクテリオロドプシンは、例えば[D。This bacteriorhodopsin is, for example, [D.
Oes te rbe 1 tおよびW、5toeck
−enius;Method in Enzy −
mology、3ユ、667 (1974)コの方法な
どを用いて、高度好塩菌から紫膜として抽出し、更に、
[K−8,Huang、H,Bay−1ey and
H,G、KhoranaProc、Nat 1.A
cad、Sci。Oes terbe 1 t and W, 5toeck
-enius;Method in Enzy-
Mology, 3rd edition, 667 (1974), the purple membrane was extracted from highly halophilic bacteria, and further,
[K-8, Huang, H, Bay-1ey and
H, G, KhoranaProc, Nat 1. A
cad, sci.
USA、エユ、323 (1980)コに記載の方法な
どを用いて得られた紫膜から脂質を取り除いて得ること
ができる。It can be obtained by removing lipids from the purple membrane obtained using the method described in U.S.A., E.U., 323 (1980).
また、ハロロドプシンは高度好塩菌の例えばR1,R、
L−hなどのバクテリオロドプシン欠損株から発見され
たレチナール蛋白質であり、可視光を受けてナトリウム
イオンを輸送する性質がある[A、Y、Matsuno
and Y。In addition, halorhodopsin is produced by highly halophilic bacteria such as R1, R,
A retinal protein discovered from bacteriorhodopsin-deficient strains such as L-h, which has the property of transporting sodium ions in response to visible light [A, Y, Matsuno
and Y.
Mukohata:Biochem、Bi。Mukohata: Biochem, Bi.
T)hYS、Res、Commun、+18,237(
1977);R,E、Mac Donald。T) hYS, Res, Common, +18,237 (
1977); R, E, Mac Donald.
R,U、Greene、R,D、C1ark。R, U, Greene, R, D, C1ark.
E、V、Lindley:J、Biol、Ch−em、
、254,11831 (1979)]。E., V., Lindley: J., Biol., Ch-em.
, 254, 11831 (1979)].
このハロロドプシンは、高度好塩菌から例えば[Y、M
ukohata、Y、Sugiyamaand Y、
Kaji、J、Usukuraand E、Yama
da;Photoch−em、Photobiol、、
33,539(+981)]に記載の方法などを用いて
得ることができる。This halorhodopsin is derived from highly halophilic bacteria, for example [Y, M
ukohata, Y., Sugiyama and Y.
Kaji, J., Usukura and E., Yama.
da; Photoch-em, Photobiol,,
33,539 (+981)].
また、生体から分離した天然の光受容蛋白質の構造をそ
の機能を損なうことなく変化させて、感光波長を変化さ
せた誘導体を形成して、本発明に用いることもできる。Further, the structure of a natural photoreceptor protein isolated from a living body can be changed without impairing its function to form a derivative with a changed photosensitive wavelength, which can be used in the present invention.
代表的には、レチナール部分を置換して光吸収波長を変
化させることが可能である。ロドプシンにおけるこのよ
うな誘導体の形成の具体例を挙げると、例えばレチナー
ル部分を
a)全−trans−レチナールとすることによって吸
収極大波長を570nmとしたバクテリオロドプシン[
P、Town o r、W。Typically, the retinal moiety can be substituted to change the optical absorption wavelength. To give a specific example of the formation of such a derivative in rhodopsin, for example, bacteriorhodopsin with a maximum absorption wavelength of 570 nm by changing the retinal moiety to a) all-trans-retinal [
P, Town o r, W.
Gaerther、et、al、、Eur。Gaerther, et al., Eur.
J、Biochem、、117,353(1981)
コ 、
b)13−cis−レチナールとすることによって吸収
極大波長を550nmとしたバクテリオロドプシン[同
上]
c)5.6−シヒドロレチナールとすることによって吸
収極大波長を475nmとしたバクテリオロドプシン[
R,Mao、R,Gov−indjee、et、al、
、Bioche−mistry、20,428 (19
81)]、d)レトロ−γ−レチナールとすることによ
って吸収極大波長を430nmとしたバクテリオロドプ
シン[K−S、Huang、H,Baylay、et、
al、、Fed、Proc、。J.Biochem, 117, 353 (1981)
b) Bacteriorhodopsin with a maximum absorption wavelength of 550 nm by using 13-cis-retinal [same as above] c) Bacteriorhodopsin with a maximum absorption wavelength of 475 nm by using 5,6-cihydroretinal [
R,Mao,R,Gov-injee,et,al,
, Bioche-mistry, 20,428 (19
81)], d) Bacteriorhodopsin with maximum absorption wavelength of 430 nm by retro-γ-retinal [K-S, Huang, H, Baylay, et.
al,,Fed,Proc,.
40.1659 (1981)]、
e)3.4−ジヒドロレチナールとすることによって吸
収極大波長を593nmとしたバクテリオロドプシン[
F、Tokunaga。40.1659 (1981)], e) bacteriorhodopsin with a maximum absorption wavelength of 593 nm by using 3,4-dihydroretinal [
F. Tokunaga.
T、Ebrey、Biochemistry。T, Ebrey, Biochemistry.
上ユ、1915 (1978)]、 等がある。Kamiyu, 1915 (1978)], etc.
更に、バクテリオロドプシンのアミン酸配列は、既に明
らかとなっており[Yu、A、0vchinnikov
、N、G、Abdula−ev、et、al、、Bio
org、Khim。Furthermore, the amino acid sequence of bacteriorhodopsin has already been clarified [Yu, A., Ovchinnikov
,N.G.,Abdula-ev,et,al,,Bio.
org, Khim.
互、1573 (1978)]、また好基塩のバクテリ
オロドプシン遺伝子の塩基配列も[R,J。Mutual, 1573 (1978)], and the nucleotide sequence of the basophilic bacteriorhodopsin gene [R, J.
Dunn、J、M、Mccoy等、Proc。Dunn, J. M., McCoy et al., Proc.
Natl、Acad、Sci、、78.6744(19
81)]によって明らかとなっている。これらの知見か
ら、組換え体DNAを構成して、バクテリオロドプシン
のアミノ酸配列を置換した蛋白類類似体の合成も可能と
なっており[N、R。Natl. Acad. Sci., 78.6744 (19
81)]. Based on these findings, it has become possible to synthesize protein analogs in which the amino acid sequence of bacteriorhodopsin is substituted by constructing recombinant DNA [N, R.
