JPH0428165A - タンパク質を電子素子とする電極系 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、タンパク質を電子素子とする電極系に関する
。さらに詳しく述べると、電子機能を持つタンパク質を
用いて電子デバイスを作るためには、タンパク質の機能
を外部より電気的にコントロールする必要がある。その
ためには、タンパク質内の電子を電極へ取り出したり、
逆にタンパク質内に入れたりする技術を構築する必要が
ある。本発明は、このタンパク質−電極間の電子伝達を
可能にする方法を提供するものである。

本発明は、タンパク質を一つの電子素子として用いるバ
イオチップなどのエレクトロニクス産業、バイオセンサ
ーなどの医療分野、バイオリアクターなどの食品工業、
生物電池などのエネルギー産業等の分野で利用可能であ
る。

〔従来の技術〕

電子デバイスとして利用できるタンパク質としては、生
体内電子伝達系タンパク質や酸化還元酵素など、電子を
分子内に出し入れする事によって、その性質の変化する
ものが考えられている。そして、これらのタンパク質を
電子デバイスとして利用するためには、電子を分子内に
自由に出し入れしてその機能をコントロールしてやる必
要がある。すなわち、タンパク質と電極間の電子伝達を
可能にする必要がある。しかし、一般に、タンパク質が
電子を保持する部分は分子内の奥深くに隠れている場合
が多く、電子を出し入れする事は非常に困難である。

このため、第１図に示すようにメディエータ−３を用い
てタンパク質１内の電子を電極２に運ぶ方法（図中、メ
ディエータ−の略号ＭＲ。

Ｍｏの右下の符号Ｒは還元作用、０は酸化作用を示す）
、第２図に示すようにプロモーター４を用いてタンパク
質１の電子を電極２へ出やすくするように分子を配向さ
せる方法、第３図に示すように分子導線５を用いる方法
等がある。

第２図に示すようにプロモーターを使っテ電子伝達を可
能にした例は、チトクロームＣというタンパク質に限ら
れており、他のタンパク質に適応できるプロモーターは
まだ見つかっていない。一方、分子導線の研究は、補酵
素ＦＡＤやポルフィリン分子をもつグルコースオキシダ
ーゼとチトクロームＣについて行なわれているが、かな
り大変な化学合成の方法を用いる必要があり、必ずしも
他のタンパク質に応用できるものではない。

これに対し、メディエータ−は、かなり多くのタンパク
質に適用できる事が分かっている。

メディエータ−の役割は、タンパク質の中で電子の存在
する部位に潜り込んで電子を受は取り、これを電極に運
ぶ（逆も可）役割を果たす。従って、メディエータ−は
その機能上、溶液中を自由に拡散できなくてはならない
。しかし、電子デバイスを作るためには、電極基板上に
機能を担う分子をすべて固定する必要がある。これはメ
ディエータ−を固定する事につながり、メディエータ−
の機能を奪う事になってしまう。

最近、この問題を解決する目的で、ラングミュア・プロ
ジェット膜内の脂肪酸や導電性高分子膜内に拡散できる
状態でメディエータ−を閉じ込めて、タンパク質と電極
の間での電子伝達を可能にしたという報告がなされてい
る（石塀、佐久間、原、勝部、山口、内円、下材、１９
８９年秋季応用物理学会予稿集、９７９及びフォウルズ
（Ｎ、　Ｃ，Ｆｏｕｌｄｓ）　、Ｏウニ（Ｃ、、Ｒ、Ｌ
ｏｖｅ）Ａｎａｌ、　Ｃｈｅｎ＋、　６０．２４７３（
１９８ｇ））　。これらの場合、メディエータ−を脂肪
酸や高分子中の鎖に共有結合する事によって、膜内に安
定に閉じ込め、しかもある程度の拡散を可能にしている
。しかし、共有結合というめんどうな手段を用いる必要
があり、また共有結合という比較的強い化学結合によっ
てメディエータ−が膜内に閉じ込められるため、メディ
エータ−の動きかにふくなるという問題がある。特にタ
ンパク質を膜内に固定した場合、メディエータ−とタン
パク質の動きはにふくなり、両分子間の反応速度は著し
く低下する。

〔発明が解決しようとする課題〕

タンパク質と電極間の電子伝達を可能にする方法として
はメディエータ−を使う方法が最も有望であるが、これ
を電極近傍に簡単な方法で閉じ込め、しかもメディエー
タ−の機能を依然として保持させる方法はなかった。

本発明は、簡便な方法でメディエータ−を電極近傍に閉
じ込め、タンパク質と電極間の電子伝達を可能にしよう
とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、前記目的を達成するために、電極に被
覆された高分子膜中にメディエータ−を閉じ込め、上記
高分子膜に電子素子としてのタンパク質を接触せしめて
なる電極系において、上記高分子としてイオン交換樹脂
を、またメディエータ−としてその対イオン（イオン交
換樹脂と逆の電荷をもつイオン）を用い、このようにし
てイオン交換樹脂中に閉じ込められたメディエータ−を
介してタンパク質内の電子を出し入れできるようにした
ことを特徴とするタンパク質を電子素子とする電極系が
提供される。

