JPH04364298A - バイオ素子 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は生物の情報処理機能を
模倣したバイオ素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のコンピューターは、主として、シ
リコン半導体などの無機系材料によって構成されており
、フォン・ノイマン（ｖｏｎ　Ｎｅｕｍａｎｎ）　方式
によって直列型の論理演算を実行するもの（以下、ノイ
マン型コンピューターと称する。）であった。しかし、
この方式は、論理演算を正確に行うことは出来たが、多
数の情報を同時に並行して処理することが困難であり例
えばパターン認識などは不得意であるという欠点を有し
ていた。

【０００３】これに対し生体は、パターン認識などに代
表される多数の情報の並列処理を容易に行なう。したが
って、生体を模倣し人工的な素子を構築することは有用
である。ノイマン型コンピュータでは満足し得なかった
様々な機能をもつコンピュータ例えばバイオコンピュー
タなどの実現が期待できるからである。

【０００４】ここで、生体では、例えばパターン認識は
以下に述べるごとく行なわれると考えられている。先ず
画像入力部は視覚である。そして、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
を識別する桿状体細胞とが配列されている。図６は、こ
の桿状体細胞２０（以下、「桿状体２０」と称する場合
もある。）の構造を概略的に示した図である。図６にお
いて、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。

【０００５】網膜に配列された桿状体２０に外部（図６
右側）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。

【０００６】細胞質で増えたカルシウムイオンは外節１
７の細胞膜のナトリウムチャンネルを閉じ細胞の膜電位
の過分極を引き起す。これはシナプス接合部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。

【０００７】このように視覚では網膜上の視細胞の電位
変化の場が脳で情報として並列的に処理されパターンと
して認識される。したがって、生体の情報処理機能を模
倣するには、細胞での膜電位発生及びイオンチャンネル
のメカニズムを模倣した人工的な素子（ここではこの素
子を以下「バイオ素子」と称する。）の実現が重要にな
る。

【０００８】このようなバイオ素子の一例として、例え
ば文献（アナルズ　　ニューヨークアカデミー　　オブ
　　サイエンス（Ａｎｎａｌｓ　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ　Ａ
ｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　），Ｐａｒｔ
ＩＶ．ｐ．２４７−２６４（１９７６））に開示された
ものがあった。

【０００９】この文献に開示されたバイオ素子は、一方
の面が第一の電解質溶液と接し他方の面が前記第一の電
解質溶液とは溶質濃度が異なる第二の電解質溶液と接す
る脂質二分子膜に、電位に感受性を示してイオンチャン
ネルとしてふるまうタンパク質を組み込んで（電位感受
性イオンチャンネルを組み込んで）構成されていた。そ
して、脂質二分子膜は例えばレシチンで構成され、電位
感受性イオンチャンネルは例えばアラメチシンで構成さ
れていた。

【００１０】このバイオ素子では、第一及び第二の電解
質溶液間での濃度勾配を利用して脂質二分子膜に膜電位
を生じさせイオンチャンネルを駆動しようとするもので
あった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記文
献に開示のバイオ素子では、脂質二分子膜のイオン透過
抵抗が高いため、第一及び第二の電解質溶液間での濃度
勾配だけでは膜電位感受性イオンチャンネルを駆動する
に十分な膜電位をこの脂質二分子膜に生じさせることが
困難であった。したがって、脂質二分子膜の両面間に補
助的な電圧を別途に印加する必要があり、このため、脂
質二分子膜の寿命を短くしてしまうという問題点があっ
た。

【００１２】この発明はこのような点に鑑みなされたも
のであり、したがってこの発明の目的は、膜電位感受性
イオンチャンネルを駆動するために脂質二分子膜に補助
的に加える電圧を従来より低減できる構成のバイオ素子
を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明によれば、一方の面が第一の電解質溶液と
接し他方の面が前記第一の電解質溶液とは溶質濃度の異
なる第二の電解質溶液と接する脂質二分子膜に電位感受
性イオンチャンネルを組み込んで成るバイオ素子におい
て、前述の脂質二分子膜を、アニオン選択性のイオンチ
ャンネルを構成する物質及びカチオン選択性のイオンチ
ャンネルを構成する物質のいずれか一方を含む脂質で構
成したことを特徴とする。