Hackett、L、J、5tern、et。Hackett, L. J., 5tern, et.
al、、J、Bi’o1.Chem、、262゜927
7 (1987)]、このような光受容蛋白質類似物質
もまた本発明に用いることができる。al,,J,Bi'o1. Chem,,262°927
7 (1987)], such photoreceptor protein-like substances can also be used in the present invention.
光吸収波長域の異なる2以上を所望とする膜イオン透過
膜の構成に応じて、上記の光受容蛋白質から選択して用
いれば良い。Depending on the configuration of the membrane ion-permeable membrane in which two or more proteins having different light absorption wavelength regions are desired, the photoreceptor proteins described above may be selected and used.
本発明において光受容蛋白質を保持する脂質膜は、イオ
ン不浸透性を示し、膜内部は疎水性で膜の表面は親水性
を示す。該脂質膜の材料としては、単分子膜、あるいは
多分子膜を構成できる公知の両親媒性化合物が利用でき
る。これらの膜形成能を持つ脂質分子は炭素が8個以上
の長鎖アルキル基と親水基とを有して構成され、親水基
が例えば
などのカチオン、
例えば
C1,(CI+、)、、 −QC−CI。In the present invention, the lipid membrane holding the photoreceptor protein exhibits ion impermeability, the interior of the membrane is hydrophobic, and the surface of the membrane is hydrophilic. As the material for the lipid membrane, known amphipathic compounds that can form a monomolecular membrane or a multimolecular membrane can be used. These lipid molecules with membrane-forming ability are composed of a long-chain alkyl group with 8 or more carbon atoms and a hydrophilic group, and the hydrophilic group is a cation such as C1, (CI+, ), -QC. -CI.
CH,(CH,)、、 −0C−CI−SO,−Na”
(2C,−3uccinyl−Son−)などのアニオ
ン、
例えば
(2C,−glycero−(glycidoxy)
g)などの非イオン、
例えば
(2C,、N”C,C,PO,”)
などの双性イオンのいずれでも良い。Anions such as CH, (CH,), -0C-CI-SO, -Na" (2C, -3uccinyl-Son-), e.g. (2C, -glycero- (glycidoxy)
It may be either a nonion such as g) or a zwitterion such as (2C,,N''C,C,PO,'').
これらの脂質材料のうち、ホスファチジルコリン(レシ
チン)やホスファチジルエタノールアミン、ジ朱ホスフ
ァチジルグリセロールなどのグリセロリン脂質;スフィ
ンゴミエリンやセラミドシリアチン等のスフィンゴリン
脂質・セレブロシド、スルファチド、セラミドオリゴへ
キソシド等のスフィンゴ接脂類;および親水基として炭
水化物を含むグリコジルジアシルグリセロール等のグリ
セロ糖脂質は生体膜を構成している脂質であるため、上
述した光受容蛋白質を取り込ませて光受容蛋白質を保持
した脂質膜を形成させ、該蛋白質を効率良く機能させる
のに特に適した材料といえる。Among these lipid materials, glycerophospholipids such as phosphatidylcholine (lecithin), phosphatidylethanolamine, and dihu phosphatidylglycerol; sphingophospholipids such as sphingomyelin and ceramide syriatin; and sphingolipids such as cerebroside, sulfatide, and ceramide oligohexoside. and glyceroglycolipids such as glycosyldiacylglycerol that contain carbohydrates as hydrophilic groups are lipids that constitute biological membranes, so they incorporate the photoreceptive proteins mentioned above to form lipid membranes that retain photoreceptive proteins. It can be said that it is a particularly suitable material for making the protein function efficiently.
代表例として大豆リン脂質レシチンがある。A typical example is soybean phospholipid lecithin.
これは[Y、Kagawa and E、Rack
er、J、Biol、Chem、246゜5477 (
1971)]に基づいて調整することができる。脂質と
して上述のような機能を有するものであれば、各種の脂
質が利用でき、その種類は限定されない。This is [Y, Kagawa and E, Rack
er, J, Biol, Chem, 246°5477 (
1971)]. Various lipids can be used as long as they have the above-mentioned functions, and the type thereof is not limited.
なお、本発明でいう脂質膜としては、上述のような脂質
材料から形成され、脂質の単分子膜層からなるもの、あ
るいは脂質の単分子膜が2層積層された構成のもの(脂
質二重層膜)や脂質の単分子膜が3層以上積層された構
成のもの(脂質多重層膜)などが利用できる。但し各単
分子層はUV照射あるいは紫外線照射などによって重合
化したものでもよい。In addition, the lipid membrane referred to in the present invention is one formed from the above-mentioned lipid materials and consists of a monolayer of lipids, or a membrane composed of two monolayers of lipids (lipid bilayer). (membrane) or a structure in which three or more lipid monomolecular films are laminated (lipid multilayer film) can be used. However, each monomolecular layer may be one that is polymerized by UV irradiation or ultraviolet irradiation.
なかでも、脂質二重層膜内に光受容蛋白質を保持させる
と、感光色素蛋白質を生体内での構造に近い形に再構成
することができ、その機能を有効に利用できるので都合
が良い。また、前述したバクテリオロドプシンは、好塩
菌内では紫膜と呼ばれる脂質層との複合体で存在してお
り、この脂質−蛋白複合体の断片を抽出することが可能
なので便利である。Among these, retaining photoreceptive proteins within a lipid bilayer membrane is advantageous because the photosensitive pigment proteins can be reconstituted into a structure similar to that in vivo, and their functions can be effectively utilized. Furthermore, the aforementioned bacteriorhodopsin exists in halophilic bacteria as a complex with a lipid layer called the purple membrane, and it is convenient because it is possible to extract fragments of this lipid-protein complex.
バクテリオロドプシンのような光受容蛋白質と脂質の複
合体を形成するには、例えば[E。For example, [E.
Packer and W、5t=oecke −
n+us、J、Biol、Chem、、249゜662
(1974)]及び[K−8,Huang。Packer and W, 5t=oecke −
n+us, J, Biol, Chem,, 249°662
(1974)] and [K-8, Huang.
H,Bayley and H,G、Kho −r
ana、Proc、Nat 1.Acad。H, Bayley and H, G, Kho-r
ana, Proc, Nat 1. Acad.
