JPS62138186A - Atp-nad(p)h reproduction bioreactor - Google Patents

Atp-nad(p)h reproduction bioreactor

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JPS62138186A
JPS62138186A JP27946585A JP27946585A JPS62138186A JP S62138186 A JPS62138186 A JP S62138186A JP 27946585 A JP27946585 A JP 27946585A JP 27946585 A JP27946585 A JP 27946585A JP S62138186 A JPS62138186 A JP S62138186A
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JP
Japan
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atp
membrane
nad
bioreactor
reactor
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Application number
JP27946585A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Inatomi
健一 稲富
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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  • Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

PURPOSE:To enable simultaneous production of adenosine triphosphate and a coenzyme, by introducing adenosine triphosphatase and hydrogenase into a plane lipid double-layer membrane, placing the membrane in a reactor and feeding the reactor with hydrogen. CONSTITUTION:Adenosine triphosphatase (ATPase) as an adenosine triphosphate (ATP)-producing enzyme and a hydrogenase (H2ase) as a nico tinamide.adenine.dinucleotide (phosphate)[NAD(P)H]-producing enzyme are introduced together with an electron transfer system into a plane lipid double- layer to obtain a plane membrane 8. The membrane 8 is laminated in a reactor 1. ATP and NAD(P)H can be produced by supplying the reactor 1 with hydrogen (H2) as an energy source. The hydrogen (H2) used in the above process is prefer ably produced by the electrolysis of water with electricity generated from a solar battery.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、生体反応に必須の高エネルギーリン酸化合物
であるアデノシン3リン酸(ATP)および補酵素NA
D(P)Hを生産するバイオリアクターに関するもので
、宇宙基地などの地上以外でも使用可能なバイオリアク
ターである。
Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention is directed to the use of adenosine triphosphate (ATP), a high-energy phosphate compound essential for biological reactions, and the coenzyme NA.
This relates to a bioreactor that produces D(P)H, and is a bioreactor that can be used not only on the ground, but also on space bases.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来から、ATPの再生産には酵素法、菌体法などが採
用されている。
Conventionally, enzymatic methods, bacterial cell methods, and the like have been used to reproduce ATP.

たとえば酵素法においては、ATP再生酵素として式(
1)を触媒するアデニル酸キナーゼと、式(2)を触媒
する酢酸キナーゼが一般に使用されている。
For example, in the enzymatic method, the formula (
Adenylate kinase, which catalyzes formula (1), and acetate kinase, which catalyzes formula (2), are commonly used.

^HP+^■P=ゴ2 ADP         [1
)ADP+アセチルリン酸==ATP十酢酸 (2)第
2図に酵素法を用いた^TP再生産バイオリアクターの
ブロック図を示す。図において(1)はりアクタ一本体
、(2)および(3)はそれぞれ固定化されたアデニル
酸キナーゼおよび耐酸キナーゼ、(4)は原料であるア
セチルリン酸、アデノシンモノリン酸(AMP)および
アデノシンジリンW (ADP)とを入れたりザーバー
、(5]はポンプ、(6)は生成物である^■Pを酢酸
から分解−するセパレーター、(7)は再生産されたA
TP用のり+、r−バーである。
^HP+^■P=Go2 ADP [1
) ADP + acetyl phosphate = = ATP decacetic acid (2) Figure 2 shows a block diagram of a ^TP reproducing bioreactor using an enzymatic method. In the figure, (1) the main body of the beam acter, (2) and (3) immobilized adenylate kinase and acid-resistant kinase, respectively, and (4) the raw materials acetyl phosphate, adenosine monophosphate (AMP), and adenosindiline. (5) is the pump, (6) is the separator that decomposes the product P from acetic acid, (7) is the recycled A
TP glue+, r-bar.

つぎに実際の動作につい(説明する。Next, the actual operation will be explained.

ATPの再生産はAMPに2個のリン酸を導入するか、
ADPにリン酸をIWJ導入することによりなされる。
Reproduction of ATP introduces two phosphates into AMP, or
This is done by introducing phosphoric acid into ADP.

リアクター内では八HPは式(1)に従い、ATPによ
りADPとなり、さらに八DPはアセチルリン酸により
リン酸化され、ATPが再生される。
In the reactor, 8HP becomes ADP with ATP according to formula (1), and 8DP is further phosphorylated with acetyl phosphoric acid to regenerate ATP.

