JPH065730B2 - 機能性蛋白質複合体を用いた光電応答素子の製造方法 - Google Patents

機能性蛋白質複合体を用いた光電応答素子の製造方法

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JPH065730B2
JPH065730B2 JP1101648A JP10164889A JPH065730B2 JP H065730 B2 JPH065730 B2 JP H065730B2 JP 1101648 A JP1101648 A JP 1101648A JP 10164889 A JP10164889 A JP 10164889A JP H065730 B2 JPH065730 B2 JP H065730B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は光電応答素子の製造方法に関し、特に光合成生
物から得られる光合成反応ユニット等の機能性蛋白質複
合体を用いた光電応答素子の製造方法に関する。
[従来の技術] 植物、光合成細菌等の光合成生物は光合成反応に係わる
光合成器官を有する。光合成器官は脂質,光合成ユニッ
ト,酸化還元酵素等を含む。その断片として得られる光
合成顆粒は、クロマトフォア,スフェロプラスト膜小胞
のような蛋白質,脂質などからなる膜から構成されてい
る通常閉じた小胞である。この種の膜は光電変換反応を
行う光合成反応中心蛋白質複合体を含む機能性蛋白質複
合体を有し、光刺激によって膜を挾んで電位差を生じる
ことが知られている。
光合成顆粒は脂質2重層で区切られた小胞に光合成の機
能を担う機能性蛋白質複合体が埋め込まれたものであ
る。この機能性蛋白質複合体は、光を吸収し、電荷分離
を誘起する活性を有している。
電荷分離の結果生じた電子は、複合体の特定の経路を経
て移動するので、この機能性蛋白質複合体の機能には極
性(方向性)がある。生体内では方向性が揃うように機
能性蛋白質複合体が規則正しく配向している。
紅色光合成細菌の光合成器官は、脂質2重層で構成され
る小胞状,ラメラ状、あるいはチューブ状の膜構造に光
合成反応ユニットと呼ばれる機能性蛋白質複合体が埋め
込まれたものである。この光合成器官を細胞外に取出し
た光合成顆粒の1つとしてクロマトフォアが知られてい
る。
クロマトフォアは、光合成細菌を超音波処理などの手法
で破砕した際に得られる小胞状の光合成顆粒であり、脂
質2重層に光合成反応ユニットが埋め込まれている。
クロマトフォアは光合成反応ユニットの他に電子伝達系
の蛋白質、酸化還元酵素等も混入した複雑な分子組成の
構造体であり、直径60〜100nm程度の小胞であ
る。
第3図(A),(B)に、本発明者等が以前提案した、
紅色光合成細菌の光合成顆粒を2種の電極で挾んだ簡便
な光電応答素子を示す。
第3図(A)において、基板1上にITO(インジウム
・錫酸化物)やNESA(商品名)等の透明電極あるい
は蒸着Au薄膜等の光透過性電極2が形成され、その上に
光合成顆粒(クロマトホア、スフェロプラスト膜小胞
等)を塗布、乾燥させた固化膜3が形成されている。固
化膜3の上に対向電極4が蒸着等の手法で設けてある。
上下の電極からリード線5が引き出してある。
第3図(B)は光電応答素子の他の構成例を示し、上部
の対向電極4が蒸着膜などの推積膜ではなく、水銀玉で
ある点が第3図(A)の構成と異なる。その他の点は第
3図(A)と同様である。
第3図(A),(B)に示す光電応答素子において、基
板側から光を入射し、光合成顆粒の固化膜3が発生する
光応答を電極2、4を介してリード線5から取出す。
従来の光合成顆粒を利用した光電応答素子においては、
機能性蛋白質複合体の光電応答の方向性を揃えるための
特別な配慮はなされていなかった。
たとえば、クロマトホアは小胞である為、光合成反応ユ
ニットの機能を応用したデバイスを構成する際、分子配
向の制御が難しく、分子組成の制御も容易ではないと考
えられる。
従って、従来の光電応答素子から得られる出力は、無秩
序な方向性を持った機能性蛋白質複合体の応答の総和で
ある微少な応答や、異なる電極に対する電子移動に関す
る仕事関数の差に依存する微弱な応答であったと考えら
れる。
[発明が解決しようとする課題] 上述の素子において、光合成顆粒中の機能性蛋白質複合
体を精製し、その方向性を揃えるための特別な配慮は全
くなされていない。従って、機能性蛋白質複合体は混合
物の中で無秩序な方向を向いている。出力として得られ
る光電応答は、混合物中の無秩序な方向性を持った反応
の総和としての両電極2、4間での微少な差に起因する
ものや、蛋白質複合体と電極間での電子移動の仕事関数
の差に依存する微弱な応答であると考えられる。
従って、上述の第3図(A),(B)に示したような光
電応答素子は紅色光合成細菌等の機能性蛋白質複合体の
光合成機能の応答を十分利用しているとは言えず、応答
のほんの一部を取出しているものと考えられる。
本発明は、機能性蛋白質複合体を利用した光電変換素子
において、機能性蛋白質複合体の密度を高め、かつ十分
な配向性を与えることのできる光電変換素子の製造方法