Sc i、、USA、77.323 (1980)]に
記載された方法などを用いて、上述したような脂質を適
当な塩濃度の溶液に懸濁し、必要に応じて超音波処理し
つつリポソームを形成する際に、所望の感光色素蛋白質
を溶液中に加えておき、形成される脂質膜内にこれを取
り込ませる方法を用いて得ることができる。Sc I, USA, 77.323 (1980)], the above-mentioned lipids are suspended in a solution with an appropriate salt concentration, and liposomes are formed with sonication as necessary. It can be obtained using a method in which a desired photosensitive pigment protein is added to a solution during formation and incorporated into the formed lipid membrane.
なお、このようにして得られた生成物からは、例えばカ
ラムクロマトグラフィー法、[C。The product thus obtained can be processed, for example, by column chromatography, [C.
Lind、B、Hojeberg and H。Lind, B., Hojeberg and H.
G、Khorana、J、Biol、Chem、。G, Khorana, J, Biol, Chem.
−乙」ヨ旦、8298 (1981)コに記載されたシ
ョ糖濃度勾配法による超遠心法などを用いて感光色素蛋
白質が取り込まれたプロテオリポソームを分離精製する
ことができる。Proteoliposomes incorporating photosensitive pigment proteins can be separated and purified using an ultracentrifugation method using a sucrose concentration gradient method as described in "Otsu" Yodan, 8298 (1981).
このようにして精製されたプロテオリポソームをあらか
じめ形成した脂質2分子膜層を適当な溶媒中に浸漬して
、この膜内に吸着融合させ、光応答イオン透過膜を形成
する。A lipid bilayer membrane layer in which the proteoliposomes purified in this manner are preformed is immersed in an appropriate solvent and adsorbed and fused within this membrane to form a photoresponsive ion-permeable membrane.
また、紫膜などで公知のように、プロテオリポソームを
ラングミュアの水槽に展開し、脂質2分子膜層の面に付
着させることにより、蛋白脂質2分子複合膜を形成でき
る。この場合、水平付着により基盤に付着させれば、基
盤側に親水面を、また垂直浸漬法で付着させれば、基盤
側に疎水面を形成する平面膜を得ることができる。この
ようにして構成した複合膜を適当な溶媒中に浸漬し、膜
内の蛋白質と異なる蛋白質を保持したプロテオリポソー
ムを吸着融合することが可能である。この方法によれば
、1層の膜内にイオン透過方向を逆にする光受容蛋白質
を組み込ませた複合膜(光応答イオン透過膜)を形成す
ることができる。すると、該複合膜は種類の異なる光受
容蛋白質をそれぞれ同種ごとに方向性をそろえて脂質膜
中に取り込ませることができる。In addition, as is known for purple membranes, a protein-lipid bimolecular composite membrane can be formed by deploying proteoliposomes in a Langmuir tank and adhering them to the surface of a lipid bilayer membrane layer. In this case, a planar film can be obtained in which a hydrophilic surface is formed on the substrate side by horizontal deposition, and a hydrophobic surface is formed on the substrate side by vertical dipping. By immersing the thus constructed composite membrane in an appropriate solvent, it is possible to adsorb and fuse proteoliposomes holding a protein different from the protein in the membrane. According to this method, it is possible to form a composite membrane (photoresponsive ion permeable membrane) in which a photoreceptive protein that reverses the direction of ion permeation is incorporated into a single layer of membrane. Then, the composite membrane can incorporate different types of photoreceptor proteins into the lipid membrane in a uniform direction for each type of photoreceptor protein.
第5図及び第6図に2つの異なる光受容蛋白質を保持さ
せたイオン透過膜の構成を示す模式的断面図を記載する
。FIGS. 5 and 6 are schematic cross-sectional views showing the structure of an ion-permeable membrane holding two different photoreceptor proteins.
図中、符号1はイオン透過膜、1aおよび1bは2つの
異なる光受容蛋白質を示す。In the figure, numeral 1 represents an ion-permeable membrane, and 1a and 1b represent two different photoreceptor proteins.
次に、このように構成された光応答イオン透過膜の制御
方法を図面を用いて説明する。Next, a method for controlling the photoresponsive ion-permeable membrane configured as described above will be explained with reference to the drawings.
(第5図参照)上記で示した方法によって、異なる波長
域にそれぞれ反応する2つの光受容蛋白質1aおよび1
bを脂質2分子内に同一方向に配向した光応答透過膜1
を形成する。異なる2つの光受容蛋白質1aおよび1b
は、それらの吸収極大波長が、例えば1aが短波長側λ
1に、1bが長波長側λ、に位置するように選ばれる。(See Figure 5) By the method shown above, two photoreceptor proteins 1a and 1, each of which responds to different wavelength ranges, were
Photoresponsive transparent membrane 1 with b oriented in the same direction within two lipid molecules
form. Two different photoreceptor proteins 1a and 1b
For example, 1a is on the short wavelength side λ
1, 1b is selected to be located on the long wavelength side λ.
図中a、bはそれぞれ短波側入射光、長波側入射光を示
す。この膜のイオン透過能は、1aあるいは1bが単独
に存在する場合に比べて拡大された広波長域で実現され
る。また、この構成によれば各波長に応じて透過するイ
オン量を制御することができる。In the figure, a and b indicate incident light on the short wavelength side and incident light on the long wavelength side, respectively. The ion permeability of this membrane is achieved over a wider wavelength range than when 1a or 1b is present alone. Moreover, according to this configuration, the amount of ions transmitted can be controlled according to each wavelength.
第6図(A)及び(B)は他の構成例を示した模式的断
面図である。FIGS. 6(A) and 6(B) are schematic cross-sectional views showing other configuration examples.
この例の透過膜1は異なる波長域にそれぞれ反応する2
つの光受容蛋白質1aおよび1bのイオン透過方向が逆
向きになるように異なる方向に配向されている。この膜
では、イオン輸送の方向性が、例えば入射光波長をλ、
からλ、に切り換えることにより、任意に選択できる。In this example, the transparent film 1 is 2 that responds to different wavelength ranges, respectively.
The two photoreceptor proteins 1a and 1b are oriented in different directions so that the ion transmission directions are opposite to each other. In this film, the directionality of ion transport is determined by changing the wavelength of incident light to λ, for example.
can be arbitrarily selected by switching from λ to λ.