【００１４】

【作用】この発明の構成によれば、脂質二分子膜はアニ
オン選択性イオンチャンネルまたはカチオン選択性のイ
オンチャンネルを具えたものとなるので、この脂質二分
子膜を挟んでいる第一の電解質溶液及び第二の電解質溶
液の一方から他方へ、アニオンまたはカチオンの移動が
起きる。この結果、第一の電解質溶液及び第二の電解質
溶液の一方においてアニオンまたはカチオン濃度が高ま
るので、脂質二分子膜の、両電解質溶液の濃度勾配に起
因する膜電位は、脂質二分子膜がアニオン選択性のイオ
ンチャンネルまたはカチオン選択性のイオンチャンネル
を具えない場合に比べ大きくなる。このため、膜電位感
受性イオンチャンネルを駆動するために別途に印加する
外的な電圧は、脂質二分子膜の膜電位が大きくなった分
、小さくできる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明のバイオ素子
の実施例について説明する。なお説明に用いる図はこの
発明が理解できる程度に各構成成分の寸法、形状及び配
置関係を概略的に示してあるにすぎない。また、この実
施例では、脂質としてレシチン（関東化学社製）を用い
、カチオン選択性イオンチャンネルを構成する物質とし
てバリノマイシン（ｓｉｇｍａ社製）を用い、膜電位感
受性イオンチャンネルを構成するタンパク質としてアラ
メチシン（ｓｉｇｍａ社製）を用い、脂質二分子膜を支
持するための支持体としてテフロンポットを用いる。 また、第一の電解質溶液を５ｍＭの濃度のＫＣｌ水溶液
とし、第二の電解質溶液を１００ｍＭの濃度のＫＣｌ水
溶液としている。もちろんこれら使用材料はこの発明の
範囲内の好適例にすぎない。また、以下に説明する薬品
使用量、薬品濃度、処理時間などの数値的条件及び処理
方法もこの発明の範囲内の好適例にすぎない１．脂質二
分子膜の作製方法の説明 先ず、溶媒としての５ｍｌのｎ−デカンに、５ｍｇのレ
シチンと所定量のバリノマイシンとを溶解して、脂質二
分子膜作製用溶液を調整する。具体的には、バリノマイ
シンの濃度を、レシチンに対して、１０−８Ｍ（モル／
ｌ）、１０−７Ｍ、１０−６Ｍ、１０−５Ｍ、１０−４
Ｍ、１０−３Ｍとそれぞれ違えて、６種類の脂質二分子
膜作製用溶液をそれぞれ調整する。

【００１６】次に、この脂質二分子膜作製用溶液をこの
場合小筆を用いて図２に示すようなテフロンポット１１
全面に塗布する。その後この塗膜を自然乾燥させる。こ
のような小筆による塗布及び自然乾燥の操作を３〜４回
繰り返し行い、テフロンポット１１全面を、バリノマイ
シンを含むレシチンの薄い層で完全に覆う。バリノマイ
シンの濃度が異なる複数種類の脂質二分子膜作製用溶液
それぞれも、別途にそれぞれ用意してあるテフロンポッ
ト１１に、上記手順と同様な手順でそれぞれ塗布する。

【００１７】ここで使用したテフロンポット１１は、図
２に示したように、円筒形状の容器であり、その壁の一
部を外部側から削ることにより壁厚さを極めて薄くした
部分を具えるもので、この薄くした部分に直径１．５ｍ
ｍの細孔部１３を具えているものである。また、その高
さＨが３０〜６０ｍｍ、直径（外径）φが６〜２５ｍｍ
のものである。

【００１８】次に、バリノマイシンを含むレシチンの薄
い層で覆われたテフロンポット１１内部に１００ｍＭの
濃度のＫＣｌ水溶液を適量入れる。そしてテフロンポッ
ト１１の開口口１１ａ（図２参照。）に蓋をし、その後
速やかに、５ｍＭの濃度のＫＣｌ水溶液が予め入れてあ
る容器中にこのテフロンポット１１を浸漬する。テフロ
ンポット１１はその内部の１００ｍＭの濃度のＫＣｌ水
溶液の液面と５ｍＭの濃度のＫＣｌ水溶液の液面とが同
じになるように容器中に浸漬する。図１はこの様子を示
した図である。図１中、２１は５ｍＭの濃度のＫＣｌ水
溶液、２３は５ｍＭの濃度のＫＣｌ水溶液２１が入れて
ある容器、２５はテフロンポット１１内に入れてある１
００ｍＭの濃度のＫＣｌ水溶液である。なお、図１では
、テフロンポット１１はその内部を明示するために断面
図で示してある。また、図１において２７ａ及び２７ｂ
は、膜電位を測定するための電極である。また、２９ａ
及び２９ｂは、脂質二分子膜に補助的に電圧を印加する
ための電極である。電極２７ａ、２９ａはテフロンポッ
ト１１内の１００ｍＭ濃度のＫＣｌ水溶液２１中に浸漬
してあり、電極２７ｂ，２９ｂはテフロンポット１１外
の５ｍＭ濃度のＫＣｌ水溶液２５中に浸漬してある。 さらに、電極２７ａ，２７ｂは図示しない電圧計に接続
してあり、電極２９ａ，２９ｂは図示しない電源に接続
してある。なお、これら電極の使用法は後述する。