第2図にもとづいて説明すると、リザーバー(4)中の
ADP 、八HP 、アセチルリン酸は、ポンプ(5)
によってリアクタ一本体(1)に導入され、固定化アデ
ニル酸キナーゼ(2)および固定化酢酸キナーゼ(3)
の両固定化酵素によって、ATPと酢酸とに変換される
。ATPはセパレーター(6)ににって酢酸と分離され
、リザーバー(′71に蓄えられる。
To explain based on FIG. 2, ADP, 8HP, and acetyl phosphate in the reservoir (4) are transferred to the pump (5).
Immobilized adenylate kinase (2) and immobilized acetate kinase (3) are introduced into the reactor body (1) by
is converted into ATP and acetic acid by both immobilized enzymes. ATP is separated from acetic acid by a separator (6) and stored in a reservoir ('71).

一方、菌体法にJ3いては、イースト菌を乾燥させた粉
末にグルコースなどを与え、粉末中に残存する解糖系酵
素の働ぎにJ、リグルコースを酸化し、そのエネルギー
を利用してAHI’ 、 ADPによりATPを生産す
る。一般にバッチ式のりアククーが用いられる。
On the other hand, in the J3 bacterial cell method, glucose, etc. is added to a powder made by drying yeast, and the glycolytic enzymes remaining in the powder oxidize the liglucose, and the energy is used to produce AHI. ', ATP is produced by ADP. Batch-type glue acu is generally used.

MAD(PJllの補酵素の生産では、現在確立された
方法はなく、抽出法、化学合成法、発酵法などが組み合
わされて少量生産されている。
Currently, there is no established method for producing MAD (PJll) coenzyme, and it is produced in small quantities by combining extraction methods, chemical synthesis methods, fermentation methods, etc.

(発明が解決しようとする問題点) 従来の酵素法によるATP再生産バイオリアクターは以
上のような構成になっているため、ATP再生産には、
原料としてアセデルリン酸を代表とするリン酸化合物を
投入する必要がある。しかしアセチルリン酸は不安定で
あり、しかも価格が高価であるなどの問題がある。
(Problems to be solved by the invention) Since the conventional enzymatic ATP regeneration bioreactor has the above configuration, ATP regeneration requires the following:
It is necessary to input a phosphoric acid compound such as acedelphosphoric acid as a raw material. However, acetyl phosphoric acid has problems such as being unstable and expensive.

また菌体法によるばあいも同様に原料のグルコースが高
価であり、さらに生成物中からATPを回収したり、精
製したりするのにコストや時間がかかり、またバッチ式
であるため制御が困難であるなどの問題がある。また、
補酵素のNAD(P)Hも少量生産のため価格が高価で
あり、しかも連続的な再生リアクターはまだ開発されて
いない。
In addition, when using the bacterial cell method, the raw material glucose is similarly expensive, and recovering and purifying ATP from the product is costly and time-consuming, and it is difficult to control because it is a batch method. There are problems such as: Also,
The coenzyme NAD(P)H is also expensive because it is produced in small quantities, and a continuous regeneration reactor has not yet been developed.

また従来のバイオリアクターにおいて、ATPと14A
D(P)Hを同時に連続生産するりアクタ−はない。
In addition, in conventional bioreactors, ATP and 14A
There is no actor who can continuously produce D(P)H at the same time.

−、j   一 本発明は、上記のような従来の装置の欠点をなくし、ま
たATPとNAD(P)11の両方を連続生産するため
に新しく作製されたバイオリアクターであり、とくに地
−ト以外の宇宙基地などでの使用を目的になされたもの
である。
-, j - The present invention is a newly created bioreactor to eliminate the drawbacks of the conventional devices as described above and to continuously produce both ATP and NAD(P)11. It was designed for use at space bases, etc.

〔問題点を解決覆るための手段〕[Means for solving and overcoming problems]

本発明は、ATP生成酵素どしてアデノシントリホスフ
7ターゼ(ATPasc)を用い、二]ヂンアミド・ア
デニン・ジヌクレオチド(ホスフェイト)生成酵素とし
てヒドロゲナーゼ(lI2ase)と、電子伝達系とを
平面脂質2f1層膜中に導入して形成した平面膜を積層
してリアクター内に構築し、ざらにATP 、 NA[
l (P)Hを生成するエネルギーとして、水素(H2
)を用いることを特徴とするATP −HAD(P)H
再生産バイオリアクターに関し、生体膜に局在するAT
Paseと、12as(!どそれに係る電子伝達系を導
入した平面脂質2重層膜をリアクター内で積層し、AT
P再生のエネルギーとして外部から水素(H2)を加え
、ぞれぞれの膜の両側にプロトン勾配や膜電位を発生さ
れることによってADPどリン酸とからATPを、また
NAD(P)’からNAD(P)Hを再生産するATP
 −NA[)(P)H再生産バイオリアクターであり、
従来のATP再生産バイオリアクターにかわる新しい概
念のATP −NAD(P)H再生産バイオリアクター
を提供するものである。
The present invention uses adenosine triphosph 7tase (ATPasc) as an ATP-generating enzyme, hydrogenase (lI2ase) as a di]dinamide adenine dinucleotide (phosphate)-generating enzyme, and an electron transport system in a planar lipid 2f1 layer. The planar membranes formed by introducing ATP into the membrane are stacked and constructed in a reactor, and ATP, NA[
Hydrogen (H2
) ATP-HAD(P)H characterized by using
Regarding regenerative bioreactors, AT localized in biological membranes
Pase and a planar lipid bilayer membrane into which an electron transport system related to 12as (!) was introduced in a reactor, and AT
Hydrogen (H2) is added from the outside as energy for P regeneration, and a proton gradient and membrane potential are generated on both sides of each membrane, thereby converting ATP from ADP and phosphate, and from NAD(P)'. ATP that reproduces NAD(P)H
-NA[)(P)H reproducing bioreactor,
A new concept ATP-NAD(P)H reproducing bioreactor is provided to replace the conventional ATP reproducing bioreactor.