また、この方向性の相違を利用し、さらに1aおよびl
bの光吸収帯が適度に重なり合うように光受容蛋白質1
aおよび1bを選択することによりλ、あるいはA2の
近辺の波長の光に対する波長選択性を大幅に改善するこ
ともできる。In addition, by taking advantage of this difference in directionality, we further added 1a and l
photoreceptor protein 1 so that the light absorption bands of b overlap moderately.
By selecting a and 1b, it is also possible to significantly improve the wavelength selectivity for light having a wavelength near λ or A2.
そこで本発明では、前述のイオン透過膜(脂質膜中に異
なる波長域にそれぞれ感応する2種以上の光受容蛋白質
を保持させたイオン透過膜)にイオノフオアを組込んで
複数種のイオンを移動させることができるイオン透過膜
を形成させる。Therefore, in the present invention, ionophores are incorporated into the above-mentioned ion-permeable membrane (an ion-permeable membrane in which two or more types of photoreceptor proteins each sensitive to different wavelength ranges are retained in a lipid membrane) to transport multiple types of ions. form an ion-permeable membrane that can
本発明でいうイオノフオアとは、上記光受容蛋白質が光
照射によりイオンを輸送した際、それによって生じた濃
度勾配を駆動力として別の種類のイオンを同時に輸送す
る(イオン受動輸送タイプ)物質をいう。Ionophore as used in the present invention refers to a substance that simultaneously transports another type of ion using the concentration gradient generated as a driving force when the photoreceptor protein transports ions due to light irradiation (ion passive transport type). .
具体的にイオン輸送能を持つイオノフオアの例としては
、グラミシジン類、パリノマイシン、ノナクチン、モナ
クチン、ナイジェリシン、アラメチシン、モネンシン、
A23187.X−537A等微生物由来の天然オリゴ
ペプチドの他、人工合成された環状オリゴペプチド等で
もよい。また環状ポリコーラル類(クラウンエーテル類
)やポリエーテルポリアミン類(クリプタンド類) サ
イクラム類等の有機化合物が挙げられる。イオノフオア
として上述のような機能を有するものであれば各種のイ
オノフオアが利用でき、その種類は限定されない。Specific examples of ionophores with ion transport ability include gramicidins, palinomycin, nonactin, monactin, nigericin, alamethicin, monensin,
A23187. In addition to natural oligopeptides derived from microorganisms such as X-537A, artificially synthesized cyclic oligopeptides and the like may be used. Also included are organic compounds such as cyclic polycorals (crown ethers), polyether polyamines (cryptands), and cyclams. Various ionophores can be used as long as they have the above-mentioned functions, and the type thereof is not limited.
第1図、第2図、第7図及び第8図に本発明のイオン透
過膜の構成を示す模式的断面図を示す。FIG. 1, FIG. 2, FIG. 7, and FIG. 8 are schematic cross-sectional views showing the structure of the ion permeable membrane of the present invention.
図中符号1はイオン透過膜、1aおよび1bは2つの異
なる光受容蛋白質、2は多孔性の支持基盤、3はイオノ
フオアを示す。該基板としては、コラーゲン、セルロー
ス、多孔性ガラス等が利用できる。In the figure, numeral 1 represents an ion permeable membrane, 1a and 1b represent two different photoreceptor proteins, 2 represents a porous support base, and 3 represents an ionophore. Collagen, cellulose, porous glass, etc. can be used as the substrate.
次にこのように構成された光応答イオン透過膜の制御方
法を図面を用いて説明する。Next, a method for controlling the photoresponsive ion-permeable membrane configured as described above will be explained with reference to the drawings.
第3図に示すように、異なる2つの光受容蛋白質1aお
よびlb、イオノフオア3が脂質2分子内に配向したイ
オン透過膜1を形成する。As shown in FIG. 3, two different photoreceptor proteins 1a and lb and an ionophore 3 are oriented within two lipid molecules to form an ion permeable membrane 1.
異なる2つの光受容蛋白質1aおよび1bのイオン透過
方向は同一方向になるよう配向されている。The ion transmission directions of two different photoreceptor proteins 1a and 1b are oriented in the same direction.
異なる2つの光受容蛋白質1aおよび1bは、それらの
吸収極大波長が、例えば1aが短波長側λ、に、1bが
長波長側λ、に位置するよ゛うに選ばれる。図中a、b
はそれぞれ短波側入射光。The two different photoreceptor proteins 1a and 1b are selected such that their maximum absorption wavelengths are located, for example, on the short wavelength side λ for 1a and on the long wavelength side λ for 1b. a, b in the figure
are the incident light on the shortwave side, respectively.
長波側入射光を示す。この膜のイオン透過能は、1aあ
るいは1bが単独に存在する場合に比べて拡大された広
波長域で実現される。Indicates incident light on the long wavelength side. The ion permeability of this membrane is achieved over a wider wavelength range than when 1a or 1b is present alone.
さらにイオノフオアが導入されていることにより、光照
射によって1aもしくは1bが行う第1のイオンの能動
輸送によって生じる濃度勾配を駆動力として第1のイオ
ンとは異なる第2のイオンの透過性も変化させることが
できる。Furthermore, by introducing an ionophore, the permeability of a second ion different from the first ion is also changed using the concentration gradient generated by the active transport of the first ion carried out by 1a or 1b by light irradiation as a driving force. be able to.
第4図(A)及び(B)は本発明の他の構成例を示した
模式的断面図である。FIGS. 4(A) and 4(B) are schematic cross-sectional views showing other configuration examples of the present invention.
該図では異なる2つの光受容蛋白質1aおよび1bのイ
オン透過゛方向が逆向きになるように配向されている。In this figure, two different photoreceptor proteins 1a and 1b are oriented so that their ion transmission directions are opposite.
この膜ではイオン輸送の方向性が、例えば入射光波長を
A1からλ、に切り換えることにより、任意に選択でき
る。また、この方向性の相違を利用し、さらに1aおよ
び1bの光吸収帯が適度に重なり合うように光受容蛋白
質1aおよび1bを選択することにより、λ、あるいは
λ、の近辺の波長の光に対する波長選択性を大幅に改善
することもできる。In this film, the directionality of ion transport can be arbitrarily selected by, for example, switching the wavelength of incident light from A1 to λ. In addition, by utilizing this difference in directionality and selecting photoreceptor proteins 1a and 1b so that the light absorption bands of 1a and 1b suitably overlap, it is possible to Selectivity can also be significantly improved.