【００１９】次に、バリノマイシンを含むレシチンの薄
い層で覆われたテフロンポット１１をＫＣｌ水溶液の入
った容器２３に浸漬した状態（図１の状態）で、このテ
フロンポット１１の細孔部１３に、上述の脂質二分子膜
作製用溶液を小筆で塗布する。その後、２時間程度放置
すると、この細孔部１３に、バリノマイシンを含む脂質
二分子膜３１（図１参照）が形成される。

【００２０】２．アラメチシン組み込み前の脂質二分子
膜の膜電位測定 次に、上述のように作製した脂質二分子膜３１の膜電位
を、電極２７ａ，２７ｂ及び図示しない電圧計を用いて
それぞれ測定する。

【００２１】図３は、バリノマイシンの濃度と、当該濃
度の脂質二分子膜で得られる膜電位との関係をプロット
した特性図である。横軸にバリノマイシンの濃度Ｌｏｇ
（Ｃ）モルとり、縦軸に膜電位（ｍＶ）をとって示して
ある。

【００２２】図３から明らかなようにバリノマイシンの
濃度が高い脂質二分子膜ほど膜電位が高くなることが分
かる。特にバリノマイシンの濃度が１０−５Ｍより高く
なると膜電位の増加が顕著になることが分かる。

【００２３】３．アラメチシンを組み込んだ脂質二分子
膜の特性測定 次に、バリノマイシンの濃度を１０−３Ｍとした脂質二
分子膜作製用溶液を用い形成した脂質二分子膜（これを
説明の都合上、以下、「実施例の脂質二分子膜」と称す
る。）が着いているテフロンポットを用い、次のような
実験をする。この説明は図１を参照して行う。

【００２４】まず、実施例の脂質二分子膜３１付きのテ
フロンポット１１の外部の５ｍＭ濃度のＫＣｌ水溶液２
１に、電位感受性イオンチャンネルを構成するタンパク
質であるアラメチシンを、ＫＣｌ水溶液２１に対して、
１０−９Ｍ程度の濃度で加える。そしてそのまま室温で
２時間程度放置する。これにより、実施例の脂質二分子
膜３１に電位感受性イオンチャンネルが組み込まれる。 この構造体が実施例のバイオ素子に相当する。

【００２５】次に、電極２９ａ側を正とし、電極２９ｂ
側を負とした状態で補助的電圧として１０ｍＶの電圧を
実施例の脂質二分子膜３１に印加する。すると、電極２
７ａ，２７ｂに接続してある電圧計（図示せず）で電位
の振動が観測された。

【００２６】図４はこの電位の振動を、縦軸に電圧（任
意単位）をとり、横軸に時間をとって示したものである
。

【００２７】また、比較例としてバリノマイシンを加え
ない脂質二分子膜すなわちレシチンのみから成る脂質二
分子膜（これを以下、「比較例の脂質二分子膜」と称す
る。）が着いたテフロンポットを用いかつアラメチシン
濃度は実施例同様にして比較例の脂質二分子膜で電位振
動を起こさせる実験を行う。即ち、従来構成のバイオ素
子で電位振動を起こさせる実験を行う。その結果、比較
例の脂質二分子膜の場合は、補助的電圧を３０〜６０ｍ
Ｖ印加しないと電位振動が生じないことが分かった。

【００２８】上述の電位振動は、アラメチシンで構成し
た電位感受性イオンチャンネルが駆動する（チャンネル
を開閉する）ことにより生じる。したがって、実施例お
よび比較例の結果から明らかなように、バリノマイシン
を含む脂質で脂質二分子膜を構成した場合の方が脂質二
分子膜を脂質のみで構成した場合より、電位感受性イオ
ンチャンネルを駆動するに必要な補助的電圧を小さくで
きることが分かる。

【００２９】また、比較例の脂質二分子膜では電位の振
動が数１０秒しか持続しなかった。比較例の脂質二分子
膜は数１０秒の電位振動後に破壊したのである。これに
対し、実施例の脂質二分子膜では電位の振動は数分間安
定に持続した。このことから、バリノマイシンを添加す
ることにより脂質二分子膜の寿命を長くできることが分
かる。

