WO2010143702A1 - 燃料電池、燃料電池の製造方法、電子機器、酵素固定化電極、バイオセンサー、エネルギー変換素子、細胞、細胞小器官および細菌 - Google Patents

燃料電池、燃料電池の製造方法、電子機器、酵素固定化電極、バイオセンサー、エネルギー変換素子、細胞、細胞小器官および細菌 Download PDF

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enzyme
electrode
glucose
immobilized
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松本隆平
酒井秀樹
戸木田裕一
藤田修二
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ソニー株式会社
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    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
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    • C12N11/02—Enzymes or microbial cells immobilised on or in an organic carrier
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell, a fuel cell manufacturing method, an electronic device, an enzyme-immobilized electrode, a biosensor, an energy conversion element, a cell, a cell organelle, and a bacterium. More specifically, the present invention is suitable for application to, for example, a biofuel cell using glucose as a fuel or a substrate, a biosensor and an energy conversion element, and various electronic devices using the biofuel cell as a power source. .
  • the present inventors mixed a positively charged polymer and a negatively charged polymer with an enzyme in an appropriate ratio to obtain a porous material. It has been developed mainly by polyion complex method and glutaraldehyde method that stabilizes the immobilization film while keeping the adhesion with the electrode by coating on the electrode made of carbonaceous material.
  • the immobilization method using the polyion complex described above relies heavily on the physicochemical properties of the enzyme, especially the charge, and the immobilization state constantly changes due to changes in the external solution, environmental changes during use, etc.
  • the immobilized enzyme is likely to elute.
  • enzymes have low heat resistance.
  • the physicochemical properties of the enzymes themselves change each time. It is necessary to aim for optimization, which is complicated.
  • more enzymes are required.
  • these enzymes are immobilized, a great deal of effort is required to optimize the immobilization conditions.
  • the present inventors have conducted intensive research to solve the above problems.
  • a biofuel cell when an enzyme required for an enzymatic reaction or further coenzyme is encapsulated in a liposome, which is an artificial cell, compared to the case where the same amount of enzyme or further coenzyme is not encapsulated in the liposome.
  • the enzyme reaction can be carried out much more efficiently to obtain a very high catalyst current or to be easily immobilized on the electrode.
  • the effectiveness of the method was confirmed through experiments, and further, the scope of application of this method was examined from various viewpoints, and the present invention was devised.
  • This technique is suitable not only for biofuel cells but also for various elements or devices using enzymes or further coenzymes.
  • the enzyme reaction can be performed much more efficiently by encapsulating the enzyme required for the enzyme reaction or further a coenzyme in the liposome, and that an extremely high catalytic current can be obtained.
  • This overturns the conventional theory. That is, conventionally, when an enzyme encapsulated in a liposome is regarded as a biocatalyst, the permeation rate of the substrate to the lipid bilayer membrane (lipid bilayer) constituting the liposome is limited, so the reaction rate is considered to be low. It was done.
  • Non-Patent Document 1 For example, in the second column to the sixth column on the right column of page 454 of Non-Patent Document 1, “When using the liposome-encapsulated enzyme as a biocatalyst, because of the high permeation selectivity of the lipid membrane, The problem is that the reactivity of the liposome-encapsulated enzyme to the added hydrophilic or high molecular weight substrate is excessively limited. Also, Non-Patent Document 2, page 695, right column, from the bottom row to the bottom to the fifth row, “Generally, the reactivity of the enzyme encapsulated in the liposome to the substrate added from the outside is the double layer of the liposome. Remarkably depends on substrate permeability across.
  • the positive electrode and the negative electrode have a structure facing each other through a proton conductor, and are configured to extract electrons from the fuel using an enzyme, At least one kind of the above enzyme is encapsulated in the liposome, A fuel cell in which the lipid bilayer membrane constituting the liposome has one or a plurality of holes through which glucose can permeate.
  • this invention is When manufacturing a fuel cell having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are opposed to each other through a proton conductor and taking out electrons from fuel using an enzyme, after encapsulating at least one kind of the enzyme in the liposome, It is a method for manufacturing a fuel cell, which includes a step of forming one or a plurality of holes capable of permeating glucose in a lipid bimolecular membrane.
