JPH0558490B2 - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
この発明は生物の細胞間における情報処理機能
を利用したバイオ素子及びその製造方法に関す
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a bioelement that utilizes the information processing function between cells of living organisms and a method for manufacturing the same.
(従来の技術)
従来のコンピーターの情報処理機能は、シリコ
ン半導体素子等によつて構成されており、フオ
ン・ノイマン(von Neumann)方式によつて直
列型の論理演算を実行する(以下、ノイマン型コ
ンピユーターと称する。)ものであつた。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並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。(Prior Art) The information processing function of a conventional computer is composed of silicon semiconductor elements, etc., and performs serial logical operations using the von Neumann method (hereinafter referred to as "Neumann"). (referred to as a model computer). Although this method can perform quick logical operations, it has the drawback that it is essentially difficult to process a large number of information in parallel.
一方、生体の機能のうち比較的研究が進んでい
るものの1つに視覚機能が有る。この視覚を司る
器官である目は視細胞によつて構成されている。
この視細胞、特に網膜上に配列している細胞は、
色彩を識別する錐状体細胞と明暗を感知する桿状
体細胞とに大別することができる。 On the other hand, one of the biological functions for which research is relatively advanced is the visual function. The eye, which is the organ responsible for vision, is made up of photoreceptor cells.
These photoreceptor cells, especially those arranged on the retina,
They can be roughly divided into cone cells, which distinguish colors, and rod cells, which detect light and darkness.
第5図は、桿状体細胞(以下、桿状体と称する
場合もある。)の概略図である。11は円盤膜、
13は結合繊毛、15はミトコンドリア、17は
ゴルジ体、19はミオイド、21は核、21は外
節、25は内節、27はシナプス接合部、28は
桿状体である。網膜に配列された桿状体28に外
部(図面左側)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)−レチールに変化することによつて円盤
膜11内に包含されているカルシウムイオンが汲
み出される。このカルウシウムイオンが汲み出さ
れることによつて桿状体28内にイオンの濃度勾
配を生じ、この濃度勾配が刺激(信号)となつて
シナプス接合部27に伝わり、以下、次々と神経
細胞間を伝播して行くことが知られている。ま
た、桿状体の円盤膜11は高度に分化した小器官
として多くの研究者によつて研究されており、光
応答性蛋白質であるロドブシンがその構成蛋白質
の大部分を占めている。 FIG. 5 is a schematic diagram of a rod cell (hereinafter sometimes referred to as a rod). 11 is the disc membrane,
13 is a connecting cilia, 15 is a mitochondria, 17 is a Golgi apparatus, 19 is a myoid, 21 is a nucleus, 21 is an outer segment, 25 is an inner segment, 27 is a synaptic junction, and 28 is a rod. When light enters the rod-shaped bodies 28 arranged in the retina from the outside (left side of the drawing), the disc membrane 11
The disc membrane 11 The calcium ions contained within are pumped out. As these calcium ions are pumped out, an ion concentration gradient is generated within the rod-shaped body 28, and this concentration gradient becomes a stimulus (signal) that is transmitted to the synaptic junction 27, which then successively passes between neurons. It is known to spread. The disc membrane 11 of the rod has been studied by many researchers as a highly differentiated organelle, and the photoresponsive protein rhodobusin accounts for most of its constituent proteins.
近年、上述したような生物学及び大脳生理学等
合の知見に基づいて、ノイマン型コンピユーター
では満足し得なかつた様々な機能を実現する試み
が多数の研究者によつて成されており、脳や神経
細胞といつた生物の持つ情報処理機能及び情報処
理用素子を応用して、非ノイマン型コンピユータ
ー、例えばバイオコンピユーターを実現すること
が期待されている。 In recent years, based on the knowledge of biology and cerebral physiology mentioned above, many researchers have attempted to realize various functions that could not be satisfied with Neumann type computers. It is expected that non-Neumann type computers, such as biocomputers, will be realized by applying information processing functions and information processing elements possessed by living things such as neurons.
(発明が解決しようとする問題点)
従来の無機決系及び有機系材料からなる半導体
を用いたフオンノイマン型コンピユーターの光応
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つて生ずる電流を出力
媒体とするものである。この従来の光応答性素子
では、電子の流れである電流のみによつて出力の
伝達がが行なわれるため、前述のような生物を模
做した情報処理形態を持つバイオコンピユーター
の情報処理装置、入力装置置及び出力装置として
使用するには、自ら限界が有るという問題点が有
つた。(Problems to be Solved by the Invention) Photoresponsive elements of conventional Von-Neumann type computers using semiconductors made of inorganic and organic materials convert incident photons as information from the outside into electrons. The output medium is the current generated by the In this conventional photoresponsive element, output is transmitted only by electric current, which is the flow of electrons. There was a problem in that it had its own limitations when used as a device and an output device.
また、従来、基板上に生体物質をパターン化す
るに当り、例えば基板にフオトレジストを塗布し
た後、スピンコーイングによつて生体物質試料を
付着させ、アセトン等の有機溶媒中で超音波処理
を行いフオトレジストを剥離させるといつた、所
謂、リフトオフによるパターン化方法等が知られ
ている。しかしながら、これらの方法では、製造
工程が複雑となり、バイオ素子を構成する生体物
質、特に不安定な蛋白質では変性してしまう場合
が有るという問題が有つた。 Conventionally, when patterning a biological material on a substrate, for example, after coating a photoresist on the substrate, a biological material sample is attached by spin-coating, and then subjected to ultrasonic treatment in an organic solvent such as acetone. A patterning method using so-called lift-off, in which the photoresist is peeled off by applying a photoresist, is known. However, these methods have problems in that the manufacturing process is complicated and biological materials constituting the biodevice, especially unstable proteins, may be denatured.
この出願の第一発明の目的は、外部からの光に
よる情報を種々のイオンに変換するためのバイオ
素子を提供することに有る。 The object of the first invention of this application is to provide a bioelement for converting information from external light into various ions.
