JPH04273029A - バイオ素子 - Google Patents
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- JPH04273029A JPH04273029A JP3034175A JP3417591A JPH04273029A JP H04273029 A JPH04273029 A JP H04273029A JP 3034175 A JP3034175 A JP 3034175A JP 3417591 A JP3417591 A JP 3417591A JP H04273029 A JPH04273029 A JP H04273029A
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Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、生物の情報処理機能を
模倣したバイオ素子に関し、特に、化学物質による刺激
を電流の振動周期に変換するバイオ素子に関する。
模倣したバイオ素子に関し、特に、化学物質による刺激
を電流の振動周期に変換するバイオ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のコンピュータの情報処理機能はシ
リコン半導体等によって構成されており、フォン・ノイ
マン方式によって直列型の論理演算を実行するコンピュ
ータ（以下、ノイマン型コンピュータと称する）であっ
た。この方式は、迅速な論理演算を行うことはできるが
、多数の情報処理を同時に平行して行うことが本質的に
困難であるという欠点を有していた。
リコン半導体等によって構成されており、フォン・ノイ
マン方式によって直列型の論理演算を実行するコンピュ
ータ（以下、ノイマン型コンピュータと称する）であっ
た。この方式は、迅速な論理演算を行うことはできるが
、多数の情報処理を同時に平行して行うことが本質的に
困難であるという欠点を有していた。
【０００３】一方、生体の様々な機能は、例えば、脳に
おける情報処理や神経伝導、生体膜の情報受容・伝達機
能等があり、これらの機能は超並列的に行なわれている
。さらに具体的には、視覚機能は、以下に述べるごとく
画像の並列処理を行っている。視覚を司る器官である目
では、網膜上に色彩を識別する錐状体細胞と明暗を感知
する桿状体細胞２０が配列されている。
おける情報処理や神経伝導、生体膜の情報受容・伝達機
能等があり、これらの機能は超並列的に行なわれている
。さらに具体的には、視覚機能は、以下に述べるごとく
画像の並列処理を行っている。視覚を司る器官である目
では、網膜上に色彩を識別する錐状体細胞と明暗を感知
する桿状体細胞２０が配列されている。
【０００４】図２は、桿状体細胞２０の概略図である。
１１は円盤膜、１２は結合繊毛、１３はミトコンドリア
、１４はゴルジ体、１５はミオイド、１６は核、１７は
外節、１８は内節、１９はシナプス接合部、２０は桿状
体である。網膜に配列した桿状体２０に外部から光が入
射すると、円盤膜１１に存在する光応答性蛋白質である
ロドプシンに変化を生じ、このロドプシンに補欠分子族
として共有結合しているシス（ｃｉｓ）−レチナールが
トランス（ｔｒａｎｓ）−レチナールに変化することに
よって円盤膜１１内に包含されているカルシウムイオン
が細胞質に放出される。増加した細胞質中のカルシウム
イオンが外節１７の細胞膜のナトリウムチャンネルを閉
じ細胞膜の膜電位の過分極を引き起こす。これがシナプ
ス接合部１９への信号となり抑制性神経伝達物質の放出
速度が減少し、シナプス後ニューロンの興奮が起こる。 この信号は次々と神経細胞間を伝播して脳で高度に情報
処理される。このように、視覚では光によって生じた網
膜上の多数の視細胞の電位変化の場が脳で並列的に情報
処理されパターン認識される。
、１４はゴルジ体、１５はミオイド、１６は核、１７は
外節、１８は内節、１９はシナプス接合部、２０は桿状
体である。網膜に配列した桿状体２０に外部から光が入
射すると、円盤膜１１に存在する光応答性蛋白質である
ロドプシンに変化を生じ、このロドプシンに補欠分子族
として共有結合しているシス（ｃｉｓ）−レチナールが
トランス（ｔｒａｎｓ）−レチナールに変化することに
よって円盤膜１１内に包含されているカルシウムイオン
が細胞質に放出される。増加した細胞質中のカルシウム
イオンが外節１７の細胞膜のナトリウムチャンネルを閉
じ細胞膜の膜電位の過分極を引き起こす。これがシナプ
ス接合部１９への信号となり抑制性神経伝達物質の放出
速度が減少し、シナプス後ニューロンの興奮が起こる。 この信号は次々と神経細胞間を伝播して脳で高度に情報
処理される。このように、視覚では光によって生じた網
膜上の多数の視細胞の電位変化の場が脳で並列的に情報
処理されパターン認識される。
【０００５】近年、上述したような生物学および大脳生
理学等の知見に基づいて、ノイマン型コンピュータでは
満足し得なかった様々な機能を実現する試みが多数の研
究者によって成されており、非ノイマン型コンピュータ
、例えば、生体機能を実現したバイオコンピュータを実
現することが期待されている。このバイオコンピュータ