〔作 用〕[For production]

本発明のバイオリアクターの原理を説明する。 The principle of the bioreactor of the present invention will be explained.

ATPは生体内で解糖系と酸化的リン酸化を代表とする
エネルギー代謝系によって、ADPまたは八HPから再
生産されるが、グル」−スあたりのATP生成量で比較
すると、酸化的リン酸化の方が解糖系よりも高効率であ
る。この酸化的リン酸化で、ATPを直接ADPとリン
酸から生成する酵素が、ATPageである。このAT
Pageは、生体の細胞膜に局在しており、ATPの合
成だ【ブではなく、逆にATPを加水分解することによ
って、イオン、基質の能動輸送のためのエネルギーなど
を供給することもできる。
ATP is regenerated from ADP or 8HP in the body by the energy metabolic system represented by glycolysis and oxidative phosphorylation, but when comparing the amount of ATP produced per glucose, oxidative phosphorylation is more efficient than glycolysis. ATPage is an enzyme that directly generates ATP from ADP and phosphoric acid through this oxidative phosphorylation. This AT
Pages are localized in the cell membranes of living organisms, and can supply energy for active transport of ions and substrates by hydrolyzing ATP rather than synthesizing ATP.

ATPを合成するエネルギーとしては、膜の内側と外側
でのプロトンの差(以下、ΔpHという)または電位差
(以下、膜電位という)が必要である。
The energy for synthesizing ATP requires a difference in protons (hereinafter referred to as ΔpH) or a potential difference (hereinafter referred to as membrane potential) between the inside and outside of the membrane.

生きた細胞中では、Δpi+や膜電位は有機物の酸化、
光反応によるH2Oの分解、電子伝達系などによって供
給されるが、人工的にΔpl+や膜電位を生ぎた細胞膜
に与えてt)ATPが生成することが観察されている(
香川端雄:生体膜ど生体エネルギー、東大出版会発行)
In living cells, Δpi+ and membrane potential change due to the oxidation of organic matter,
It is supplied by decomposition of H2O by photoreaction, electron transport chain, etc., but it has been observed that ATP is generated by artificially applying Δpl+ and membrane potential to the cell membrane (t).
Hatao Kagawa: Biomembrane and Bioenergy, published by the University of Tokyo Press)
.

一方、微生物の中にはこの膜をはさんだΔrollや膜
電位をH2から作ることができるものが存在する。
On the other hand, some microorganisms can create a Δroll across this membrane or a membrane potential from H2.

この中にはメタンを発酵するメタン細菌が代表種として
あげられる。このH2からΔpHを作るには細胞膜に結
合したヒドロゲナーゼとそれに係る電子伝達系が必要で
ある。水溶液中のH2分子は、ヒドロゲナーゼの作用に
より細胞の外側に■“を、内側にエレクトロン(以下、
Oという)を分離する。
Among these, methane bacteria, which ferment methane, are a representative species. To create ΔpH from this H2, hydrogenase bound to the cell membrane and an associated electron transport system are required. Due to the action of hydrogenase, H2 molecules in an aqueous solution generate ■'' on the outside of the cell and electrons (hereinafter referred to as
(referred to as O).

このH+はATPaseを経由して、細胞の内側に入り
、その結果ATPが合成される。また内側に排出された
eは、H2aseに係る電子伝達系を経由して最終的に
NAD(P)+を還元してHAD(P)I+を生成lる
。後者の反応経路を下式に示す。ここでX G、t H
2aseに係る電子伝達系である。
This H+ enters the inside of the cell via ATPase, and as a result, ATP is synthesized. Further, the e discharged inside finally reduces NAD(P)+ to generate HAD(P)I+ via the electron transport chain related to H2ase. The latter reaction route is shown in the formula below. Here X G, t H
This is an electron transport system related to 2ase.