また、この出願の第二発明の目的は、汎用性が
有るバイオ素子を信頼性高く、かつ容易に製造で
きる方法を提供することに有る。 Further, the second invention of this application is to provide a method for easily manufacturing a versatile bioelement with high reliability.
(問題点を解決するための手段)
この目的の達成を図るため、この発明のバイオ
素子によれば、基板と、この基板上に単層の二次
元配列として固定された複数のプロテオリポソー
ムを具えており、このプロテオリポソームは、リ
ン脂質よりなる人工小胞と光応答性膜蛋白質とを
少なくとも含む複合体からなつていて前述のプロ
テオリポソームに入力した光を当該プロテオリポ
ソーム内外のイオンの移動に変換する性質を有し
ていることを特徴とする。(Means for Solving the Problems) In order to achieve this objective, the biodevice of the present invention comprises a substrate and a plurality of proteoliposomes immobilized on the substrate as a two-dimensional array in a single layer. This proteoliposome is composed of a complex containing at least an artificial vesicle made of phospholipid and a photoresponsive membrane protein, and converts the light input into the proteoliposome mentioned above into movement of ions inside and outside the proteoliposome. It is characterized by having the property of
この発明の実施にあたり、好ましくは、この基
板上に前述の複数のプロテオリポソームを単層の
二次元配列とするための固定は、この基板上に二
次元配列で固定された抗原又は抗体のいずれか一
方の結合因子と前述のプロテオリポソーム中に挿
入されている他方の結合因子との抗原抗体反応に
よる結合で行う。 In carrying out this invention, preferably, the plurality of proteoliposomes described above are immobilized on this substrate in a single-layer two-dimensional array by either antigens or antibodies immobilized on this substrate in a two-dimensional array. The binding is performed by an antigen-antibody reaction between one binding factor and the other binding factor inserted into the aforementioned proteoliposome.
この発明のバイオ素子の製造方法によれば、基
板上に、リン脂質よりなる人工小胞と光応答性膜
蛋白質とを少なくとも含む複合体からなる複数の
プロテオリポソームを、単層の二次元配列として
固定してなり、このプロテオリポソームに入射し
た光を当該プロテオリポソーム内外のイオンの移
動に変換するバイオ素子を製造するに当たり、
前述の基板上に抗原又は抗体のいずれか一方の
結合因子を単層の二次元配列のパターンとして固
定し、
前述の抗原又は抗体の他方の結合因子を前述の
プロテオリポソーム中に挿入し、及び
前述の一方及び他方の双方の結合因子を抗原抗
体反応によつて互いに結合させることにより前述
のプロテオリポソームをこの基板上に単層の二次
元配列として固定する
ことを特徴とする。 According to the method for manufacturing a biodevice of the present invention, a plurality of proteoliposomes each consisting of a complex containing at least an artificial vesicle made of a phospholipid and a photoresponsive membrane protein are arranged in a single-layer two-dimensional array on a substrate. In manufacturing a biodevice that converts light incident on proteoliposomes into movement of ions inside and outside the proteoliposomes, a single layer of binding factors for either antigens or antibodies is placed on the aforementioned substrate. immobilized as a two-dimensional array pattern, inserting the other binding factor of the aforementioned antigen or antibody into the aforementioned proteoliposome, and binding both the aforementioned one and the other binding factors to each other by an antigen-antibody reaction. As a result, the aforementioned proteoliposomes are immobilized on this substrate as a two-dimensional array in a single layer.
この方法発明の好適実施例によれば、前述の一
方の結合因子を抗体とし、及び前述の他方の結合
素子を抗原とするのが良い。 According to a preferred embodiment of the method invention, one of the aforementioned binding factors is an antibody and the other aforementioned binding element is an antigen.
また、この方法発明の好適実施例にによれば、
前述の一方の結合因子の単層の二次元配列のパタ
ーンは前述の基板上に一様に付着固定された当該
一方の結合因子にイオンビーム又はエレクトロン
ビームを照射し、被照射部分を変性除去すること
により形成するのが良い。 Also, according to a preferred embodiment of this method invention:
The monolayer two-dimensional array pattern of one of the above-mentioned binding factors is produced by irradiating the above-mentioned one of the binding factors uniformly adhered and fixed on the above-mentioned substrate with an ion beam or an electron beam, and denaturing and removing the irradiated portion. It is better to form it by
さらに、この方法発明によれば、好ましくは、
前述の他方の結合因子の前述のプロテオリポソー
ム中への挿入は、この他方の結合因子を可溶化抽
出液に添加することにより行うのが良い。 Furthermore, according to this method invention, preferably:
Insertion of the other binding factor into the proteoliposome is preferably carried out by adding the other binding factor to the solubilized extract.
また、上述したバイオ素子及びその製造方法の
いずれかの発明の実施に当り、上述の抗体がγ−
グロプリン、また上述の抗原はハプテンを結合さ
せたリン脂質とするのが抗適である。 Further, in carrying out any of the inventions of the above-mentioned biodevice and its manufacturing method, the above-mentioned antibody may be γ-
Glopulins and the above-mentioned antigens are preferably hapten-conjugated phospholipids.
(作用)
この出願の第一発明のバイオ素子は、生体物質
及び生体類似物質を素材とした素子であり、高等
生物における情報入力手段である視覚に関わる器
官を模做して構成されたものである。(Function) The bio-element of the first invention of this application is an element made of biological material or bio-analogous material, and is constructed in imitation of an organ related to vision, which is an information input means in higher organisms. be.
従つて、このバイオ素子は、これら生物の情報
処理機構を模做して基板上に、リン脂質より成る
人工小胞と膜蛋白質とを少なくとも含む複合体か
ら成るプロテオリポソームを、単層の二次元配列
として成る素子である。 Therefore, this biodevice imitates the information processing mechanism of these living things by placing proteoliposomes, which are complexes containing at least artificial vesicles made of phospholipids and membrane proteins, on a single-layer, two-dimensional structure. It is an element formed as an array.