  • the fuel cell is configured to extract electrons from the fuel using an enzyme and a coenzyme, and at least one enzyme and at least one coenzyme are encapsulated in the liposome.
  • Liposomes are closed vesicles formed by lipid bilayer membranes such as phospholipids, and the inside is an aqueous phase.
  • lipid bilayer membranes such as phospholipids
  • GUV giant unilamellar liposomes
  • SUV small unilamellar liposomes
  • GUV giant unilamellar liposomes
  • any phospholipid may be used, and either glycerophospholipid or sphingophospholipid may be used.
  • the glycerophospholipid include, but are not limited to, phosphatidic acid, phosphatidylcholine (lecithin), phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine, phosphatidylglycerol, and diphosphatidylglycerol (cardiolipin).
  • Sphingophospholipids include, but are not limited to, sphingomyelin.
  • a representative example of phosphatidylcholine is dimyristoyl phosphatidylcholine (DMPC).
  • a hole may be formed by inserting a microtubule having a sufficiently small inner diameter such as a carbon nanotube so as to penetrate the lipid bimolecular membrane constituting the liposome.
  • the liposome encapsulates at least one enzyme or at least one coenzyme among enzymes or further coenzymes necessary for the enzyme reaction, but encapsulates all the enzymes necessary for the enzyme reaction or further coenzymes in the liposome.
  • a part of the enzyme or coenzyme may not be encapsulated in the liposome, but may be incorporated into the lipid bilayer membrane constituting the liposome, immobilized, or present outside the liposome.
  • an anchor such as a polyethylene glycol chain
  • the liposome is preferably immobilized on the negative electrode, but it is not always necessary to immobilize the liposome.
  • an electrolyte containing a buffer solution (buffer material) is used as the proton conductor, the liposome is included in the buffer solution. It may be.
  • various conventionally known immobilization methods used for cell immobilization for example, can be used. In this case, an intermediate layer may be formed between the negative electrode and the liposome in order to stabilize the fixation of the liposome to the negative electrode.
  • biopolymers such as proteins and DNA, but also polymer electrolytes having both hydrophilic and hydrophobic properties, and structures such as micelles, reverse micelles, and lamellae can be formed.
  • a compound having a nanometer structure, a compound having one or more properties, and high biocompatibility can be used.
  • the protein for example, in addition to acidic proteins such as alcohol dehydrogenase, lactate dehydrogenase, ovalbumin, and myokinase typified by albumin, lysozyme, cytochrome c, myoglobin, trypsinogen, etc. having an isoelectric point on the alkali side may be used. it can.
  • the liposome can be stably immobilized on the negative electrode.
  • a binding pair that specifically binds is preferably used, but is not necessarily limited thereto.
  • a specific example of such a combination of the first substance and the second substance is as follows.
  • ⁇ Avidin and biotin Avidin is a glycoprotein that specifically binds to biotin.
  • Biotin may be immobilized on the negative electrode, and avidin may be bound to the liposome.
  • avidin various things, such as streptavidin (StreptAvidin) and neutroavidin (NeutroAvidin), can be used, Furthermore, these variants can also be used.
  • ⁇ Antigen and antibody Antibody is an immunoglobulin that specifically binds to an antigen.
  • the antibody can be immobilized on the negative electrode, and the liposome immobilized on the negative electrode can be immobilized by binding the antibody immobilized on the negative electrode and the antigen bound to the liposome.
  • An antigen may be immobilized on the negative electrode, and an antibody may be bound to the liposome.
  • Protein A or protein G is immunoglobulin I g It is a protein having a strong affinity for G.
  • immunoglobulin I on the negative electrode g While immobilizing G, protein A or protein G is bound to the liposome. Then, immunoglobulin I immobilized on the negative electrode g
  • the liposome can be immobilized on the negative electrode by binding G and protein A or protein G bound to the liposome. Protein A or protein G may be immobilized on the negative electrode, and immunoglobulin IgG may be bound to the liposome.