【００３０】次に、図１に示す測定系で、１００ｍＭの
濃度のＫＣｌ水溶液２５に、苦み物質であるキニーネの
種々の濃度で加えた場合、酸味物質であるＨＣｌを種々
の濃度で加えた場合、塩味物質であるＮａＣｌを種々の
濃度で加えた場合、甘み物質であるサッカロースを種々
の濃度で加えた場合各々の電位振動を、これら物質を加
えたこと以外は実施例と同様な手順でそれぞれ測定する
。そして、それぞれでの電位振動の周波数を算出した。 この結果を、横軸にキニーネ、ＨＣｌなどの濃度（単位
はモル濃度の対数表示）をとり縦軸に電位振動の周波数
（Ｈｚ）をとって図５に示した。なお、図５においてＩ
で示す特性がキニーネのもの、ＩＩで示す特性がＨＣｌ
のもの、ＩＩＩ　で示す特性がＮａＣｌのもの、ＩＶで
示す特性がサッカロースのものである。

【００３１】図５から明らかなように、実施例の脂質二
分子膜での電位振動の周期は、電解質溶液に添加する化
学物質の種類やその濃度に応じ特異的に変化することが
分かる。このような傾向はバリノマイシンを含んでいな
い比較例の脂質二分子膜（従来のバイオ素子）では知ら
れていたことであるが、バリノマイシンを含ませたこと
によってもこの傾向が変わらないことがここで確認でき
た。

【００３２】上述においてはこの発明のバイオ素子の実
施例について説明したが、この発明は上述の実施例に限
られるものではなく種々の変更を加えることができる。

【００３３】例えば、脂質二分子膜の支持体はテフロン
ポットに限られない。バイオ素子の設計に応じた適当な
ものとできる。

【００３４】また、実施例ではカチオン選択性イオンチ
ャンネルを構成する物質としてバリノマイシンを用いて
いたが、例えばモナクチンなどのような他の好適な物質
を用いても良い。

【００３５】また、実施例では電位感受性イオンチャン
ネルを構成する物質としてアラメチシンを用いていたが
、例えばＥＩＭ（Ｅｘｃｉｔａｂｉｌｉｔｙ　Ｉｎｄｕ
ｃｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　：興奮性誘発物質）、モナ
ゾマイシンまたはＤＪ４００Ｂなどの他の好適な物質を
用いても良い。

【００３６】また、実施理では脂質としてレクチンを用
いていたが、これも他の好適なものに変更できる。

【００３７】さらに、電解質溶液はＫＣｌ水溶液に限ら
れず他の好適なものでも良い。

【００３８】また、実施例はカチオン選択性イオンチャ
ンネルを構成する物質を含む脂質で脂質二分子膜を構成
した例であった。しかし、アニオン選択性イオンチャン
ネルを構成する物質を含む脂質で脂質二分子膜を構成し
た場合も実施例と同様な効果が期待できる。

【００３９】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明のバイオ素子によれば、脂質二分子膜に組み込ま
れた膜電位感受性イオンチャンネルを駆動するためにこ
の脂質二分子膜に補助的に加える電圧を従来より低減で
きるので、脂質二分子膜の寿命を長くできる。このため
、このバイオ素子で化学物質の判別定量センサなどを構
築した場合このセンサの長寿命化が期待できる。したが
って、生物を模倣した情報処理形態を持つバイオコンピ
ュータが実現された場合、その入力装置或はその出力装
置の構築に寄与することが期待出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のバイオ素子の説明に供する図である。

【図２】実施例のバイオ素子を構築するために用いた支
持体の説明に供する図である。

【図３】実施例の説明に供する図であり、バリノマイシ
ン濃度とその濃度でバリノマイシンを含む脂質二分子膜
の膜電位との関係を示す図である。

【図４】実施例の説明に供する図であり、アラメチシン
を組み込んだ後の脂質二分子膜での電位振動を示す図で
ある。

【図５】実施例の説明に供する図であり、実施例の脂質
二分子膜の電位振動の周波数が、化学物質の種類及び濃
度にどのように依存するかを示した特性図である。

【図６】従来技術の説明に供する図であり、桿状体細胞
を模式的に示した図である。

【符号の説明】

１１：テフロンポット １１ａ：テフロンポットの開口口 １３：細孔部 ２１：第一の電解質溶液（５ｍＭＫＣｌ水溶液）２３：
容器 ２５：第二の電解質溶液（１００ｍＭＫＣｌ水溶液）２
７ａ，２７ｂ：膜電位測定用電極 ２９ａ，２９ｂ：補助的電圧印加用電極３１：バリノマ
イシンを含む資質で構成した脂質二分子膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　一方の面が第一の電解質溶液と接し他
   方の面が前記第一の電解質溶液とは溶質濃度の異なる第
   二の電解質溶液と接する脂質二分子膜に電位感受性イオ
   ンチャンネルを組み込んで成るバイオ素子において、前
   記脂質二分子膜を、アニオン選択性のイオンチャンネル
   を構成する物質及びカチオン選択性のイオンチャンネル
   を構成する物質のいずれか一方を含む脂質で構成したこ
   とを特徴とするバイオ素子。