を提供することである。
[課題の解決するための手段] 本発明によれば、光合成顆粒を可溶化して得られる機能
性蛋白質複合体をポリエチレングリコールで修飾した活
性層を電極間に挟んだ光電応答素子構造を基板上に形成
する工程と、光電応答素子構造の形成後、電極間に極性
を持つ電場を印加し、この電場と機能性蛋白質複合体分
子の電気双極子との相互作用を利用して機能性蛋白質複
合体の配向制御を行う工程とを含む光電応答素子の製造
方法が得られる。
[作用] 機能性蛋白質複合体を可溶化することによって、精製を
行い、その密度を向上させることができる。
可溶化した機能性蛋白質複合体をポリエチレングリコー
ルで修飾すると、界面活性剤を除去した時も可溶化生体
膜結合性蛋白質の凝集沈澱を防止することができる。こ
のため取り扱いが容易になる。
蛋白質分子はアミノ酸配列に基づく電荷分布による電気
双極子を有し、電場中でこの電気双極子は電場と相互作
用を持つ。機能性蛋白質複合体を電極間に挾んだ光電変
換素子に極性を持つ電場を印加すると、蛋白質分子の電
気双極子と電場との相互作用により蛋白質分子は配向を
制御される。
[実施例] 光合成顆粒の調製は光照射下で培養した光合成細菌を超
音波処理、フレンチプレス等の手法で破砕した後、分画
遠心法で精製することで行う。
光合成顆粒を、ラウリルジメチルアミンオキサイド(L
DAO)等の界面活性剤で処理して可溶化し、分子ふる
いクロマトグラフィ等のカラムクロマトグラフィ、高速
液体クロマトグラフィで精製して反応中心光合成蛋白質
複合体を得る。
機能性蛋白質複合体を可溶化すると、利用すべき機能を
担う蛋白質複合体のみを精製することができる。従っ
て、素子の単位面積(あるいは体積)当りの機能性蛋白
質複合体の量を増加させ、効率化を図ることや、配向制
御をし易くすることができる。
可溶化反応中心蛋白質の場合には、吸収できる光の波長
は制約されるものの、出力(応答)が大きく、動作が速
い素子が期待される。
一方、可溶化光合成反応ユニットの場合には、出力、応
答速度はそこそこでも、より幅広い波長域の光に応答す
る素子が期待される。また、異なる菌株から単離した光
合成蛋白質を混合して、幅広い波長域の光に応答する素
子を構築する場合にも、可溶化蛋白質を利用するメリッ
トがある。
ただ、可溶化蛋白質複合体をそのまま用いた場合には、
乾燥時に、共存する界面活性剤が水分を保持していた
り、界面活性剤自体が常温で液体であったりするため、
均一な乾燥固化膜を得ることが困難であることが多い。
そこで、可溶化蛋白質溶液から界面活性剤を除去する必
要が生じる。ところがこの場合には、蛋白質が凝集沈澱
してしまう。
そこで、精製した反応中心蛋白質(RC)をポリエチレ
ングリコールにより修飾する。すなわち、活性化ポリエ
チレングリコール誘導体を用い、蛋白質分子の特定のア
ミノ酸残基を修飾する。ポリエチレングリコールで修飾
すると、界面活性剤除去後も、可溶化蛋白質はある程度
の分散状況に保持される。このため高純度の反応中心蛋
白質の乾燥固化膜が得られる。蛋白質の抗原性の低下や
水溶性蛋白質を有機溶媒中に溶解する目的のため行われ
てきた蛋白質分子のポリエチレングリコールによる修飾
は、たとえば以下の論文に発表されている。
Inada,Y.,et al.(1984) Biochem.Biophys.Res. Commun.122:845-850 Matsushima,A.,et al.(1984) FEBS Lett. 178:275-277 Lee,H.,et al.(1988)Biotechnol.Lett.5:403-407yoshim
oto,T.,et al.(1987)Biochem.Biophys. Res.Commun.148:876-882 ポリエチレングリコールで修飾した反応中心蛋白質(P
EG−RC)は、可溶化に用いた界面活性剤を透析、脱
塩カラムクロマトグラフィ等の手法で除去しても、凝集
せず溶液として分散している。
第1図(A)、(B)に本発明の実施例により製造する
光電変換素子の断面構造を示す。
ガラス等の透明基板1上にITO、NESAといった透
明電極2を真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーテ
ィング等の手法により形成する。
透明電極2上に、上述のように調製したポリエチレング
リコールで修飾した高密度(高純度)の反応中心蛋白質
複合体等の機能性蛋白質複合体を刷毛塗り、浸漬、スピ
ンコート、スクリーン印刷、オフセット印刷等の手法で
塗布し乾燥させる。乾燥は自然乾燥、減圧乾燥、加熱乾
燥等で行える。乾燥後、ポリエチレングリコールで修飾
した活性層の乾燥固化膜3上に真空蒸着、スパッタリン
グ等により金属膜を蒸着し、対向電極4を形成する。機
能性蛋白質複合体が可溶化精製されているので単位厚さ
当りの密度が増加し、かつポリエチレングリコールで修
飾されて均一に分散している。このため、薄い膜でも光
電応答が均一で高い。かつ膜が薄いと同一印加電圧でも
高電界を印加できるので、より低い印加電圧にて所望の
効果が得られる。
第1図(B)においては、対向電極4は金属箔を圧着す