以下、この出願の第一発明のバイオ素子の原理
につき図面を参照して説明する。 Hereinafter, the principle of the biodevice of the first invention of this application will be explained with reference to the drawings.
第6図は、この発明のバイオ素子の原理を説明
するための素子断面図である。29は光応答性蛋
白質(以下この明細書では、光応答性蛋白質を例
えばロドプシンとして表現している場合もあ
る。)、31は円盤膜11を構成しているリン脂
質、33は可溶性蛋白質、35はリン脂質とハプ
テンを共有結合させて合成したリン脂質抗原であ
る。また、第1図AおよびBにおいて、37はリ
ン脂質抗原35に対して得られた抗体、39は基
板、41は球状のプロテオリポソーム、43は脂
質二重層である。また、第6図において、矢印a
は外部からの信号としての光、矢印bは、矢印a
の信号を受けて放出されるイオンである。尚、こ
れら抗原35及び抗体37は、抗原−抗体反応を
行うための結合因子である。 FIG. 6 is a sectional view of the biodevice of the present invention for explaining the principle thereof. 29 is a photoresponsive protein (hereinafter in this specification, the photoresponsive protein may be expressed as, for example, rhodopsin); 31 is a phospholipid that constitutes the disc membrane 11; 33 is a soluble protein; 35 is a phospholipid antigen synthesized by covalently bonding a phospholipid and a hapten. In addition, in FIGS. 1A and B, 37 is an antibody obtained against the phospholipid antigen 35, 39 is a substrate, 41 is a spherical proteoliposome, and 43 is a lipid bilayer. Also, in FIG. 6, arrow a
is light as a signal from the outside, arrow b is arrow a
This is an ion that is released in response to a signal. Incidentally, these antigen 35 and antibody 37 are binding factors for performing an antigen-antibody reaction.
このバイオ素子は、光応答性蛋白質29、リン
脂質31及びリン脂質抗原35から構成されてい
るプロテオリポソーム41が基板39上に抗体3
7を介して固定された構成となつている。この固
定は、プロテオリポソーム41の脂質二重層43
に含まれるリン脂質抗原35と、このリン脂質抗
原35に対して得られた抗体37との間に生ずる
抗原−抗体反応により行われる。 In this biodevice, a proteoliposome 41 composed of a photoresponsive protein 29, a phospholipid 31, and a phospholipid antigen 35 is placed on a substrate 39 by an antibody 3.
It has a fixed configuration via 7. This fixation is achieved by the lipid bilayer 43 of the proteoliposome 41.
This is carried out by the antigen-antibody reaction that occurs between the phospholipid antigen 35 contained in the phospholipid antigen 35 and the antibody 37 obtained against the phospholipid antigen 35.
また、この図では、プロテオリポソーム41の
内部及び外部の環境については省略して示してい
るが、プロテオリポソーム41の内部及び外部
は、生体物質を保護するための水溶液で満たされ
ている(以下、特別に記載のない場合、リボソー
ムの内部及び外部の環境は、これに準ずるものと
する。)さらに、プロテオリポソーム41の内部
には、このバイオ素子の情報伝達物質であるカル
シウムイオンが包含されている(後述)。従つて、
このバイオ素子に光が当ると、プロテオリポソー
ム41に挿入されているロドプシン29の作用に
よつて、プロテオリポソーム41内のカルシウム
イオンが外部に汲み出される。 Furthermore, in this figure, the internal and external environments of the proteoliposome 41 are omitted, but the internal and external environments of the proteoliposome 41 are filled with an aqueous solution for protecting biological materials (hereinafter referred to as Unless otherwise specified, the internal and external environments of the ribosome shall conform to this.) Furthermore, the interior of the proteoliposome 41 contains calcium ions, which are the information transmitting substance of this bioelement. (described later). Therefore,
When this bioelement is exposed to light, calcium ions within the proteoliposome 41 are pumped out by the action of rhodopsin 29 inserted into the proteoliposome 41.
また、この出願の第二発明であるバイオ素子の
製造方法によれば、目的の蛋白質である光応答性
蛋白質29がプロテオリポソーム41に挿入され
ている。このプロテオリポソーム41を基板に固
定するための抗体37を基板39上に単分子膜と
して形成する。次に、イオンビーム等によつて基
板39上の抗体37を変性除去し、プロテオリポ
ソーム41の脂質二重層43に含まれるリン脂質
抗原35と抗原−抗体反応を行わせることによつ
て基板39上のプロテオリポソーム41をパター
ン化する。 Further, according to the method for manufacturing a biodevice, which is the second invention of this application, a photoresponsive protein 29, which is a target protein, is inserted into a proteoliposome 41. An antibody 37 for immobilizing this proteoliposome 41 on the substrate is formed as a monolayer on the substrate 39. Next, the antibody 37 on the substrate 39 is denatured and removed using an ion beam or the like, and an antigen-antibody reaction is performed with the phospholipid antigen 35 contained in the lipid bilayer 43 of the proteoliposome 41. The proteoliposomes 41 are patterned.
(実施例)
以下、図面を参照して、この発明のバイオ素子
とその製造方法の実施例につき詳細に説明する。(Example) Hereinafter, examples of the biodevice of the present invention and its manufacturing method will be described in detail with reference to the drawings.