〔発明の作用〕 本発明は、タンパク質と電極間での電子伝達を可能にす
るメディエータ−を簡便な方法で電極近傍に閉じ込める
ものである。

このためのポイントは、電極上に被覆された高分子中に
メディエータ−を安定に閉じ込める事と、この閉じ込め
られたメディエータ−をある程度自由に拡散できるよう
にする事である。

本発明においては、高分子中にメディエータ−を閉じ込
めるために静電気力を用いる。すなわち、正もしくは負
の電荷をおびた高分子（イオン交換樹脂）にそれと逆の
電荷をもつメディエータ−を閉じ込める。

本発明の構成例の概略を、タンパク質が高分子の中にあ
る場合と外にある場合について、第４図と第５図にそれ
ぞれ示す。但し、この場合は高分子６が負の電荷をもっ
ている場合であり（高分子の官能基のイオンを一〇で略
示する）、メディエータ−３ａ（略号ｏ＋）はその正の
電荷と高分子６の負の電荷との間のクーロン力によって
引き付けられ、高分子内に閉じ込められる。このように
構成する事によって、メディエータ−３ａは選択的に高
分子膜７内に存在でき、しかも共有結合よりも弱いクー
ロン力によって高分子膜７内に閉じ、込められているた
め、ある程度自由に拡散する事ができる。そして、この
高分子６は、高分子内外のタンパク質１にメディエータ
−３ａを介して電子を与えたり、逆に奪ったりすること
ができ、結果として、このタンパク質１と電極２間の電
子伝達が可能となる。

以上、高分子が負の電荷を持っている場合を例に挙げて
説明したが、本発明はこれに限られるものではない。上
記作用説明から明らかなように、本発明の特徴はクーロ
ン力によってメディエータ−を高分子膜内に閉じ込める
ことにあり、このため、高分子としてイオン交換樹脂（
正又は負のいずれの電荷をもつものでもよい）を用いる
と共に、メディエータ−としてその対イオン（イオン交
換樹脂と逆の電荷をもつイオン）を用いるものである。

〔実　施　例〕

以下、実施例を示して本発明について具体的に説明する
。

イオン交換膜としては下記式（Ａ）で示されるナフィオ
ン（Ｎａｆｉｏｎ＞膜（アルドリッチ（Ａｊｄｒｉｃｈ
）社製、コードナンバー２７，４７０−４）、タンパク
質としてはグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）、メディ
エータ−としてはメルト−ラブル−（Ｍｅｌｄｏｌａ　
Ｂｌｕｅ）、電極としてはＩＴＯ（酸化スズと酸化イン
ジウムの合金）を用いた。

−（ＣＦ２ＣＦ２）　、　（ＣＦＣＦ２）７　　　　　
　　・・・（Ａ）０−Ｃ３Ｆ６−０−ＣＦ２ＣＦ２−８
Ｏ３−なお、メルト−ラブル−は以下の化学式を有メル
トーラブルー還元体 （略号　ＭＢＨ） 水溶液中では電離しており、メルト−ラブル−酸化体（
ＭＢ”　’）となっている。

まず、グルコースを燃料とし、酵素としてグルコースオ
キシダーゼを用いた生物電池の電極反応について説明す
る。ＣＯＤは補酵素ＦＡＤ（フラビンアデニンジヌクレ
オチド）をもち、これが電子を受は入れる部分である。

ＧＯＤはグルコースをグルコノラクトンに分解する酵素
であり、この反応の過程で、ＣＯＤ内のＦＡＤは電子２
個とプロトンをグルコースより受は取ってＦＡＤＨ２と
なる（下記（１）式）。

・・・　（１） （グルコース）　　　（グルコノラクトン）メルト−ラ
ブル−（ＭＢ”）は、ＦＡＤＨ２より電子を受は取り還
元状態（ＭＢＨ）となる（下記（ＩＩ）式）。

この還元状態のメルト−ラブル−を電極で酸化する事に
よって、結果としてＣＯＤ内の電子を電極に伝えた事に
なる（下記（ｍ）式）。

以上のような反応により、グルコースを燃料として電子
をとりだす生物電池となる。これらの過程の全体図を第
６図に示す。また、このような電気信号（酸化電流）を
とり出して、グルコースの濃度を測定するグルコースセ
ンサーとして用いることができる。

本実施例では、第７図に示すように、正の電荷をもつＭ
Ｂ″″を負の電荷をもつナフィオン膜７ａに閉じ込めよ
うとするものである。

ナフィオンのＩＴＯ上への被覆は以下のようにした。す
なわち、５Ｘ１２．５＋ｓｍ’の面積のＩＴＯに、エタ
ノールで１％に稀釈したナフィオン溶液を１００μｇ滴
下して乾燥させた。