を実現するため、生体の持つ優れた機能を電子工学分野
に実現していこうという試みがなされており、現在、一
つ一つの生体機能を実現する個々のモデル素子の開発が
されつつある。例えば、生体物質あるいは生体類似物質
より成る人工小胞体（以下、リポソームという）を基板
上に二次元配列させたバイオ素子が既に提案されている
（特開昭６３−１１１４２８号公報参照）。
理学等の知見に基づいて、ノイマン型コンピュータでは
満足し得なかった様々な機能を実現する試みが多数の研
究者によって成されており、非ノイマン型コンピュータ
、例えば、生体機能を実現したバイオコンピュータを実
現することが期待されている。このバイオコンピュータ
を実現するため、生体の持つ優れた機能を電子工学分野
に実現していこうという試みがなされており、現在、一
つ一つの生体機能を実現する個々のモデル素子の開発が
されつつある。例えば、生体物質あるいは生体類似物質
より成る人工小胞体（以下、リポソームという）を基板
上に二次元配列させたバイオ素子が既に提案されている
（特開昭６３−１１１４２８号公報参照）。
【０００６】一方、従来、脂質二分子膜に膜蛋白質を埋
め込んで膜蛋白質の機能についての研究がなされていた
。例えば、脂質二分子膜にアラメチシン等の膜蛋白質を
埋め込んだものとして、例えば、ネイチャー，２１７巻
，７１３〜７１９頁，２月２４日，１９６８がある。 この文献には、脂質二分子膜に電流を印加するとによっ
て脂質二分子膜の両側のイオンを通過させるためにイオ
ンチャンネル機能を有する膜蛋白質の開閉機構が報告さ
れている。
め込んで膜蛋白質の機能についての研究がなされていた
。例えば、脂質二分子膜にアラメチシン等の膜蛋白質を
埋め込んだものとして、例えば、ネイチャー，２１７巻
，７１３〜７１９頁，２月２４日，１９６８がある。 この文献には、脂質二分子膜に電流を印加するとによっ
て脂質二分子膜の両側のイオンを通過させるためにイオ
ンチャンネル機能を有する膜蛋白質の開閉機構が報告さ
れている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来の無機系および有
機系材料からなる半導体を用いたノイマン型コンピュー
タの光応答性素子は、外部からの情報として入射した光
子を電子に変換することによって生ずる電流を出力媒体
とするものであり、このような情報処理形態では、生体
の持つ情報処理形態である超並列処理を実現するための
バイオコンピュータの情報処理装置、入力装置あるいは
出力装置として使用するには自ら限界があった。
機系材料からなる半導体を用いたノイマン型コンピュー
タの光応答性素子は、外部からの情報として入射した光
子を電子に変換することによって生ずる電流を出力媒体
とするものであり、このような情報処理形態では、生体
の持つ情報処理形態である超並列処理を実現するための
バイオコンピュータの情報処理装置、入力装置あるいは
出力装置として使用するには自ら限界があった。
【０００８】本発明においては、生体で行なわれている
超並列処理を人工的に実現すべく、従来のノイマン型コ
ンピュータに使用されていたシリコン素子の代わりに、
生体が有する蛋白質、脂質等を用いて超並列処理が可能
なバイオ素子の開発をするにあたり、生体細胞が持つ機
能の一つであるイオンチャンネルに着目して、化学物質
に応答する素子の研究を進めた。ところで、生体細胞は
、外界の刺激に応じて細胞内の代謝を変化させている。 この情報伝達機構の１つにイオンチャンネルがあり、普
段は閉じているが、刺激があると開いてイオンを細胞内
に流入させる働きがある。そこで、本発明は、このイオ
ンチャンネル効果を有する蛋白質を脂質二分子膜に取り
込んだ、化学物質の刺激を電気的な情報として変換する
素子を提供することを目的とする。
超並列処理を人工的に実現すべく、従来のノイマン型コ
ンピュータに使用されていたシリコン素子の代わりに、
生体が有する蛋白質、脂質等を用いて超並列処理が可能
なバイオ素子の開発をするにあたり、生体細胞が持つ機
能の一つであるイオンチャンネルに着目して、化学物質
に応答する素子の研究を進めた。ところで、生体細胞は
、外界の刺激に応じて細胞内の代謝を変化させている。 この情報伝達機構の１つにイオンチャンネルがあり、普
段は閉じているが、刺激があると開いてイオンを細胞内
に流入させる働きがある。そこで、本発明は、このイオ
ンチャンネル効果を有する蛋白質を脂質二分子膜に取り
込んだ、化学物質の刺激を電気的な情報として変換する
素子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明は、電位感受性イオンチャンネル蛋白質を組み
込んだ脂質二分子膜の両側が濃度差を有する溶液であり
、各溶液に電極が設けられていることを特徴とするバイ
オ素子としたものである。
、本発明は、電位感受性イオンチャンネル蛋白質を組み
込んだ脂質二分子膜の両側が濃度差を有する溶液であり
、各溶液に電極が設けられていることを特徴とするバイ
オ素子としたものである。
【００１０】
【作用】本発明は、このように、電位感受性イオンチャ
ンネル蛋白質を組み込んだ脂質二分子膜の両側が濃度差