可溶化抽出液の調製
まず始めに、ウシの眼球から暗順応した網膜を
剥離し、この網膜の構造を破壊するため、エリト
ロデキストリン−リンゲル液中に懸濁、撹拌して
視細胞浮遊液を調製する。この時に用いたリンゲ
ル液は、NaClが0.65重量%、KClが0.014重量%、
CaCl2が0.012重量%、NaHCO3が0.012重量%と
なるように調製し、このリンゲル液にエリトロデ
キストリンを加えて、比重を1.10としたものをエ
リトロデキストリン−リンゲル液として使用し
た。この視細胞浮遊液を遠心分離機によつて、上
述したエリトロデキストリン−リンゲル液の1.10
から約1.07の範囲で密度勾配遠心する。この遠心
によつて沈降する画分を採取することによつて外
節画分が得られる。Preparation of solubilized extract First, the dark-adapted retina was detached from the bovine eyeball, and in order to destroy the retinal structure, it was suspended in erythrodextrin-Ringer's solution and stirred to prepare a photoreceptor cell suspension. do. The Ringer's solution used at this time contained 0.65% by weight of NaCl, 0.014% by weight of KCl,
CaCl 2 and NaHCO 3 were prepared to be 0.012% by weight and 0.012% by weight, and erythrodextrin was added to this Ringer's solution to give a specific gravity of 1.10, which was used as an erythrodextrin-Ringer's solution. This photoreceptor suspension was centrifuged to obtain 1.10% of the erythrodextrin-Ringer's solution mentioned above.
Centrifuge the density gradient in a range of approximately 1.07 to 1.07. The outer segment fraction is obtained by collecting the fraction that precipitates during this centrifugation.
次に、この外節画分をシヨ糖溶液に懸濁して洗
浄した後、遠心分離して分取する。これら上述の
精製操作により、ほぼ単一な円盤膜画分を得るこ
とができる。尚、この実施例で説明する諸操作に
ついては、例えば文献:生化学実験講座、第14巻
「生体膜」、第431頁等に示される方法により行な
つた。 Next, this outer segment fraction is suspended in a sucrose solution, washed, and then separated by centrifugation. Through these purification operations described above, a substantially single disk membrane fraction can be obtained. The various operations described in this example were carried out by the methods described in, for example, the literature: Biochemistry Experimental Course, Volume 14, "Biological Membranes", Page 431.
続いて、この円盤膜画分を110mM NaCl、
2mM KCl、1.8mM CaCl2及び20mMシヨ糖から
なる水溶液(以下、この水溶液を溶液Nと称す
る。)に懸濁する。この円盤膜画分懸濁液に非イ
オン性界面活性剤Triton X−100(ポリオキシエ
チレングリコールp−t−オクチルフエニルエー
テルの商品名)を臨界ミセル濃度(約0.24mM)
以上添加して脂質二重層43を破壊する。これに
よつて得られた試料溶液(以下、可溶化抽出液と
称する。)の状態を第3図Aに示す。但し、この
図中、第6図の構成要素と同一のものについては
同一の符号を付して示している。尚、実際の状態
は非可溶性物質(即ち、光応答性蛋白質29とリ
ン脂質31)に上述の界面活性剤がミセル状に付
着した状態(可溶化状態)で可溶化抽出液を構成
しているが、図示の便宜上、第3図A及び後述の
第3図Bではこれらの非可溶性質を単分散の状態
として示している。 Subsequently, this disc membrane fraction was treated with 110mM NaCl,
Suspend in an aqueous solution (hereinafter, this aqueous solution is referred to as solution N) consisting of 2mM KCl, 1.8mM CaCl 2 and 20mM sucrose. The nonionic surfactant Triton
The above addition destroys the lipid bilayer 43. The state of the sample solution thus obtained (hereinafter referred to as solubilized extract) is shown in FIG. 3A. However, in this figure, the same components as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals. The actual state is such that the above-mentioned surfactant is attached to insoluble substances (i.e., photoresponsive protein 29 and phospholipid 31) in the form of micelles (solubilized state), forming a solubilized extract. However, for convenience of illustration, these insoluble properties are shown in a monodisperse state in FIG. 3A and FIG. 3B described later.
この可溶化操作において、可溶化剤をTriton
X−100としたが、これ以外の、例えばNP−40
等の非イオン性界面活性剤であれば蛋白質に対す
る悪影響(活、変性等)が少ないため好適であ
る。 In this solubilization procedure, the solubilizer is
X-100, but other than this, such as NP-40
A nonionic surfactant such as the above is preferable because it has less adverse effects (activation, denaturation, etc.) on proteins.
プロテオリポソームの再構成
このようにして得られた可溶化抽出液に、式
(次頁)でされるリン脂質抗原35(この実施例
では他方の結合因子に対応する。)をリン脂質3
1の1重量%程度加え、均一となるよう撹拌す
る。この状態の可溶化抽出液を第3図Bに示す。Reconstitution of proteoliposomes Phospholipid antigen 35 (corresponding to the other binding factor in this example) expressed by the formula (next page) was added to the solubilized extract thus obtained.
Add about 1% by weight of 1 and stir until uniform. The solubilized extract in this state is shown in FIG. 3B.
上述のリン脂質抗原35を加えた可溶化抽出液
を透析膜に入れ、前述の溶液Nを透析外液とし
て、コール酸透析法の変法により可溶化剤を除去
してプロテオリポソーム41を再構成させた。 The above-mentioned solubilized extract containing the phospholipid antigen 35 is placed in a dialysis membrane, the above-mentioned solution N is used as the external dialysis solution, and the solubilizing agent is removed by a modified cholic acid dialysis method to reconstitute proteoliposomes 41. I let it happen.