  • Sugar molecules (or sugar chain-containing compounds) and lectins Lectin is a general term for sugar-binding proteins. For example, a transmembrane lectin is mixed to produce a liposome, and a sugar molecule (or a sugar chain-containing compound) is immobilized on the negative electrode.
  • the liposome can be immobilized on the negative electrode by binding the sugar chain of the sugar molecule (or sugar chain-containing compound) immobilized on the negative electrode and the lectin bound to the liposome.
  • Lectins may be immobilized on the negative electrode, and sugar molecules (or sugar chain-containing compounds) may be bound to the liposomes.
  • ⁇ DNA and complementary DNA For example, a liposome is prepared using water-soluble lipid bound with DNA, and complementary strand DNA is immobilized on the negative electrode. Then, the liposome can be immobilized on the negative electrode by bonding the complementary strand DNA immobilized on the negative electrode and the DNA bonded to the liposome by hybridization.
  • Glutathione and glutathione S-transferase For example, a liposome is prepared by mixing a GST fusion transmembrane protein, and glutathione is immobilized on the negative electrode. Then, the liposome can be immobilized on the negative electrode by combining glutathione immobilized on the negative electrode and GST bonded to the liposome.
  • GST GST fusion transmembrane protein
  • the liposome can be immobilized on the negative electrode by combining glutathione immobilized on the negative electrode and GST bonded to the liposome.
  • Heparin and heparin-binding molecules For example, the lipid bilayer membrane constituting the liposome is modified with heparin-binding molecules, and the negative electrode is modified with heparin.
  • the liposome can be immobilized on the negative electrode by binding the heparin of the heparin-modified negative electrode and the heparin-binding molecule bound to the liposome.
  • Hormones and hormone receptors Hormone receptors are protein molecules or molecular complexes that specifically accept hormone molecules. For example, it is possible to immobilize the hormone receptor on the negative electrode, bind the hormone to the liposome, and immobilize the liposome to the negative electrode by binding the hormone receptor immobilized on the negative electrode and the hormone bound to the liposome. .
  • Carboxylic acid and imide For example, carboxylic acid is bound to the negative electrode and amine is bound to the liposome.
  • a liposome can be fix
  • An amine may be bonded to the negative electrode, and a carboxylic acid may be bonded to the liposome.
  • the electrode material of the negative electrode is carbon (carbon)
  • as a method for bonding carboxylic acid to the negative electrode for example, a diazonium salt is refluxed in a solution containing nitric acid, sulfuric acid, hydrogen peroxide, or the like. A method of performing local oxidation can be used.
  • various fuels such as glucose can be used, and are selected as necessary.
  • fuels other than glucose include various organic acids involved in the citric acid cycle, sugars and organic acids involved in the pentose phosphate cycle and glycolysis.
  • Various organic acids involved in the citric acid cycle are lactic acid, pyruvic acid, acetyl CoA, citric acid, isocitric acid, ⁇ -ketoglutaric acid, succinyl CoA, succinic acid, fumaric acid, malic acid, oxaloacetic acid and the like.
  • Sugars and organic acids involved in the pentose phosphate cycle and glycolysis are glucose 6-phosphate, 6-phosphogluconolactone, 6-phosphogluconoic acid, ribulose 5-phosphate, glyceraldehyde 3-phosphate, fructose 6-phosphate, xylulose 5-phosphate, sedheptulose 7-phosphate, erythrose 4-phosphate, phosphoenolpyruvate, 1,3-bisphosphoglycerate, ribose 5-phosphate and the like. Any of these fuels can permeate through one or a plurality of holes that can permeate glucose, which is possessed by the lipid bimolecular membrane constituting the liposome.
  • These fuels are typically used in the form of a fuel solution obtained by dissolving these fuels in a conventionally known buffer solution such as a phosphate buffer solution or a Tris buffer solution.
  • the enzyme encapsulated in the liposome typically contains an oxidase that promotes and decomposes the oxidation of fuel such as glucose, and further returns the coenzyme that has been reduced along with the oxidation of the fuel to the oxidant and an electron mediator. Including a coenzyme oxidase that passes electrons to the negative electrode.