本発明はこのような原理を応用したものであり、生体膜
のかわりに、ATPaseと12ase、電子伝達系を
導入、再構成した脂質2重層膜を用いる。ATPとN 
A D (P ) Hの再生効率を−J二げ、強度を与
えるため多孔質高分子シー1−を担体どして、脂質2重
層膜を平面的に構築し、この平面膜をリアクター内に積
層して用いる。このようにすることにより、水素(H2
)が生体膜やリポソームと比較して、さらに効率よくそ
れぞれの膜に加わり、ATPおよびHAD(P)Hの再
生量が増大し、かつ固定式であるため連続的なATPと
MAD(P)Hの再生が可能になる。
The present invention applies such a principle, and uses a lipid bilayer membrane in which ATPase, 12ase, and an electron transport system are introduced and reconstituted instead of a biological membrane. ATP and N
In order to increase the regeneration efficiency of A D (P) H and provide strength, a lipid bilayer membrane was constructed in a planar manner using a porous polymer sheet 1- as a carrier, and this planar membrane was placed in a reactor. Used in layers. By doing this, hydrogen (H2
) is added to each membrane more efficiently than biological membranes or liposomes, increasing the amount of ATP and HAD(P)H regenerated, and since it is a fixed type, continuous ATP and MAD(P)H can be generated. becomes possible to play.

〔実施例〕〔Example〕

つぎに本発明のバイオリアクターの一実施態様をブロッ
ク図(第1図)にもとづいて説明する。
Next, one embodiment of the bioreactor of the present invention will be described based on a block diagram (FIG. 1).

第1図において、(1)はりアクタ一本体、(5)はポ
ンプ、(′7)はATP −NAD(P)Hリザーバー
、(8)は−7= ATPaseおよびH2aseと電子伝達系とを導入し
た平面脂質2重層膜と、この膜を保持する多孔性高分子
シートからなる平面膜、(9)はADP−HAD(P)
+リザーバー、(財)はH2を供給する■2発生装置と
りザーバーである。
In Figure 1, (1) the main body of the beam actor, (5) the pump, ('7) the ATP-NAD(P)H reservoir, and (8) the introduction of -7=ATPase, H2ase, and electron transport system. A planar membrane consisting of a flat lipid bilayer membrane and a porous polymer sheet that holds this membrane, (9) is ADP-HAD (P).
+Reservoir (Foundation) is a ■2 generator and reservoir that supplies H2.

第3図は、ATPaseQl)とH2aS(!02)と
それに係る電子伝達系を導入した平面膜(8)のミクロ
な模式図であり、日は平面脂質2重層膜、04)は多孔
性高分子シートであり、(至)の平面脂質2重層膜を保
持するものである。
Figure 3 is a microscopic diagram of a planar membrane (8) into which ATPaseQl) and H2aS (!02) and related electron transport systems are introduced. It is a sheet and holds a (to) planar lipid bilayer membrane.

本発明に用いる平面脂質2tfi、層膜とは、天然脂質
または合成脂質などの脂質から形成された2重層膜であ
り、通常2重層膜としての厚さが1〜50nm程度のも
のである。その平面脂質2重層膜はATPaseやH2
asaを保持し、へTl’合成に必要なプロトン勾配や
膜電位を形成づる働きをする。
The planar lipid 2tfi and layer membrane used in the present invention are bilayer membranes formed from lipids such as natural lipids or synthetic lipids, and the thickness of the bilayer membrane is usually about 1 to 50 nm. The planar lipid bilayer membrane contains ATPase and H2
It functions to maintain asa and form the proton gradient and membrane potential necessary for hetl' synthesis.

ATPaseは、ミド]ンドリア、細菌膜、葉緑体など
いずれから抽出したbのでもJ:いが、安定性は好熱性
生物由来のATPaseがもつとも高い。
ATPase can be extracted from any of the following sources, such as mido]ndria, bacterial membranes, and chloroplasts, but ATPase derived from thermophilic organisms has the highest stability.

H2aseやそれに係る電子伝達系は、メタン細菌から
抽出するのがもつともよいが、完全に精製する必要はな
い。また高熱性メタン菌由来のH2aseは安全性が高
い。
H2ase and related electron transport systems may be extracted from methane bacteria, but it is not necessary to completely purify them. Furthermore, H2ase derived from hyperthermic methane bacteria is highly safe.

前記平面脂質2重層膜を保持するための多孔性高分子シ
ートの材質としては、テフロンなどのフッ素系樹脂シー
トが用いられるが、これらに限定されるものではない。
As the material of the porous polymer sheet for holding the planar lipid bilayer membrane, a fluororesin sheet such as Teflon is used, but the material is not limited thereto.