第2図は、上述の操作によつて得られたプロテ
オリポソーム41の模式的な断面図である。この
図から理解できるように、プロテオリポソーム4
1の脂質二重層43にロドプシン29が脂質二重
層43を貫通した状態で挿入されており、この脂
質二重授層43より内部には、外部と隔絶された
状態で、円盤膜11を構成していた可溶性蛋白質
33の一部が前述の透析外液と共に包含されてい
る。さらに、この脂質二重相層43は、円盤膜1
1を構成していたリン
脂質31と人為的に加えらたれリン脂質抗原35
とから構成されている。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of proteoliposome 41 obtained by the above-described operation. As can be understood from this figure, proteoliposome 4
Rhodopsin 29 is inserted into the lipid bilayer 43 of 1, penetrating the lipid bilayer 43, and the disc membrane 11 is formed inside the lipid bilayer 43, isolated from the outside. A part of the soluble protein 33 contained in the dialysis fluid is contained together with the above-mentioned dialysis fluid. Furthermore, this lipid double phase layer 43
The phosphorus that made up 1 Lipid 31 and artificially added phospholipid antigen 35
It is composed of.
また、リン脂質抗原35は式からも理解でき
る通り、その親水性基に芳香環を有するため、頭
部極性基がが嵩高くなつている。従つて、脂質二
重層43においては、曲率の高い外側の層に存在
する確率が高い。これと同様に、プロテオリポソ
ーム41における光応答性蛋白質29も、前述の
方法のように充分な時間を経て再構成すれば、生
体内と同一の方向性を以つて挿入されていると思
われる。 Furthermore, as can be understood from the formula, the phospholipid antigen 35 has an aromatic ring in its hydrophilic group, so the head polar group is bulky. Therefore, in the lipid bilayer 43, there is a high probability that it exists in the outer layer with high curvature. Similarly, if the photoresponsive protein 29 in the proteoliposome 41 is reconstituted after a sufficient period of time as in the method described above, it is thought that it will be inserted in the same direction as in vivo.
また、この実施例では、リン脂質抗原35の添
加量をリン脂質31の重量%程度としたが、この
添加量は、素子を構成するプロテオリポソーム4
1が基板39に付着している抗体37(この実施
例では一方の結合因子に対応する。)と抗原−抗
体反応を起こして基板39に固定されるために充
分な量であれば、1重量%以上或いは1重量%未
満でも良い。 Further, in this example, the amount of the phospholipid antigen 35 added was approximately % by weight of the phospholipid 31, but this amount was
1 by weight is sufficient to cause an antigen-antibody reaction with the antibody 37 (corresponding to one binding factor in this example) attached to the substrate 39 and to be immobilized on the substrate 39. % or more or less than 1% by weight.
抗体付着基板の形成
以下、この発明のバイオ素子を構成するための
基板39に抗体を単分子膜として形成する処理操
作について説明する。この実施例では、基板表面
の平面性と処理操作の簡便さとからガラス基板を
用いた場合につき説明するが、ポリスチレン等、
その他任意好適な材料からなる基準としても良
い。Formation of Antibody-Adhering Substrate Hereinafter, a processing operation for forming an antibody as a monomolecular film on the substrate 39 for constructing the biodevice of the present invention will be described. In this example, we will explain the case where a glass substrate is used due to the flatness of the substrate surface and the ease of processing operations, but polystyrene etc.
The reference may be made of any other suitable material.
まず、予めオクタデシルトリクロロシランに基
板を浸漬することによつて、基板表面を疎水化処
理する。 First, the substrate surface is hydrophobized by immersing the substrate in octadecyltrichlorosilane in advance.
また、ラングミユーアープロジエツト
(Langmuir−Blodgett)膜形成装置の水槽に前
述の溶液Nを満たし、リン脂質抗原35(特に
式のリン脂質抗原の芳香環近傍)に対して得られ
た抗体37(γ−グロプリン)を前述のリンゲル
液に1mg/mlの濃度で溶解した後、この抗体溶液
を上述の水槽の水面上に展開させ、水表面を圧縮
することによつて、上述の水面上に抗体37の単
分子膜を形成する。この分子膜は、抗体分子の持
つ極性分布のため、ある一定の方向性、即ち抗体
の抗原との結合領域(Fab領域)を下にして形成
される。 In addition, the water tank of the Langmuir-Blodgett membrane forming apparatus was filled with the above-mentioned solution N, and the antibody 37 obtained against the phospholipid antigen 35 (particularly near the aromatic ring of the phospholipid antigen of the formula γ-Globulin) was dissolved in the aforementioned Ringer's solution at a concentration of 1 mg/ml, this antibody solution was spread on the water surface of the aforementioned water tank, and by compressing the water surface, the antibody 37 was dissolved on the aforementioned water surface. forms a monolayer of Due to the polar distribution of antibody molecules, this molecular membrane is formed in a certain direction, ie, with the antigen-binding region ( Fab region) of the antibody facing down.
続いて、この抗体37からなる単分子膜を水平
付着法により、表面を疎水化処理した基板39の
表面に移し取り、基板38上に単層のLB膜を形
成する。第4図Aは、この状態の基板39を模式
的に示した基板断面図である。45は抗体37か
らなるLB膜を示している。上述の方法によつて、
抗体37が抗原結合領域を上にして、疎水化処理
した基板39上に単分子膜(以下、基板39に付
着した抗体37の単分子膜をLB膜47と称す
る。)が形成される。 Subsequently, this monomolecular film composed of the antibody 37 is transferred by a horizontal adhesion method onto the surface of the substrate 39 whose surface has been made hydrophobic, thereby forming a single layer LB film on the substrate 38. FIG. 4A is a sectional view schematically showing the substrate 39 in this state. 45 indicates the LB membrane consisting of antibody 37. By the method described above,
A monomolecular film of the antibody 37 is formed on the hydrophobized substrate 39 with the antigen-binding region facing upward (hereinafter, the monomolecular film of the antibody 37 attached to the substrate 39 is referred to as LB film 47).
また、この実施例では、LB膜形成装置を用い
て基板39の表面上に抗体37を付着させるとし
たが、簡単のためには疎水処理を施した基板39
を前述の抗体溶媒(γ−グロブリンを1mg/mlに
溶解したもの)に直接浸漬しても、抗体37を基
板39上に吸着させることができる。 Furthermore, in this example, the antibody 37 was attached onto the surface of the substrate 39 using an LB film forming apparatus, but for simplicity, the substrate 37 was subjected to hydrophobic treatment.