  • the enzyme encapsulated in the liposome is preferably an oxidase that promotes and decomposes oxidation of fuel such as glucose, and a coenzyme oxidase that returns a coenzyme reduced by the oxidase to an oxidant. including.
  • oxidase that promotes and decomposes oxidation of fuel such as glucose
  • coenzyme oxidase that returns a coenzyme reduced by the oxidase to an oxidant.
  • the coenzyme oxidase By the action of the coenzyme oxidase, electrons are generated when the coenzyme returns to the oxidized form, and the electrons are transferred from the coenzyme oxidase to the negative electrode via the electron mediator.
  • glucose dehydrogenase GDH
  • NAD NAD-dependent glucose dehydrogenase
  • DI DAI
  • any electron mediator may be used, but a compound having a quinone skeleton is preferably used. Specifically, for example, 2,3-dimethoxy-5-methyl-1 is used.
  • a compound having a quinone skeleton for example, anthraquinone or a derivative thereof can be used.
  • the electron mediator may contain one or two or more other compounds that function as an electron mediator, if necessary.
  • This electron mediator may be immobilized on the negative electrode together with the liposome in which the enzyme and coenzyme are encapsulated, encapsulated inside the liposome, immobilized on the liposome, or contained in the fuel solution. You may make it let.
  • this enzyme typically contains an enzyme that reduces oxygen. Examples of the enzyme that reduces oxygen include bilirubin oxidase, laccase, and ascorbate oxidase.
  • an electron mediator is preferably immobilized on the positive electrode in addition to the enzyme.
  • the electron mediator for example, potassium hexacyanoferrate or potassium octacyanotungstate is used.
  • the electron mediator is preferably sufficiently high in concentration, for example 0.64 ⁇ 10 4 on average. -6 mol / mm 2 Immobilize above.
  • Various proton conductors can be used and are selected as necessary. Specifically, for example, cellophane, perfluorocarbon sulfonic acid (PFS) -based resin film, and trifluorostyrene derivative can be used together.
  • Polymer film Polybenzimidazole film impregnated with phosphoric acid, aromatic polyetherketone sulfonic acid film, PSSA-PVA (polystyrene sulfonate polyvinyl alcohol copolymer), PSSA-EVOH (polystyrene sulfonate ethylene vinyl alcohol copolymer) And an ion exchange resin having a fluorine-containing carbon sulfonic acid group (Nafion (trade name, DuPont, USA), etc.).
  • a buffer solution buffer substance
  • sufficient buffer capacity can be obtained during high output operation, and the ability inherent to the enzyme can be fully exhibited. It is desirable to do.
  • the concentration of the buffer substance contained in the electrolyte is 0.2 M or more and 2.5 M or less, preferably 0.2 M or more and 2 M or less, more preferably 0.4 M or more and 2 M or less, More preferably, it is 0.8M or more and 1.2M or less.
  • the buffer substance is generally pK a Can be used as long as it is 6 or more and 9 or less, but specific examples include dihydrogen phosphate ion (H 2 PO 4 ⁇ ), 2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol (abbreviated to Tris), 2- (N-morpholino) ethanesulfonic acid (MES), cacodylic acid, carbonic acid (H 2 CO 3 ), Hydrogen citrate ion, N- (2-acetamido) iminodiacetic acid (ADA), piperazine-N, N′-bis (2-ethanesulfonic acid) (PIPES), N- (2-acetamido) -2- Aminoethanesulfonic acid (ACES), 3- (N-morpholino) propanesulfonic acid (MOPS), N-2-hydroxyethylpiperazine-N'-2-ethanesulfonic acid (HEPES), N-2-hydroxyethylpiperazine- N'
  • Dihydrogen phosphate ion (H 2 PO 4 ⁇ For example, sodium dihydrogen phosphate (NaH). 2 PO 4 ) And potassium dihydrogen phosphate (KH) 2 PO 4 ) Etc.