該シートの厚さとしては10〜1ooo、n程度のもの
が用いられら、また該シートには平面脂質2重層膜を保
持するために、孔径が0.01〜5.0M程度の孔が0
.01〜0.8TIi/TI1.程度設けられている。
The thickness of the sheet used is about 10 to 1 mm, and the sheet has pores with a pore diameter of about 0.01 to 5.0 M in order to hold the planar lipid bilayer membrane.
.. 01-0.8TIi/TI1. There are certain degrees.

前記説明においては多孔性高分子シートを用いたばあい
について説明したが、第3図に示すような多孔性マイク
ロカプセルに平面脂質2重層膜を保持させてもよく、こ
のようにするとリポソーム(閉鎖小胞)同様な動作で、
より安定にATPを再生することができる。なお第4図
において(ハ)はATPaseとH2aseを導入した
平面脂質2重層勝、0e3はマイク1コ力プセル本体で
ある。
In the above explanation, the case was explained using a porous polymer sheet, but a planar lipid bilayer membrane may be held in a porous microcapsule as shown in FIG. vesicles) with similar behavior,
ATP can be regenerated more stably. In FIG. 4, (c) is a planar lipid bilayer structure into which ATPase and H2ase have been introduced, and 0e3 is the main body of a one-microphone cell.

また、マイクロカプセルの代わりにホローファイバーを
使用しても同様の結果がえられる。
Similar results can also be obtained by using hollow fibers instead of microcapsules.

本発明においては、前記のごとき多孔性高分子シート0
ψとATPaseoll、H2ase(12Jが導入さ
れた平面脂質2重層膜(至)とから平面膜(8)が形成
されてもよく、このようにして形成された平面膜(8)
は通常リアクター内に平面股間の間隔が0.1−5重程
度になるように、2〜数百層程度積層され本バイオリア
クターが作製される。
In the present invention, the above-mentioned porous polymer sheet 0
A planar membrane (8) may be formed from a planar lipid bilayer membrane (to) into which ψ, ATPaseoll, and H2ase (12J) are introduced, and the planar membrane (8) formed in this way
This bioreactor is usually fabricated by laminating two to several hundred layers in the reactor so that the distance between the planar legs is about 0.1 to 5 layers.

つぎに本発明のバイオリアクターの動作を第1図および
第3図にもとづいて説明する。ATPaseollおよ
びH2aseとそれに係る電子伝達系(12]が組み込
まれた平面膜(8)は、リアクター内に積層され、それ
ぞれの平面膜の間に、H2で飽和させた水溶液および^
OP −NAD(P)を含んだ水溶液を、1段目にはH
2で飽和させた水溶液を、2段目には^DP−NAD(
P)を含んだ水溶液を、また3段目には1(2で飽和さ
せた水溶液を交互に流す。■2を飽和した水溶液は再利
用のため、再循環させる。平面膜表面に流入したH2は
平面膜中の82aseとそれに係る電子伝達系によって
■1とeに分離され、生じたH+はATPaseを経由
して、^DPからATPを合成し、eはNAD(P)+
を還元してNAD(P)Hを生成する。反応は連続的に
進行し、ATPやMAD(P)Hを消費するメインリア
クターを組み合わせれば、連続的なATP ・NAD(
P)Hの生成が可能である。
Next, the operation of the bioreactor of the present invention will be explained based on FIGS. 1 and 3. Planar membranes (8) incorporating ATPaseoll and H2ase and related electron transport systems (12) are stacked in a reactor, and an aqueous solution saturated with H2 and an aqueous solution saturated with H2 are placed between each plane membrane.
An aqueous solution containing OP-NAD(P) was placed in the first stage with H
In the second stage, the aqueous solution saturated with 2 was ^DP-NAD (
An aqueous solution containing P) and an aqueous solution saturated with 1 (2) are alternately flowed into the third stage. ■ The aqueous solution saturated with 2 is recirculated for reuse. is separated into ■1 and e by 82ase in the planar membrane and the related electron transport chain, and the generated H+ synthesizes ATP from ^DP via ATPase, and e is NAD(P)+
is reduced to produce NAD(P)H. The reaction progresses continuously, and by combining the main reactor that consumes ATP and MAD(P)H, continuous ATP/NAD(
It is possible to generate P)H.