さらにイオノフオアが導入されていることにより、1a
もしくは1bが行う第1のイオンの能動輸送によって生
じる濃度勾配を駆動力として第1のイオンとは異なる第
2のイオンのイオン輸送の方向性を選択させることがで
きる。Furthermore, by introducing an ionophore, 1a
Alternatively, the directionality of the ion transport of the second ion, which is different from the first ion, can be selected using the concentration gradient generated by the active transport of the first ion carried out by 1b as a driving force.
以下に実施例をもって本発明の詳細な説明するが、これ
らは本発明の範囲を何ら制限するものではない。The present invention will be described in detail below with reference to Examples, but these are not intended to limit the scope of the present invention in any way.
(実施例1)
先に挙げた0esterheltらの方法によってHa
lobacterium hal。(Example 1) Ha
lobacterium hal.
bium R1株から抽出した紫膜を前述したHua
ngらの方法に従って界面活性剤Tr i −tonX
−100(和光純薬工業社製)で処理し、得られた紫膜
から脂質を取り除き、光受容蛋白質であるバクテリオロ
ドプシンを得た。こうして精製したバクテリオロドプシ
ンの一部を用いてその発色団をTokunagaらの方
法[F。The purple membrane extracted from the Hua bium R1 strain was
Surfactant Tri-tonX according to the method of ng et al.
-100 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to remove lipids from the resulting purple membrane to obtain bacteriorhodopsin, a photoreceptor protein. Using a portion of bacteriorhodopsin thus purified, its chromophore was extracted using the method of Tokunaga et al. [F.
Tokunaga and T、I wa s a
。Tokunaga and T, I was a
.
Membrane、9.73 (1984)]により、
レチナールアナログの1種であるナフチルレチナールに
置換した。バクテリオロドプシンの最大吸収波長が56
0nm付近であるのに対し、ナフチルレチナールを発色
団とするアナログバクテリオロドプシンの最大吸収波長
は、混合比に応じて442nmから503nmに分布す
るようになる。このアナログバクテリオロドプシンはバ
クテリオロドプシン同様に、光照射によりプロトン能動
輸送活性を示す。Membrane, 9.73 (1984)],
It was replaced with naphthyl retinal, which is a type of retinal analog. The maximum absorption wavelength of bacteriorhodopsin is 56
In contrast, the maximum absorption wavelength of analog bacteriorhodopsin using naphthyl retinal as a chromophore is distributed from 442 nm to 503 nm depending on the mixing ratio. Like bacteriorhodopsin, this analog bacteriorhodopsin exhibits active proton transport activity upon irradiation with light.
上述のようにして得た、ナフチルレチナールを用いたア
ナログバクテリオロドプシンと、先に挙げたY、Kag
awaらの方法で精製した大豆リン脂質とを、先に挙げ
たに、S、Huangらの方法に基づいてプロテオリポ
ソームとして再構成した。このプロテオリポソームを0
.15モル/l濃度のKCf溶液中で、水銀ランプ光を
モノクロメータを通して単色化した可視光照射を行い、
そのときのpH変化を調べて、アナログバクテリオロド
プシンを含まない通常のバクテリオロドプシンのみによ
るプロテオリポソームのpH変化と比較した。その結果
、アナログバクテリオロドプシンを組み込んだプロテオ
リポソームでは、440nm付近から500nm付近に
かけての入射光範囲にわたって同等のプロトン能動輸送
性を示し、通常のバクテリオロドプシンを用いた系と共
存させることにより制御入射光の使用範囲を大幅に広げ
れられることが示された。The analog bacteriorhodopsin using naphthyl retinal obtained as described above and the above-mentioned Y, Kag
The soybean phospholipids purified by the method of Awa et al. were reconstituted as proteoliposomes based on the method of S. Huang et al. mentioned above. This proteoliposome is 0
.. In a KCf solution with a concentration of 15 mol/l, irradiation with monochromatic visible light from a mercury lamp was carried out through a monochromator.
The pH change at that time was examined and compared with the pH change of proteoliposomes produced only by normal bacteriorhodopsin without the analog bacteriorhodopsin. As a result, proteoliposomes incorporating the analog bacteriorhodopsin showed equivalent proton active transport properties over the incident light range from around 440 nm to around 500 nm, and when coexisting with a system using normal bacteriorhodopsin, controlled incident light It has been shown that the range of use can be greatly expanded.
次に、先に挙げたに、S、Huangらの方法に従って
精製したバクテリオロドプシンと、カリウムイオンに選
択透過性のある前記イオノフオアの1種パリノマイシン
をバクテリオロドプシン0.1mg/m1あたり2μM
、また、先に挙げたY、Kagawaらの方法に従って
精製した大豆リン脂質アゾレクチンをバクテリオロドプ
シン0.1mg/m/あたり8ないし12mg/m1、
以上3者を先に挙げたM、Montalらの方法により
平面膜として再構成した。Next, bacteriorhodopsin purified according to the method of S. Huang et al. and palinomycin, one of the ionophores selectively permeable to potassium ions, were added at 2 μM per 0.1 mg/ml of bacteriorhodopsin.
, and the soybean phospholipid azolectin purified according to the method of Y. Kagawa et al.
The above three materials were reconstituted as a planar film using the method of M. and Montal et al. mentioned above.
さらに、先に挙げたに、S、Huangらの方法で作製
したアナログバクテリオロドプシンを含むプロテオリポ
ソームを前述の方法で作製したバクテリオロドプシンと
パリノマイシンを含む脂質平面膜に、プロトン輸送の方
向性が正反対になるよう融合吸着させた。この時プロト
ン輸送の方向性は各々保持されたままであった。Furthermore, as mentioned above, proteoliposomes containing the analog bacteriorhodopsin prepared by the method of S. Huang et al. I fused and adsorbed it so that it was. At this time, the directionality of proton transport was maintained.