The antibody 37 can also be adsorbed onto the substrate 39 by directly immersing it in the aforementioned antibody solvent (γ-globulin dissolved at 1 mg/ml).
LB膜付着基板のパターン化処理
次に、LB膜付着基板のパターン化処理につき
説明する。Patterning process of LB film attached substrate Next, patterning process of LB film attached substrate will be explained.
LB膜47を形成した基板39は、抗体37が
不要となる部分(プロテオリポソーム41を固定
化しない部分)を例えばガリウムイオン等のイオ
ンビーム、或いはエレクトロビームを走査しなが
ら照射して変性除去する。この除去処理によつ
て、基板39の表面上に、200nm間隔で抗体37
による単層の二次元パターンを作成した。第4図
Bは、この状態を模式的に示した基板断面図であ
る。 The substrate 39 on which the LB film 47 is formed is denatured and removed by irradiating the portion where the antibody 37 is unnecessary (the portion where the proteoliposome 41 is not immobilized) with an ion beam such as gallium ions or an electro beam while scanning. By this removal process, antibodies 37 are formed on the surface of the substrate 39 at intervals of 200 nm.
A single-layer two-dimensional pattern was created using the method. FIG. 4B is a cross-sectional view of the substrate schematically showing this state.
二次元アレーの作成
上述のLB膜47を二次元パターン化した基板
39は、前述の再構成されたプロテオリポソーム
41を懸濁した溶液N中に浸漬することによつて
抗原−抗体反応を行なわせる。これによりプロテ
オリポソームの単層の二次元アレー形成された状
態を第第1図Aに示す。Creation of two-dimensional array The substrate 39 on which the above-mentioned LB film 47 has been two-dimensionally patterned is immersed in a solution N in which the above-mentioned reconstituted proteoliposomes 41 are suspended to perform an antigen-antibody reaction. . The state in which a monolayer two-dimensional array of proteoliposomes was thus formed is shown in FIG. 1A.
第1図Aは再構成したプロテオリポソーム41
を基板39に固定した状態を模式的な素子基板断
面図として示したものである。 Figure 1A shows reconstituted proteoliposome 41
is shown as a schematic cross-sectional view of the element substrate in a state where it is fixed to the substrate 39.
さらに第1図Bは、上述の方法によつて作成し
たバイオ素子が二次元アレー状に配列された状態
を示すため、バイオ素子の一部分を模式的に示し
た斜視図である。 Further, FIG. 1B is a perspective view schematically showing a portion of the biodevices, in order to show that the biodevices produced by the above-described method are arranged in a two-dimensional array.
光応答性の確認
この発明のバイオ素子が光に応答することを確
認するため、上述の方法によつて作成したバイオ
素子に可視光を照射した後、このバイオ素子が浸
漬されている溶液Nの部分標品を採取した。Confirmation of photoresponsiveness In order to confirm that the biodevice of the present invention responds to light, the biodevice prepared by the above method was irradiated with visible light, and then the solution N in which the biodevice was immersed was irradiated with visible light. A partial specimen was collected.
採取した溶液Nのカルシウムイオンの定量は、
Quin2(同仁化学研究所製、商品名)を用いてカ
ルシウムイオンをキレートさせた後、励起波長
340nm、蛍光波長490nmで蛍光強度を測定するこ
とにより行なつた。この測定によれば、可視光照
射の前後で、明らかに有意な外部溶液のカルシウ
ムイオン増加(データは示していない。)が認め
られ、光応答性蛋白質の作用によつて、この発明
のバイオ素子がプロテオリポソーム41の包含さ
れているカルシウムイオンを外部に汲み出してい
ることを確認した。 Quantification of calcium ions in the collected solution N is as follows:
After chelating calcium ions using Quin2 (manufactured by Dojindo Laboratories, trade name), the excitation wavelength was
This was done by measuring the fluorescence intensity at 340nm and a fluorescence wavelength of 490nm. According to this measurement, a clearly significant increase in calcium ions in the external solution was observed before and after visible light irradiation (data not shown). It was confirmed that the calcium ions contained in proteoliposome 41 were pumped out.
上述した実施例は、この発明の理解を容易にす
るための好適例であり、これらの数値的条件は、
この発明の目的の範囲内で設計の変更等が可能で
あること明らかである。例えば、上述の実施例で
は、バイオ素子の作成にウシロドプシンを用いた
が、この他のイカロドプシン、ニワトリのアイオ
ドプシン、フナのボルフイロプシン、好塩菌のバ
クテリオロドプシン(但し、バクテリアドプシン
はプロトンの膜透過を行なう。)等を用いること
もできる。 The above-described embodiments are preferred examples to facilitate understanding of the present invention, and these numerical conditions are as follows:
It is clear that changes in design are possible within the scope of the purpose of this invention. For example, in the above-mentioned example, bovine rhodopsin was used to create the biodevice, but other types of icarhodopsin, chicken iodopsin, crucian carp borphylopsin, and halophilic bacteriorhodopsin (however, bacterial dopsin is a proton membrane Transmission.) etc. can also be used.
また、上述した実施例では、基板39上に抗体
37を付着させ、リン脂質抗原35をプロテオリ
ポソーム41の脂質二重層43に挿入して抗原−
抗体反応を行わせた場合とした。しかしながら、
前述の単分子膜を付着させる方法によつて基板3
9上にリン脂質抗原35を付着させ、一方、例え
ばリン脂質31と抗体35にグルタルアルデヒド
及びマレイミド化合物等の架橋剤を作用させて架
橋したものをプロテオリポソーム41の脂質二重
層43に挿入することによつても同様の結果を得
ることが期待できる。 Further, in the above-described embodiment, the antibody 37 is attached onto the substrate 39, and the phospholipid antigen 35 is inserted into the lipid bilayer 43 of the proteoliposome 41, so that the antigen-
This is the case where an antibody reaction was performed. however,
The substrate 3 is formed by the above-described method of attaching a monomolecular film.