を有する溶液であり、各溶液に電極を設けたので、各電
極間に自然発生的に生じる電流の振動パターンは、各化
学物質の種類およびその濃度に応じて種々に変化する。
ンネル蛋白質を組み込んだ脂質二分子膜の両側が濃度差
を有する溶液であり、各溶液に電極を設けたので、各電
極間に自然発生的に生じる電流の振動パターンは、各化
学物質の種類およびその濃度に応じて種々に変化する。
【００１１】
【実施例１】以下、本発明を実施例にて詳細に説明する
。５ｍｌのｎ−デカンに５ｍｇのリン脂質であるレシチ
ンを溶解し試験液とした。次に、図３に示す有底円筒形
の側面に約１．５ｍｍの孔径の透口２を設けたテフロン
（デュポン社の登録商標）製ポット１を用意する。この
ポット１の外周および内周の全面に前記試験液を小筆で
塗布し、自然乾燥するまで放置する。この操作を３〜４
回繰り返すことによって、ポット１全面をレシチンの薄
い層で完全に覆う。次に該ポット１の内部に４０ｍＭの
塩化カリウムＫＣｌ水溶液を満たす。内部の塩化カリウ
ム水溶液は透口２が微小であるため、その透口２から流
出しない。次に、純水で満たした容器に上記塩化カリウ
ム水溶液を満たしたポットをその上部を残して浸漬した
。純水中に浸漬されたままの状態で、ポット１に設けら
れている前記透口２に、小筆で前記試験液を塗った。 ２時間程度放置すると細孔部に脂質二分子膜が形成され
る。この脂質二分子膜は、脂質の疏水性部分が一分子づ
づ互いに向かい合い、外側の両面が親水性の部分となっ
た二分子膜となっている。
。５ｍｌのｎ−デカンに５ｍｇのリン脂質であるレシチ
ンを溶解し試験液とした。次に、図３に示す有底円筒形
の側面に約１．５ｍｍの孔径の透口２を設けたテフロン
（デュポン社の登録商標）製ポット１を用意する。この
ポット１の外周および内周の全面に前記試験液を小筆で
塗布し、自然乾燥するまで放置する。この操作を３〜４
回繰り返すことによって、ポット１全面をレシチンの薄
い層で完全に覆う。次に該ポット１の内部に４０ｍＭの
塩化カリウムＫＣｌ水溶液を満たす。内部の塩化カリウ
ム水溶液は透口２が微小であるため、その透口２から流
出しない。次に、純水で満たした容器に上記塩化カリウ
ム水溶液を満たしたポットをその上部を残して浸漬した
。純水中に浸漬されたままの状態で、ポット１に設けら
れている前記透口２に、小筆で前記試験液を塗った。 ２時間程度放置すると細孔部に脂質二分子膜が形成され
る。この脂質二分子膜は、脂質の疏水性部分が一分子づ
づ互いに向かい合い、外側の両面が親水性の部分となっ
た二分子膜となっている。
【００１２】次に、ポット外部に溶液濃度が１０−９Ｍ
程度になるように、アラメチシン（Ｓｉｇｍａ社製）を
加え室温で２時間程度放置して、脂質二分子膜にイオン
チャンネルとしての蛋白質を導入した。次に、このポッ
ト１を再び純水の入った容器３にポット１の上部を残し
て入れ、ポット１内の塩化カリウム溶液中および純水の
入った容器３中にそれぞれ電極４、５を挿入して、本発
明のバイオ素子を構成した。このようにして、イオンチ
ャンネルを有する脂質二分子膜の両側に濃度勾配を有す
る電解質が分かれた状態の、両電解質中に電極が設けら
れたバイオ素子を得た。
程度になるように、アラメチシン（Ｓｉｇｍａ社製）を
加え室温で２時間程度放置して、脂質二分子膜にイオン
チャンネルとしての蛋白質を導入した。次に、このポッ
ト１を再び純水の入った容器３にポット１の上部を残し
て入れ、ポット１内の塩化カリウム溶液中および純水の
入った容器３中にそれぞれ電極４、５を挿入して、本発
明のバイオ素子を構成した。このようにして、イオンチ
ャンネルを有する脂質二分子膜の両側に濃度勾配を有す
る電解質が分かれた状態の、両電解質中に電極が設けら
れたバイオ素子を得た。
【００１３】このバイオ素子の電極間には、自然発生的
に図４に示す３０〜６０ｍＶ程度の電位差を有する電流
の振動が計測された。次に、各種の化学物質に対する電
流の振動の変化を調べた。苦みを示すキニーネ、酸味を
示す塩酸ＨＣｌ、塩味を示す塩化ナトリウムＮａＣｌ、
甘味を示すサッカロースの各種濃度の溶液に対して、発
生する電流値の変化を調べた。図５にその実験データか
ら得られた各化学物質の濃度に対する電流振動パターン
の周波数を測定し、その値をプロットした。図５からわ
かるように、各化学物質の溶液は、その濃度によって、
本発明の素子の振動パターンが異なることがわかる。
に図４に示す３０〜６０ｍＶ程度の電位差を有する電流
の振動が計測された。次に、各種の化学物質に対する電
流の振動の変化を調べた。苦みを示すキニーネ、酸味を
示す塩酸ＨＣｌ、塩味を示す塩化ナトリウムＮａＣｌ、
甘味を示すサッカロースの各種濃度の溶液に対して、発
生する電流値の変化を調べた。図５にその実験データか
ら得られた各化学物質の濃度に対する電流振動パターン
の周波数を測定し、その値をプロットした。図５からわ
かるように、各化学物質の溶液は、その濃度によって、
本発明の素子の振動パターンが異なることがわかる。
【００１４】以上、本発明の実施例を説明したが、本発
明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣
旨に基づき種々の変形が可能である。例えば、本実施例