  • a compound containing an imidazole ring is also preferable.
  • the compound containing an imidazole ring includes imidazole, triazole, pyridine derivative, bipyridine derivative, imidazole derivative (histidine, 1-methylimidazole, 2-methylimidazole, 4-methylimidazole, 2-ethylimidazole, imidazole-2 -Ethyl carboxylate, imidazole-2-carboxaldehyde, imidazole-4-carboxylic acid, imidazole-4,5-dicarboxylic acid, imidazol-1-yl-acetic acid, 2-acetylbenzimidazole, 1-acetylimidazole, N-acetyl Imidazole, 2-aminobenzimidazole, N- (3-aminopropyl) imidazole, 5-amino-2- (trifluoromethyl) benzimidazole, 4-azabenzimidazole, 4-aza-2-mercap Benzimidazole, imidazole, 1-benzyl imidazole, 1-
  • hydrochloric acid HCl
  • acetic acid CH 3 COOH
  • phosphoric acid H 3 PO 4
  • sulfuric acid H 2 SO 4
  • the pH of the electrolyte containing the buffer substance is preferably around 7, but may be any of 1 to 14 in general.
  • the electrode material for the positive electrode and the negative electrode various materials can be used. For example, carbon-based materials such as porous carbon, carbon pellets, carbon felt, and carbon paper are used.
  • a porous conductive material including a skeleton made of a porous material and a material mainly composed of a carbon-based material covering at least a part of the surface of the skeleton can be used (Patent Document). 12).
  • This fuel cell can be used for almost anything that requires electric power, and can be of any size.
  • the output, size, shape, type of fuel, etc. are determined depending on the application.
  • this invention is Using one or more fuel cells, At least one of the above fuel cells
  • the positive electrode and the negative electrode have a structure facing each other through a proton conductor, and are configured to extract electrons from the fuel using an enzyme, At least one kind of the above enzyme is encapsulated in the liposome,
  • This electronic device may basically be any type, and includes both portable and stationary devices. Specific examples include cell phones, mobile devices (portable information terminals).
  • the liposome encapsulating at least one enzyme is immobilized
  • the lipid bilayer membrane constituting the liposome is an enzyme-immobilized electrode having one or a plurality of holes through which glucose can permeate.
  • the enzyme-immobilized electrode In the invention of the enzyme-immobilized electrode, what has been described in relation to the invention of the fuel cell and the method of manufacturing the fuel cell is valid as long as the nature of the invention is not contradicted. Also, this invention is Using enzymes, At least one kind of the above enzyme is encapsulated in the liposome, The lipid bimolecular membrane constituting the liposome is a biosensor having one or more holes through which glucose can permeate. In the invention of the biosensor, what has been described in relation to the invention of the fuel cell and the method of manufacturing the fuel cell is valid as long as the nature of the biosensor is not violated.
  • this invention is An energy conversion element using a liposome encapsulating at least one enzyme and having one or a plurality of holes in which the lipid bilayer membrane constituting the liposome can permeate glucose.
  • this energy conversion element is an element that converts chemical energy of a fuel or a substrate into electric energy by an enzyme reaction, and the above-described fuel cell, that is, a biofuel cell, is a kind of this energy conversion element.
  • the above-described fuel cell that is, a biofuel cell
  • the invention of the energy conversion element what has been described in relation to the invention of the fuel cell and the method of manufacturing the fuel cell is valid as long as it is not contrary to the nature.
  • this invention is The lipid bimolecular membrane constituting the cell membrane is a cell having one or a plurality of holes through which glucose can permeate. Also, this invention is The lipid bimolecular membrane constituting the cell membrane is an organelle having one or a plurality of holes through which glucose can permeate. Also, this invention is The lipid bimolecular membrane constituting the cell membrane is a bacterium having one or a plurality of holes through which glucose can permeate.
  • the cells, organelles and bacteria are not particularly limited as long as they have a fuel or substrate metabolic system such as glucose, and include various conventionally known ones.
  • these cells, organelles, and bacteria may be encapsulated with an enzyme or further a coenzyme necessary for decomposing a fuel such as glucose or a substrate or the like, similar to the fuel cell described above.