9, and on the other hand, for example, the phospholipid 31 and antibody 35 are crosslinked by acting on a crosslinking agent such as glutaraldehyde and a maleimide compound, and then inserted into the lipid bilayer 43 of the proteoliposome 41. It is expected that similar results will be obtained by
また、この発明のバイオ素子の製造方法では、
基板上にプロテオリポソームを固定する結合因子
として抗体と抗原とを例示して説明したが、これ
らの結合因子を、例えば卵白中に含まれるアビジ
ンとビオチンに置換えることによつて、この発明
と同様のバイオ素子を得ることができる。 Furthermore, in the method for manufacturing a biodevice of the present invention,
Although antibodies and antigens have been described as examples of binding factors that immobilize proteoliposomes on a substrate, by replacing these binding factors with avidin and biotin contained in egg white, for example, a method similar to this invention can be obtained. bio-elements can be obtained.
(発明の効果)
上述した説明から明らかなように、この出願の
第一発明であるバイオ素子は、基板上にプロテオ
リポソーム単層で二次元配列された状態で外部信
号としての光に速やかに応答してイオンを放出す
るため、新規な画像情報入力装置として利用する
ことができる。(Effects of the Invention) As is clear from the above description, the biodevice which is the first invention of this application rapidly responds to light as an external signal in a two-dimensional array of proteoliposome monolayers on a substrate. Since it emits ions, it can be used as a new image information input device.
また、この出願の第二発明であるバイオ素子の
製造方法によれば、基板上の抗体をイオンビーム
等によつてパターン化し、然る後、固定化するた
め、外部信号に応答する生体物質に対して蛋白質
の変性等といつた悪影響を及ぼすことが少ない。
さらに、この製造方法によれば、プロテオリポソ
ームを構成するリン脂質にハプテンを結合させた
リン脂質抗原を一方の結合因子とし、これに対し
て得られた抗体を他方の結合因子とする抗原−抗
体反応を利用しているため、抗体が抗原と結合す
る際に起きる生理活性の不活性化及び蛋白質の沈
殿等の悪影響を生じることなく応答性生体物質を
基板上に固定することができる。 In addition, according to the method for manufacturing a biodevice, which is the second invention of this application, antibodies on a substrate are patterned using an ion beam or the like and then immobilized, so that the antibodies respond to external signals. However, there are few adverse effects such as protein denaturation.
Further, according to this production method, an antigen-antibody in which one binding factor is a phospholipid antigen obtained by binding a hapten to a phospholipid constituting a proteoliposome, and an antibody obtained against the phospholipid antigen is the other binding factor. Since a reaction is utilized, a responsive biological substance can be immobilized on a substrate without adverse effects such as inactivation of physiological activity and precipitation of proteins that occur when an antibody binds to an antigen.
第1図Aは、この発明のバイオ素子の実施例を
説明するための模式的な素子基板断面図、第1図
Bは、この発明のバイオ素子及びその製造方法を
説明するための模式的な素子基板斜視図、第2図
は、この発明のバイオ素子を構成するプロテオリ
ポソームを説明するための模式的な断面図、第3
図A及びBは、この発明のバイオ素子の製造方法
を説明するための可溶化抽出液の状態説明図、第
4図A及びBは、この発明のバイオ素子の製造方
法における単分子膜の付着状態を説明するための
基板断面図、第5図は、桿状体の説明に供する細
胞の概略図、第6図は、この発明の作用を説明す
るためにプロテオリポソームの断面を模式的に示
した断面図である。
11…円盤膜、13…結合繊毛、15…ミトコ
ンドリア、17…ゴルジ体、19…ミオイド、2
1…核、23…外節、25…内節、27…シナプ
ス接合部、28…桿状体、29…光応答性蛋白質
(ロドプシン)、31…リン脂質、33…可溶性蛋
白質、35…リン脂質抗原、37…抗体、39…
基板、41…プロテオリポソーム、43…脂質二
重層、45…LB膜。
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a device substrate for explaining an embodiment of the biodevice of the present invention, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view for explaining the biodevice of the present invention and its manufacturing method. FIG. 2 is a perspective view of the device substrate, and FIG.
Figures A and B are explanatory diagrams of the state of the solubilized extract for explaining the method for producing bioelements of the present invention, and Figures 4A and B are for the attachment of monomolecular films in the method for producing bioelements of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view of a substrate to explain the state, FIG. 5 is a schematic diagram of a cell to explain the rod-shaped body, and FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a proteoliposome to explain the action of the present invention. FIG. 11... Disc membrane, 13... Connecting cilia, 15... Mitochondria, 17... Golgi apparatus, 19... Myoid, 2
1... Nucleus, 23... Outer segment, 25... Inner segment, 27... Synaptic junction, 28... Rod, 29... Light responsive protein (rhodopsin), 31... Phospholipid, 33... Soluble protein, 35... Phospholipid antigen , 37...antibody, 39...
Substrate, 41... Proteoliposome, 43... Lipid bilayer, 45... LB membrane.