第9図から第12図は本発明の第1の実施例の特徴を最
もよくあられした模式図である。第9図においで4はナ
フチルレチナールを用いたアナログバクテリオロドプシ
ン、5は4を含むプロテオリポソームである。第10図
において6はバクテリオロドプシン、7はイオノフオア
の1種パリノマイシン、8は大豆リン脂質から成る脂質
2分子平面膜である。第9図の5を第10図の8の左側
から融合・吸着・開裂させたものが第11図である。同
図における膜全体を光透過性の材質から成る浴槽11に
静かに浸し、静置したものが第12図である。同図にお
いてバクテリオロドプシンは、プロトンを左から右へ、
アナログバクテリオロドプシンはプロトンを右から左へ
輸送する方向で保持されている。同図において溶液に浸
した膜10を隔てて左側にはカリウムイオンを含有させ
、右側には全く含有させない。但10の両側の浸透圧は
等しくしてお(。10の両側にpH電極12.13及び
カリウムイオン電極14.15を浸しておく。FIGS. 9 to 12 are schematic diagrams best showing the features of the first embodiment of the present invention. In FIG. 9, 4 is an analog bacteriorhodopsin using naphthyl retinal, and 5 is a proteoliposome containing 4. In FIG. 10, 6 is bacteriorhodopsin, 7 is palinomycin, an ionophore, and 8 is a bimolecular lipid membrane consisting of soybean phospholipid. FIG. 11 shows 5 in FIG. 9 fused, adsorbed, and cleaved from the left side of 8 in FIG. 10. FIG. 12 shows the entire membrane in the same figure gently immersed in a bathtub 11 made of a light-transmitting material and left standing. In the same figure, bacteriorhodopsin moves protons from left to right.
The analog bacteriorhodopsin is kept in an orientation that transports protons from right to left. In the figure, potassium ions are contained on the left side of the membrane 10 immersed in the solution, and no potassium ions are contained on the right side. However, the osmotic pressure on both sides of 10 is made equal (pH electrodes 12.13 and potassium ion electrodes 14.15 are immersed on both sides of 10.
次に浴槽11の左側から560nmの可視光を照射した
ところ、pH電極12の値は上昇し、5の値は下降した
。一方、イオン電極14の値は下降し、15の値は上昇
した。Next, when visible light of 560 nm was irradiated from the left side of the bathtub 11, the value of the pH electrode 12 increased, and the value of 5 decreased. On the other hand, the value of ion electrode 14 decreased, and the value of ion electrode 15 increased.
次に560nmの照射光を消燈し、pH電極の値が照射
前に戻った後11の左側から442nmの光を照射した
ところ、pH電極12の値は下降し、13の値は上昇し
た。またイオン電極14及び15の値は変化を続けた。Next, when the 560 nm irradiation light was turned off and the pH electrode value returned to the value before irradiation, 442 nm light was irradiated from the left side of 11, the value of pH electrode 12 decreased, and the value of 13 increased. Also, the values of ion electrodes 14 and 15 continued to change.
ここにおいて、相異なる波長の光照射によフて、双方向
性のプロトン輸送を制御し、さらにプロトン輸送による
濃度勾配を駆動力にしたパリノマイシンによってカリウ
ムイオンの透過性も同時に変化することが示された。Here, it has been shown that bidirectional proton transport is controlled by light irradiation with different wavelengths, and potassium ion permeability is also changed simultaneously by palinomycin, which uses the concentration gradient caused by proton transport as the driving force. Ta.
(実施例2)
実施例2では先に実施例1で挙げた相異なる波長の光照
射による双方向性のプロトン輸送とカリウムイオン透過
性の変化を、カリウムイオンに限定せずナトリウムイオ
ンの透過性の変化とすることを行った。(Example 2) In Example 2, the changes in bidirectional proton transport and potassium ion permeability due to light irradiation with different wavelengths mentioned in Example 1 were investigated not only for potassium ions but also for sodium ion permeability. Changes were made.
第10図においてイオノフオアフとしてナトリウムイオ
ノフオアであるモネンシン2μM(バクテリオロドプシ
ン0.1mg/mj’あたり)を用い実施例4の要領で
平面膜を作製した。第10図の平面膜8の左側からナフ
チルレチナールを用いたアナログバクテリオロドプシン
を含むプロテオリポソーム(第9図の5)を融合・吸着
・開裂させたものが第11図である。同図における層全
体を光透過性の材質から成る浴槽11に静かに浸し静置
したものが第12図である。同図においてバクテリオロ
ドプシンはプロトンを左から右へ、アナログバクテリオ
ロドプシンはプロトンを右から左へ輸送する方向で保持
されている。同図において、溶液に浸した膜10を隔て
て左側にはす゛トリウムイオンを含有させ、右側には全
く含有させない。但し、10の両側の浸透圧は等しくし
ておく。10の両側にpH電極12.13及びナトリウ
ムイオン電極14.15を浸しておく。In FIG. 10, a planar membrane was prepared in the same manner as in Example 4 using 2 μM of monensin (about 0.1 mg/mj' of bacteriorhodopsin), which is a sodium ionophore, as the ionophore. FIG. 11 shows a proteoliposome containing an analog bacteriorhodopsin using naphthyl retinal (5 in FIG. 9) fused, adsorbed, and cleaved from the left side of the planar membrane 8 in FIG. 10. FIG. 12 shows the entire layer shown in FIG. 12 being gently immersed in a bathtub 11 made of a light-transmitting material and left standing. In the figure, bacteriorhodopsin is held in a direction in which protons are transported from left to right, and analog bacteriorhodopsin is held in a direction in which protons are transported from right to left. In the figure, thorium ions are contained on the left side of the membrane 10 immersed in the solution, and no thorium ions are contained on the right side. However, the osmotic pressure on both sides of 10 should be equal. A pH electrode 12.13 and a sodium ion electrode 14.15 are immersed on both sides of the cell.
次に浴槽11の左側から560nmの可視光を照射した
ところ、pH電極12の値は上昇し、13の値は下降し
た。一方、イオン電極14の値は下降し、15の値は上
昇した。Next, when visible light of 560 nm was irradiated from the left side of the bathtub 11, the value of the pH electrode 12 increased, and the value of pH electrode 13 decreased. On the other hand, the value of ion electrode 14 decreased, and the value of ion electrode 15 increased.
次に560nmの照射光を消燈し、pH電極の値が照射
前に戻った後11の左側から442nmの光を照射した
ところ、pH電極工2の値は下降し、13の値は上昇し
た。またイオン電極14及び15の値は変化を続けた。Next, when the 560 nm irradiation light was turned off and the value of the pH electrode returned to the value before irradiation, 442 nm light was irradiated from the left side of 11, the value of pH electrode 2 decreased, and the value of 13 increased. . Also, the values of ion electrodes 14 and 15 continued to change.