上記説明では脂質2重層膜を用いて平面膜を形成したも
のについて説明したが、平面膜に限ることはなく、リポ
ソームを用いてもよいことは勿論のことである。第5図
は、ATPase(II)とH2aseと電子伝達系側
を組み込んだ脂質2重層膜リポソーム07)を模式的に
示したものであり、動作は平面膜と同様である。
In the above explanation, a planar membrane was formed using a lipid bilayer membrane, but the invention is not limited to a planar membrane, and it goes without saying that liposomes may also be used. FIG. 5 schematically shows a lipid bilayer membrane liposome 07) incorporating ATPase (II), H2ase, and an electron transport system, and its operation is similar to that of a planar membrane.

また重合性の脂質を用いて脂質2重層膜を形成し、脂質
2重層膜を高分子化すれば、形成された平面膜やリポソ
ームをさらに安定化することができる。第6図は高分子
化した脂質2重層膜リポソームの形成を模式的に示した
もので、ビニル基重合性の官能基が導入された脂質OB
から形成された脂質2重層膜が紫外線などによって重合
せしめられ、高分子化した脂質2重層膜リポソーム09
が形成される。高分子脂質2重層膜の性質は安定性が向
上する伯は脂質2重層膜と同様である。
Further, by forming a lipid bilayer membrane using a polymerizable lipid and polymerizing the lipid bilayer membrane, the formed planar membrane or liposome can be further stabilized. Figure 6 schematically shows the formation of a polymerized lipid bilayer membrane liposome.
Lipid bilayer membrane liposome 09 is a polymerized lipid bilayer membrane formed by polymerizing the lipid bilayer membrane formed by ultraviolet rays etc.
is formed. The properties of the polymeric lipid bilayer membrane are similar to those of the lipid bilayer membrane in terms of improved stability.

前記説明では、ATPどN A D (P ) +1を
合成するエネルギーとして、[(2エネルギーを用いた
が、H2に限られるわりではなく、他の物理エネルギー
、たとえば電界なども同様に利用づることができる。
In the above explanation, [(2 energy was used as the energy for synthesizing ATP and N A D (P) +1, but it is not limited to H2, and other physical energies such as electric fields can also be used in the same way. I can do it.

本発明のバイオリアクターに関する実施態様について説
明したが、再生したATPやNAD(P)Hを利用する
りアクタ−であってもJ:り、生体内のいろいろな酵素
系と組み合わVだ、より高痕なりアクタ−の製造に用い
てもよい。
Although the embodiments related to the bioreactor of the present invention have been described, it is possible to use regenerated ATP and NAD(P)H, or to combine them with various enzyme systems in the living body to achieve higher levels of bioreactors. It may also be used to produce trace actors.

第7図に宇宙基地用ATP −NAD(P)H再生成り
アクタ−のシステム図を示す。メインリアクターとして
は、固定化酵素リアクターで付加価値の高い物質生産を
行なうものや細胞培養リアクターなどが考えられる。水
素の発生は、太陽電池による電力を利用した水の電気分
解とし、発生する02は細胞培養などの呼吸用に利用さ
れる。(1)は、ATP ・NAD(P)Hバイオリア
クター、(5)はポンプ、(至)はH20電気分解セル
、■は太陽電池、(2vはメインリアクターである。動
作を簡単に述べると、太l!!i電池のより発生した電
力は、H20電気分解セル圀によりH20を分解して、
H2と02とを発生させ、H2は水溶液に飽和されたA
TP −NAD(P)Hバイオリアクター(1)に送ら
れる。このバイオリアクター(1)は前記動作によりH
2のエネルギーでATPどNAD(P)Hを合成し、メ
インリアクター(至)に供給する。H2は飽和水溶液の
状態で再循環する。メインリアクターで消費されたAT
PとNAD(P)Hは、ATPとNAD(P)”に変化
し、再循環して、再びATP−MAD(P)Hバイオリ
アクター(1)に原料として入る。
FIG. 7 shows a system diagram of the ATP-NAD(P)H regeneration actor for space bases. Possible main reactors include immobilized enzyme reactors that produce high value-added substances and cell culture reactors. Hydrogen is generated by electrolysis of water using electricity from solar cells, and the generated 02 is used for respiration purposes such as cell culture. (1) is the ATP/NAD(P)H bioreactor, (5) is the pump, (to) is the H20 electrolytic cell, ■ is the solar cell, and (2v is the main reactor.) To briefly describe the operation, The power generated by the battery is decomposed by H20 using an H20 electrolysis cell.
H2 and 02 are generated, and H2 is A saturated in an aqueous solution.
TP-NAD(P)H bioreactor (1). This bioreactor (1) is heated by the above operation.
ATP and NAD(P)H are synthesized using the energy of 2 and supplied to the main reactor. H2 is recycled in the form of a saturated aqueous solution. AT consumed in main reactor
P and NAD(P)H are converted into ATP and NAD(P)'' and are recycled and enter the ATP-MAD(P)H bioreactor (1) again as feedstock.