ることで形成する。
透明電極2と対向電極4からリード線5を引き出す。
このように形成した光電応答素子の反応中心蛋白質複合
体等の機能性蛋白質複合体にリード線5を介して、極性
を有する電場を印加する。例えばパルス状直流電場、定
常的直流電場、直流バイアス電場を付加した交流電場等
を印加する。
第2図に極性を有するパルス電場を印加する場合の、電
極2,4間に印加する電圧波形の例を示す。
機能性蛋白質複合体は電場中で配向性を高める。この配
向度調整により素子の光電応答が向上する。
このように構成した光電応答素子の透明電極2側から、
太陽光、LED光、ストロボ光、レーザ光、アーク灯光
等を照射し、光電反応の電位および電流変化を測定し
た。
1例として、基板1としてガラス基板を用い、透明電極
2としてITO透明電極を遥い、機能性蛋白質複合体の
固化膜3としてポリエチレングリコールで修飾したロド
シュードモナス・ビリディス(ATCC19567)の
反応中心蛋白質複合体を乾燥させた固化膜を用い、対向
電極4として金蒸着膜を用いた。この素子の電極2,4
間に第2図に示すようなパルス状直流電圧(1Hz、ピー
ク値75〜150V、0.5〜2時間)を印加した。
このように配向処理を行った光電応答素子に、LED光
(850nmに発光ピークを持つもの)を照射し、光電応
答を測定した。比較のため、配向処理の前後で測定を行
った。パルス状直流電場印加の配向処理により、処理前
に較べ、電圧応答で10〜25倍、電流応答で50〜2
00倍の応答が得られた。反応中心蛋白質複合体を精製
して利用したため、光照射に対する応答速度は向上し
た。
また、印加電場の極性を逆転することで得られる応答の
極性も逆転した。
このことから、極性を有する電場を印加することによっ
て、機能性蛋白質複合体の配向が制御されていることが
判る。
[発明の効果] 本発明によれば、容易に培養可能な紅色光合成細菌等を
材料供給源とし、しかも半導体材料に較べて極めて簡便
な方法で精製できる機能性蛋白質複合体をそのまま用い
て、効率のよい光電応答素子を製造することができる。
本発明によれば、従来の蛋白質複合体を用いた光電変換
素子における課題であった配向性の欠如を克服し、機能
性蛋白質複合体の配向制御を行った効率の高い光電応答
素子を提供できる。
印加する電場の極性によって、容易に蛋白質複合体の配
向方向が制御できる。
従来の機能性蛋白質複合体を用いた光電変換素子に較
べ、はるかに大きな光電応答を得ることができる。
可溶化しているので機能性蛋白質複合体を高密度(高純
度)化することができる。
ポリエチレングリコールにより蛋白質分子を修飾してい
るので、界面活性剤を除去しても可溶化生体膜結合性蛋
白質が凝集沈澱せず、容易に均一な機能性蛋白質複合体
膜を形成でき、高効率の光電変換素子を製造することが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)、(B)は本発明によって製造する光電応
答素子の構成例を示す断面図、 第2図は第1図(A)、(B)に示す光電応答素子に印
加する直流パルス電場の例を示すグラフ、 第3図(A)、(B)は従来技術による光電応答素子の
構造例を示す断面図である。 図において、 1 基板 2 透明電極 3 機能性蛋白質複合体の固化膜 4 対向電極 5 リード
フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 49/00 Z 8728−4M (72)発明者 真島 利和 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 杉野 弘明 茨城県つくば市東光台5丁目9番地の5 スタンレー電気株式会社筑波研究所内 (72)発明者 安食 秀一 茨城県つくば市東光台5丁目9番地の5 スタンレー電気株式会社筑波研究所内 (72)発明者 豊玉 英樹 茨城県つくば市東光台5丁目9番地の5 スタンレー電気株式会社筑波研究所内 審査官 後谷 陽一 (56)参考文献 特開 昭63−237585(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光合成顆粒を可溶化して得られる機能性蛋
    白質複合体をポリエチレングリコールで修飾した活性層
    を電極間に挟んだ光電応答素子構造を基板上に形成する
    工程と、 光電応答素子構造の形成後、電極間に極性を持つ電場を
    印加し、この電場と機能性蛋白質複合体分子の電気双極
    子との相互作用を利用して機能性蛋白質複合体の配向制
    御を行う工程とを含む光電応答素子の製造方法。
  2. 【請求項2】前記機能性蛋白質複合体が紅色光合成細菌
    の反応中心蛋白質複合体である請求項1記載の光電応答
    素子の製造方法。
JP1101648A 1989-04-24 1989-04-24 機能性蛋白質複合体を用いた光電応答素子の製造方法 Expired - Lifetime JPH065730B2 (ja)

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