ここにおいて相異なる波長の光照射によって、双方向性
のプロトン輸送を制御し、さらにプロトン輸送による濃
度勾配を駆動力にしてモネンシンによってナトリウムイ
オンの透過性も同時に変化することが示された。Here, it was shown that bidirectional proton transport can be controlled by irradiation with light of different wavelengths, and that sodium ion permeability can also be changed simultaneously by monensin using the concentration gradient caused by proton transport as a driving force.
(実施例3)
実施例3では先に実施例1で挙げた相異なる波長の光照
射による双方向性のプロトン輸送とカリウムイオン透過
性の変化を、カリウムイオンに限定せずマグネシウムイ
オンの透過性の変化とすることを行った。(Example 3) In Example 3, the changes in bidirectional proton transport and potassium ion permeability due to light irradiation with different wavelengths mentioned in Example 1 were investigated not only for potassium ions but also for magnesium ions. Changes were made.
第10図においてイオノフオアフとしてマグネシウムイ
オノフオアであるA23187を2μM(バクテリオロ
ドプシン0.1mg/mI!あたり)を用い実施例4の
要領で平面膜を作製した。In FIG. 10, a flat membrane was prepared in the same manner as in Example 4 using 2 μM (about 0.1 mg/mI of bacteriorhodopsin) of A23187, which is a magnesium ionophore, as the ionophore.
第10図の平面膜8の左側からナフチルレチナールを用
いたアナログバクテリオロドプシンを含むプロテオリポ
ソーム(第9図の5)を融合・吸着・開裂させたものが
第11図である。同図における層全体を光透過性の材質
から成る浴槽11に静かに浸し静置したものが第12図
である。同図においてバクテリオロドプシンはプロトン
を左から右へ、アナログバクテリオロドプシンはプロト
ンを右から左へ輸送する方向で保持されている。FIG. 11 shows a proteoliposome containing an analog bacteriorhodopsin using naphthyl retinal (5 in FIG. 9) fused, adsorbed, and cleaved from the left side of the planar membrane 8 in FIG. 10. FIG. 12 shows the entire layer shown in FIG. 12 being gently immersed in a bathtub 11 made of a light-transmitting material and left standing. In the figure, bacteriorhodopsin is held in a direction in which protons are transported from left to right, and analog bacteriorhodopsin is held in a direction in which protons are transported from right to left.
同図において、溶液に浸した膜10を隔てて左側にはマ
グネシウムイオンを含有させ、右側には全く含有させな
い。但し、10の両側の浸透圧は等しくしておく。10
の両側にpH電極12.13及びマグネシウムイオン電
極14.15を浸しておく。In the figure, magnesium ions are contained on the left side of the membrane 10 immersed in the solution, and no magnesium ions are contained on the right side. However, the osmotic pressure on both sides of 10 should be equal. 10
A pH electrode 12.13 and a magnesium ion electrode 14.15 are immersed on both sides.
次に浴槽11の左側から560nmの可視光を照射した
ところ、pH電極12の値は上昇し、13の値は下降し
た。一方、イオン電極14の値は下降し、15の値は上
昇した。Next, when visible light of 560 nm was irradiated from the left side of the bathtub 11, the value of the pH electrode 12 increased, and the value of pH electrode 13 decreased. On the other hand, the value of ion electrode 14 decreased, and the value of ion electrode 15 increased.
次に560nmの照射光を消燈し、pH電極の値が照射
前に戻った後11の左側から442nmの光を照射した
ところ、pH電極12の値は下降し、13の値は上昇し
た。またイオン電極14及び15の値は変化を続けた。Next, when the 560 nm irradiation light was turned off and the pH electrode value returned to the value before irradiation, 442 nm light was irradiated from the left side of 11, the value of pH electrode 12 decreased, and the value of 13 increased. Also, the values of ion electrodes 14 and 15 continued to change.
ここにおいて相異なる波長の光照射によって、双方向の
プロトン輸送を制御し、さらにプロトン輸送による濃度
勾配を駆動力にしてA23187によってマグネシウム
イオンの透過性も同時に変化することが示された。Here, it was shown that bidirectional proton transport can be controlled by light irradiation with different wavelengths, and that the permeability of magnesium ions can also be changed simultaneously by A23187 using the concentration gradient caused by proton transport as a driving force.
本発明によれば、光を吸収してイオンを輸送する物質群
を利用して、光照射による選択的なイオン透過性を有す
るイオン透過膜を構成することができ、また膜イオン透
過性を光照射によって制御するときに、入射可視光の波
長域を広範囲に設定することができ、有効波長域を拡大
することも可能となる。According to the present invention, it is possible to construct an ion-permeable membrane that has selective ion permeability by light irradiation by using a group of substances that absorb light and transport ions, and to improve the membrane ion permeability by light irradiation. When controlling by irradiation, the wavelength range of incident visible light can be set over a wide range, and the effective wavelength range can also be expanded.
さらに、イオノフオアを光を吸収してイオンを輸送する
物質群と同一の膜内に保持することによって、光照射に
より1種に限らずに複数種のイオンの透過性毫制御でき
る。Furthermore, by holding the ionophore in the same membrane as the substance group that absorbs light and transports ions, the permeability of not only one type of ion but a plurality of types of ions can be controlled by light irradiation.
さらに、本発明の透過膜のイオン透過の方向を、入射波
長に応じて切り換え、かつ可逆的に変化させることも可
能となる。このことにより、イオン透過性の波長選択性
を大幅に改善することも可能である。Furthermore, the direction of ion transmission through the transmission film of the present invention can be switched and reversibly changed depending on the incident wavelength. This also makes it possible to significantly improve the wavelength selectivity of ion permeability.
イオン透過膜間のイオン濃度差は、イオン電極等により
容易に電気信号へ変換することが可能であるから、本発
明は、例えば光信号を電気信号へ変換する場合のように
、光情報処理産業あるいはオプトエレクトロニクス分野
において、光電変換素子を構成するのに貢献することが
大いに期待される。Since the difference in ion concentration between ion-permeable membranes can be easily converted into an electrical signal using an ion electrode, the present invention can be applied to the optical information processing industry, for example when converting an optical signal to an electrical signal. It is also highly expected that it will contribute to the construction of photoelectric conversion elements in the field of optoelectronics.