つぎに本発明のバイオリアクターを実施例にもとづいて
説明する。
Next, the bioreactor of the present invention will be explained based on Examples.

実施例1 厚さ0.5alll+のテフロンシートに、直径1Mの
孔を50%の多孔度であけ、2m×21に切って2分子
膜用の支持体とした。好熱性細菌より抽出したATPa
se(Method in Enzymologyに記
載された方法で調製)と、メタン菌より抽出したH2a
seと、それに係る電子伝達系を、H,sch i n
d l erらの方法Proc、Nat1.Acad、
Sci、USA、782302(1980))によって
上述のテフロンシートの支持体に2分子膜として形成し
、ATPaseを組み込んだ平面脂質2重層膜をえた。
Example 1 A Teflon sheet with a thickness of 0.5all+ was punched with 1M diameter holes with a porosity of 50% and cut into 2m x 21 pieces to serve as a support for a bilayer membrane. ATPa extracted from thermophilic bacteria
se (prepared by the method described in Method in Enzymology) and H2a extracted from methane bacteria.
se and the related electron transport chain, H, sch in
The method of dl er et al. Proc, Nat1. Acad,
Sci, USA, 782302 (1980)) was formed as a bilayer membrane on the above-mentioned Teflon sheet support to obtain a planar lipid bilayer membrane incorporating ATPase.

H,5chindlerらの方法の概要は、ATPas
eを含む細菌のリン脂質で形成された小胞体を水面で表
面張力によって破壊し、その結果えられた水面上の単分
子層膜をテフロンシートのピンホール中で両側から合わ
せて形成するもので、操作はずべて水中で行なった。
A summary of the method of H. 5chindler et al.
The endoplasmic reticulum formed of bacterial phospholipids containing E is destroyed on the water surface by surface tension, and the resulting monolayer film on the water surface is brought together from both sides in a pinhole of a Teflon sheet. All operations were performed underwater.

このようにしてえられた水面脂質2重層膜を導入したテ
フロンシートを、あらかじめ水中に置かれたりアクタ−
内に積層した。積層間隔は1m+で10枚積層した。リ
アクターはガラスまたはテフロン樹脂で構成し、積層し
たテフロンシートの間に基質が均一に流れるように、ポ
ンプからの水路を形成した。^TP −NAD(P)I
Iの再生成は、第1図に示されたシステムで以下の条ヂ
1で行なった。リザーバーには、50111Hトリス−
(ヒドロキシメヂルアミノメタン)塩酸(rll17.
5)、10mHHgC#2.10mHADP。
The Teflon sheet containing the water surface lipid bilayer membrane obtained in this way was placed in water or exposed to water in advance.
Laminated inside. Ten sheets were laminated with a lamination interval of 1 m+. The reactor was constructed of glass or Teflon resin, and a water channel from the pump was formed to allow the substrate to flow uniformly between the stacked Teflon sheets. ^TP-NAD(P)I
The regeneration of I was carried out in the system shown in FIG. 1 under the following procedure 1. The reservoir contains 50111H Tris-
(hydroxymethylaminomethane) hydrochloric acid (rll17.
5), 10mHHgC#2.10mHADP.

50mHリン酸ナトリウム(pH7、5)1011Mの
NAD(P)+を蓄え、せん動ポンプで5〜20d /
 hrの流速でリアクターに送液した。また82発生装
置により発生した水素(H2)は水に飽和して、上記と
同じ流速でバイオリアクターに送液した。
Store 1011 M NAD(P)+ in 50 mH sodium phosphate (pH 7, 5) and pump 5-20 d/min with a peristaltic pump.
The liquid was sent to the reactor at a flow rate of hr. Further, hydrogen (H2) generated by the 82 generator was saturated with water and sent to the bioreactor at the same flow rate as above.

このような条件で^TPとMAD(P)Hの再生成を行
なった結果、ADPからの変換率80%以上でATPが
ADPから再生成された。また、NAI)(P)Hも同
じ収率で再生成された。
As a result of regenerating TP and MAD(P)H under these conditions, ATP was regenerated from ADP with a conversion rate of 80% or more. NAI)(P)H was also regenerated in the same yield.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明のバイオリアクターを用いると、ATP 。 When using the bioreactor of the present invention, ATP.