  • a fuel such as glucose or a substrate or the like
  • the present invention configured as described above, since at least one enzyme involved in the enzyme reaction or at least one coenzyme is encapsulated in the liposome while maintaining high activity, a minute space inside the liposome is present.
  • an enzyme reaction is efficiently performed, and electrons can be efficiently extracted from a fuel or a substrate such as glucose.
  • the concentration of the enzyme and the coenzyme encapsulated inside the liposome is extremely high, and therefore the distance between the enzyme and the coenzyme is extremely small, so that the catalytic cycle of these enzymes and coenzyme proceeds very fast.
  • the enzyme reaction proceeds at high speed.
  • the enzyme or further coenzyme enclosed in the liposome can be easily immobilized on the negative electrode or electrode via the liposome.
  • the electrons extracted from the fuel or substrate such as glucose can be reliably transferred to the negative electrode or the electrode.
  • the liposome can be fixed more easily than when the enzyme or coenzyme is immobilized by a polyion complex or the like.
  • an enzymatic reaction is efficiently carried out using a minute space inside these cells, organelles and bacteria as a reaction field. Electrons can be extracted. In this case, the enzymatic reaction is carried out by the metabolic system of these cells, organelles, and bacteria. However, the enzymes or enzymes necessary for decomposing fuel or substrates in these cells, organelles, and bacteria are not used. Furthermore, when encapsulating a coenzyme, these enzymes and coenzymes can be used.
  • an enzyme reaction can be carried out using a minute space inside a liposome encapsulating an enzyme or further a coenzyme as a reaction field, so that electrons can be efficiently extracted from a fuel such as glucose or a substrate and an electric energy can be obtained.
  • a highly efficient fuel cell in which these enzymes or further coenzymes can be easily immobilized on the electrode.
  • a highly efficient fuel cell By using such a highly efficient fuel cell, a high-performance electronic device can be realized.
  • a highly efficient biosensor and energy conversion element can be realized.
  • cells, organelles, and bacteria that can efficiently extract electrons from a fuel or substrate such as glucose and generate electric energy can be realized.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an enzyme-immobilized electrode according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a liposome encapsulating an enzyme and a coenzyme used in the enzyme-immobilized electrode according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing an electron transfer reaction by an enzyme group and a coenzyme enclosed in a liposome in the enzyme-immobilized electrode according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining advantages of encapsulating an enzyme group and a coenzyme in a liposome and performing an enzyme reaction.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an enzyme-immobilized electrode according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a liposome encapsulating an enzyme and a coenzyme used in the enzyme-immobilized electrode according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic
  • FIG. 5 is a drawing-substituting photograph showing a fluorescence microscopic image of a liposome encapsulating fluorescence-labeled alcohol dehydrogenase, fluorescence-labeled diaphorase and NADH.
  • FIG. 6 is a drawing-substituting photograph showing a fluorescence microscopic image of a liposome encapsulating fluorescently labeled alcohol dehydrogenase, fluorescently labeled diaphorase and NADH.
  • FIG. 7 is a drawing-substituting photograph showing a fluorescence microscopic image of a liposome encapsulating fluorescently labeled alcohol dehydrogenase, fluorescently labeled diaphorase and NADH.
  • FIG. 6 is a drawing-substituting photograph showing a fluorescence microscopic image of a liposome encapsulating fluorescently labeled alcohol dehydrogenase, fluorescently labeled diaphorase and NADH.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the results of fluorescence monitoring of liposomes encapsulating fluorescently labeled alcohol dehydrogenase, fluorescently labeled diaphorase and NADH.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the results of fluorescence monitoring of liposomes encapsulating fluorescently labeled alcohol dehydrogenase, fluorescently labeled diaphorase and NADH.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing the results of fluorescence monitoring of liposomes encapsulating fluorescently labeled alcohol dehydrogenase, fluorescently labeled diaphorase and NADH.
  • FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the stability of liposomes.
  • FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the stability of liposomes.