次に、０．１ＭのＫ（ｌと２００μＭのメルト−ラブル
−ＭＢ＋を溶かした溶液中にこのナフィオン被覆電極を
数分浸漬する事によって、ＭＢ’をナフィオン膜中に閉
じ込める。この電極を取り出してよく水洗した後、Ｏ，
ＩＭ、ｐＨ−７，０のリン酸緩衝溶液中でサイクリック
ポルタンメトリーの測定を行った。第８図に示すように
、メルト−ラブル−の酸化と還元のピークが現われ、メ
ルト−ラブル−がナフィオン膜中に閉じ込められている
事が分かる。

次に、第９図に示す測定装置を用いて、第７図に示した
事が可能かどうかを調べた。ここで、作用電極１１はメ
ルト−ラブル−を含んだナフィオン被覆ＩＴＯ電極、対
極１２は１０Ｘ５−の白金板、参照電極１８はＡ　ｇ／
Ａ　ｇ　Ｃ９電極でこの電極に接している電解質溶液１
９は飽和ＫＣＦである。作用電極側の電解質溶液１３は
０．１Ｍ％ｐＨ−７，０のリン酸緩衝溶液で、１０μＭ
のＣＯＤが溶けている。また、作用電極側は、バブラー
１４によってＮ２ガス１５を吹き込み、酸素を除去して
あり、また容器１゜の電解質溶液１３と他の容器１７の
電解質溶液１９は、塩橋１６によって接続されている。

ポテンショスタット２０は、作用電極１１の電位を参照
電極１８を基準して設定できる装置で、今回はＯｍＶと
した。この電圧は、ＭＢＨを酸化（電子を奪う）してＭ
Ｂ“にするのに充分な電位である。作用電極の反応はレ
コーダー２１によって記録される。

第１０図に、容器１０内にグルコースを９゜ｒｎＭ加え
た時の作用電極に流れる（電子が電極に入る）電流変化
を示す。第１０図かられかるように、グルコースの添加
に対応して電子がＧＯＤ→ＭＢ’→電極に伝わる事が分
かる。

なお、メルト−ラブル−の入っていないナフィオン被覆
電極、及びメルト−ラブル−が単に吸着した電極を使っ
た場合は、グルコースを添加しても電流変化は現われな
かった。また、４実験で起こる現象が、ナフィオン膜中
より溶出に溶は出したメルト−ラブル−の作用でない等
は確認しである。

本発明は、ナフィオン膜、ＣＯＤ、メルト−ラブル−に
限ったものではなく、一般に、イオン交換樹脂と電荷を
もつメディエータ−１種々のタンパク質に適用できる。

また、タンパク質は必ずしも溶液に存在する必要はなく
、膜中に入っていてもよいし、膜表面に固定されていて
もよい。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明のタンパク質を電子素子とする電
極系によれば、メディエータ−は比較的弱いクーロン力
によって、電極に被覆されたイオン交換樹脂膜中に閉じ
込められるため、メディエータ−の比較的自由な拡散が
可能となる。従って、メディエータ−を介してのタンパ
ク質と電極との間の電子伝達が良好に行なわれる。

このように、タンパク質と電極間の電子伝達が可能にな
ることによって、タンパク質の電子機能を外部よりコン
トロールできる道が開け、コレは、短期的にはバイオセ
ンサー、バイオリアクター、生物電池、長期的にはバイ
オチップ構築の基盤技術となり得、これらの技術分野に
おいて極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図はタンパク質と電極との間の電子伝達
を行なう従来方法の概念を示す説明図、 第４図及び第５図は本発明の電極系の概念を示す説明図
、 第６図はグルコースを燃料とし、酵素としてグルコース
オキシダーゼ、メディエータ−としてメルト−ラブル−
を用いた生物電池の電極反応を示す概念図、 第７図は第６図と同様な本発明の電極系の電極反応の概
念図、 第８図はリン酸緩衝溶液０．１Ｍ、ｐＨ７・０中のメル
ト−ラブル−を含有するナフィオン被覆電極と含有しな
いナフィオン被覆電極を用いた場合のサイクリックボル
タモノグラムの経時変化を示すグラフ、 第９図は実施例において用いた電気化学測定装置の概略
構成図、 第１０図は実施例において作用電極側の電解質溶液にグ
ルコースを９０ｍＭ加えた時の作用電極に流れる電流変
化を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電極に被覆された高分子膜中にメディエーターを閉じ込
   め、上記高分子膜に電子素子としてのタンパク質を接触
   せしめてなる電極系において、上記高分子としてイオン
   交換樹脂を、またメディエーターとしてその対イオン（
   イオン交換樹脂と逆の電荷をもつイオン）を用い、この
   ようにしてイオン交換樹脂中に閉じ込められたメディエ
   ーターを介してタンパク質内の電子を出し入れできるよ
   うにしたことを特徴とするタンパク質を電子素子とする
   電極系。