NAD(P)H可成のための外部からの供給エネルギー
として、H2をATPaseやH2aseなどを導入し
た平面膜2重層膜に与えることにより直接^OPとリン
酸からATPが、またNAD(P)+が還元されてHA
D(P)Hが再生産される。このバイオリアクターは、
連続性、操作性の点で従来のく再)生成法よりもすぐれ
、また精密制御や超小型化が可能であり、とくに外部エ
ネルギがH2によって供給されるので、宇宙基地など地
上外でのATP −NAD(P)H再生成バイオリアク
ターとして好適に使用しつるという効果を奏する。
As energy supplied from the outside to form NAD(P)H, H2 is supplied to a double-layered planar film into which ATPase, H2ase, etc. have been introduced, and ATP is directly generated from OP and phosphoric acid, and NAD(P) + is reduced to HA
D(P)H is reproduced. This bioreactor is
It is superior to conventional regeneration methods in terms of continuity and operability, and allows for precise control and ultra-miniaturization.In particular, since external energy is supplied by H2, it can be used for ATP in off-ground locations such as space bases. - It can be suitably used as a NAD(P)H regeneration bioreactor and has the advantage of being effective.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明のバイオリアクターの一実施態様のブロ
ック図、第2図は酵素法を用いたATP再生産バイオリ
アクターのブロック図、第3図はATPase(II)
とH2aSeQ2)を導入した平面膜(8)のミクロな
模式図、第4図は多孔性マイクロカプセルに保持させた
平面脂質2重層膜の模式図、第5図はATPaseとH
2aseを組み込んだ脂質2重層膜リポソームの模式図
、第6図は高分子化した脂質2重層膜リポソームの形成
の模式図、第7図は宇宙基地用ATP −HAD(P)
H(再〉生成バイオリアクターのシステム図を示す。 (図面の主要符@) (1):リアクタ一本体 (8):平面膜 01) : ATPase 02) : H2ase (131:平面脂質2重層膜 0Φ:多孔性高分子シート CF3:平面脂質2重層膜 aa:マイクロカプセル本体 0ハ:脂質2重層膜リポソーム 08=重合性の脂質 (至):高分子化した脂質2重層膜すボーム■二太陽電
池 (2v:メインリアクター (221:H20電気分解セル 代  理  人     大  岩  増  雄才3図 11 : ATPase 12 : H2ase
Figure 1 is a block diagram of an embodiment of the bioreactor of the present invention, Figure 2 is a block diagram of an ATP regeneration bioreactor using an enzymatic method, and Figure 3 is a block diagram of an ATP regeneration bioreactor using an enzyme method.
Fig. 4 is a schematic diagram of a planar lipid bilayer membrane held in porous microcapsules, and Fig. 5 is a microscopic diagram of a planar membrane (8) containing ATPase and H2aSeQ2).
A schematic diagram of a lipid bilayer membrane liposome incorporating 2ase, Fig. 6 is a schematic diagram of the formation of a polymerized lipid bilayer membrane liposome, and Fig. 7 is an ATP-HAD (P) for space base use.
The system diagram of the H (re) generation bioreactor is shown. (Main symbol @ in the drawing) (1): Reactor main body (8): Planar membrane 01): ATPase 02): H2ase (131: Planar lipid bilayer membrane 0Φ : Porous polymer sheet CF3: Planar lipid bilayer membrane aa: Microcapsule body 0c: Lipid bilayer membrane Liposome 08 = Polymerizable lipid (to): Polymerized lipid bilayer membrane Baum ■ Two solar cells (2v: Main reactor (221: H20 electrolysis cell representative Yusai Oiwa 3 Figure 11: ATPase 12: H2ase

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)ATP生成酵素としてアデノシントリホスファタ
ーゼ(ATPase)を用い、ニコチンアミド・アデニ
ン・ジヌクレオチド(ホスフェイト)(NAD(P)H
)生成酵素としてヒドロゲナーゼ(H_2ase)と、
電子伝達系とを平面脂質2重層膜中に導入して形成した
平面膜を積層してリアクター内に構築し、さらにATP
、NAD(P)Hを生成するエネルギーとして、水素(
H_2)を用いることを特徴とするATP・NAD(P
)H再生産バイオリアクター。
(1) Using adenosine triphosphatase (ATPase) as an ATP-generating enzyme, nicotinamide adenine dinucleotide (phosphate) (NAD(P)H
) Hydrogenase (H_2ase) as a producing enzyme,
A planar membrane formed by introducing an electron transport system into a planar lipid bilayer membrane is stacked to construct a reactor.
, hydrogen (
ATP・NAD(P
)H reproduction bioreactor.
(2)H_2の供給を太陽電池の電力により水の電気分
解によって行なうことを特徴とする特許請求の範囲第(
1)項記載のATP・NAD(P)H再生産バイオリア
クター。
(2) Claim No. (2) characterized in that H_2 is supplied by electrolysis of water using power from a solar cell.
The ATP/NAD(P)H reproducing bioreactor described in section 1).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115887281A (en) * 2022-11-22 2023-04-04 广州阿基米德生物科技有限公司 Supermolecule composition and preparation method and application thereof

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