Claims (1)
固定された複数のプロテオリポソームを具えてお
り、該プロテオリポソームは、リン脂質よりなる
人工小胞と光応答性膜蛋白質とを少なくとも含む
複合体からなつていて該プロテオリポソームに入
力した光を当該プロテオリポソーム内外のイオン
の移動に変換する性質を有していることを特徴と
するバイオ素子。 2 特許請求の範囲第1項記載のバイオ素子にお
いて、 前記基板上に、前記複数のプロテオリポソーム
を単層の二次元配列とするための固定は、前記基
板上に二次元配列で固定された抗原又は抗体のい
ずれか一方の結合因子と前記プロテオリポソーム
中に挿入されている他方の結合因子との抗原抗体
反応による結合で行つている。 ことを特徴とするバイオ素子。 3 特許請求の範囲第2項記載のバイオ素子にお
いて、 前記抗体をY−グロブリンとする ことを特徴とするバイオ素子。 4 特許請求の範囲第2項記載のバイオ素子にお
いて、 前記抗原をハプテンが結合されているリン脂質
とする ことを特徴とするバイオ素子。 5 基板上に、リン脂質よりなる人工小胞と光応
答性膜蛋白質とを少なくとも含む複合体からなる
複数のプロテオリポソームを、単層の二次元配列
として固定してなり、前記プロテオリポソームに
入射した光を当該プロテオリポソーム内外のイオ
ンの移動に変換するバイオ素子を製造するに当た
り、 前記基板上に抗原又は抗体のいずれか一方の結
合因子を単層の二次元配列のパターンとして固定
し、 前記抗原又は抗体の他方の結合因子を前記プロ
テオリポソーム中に挿入し、及び 前記一方及び他方の双方の結合因子を抗原抗体
反応によつて互いに結合させることにより前記プ
ロテオリポソームを前記基板上に単層の二次元配
列として固定する ことを特徴とするバイオ素子の製造方法。 6 特許請求の範囲第5項記載のバイオ素子の製
造方法において、 前記一方の結合因子を抗体とし、及び前記他方
の結合素子を抗原とする ことを特徴とするバイオ素子の製造方法。 7 特許請求の範囲第5項記載のバイオ素子の製
造方法において、 前記一方の結合因子の単層の二次元配列のパタ
ーンは、前記基板上に一様に付着固定された当該
一方の結合因子にイオンビーム又はエレクトロン
ビームを照射し、被照射部分を変性除去すること
により形成する ことを特徴とするバイオ素子の製造方法。 8 特許請求の範囲第5項記載のバイオ素子の製
造方法において、 前記他方の結合因子の前記プロテオリポソーム
中への挿入は、該他方の結合因子を可溶化抽出液
に添加することにより行う ことを特徴とするバイオ素子の製造方法。 9 特許請求の範囲第5項記載のバイオ素子の製
造方法において、 前記抗体をY−グロブリンとし、及び 前記抗原をハプテンが結合されているリン脂質
とする ことを特徴とするバイオ素子の製造方法。[Claims] 1. Comprising a substrate and a plurality of proteoliposomes immobilized on the substrate as a two-dimensional array in a single layer, the proteoliposomes comprising artificial vesicles made of phospholipids and a photoresponsive membrane. 1. A biodevice comprising a complex containing at least a protein and having a property of converting light input into the proteoliposome into movement of ions inside and outside the proteoliposome. 2. In the biodevice according to claim 1, the immobilization of the plurality of proteoliposomes to form a two-dimensional array in a single layer on the substrate includes antigens immobilized on the substrate in a two-dimensional array. Alternatively, binding is performed by an antigen-antibody reaction between one of the binding factors of the antibody and the other binding factor inserted into the proteoliposome. A bio element characterized by: 3. The biodevice according to claim 2, wherein the antibody is Y-globulin. 4. The biodevice according to claim 2, wherein the antigen is a phospholipid to which a hapten is bound. 5 A plurality of proteoliposomes each consisting of a complex containing at least an artificial vesicle made of phospholipid and a photoresponsive membrane protein are immobilized on a substrate as a two-dimensional array in a single layer. In manufacturing a biodevice that converts light into movement of ions inside and outside the proteoliposome, a binding factor for either an antigen or an antibody is immobilized on the substrate as a two-dimensional array pattern in a single layer, and the antigen or Inserting the other binding factor of the antibody into the proteoliposome, and binding both the one and the other binding factors to each other by an antigen-antibody reaction, thereby forming the proteoliposome into a monolayer two-dimensional structure on the substrate. A method for manufacturing a biodevice, characterized by fixing it in an array. 6. The method for manufacturing a biodevice according to claim 5, wherein the one binding factor is an antibody, and the other binding device is an antigen. 7. In the method for manufacturing a biodevice according to claim 5, the monolayer two-dimensional array pattern of the one binding factor is formed on the one binding factor uniformly adhered and immobilized on the substrate. 1. A method for producing a bio-element, characterized in that the bio-element is formed by irradiating an ion beam or an electron beam and denaturing and removing the irradiated portion. 8. In the method for producing a biodevice according to claim 5, the other binding factor is inserted into the proteoliposome by adding the other binding factor to the solubilized extract. Characteristic method for manufacturing biodevices. 9. The method for manufacturing a biodevice according to claim 5, wherein the antibody is Y-globulin, and the antigen is a phospholipid to which a hapten is bound.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61256940A JPS63111428A (en) | 1986-10-30 | 1986-10-30 | Bioelement and its production |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61256940A JPS63111428A (en) | 1986-10-30 | 1986-10-30 | Bioelement and its production |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63111428A JPS63111428A (en) | 1988-05-16 |
JPH0558490B2 true JPH0558490B2 (en) | 1993-08-26 |
Family
ID=17299475
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP61256940A Granted JPS63111428A (en) | 1986-10-30 | 1986-10-30 | Bioelement and its production |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS63111428A (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2727469B2 (en) * | 1988-08-29 | 1998-03-11 | キヤノン株式会社 | Method for forming proteoliposomes |
JPH079380B2 (en) * | 1990-09-18 | 1995-02-01 | スタンレー電気株式会社 | Method for producing photoelectric conversion member |
JPH05226637A (en) * | 1991-06-28 | 1993-09-03 | Oki Electric Ind Co Ltd | Method for aligning fine object and manufacture of bio element, method for aligning ultra fine particle, fine wiring method, and manufacture of polarizer using the aligning method |
-
1986
- 1986-10-30 JP JP61256940A patent/JPS63111428A/en active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS63111428A (en) | 1988-05-16 |
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