第1図及び第2図は本発明のイオン透過膜の構成を示す
模式的断面図、
第3図及び第4図(A、)、(B)は本発明のイオン透
過膜の原理を説明するためのイオン透過膜の模式的断面
図、
第5図、第6図(A)、(B)は本発明で利用するイオ
ン透過膜の原理を説明するために用いたイオン透過膜の
模式的断面図、
第7図及び第8図は本発明のイオン透過膜の構成を示す
断面図、
第9図〜第12図は実施例を説明する模式図である。
1・・・イオン透過膜
2・・・多孔性支持体
a・・・短波長側入射光
b・・・長波長側入射光
1a・・・短波長光受容蛋白質
1b・・・長波長光受容蛋白質
4・・・アナログバクテリオロドプシン5・・・プロテ
オリポソーム
6・・・バタテリオロドブシン
7・・・イオノフオア
8・・・脂質平面膜
9・・・プロテオリポソームが融合・吸着・開裂した脂
質平面膜
10・・・プロテオリポソームが融合・吸着・開裂した
脂質平面膜
11・・・浴槽
12.13・・・pH電極
1415・・・イオシ電極
第3開
ム
h−<
0−−−=0
+−−−〇
o−−一一一〇
o−m−−<
0−一一一一一〇
o−−−一−0
5−−O
Q−−−一−0
0−−−=。
o−一一一一〇
シーーー−0
0−−−<
0−−−一。Figures 1 and 2 are schematic cross-sectional views showing the structure of the ion permeable membrane of the present invention, and Figures 3 and 4 (A,) and (B) explain the principle of the ion permeable membrane of the present invention. Figures 5 and 6 (A) and (B) are schematic cross-sectional views of the ion-permeable membrane used to explain the principle of the ion-permeable membrane used in the present invention. 7 and 8 are cross-sectional views showing the structure of the ion-permeable membrane of the present invention, and FIGS. 9 to 12 are schematic views illustrating examples. 1... Ion permeable membrane 2... Porous support a... Short wavelength side incident light b... Long wavelength side incident light 1a... Short wavelength light receiving protein 1b... Long wavelength light receiving Protein 4...Analog bacteriorhodopsin 5...Proteoliposome 6...Batateriorhodobusin 7...Ionophore 8...Lipid planar membrane 9...Lipid planar membrane in which proteoliposomes are fused, adsorbed, and cleaved 10... Lipid planar membrane in which proteoliposomes are fused, adsorbed, and cleaved 11... Bathtub 12.13... pH electrode 1415... Iosi electrode 3rd opening h-< 0---=0 +- --〇o---1110o-m--< 0-111110o---1-0 5--O Q---1-0 0----=. o-11110 C--0 0---< 0--1.
Claims (10)
脂質膜中に担持しており、さらにイオノフオアを脂質膜
中に担持していることを特徴とするイオン透過膜。(1) Two or more types of substance groups with different sensitive wavelength ranges,
An ion-permeable membrane characterized by having an ionophore supported in a lipid membrane and further having an ionophore supported in the lipid membrane.
蛋白質及びその誘導体である請求項1記載のイオン透過
膜。(2) The ion-permeable membrane according to claim 1, wherein the substance group that performs the active ion transport is a photoreceptor protein or a derivative thereof.
ン、またはアイオドプシンのいずれかである請求項2記
載のイオン透過膜。(3) The ion-permeable membrane according to claim 2, wherein the photoreceptor protein is rhodopsin, polyphyllopsin, or iodopsin.
ハロロドプシンである請求項2記載のイオン透過膜。(4) The ion permeable membrane according to claim 2, wherein the photoreceptor protein is bacteriorhodopsin or halorhodopsin.
が同一方向になるよう配向されて脂質膜中に保持されて
いる請求項1記載のイオン透過膜。(5) The ion-permeable membrane according to claim 1, wherein the substance that actively transports ions is oriented and held in the lipid membrane so that ions permeate in the same direction.
イオン透過方向が逆向きになるよう配向されて脂質膜中
に保持されている請求項1記載のイオン透過膜。(6) The ion-permeable membrane according to claim 1, wherein the substance that actively transports ions is oriented and held in the lipid membrane so that the ion permeation direction is opposite between different types.
る請求項1記載のイオン透過膜。(7) The ion permeable membrane according to claim 1, wherein the ion permeable membrane is formed on a porous substrate.
は多孔性ガラスである請求項7記載のイオン透過膜。(8) The ion-permeable membrane according to claim 7, wherein the porous substrate is collagen, cellulose, or porous glass.
ル類、ポリエーテル、ポリアミン類またはサイクラム類
から選ばれる請求項1記載のイオン透過膜。(9) The ion permeable membrane according to claim 1, wherein the ionophore is selected from oligopeptides, polycorals, polyethers, polyamines, or cyclams.
選択して照射することにより該イオン透過膜のイオン透
過性を変化させることを特徴とするイオン透過膜のイオ
ン輸送方法。(10) A method for transporting ions in an ion-permeable membrane, comprising changing the ion permeability of the ion-permeable membrane by selectively irradiating the ion-permeable membrane with the wavelength of the light.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010143702A1 (en) * | 2009-06-08 | 2010-12-16 | ソニー株式会社 | Fuel cell, process for manufacture of fuel cell, electronic device, enzyme-immobilized electrode, biosensor, energy conversion element, cell, cell organelle, and bacterium |
WO2012096126A1 (en) * | 2011-01-11 | 2012-07-19 | ソニー株式会社 | Fuel cell, method for manufacturing fuel cell, electronic device, enzyme-immobilized electrode, biosensor, energy conversion element, cell, cell organelle, and bacterium |
-
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- 1989-03-18 JP JP1067365A patent/JP2840282B2/en not_active Expired - Fee Related
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WO2010143702A1 (en) * | 2009-06-08 | 2010-12-16 | ソニー株式会社 | Fuel cell, process for manufacture of fuel cell, electronic device, enzyme-immobilized electrode, biosensor, energy conversion element, cell, cell organelle, and bacterium |
WO2012096126A1 (en) * | 2011-01-11 | 2012-07-19 | ソニー株式会社 | Fuel cell, method for manufacturing fuel cell, electronic device, enzyme-immobilized electrode, biosensor, energy conversion element, cell, cell organelle, and bacterium |
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JP2840282B2 (en) | 1998-12-24 |
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