では、膜電位感受性イオンチャンネルはアラメチシンと
したが、ＥＩＭ、モナゾマイシン、ＤＪ４００Ｂなど他
のイオンチャンネルを用いても同様のバイオ素子の構築
が可能であることは明白である。
明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣
旨に基づき種々の変形が可能である。例えば、本実施例
では、膜電位感受性イオンチャンネルはアラメチシンと
したが、ＥＩＭ、モナゾマイシン、ＤＪ４００Ｂなど他
のイオンチャンネルを用いても同様のバイオ素子の構築
が可能であることは明白である。
【００１５】
【発明の効果】上述した説明から明らかなように、本発
明のバイオ素子は、化学物質に応答して、自然発生した
電流の振動を変化させるので、生物を模倣した情報処理
形態をもつバイオコンピュータの情報処理装置、入力装
置あるいは出力装置の構築に利用することができる。
明のバイオ素子は、化学物質に応答して、自然発生した
電流の振動を変化させるので、生物を模倣した情報処理
形態をもつバイオコンピュータの情報処理装置、入力装
置あるいは出力装置の構築に利用することができる。
【図１】本発明のバイオ素子の原理を示す。
【図２】桿状体細胞を示す概略図。
【図３】本発明のバイオ素子に用いられるポットを示す
。
。
【図４】本発明のバイオ素子の電流振動パターンを示す
。
。
【図５】本発明のバイオ素子の各種化学物質に対する周
波数変化を示す。
波数変化を示す。
１ ポット
２ 透口
３ 容器
４ ，５ 電極
Claims (1)
- 【請求項１】 電位感受性イオンチャンネル蛋白質を
組み込んだ脂質二分子膜の両側が濃度差を有する溶液で
あり、各溶液に電極が設けられていることを特徴とする
バイオ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3034175A JPH04273029A (ja) | 1991-02-28 | 1991-02-28 | バイオ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3034175A JPH04273029A (ja) | 1991-02-28 | 1991-02-28 | バイオ素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04273029A true JPH04273029A (ja) | 1992-09-29 |
Family
ID=12406871
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3034175A Withdrawn JPH04273029A (ja) | 1991-02-28 | 1991-02-28 | バイオ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04273029A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1327212C (zh) * | 2003-03-31 | 2007-07-18 | 株式会社东芝 | 样品液测定装置 |
| US7638092B2 (en) | 2004-09-17 | 2009-12-29 | Japan Science And Technology Agency | Artificial lipid bilayer membrane lipid substitution method, artificial lipid bilayer membrane obtained by using lipid substitution method, artificial lipid bilayer membrane formation device and ion permeation measuring device |
-
1991
- 1991-02-28 JP JP3034175A patent/JPH04273029A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1327212C (zh) * | 2003-03-31 | 2007-07-18 | 株式会社东芝 | 样品液测定装置 |
| US7638092B2 (en) | 2004-09-17 | 2009-12-29 | Japan Science And Technology Agency | Artificial lipid bilayer membrane lipid substitution method, artificial lipid bilayer membrane obtained by using lipid substitution method, artificial lipid bilayer membrane formation device and ion permeation measuring device |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19980514 |