  • FIG. 12 shows chronoamperometry performed when liposomes encapsulating alcohol dehydrogenase, diaphorase and NADH were dispersed in a given solution, and when alcohol dehydrogenase, diaphorase and NADH were simply dispersed in a given solution. It is a basic diagram which shows a result.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a state in which liposomes encapsulating alcohol dehydrogenase, diaphorase and NADH are dispersed in a buffer solution.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing a state in which alcohol dehydrogenase, diaphorase, and NADH are simply dispersed in a buffer solution.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a state in which liposomes encapsulating alcohol dehydrogenase, diaphorase and NADH are dispersed in a buffer solution.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing a state in which alcohol dehydrogenase, diaphorase,
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing the results of chronoamperometry performed when liposomes encapsulating glucose dehydrogenase, diaphorase and NADH were dispersed in a measurement solution in Example 1 of the present invention.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing the results of chronoamperometry performed when liposomes encapsulating glucose dehydrogenase, diaphorase and NADH were dispersed in a measurement solution in Example 1 of the present invention.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing a structural formula of amphotericin B used as an antibiotic in Example 1 of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view showing a state in which amphotericin B is bonded to the lipid bilayer membrane constituting the liposome in Example 1 of the present invention to form a hole.
  • FIG. 19 is a plan view showing a state in which amphotericin B is bonded to the lipid bilayer membrane constituting the liposome in Example 1 of the present invention to form a hole.
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing a biofuel cell according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 shows details of the configuration of the negative electrode of the biofuel cell according to the second embodiment of the present invention, an example of an enzyme group and a coenzyme enclosed in a liposome immobilized on the negative electrode, and the enzyme group and the coenzyme.
  • FIG. 22 is a schematic diagram showing a specific configuration example of the biofuel cell according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a schematic diagram and a cross-sectional view for explaining the structure of a porous conductive material used as a negative electrode material in a biofuel cell according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 is a schematic diagram for illustrating a method for manufacturing a porous conductive material used as a negative electrode material in a biofuel cell according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a schematic diagram showing a main part of a cell according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 26 is a schematic diagram showing mitochondria according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 27 is a schematic diagram showing bacteria according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 28 is a perspective view and a sectional view showing a porous electrode used as a negative electrode in a biofuel cell according to the seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 29 is a schematic diagram showing an enzyme-immobilized electrode according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 30 is a schematic diagram showing a sample prepared for performing chronoamperometry measurement in Example 2 of the present invention.
  • FIG. 31 is a schematic diagram showing a first sample manufactured for comparison with Example 2 of the present invention.
  • FIG. 32 is a schematic diagram showing a second sample manufactured for comparison with Example 2 of the present invention.
  • FIG. 33 is a schematic diagram showing a third sample manufactured for comparison with Example 2 of the present invention.
  • FIG. 34 is a schematic diagram showing the result of chronoamperometry performed in Example 2 of the present invention together with the result of a comparative example.
  • FIG. 35 is a schematic diagram showing an enzyme-immobilized electrode according to a ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 36 is a schematic diagram showing the permeability of various molecules to the lipid bilayer membrane.
  • FIG. 1 shows an enzyme-immobilized electrode according to a first embodiment of the present invention.
  • glucose is used as a substrate.
  • liposomes 12 made of a lipid bimolecular film such as phospholipid are immobilized on the surface of an electrode 11 made of porous carbon or the like by physical adsorption or the like.
  • At least one type of enzyme and at least one type of coenzyme involved in the target enzyme reaction are encapsulated in the aqueous phase inside the liposome 12.
  • FIG. 2 shows details of the structure of the liposome 12.
  • two types of enzymes 13 and 14 and one type of coenzyme 15 are enclosed in the aqueous phase 12 a inside the liposome 12.
  • an electron mediator may be enclosed in the aqueous phase 12 a inside the liposome 12. This electron mediator may be immobilized on the electrode 11 together with the liposome 12.
  • Enzyme 13 is an oxidase that promotes and decomposes the oxidation of glucose used as a substrate, and enzyme 14 returns coenzyme 15 that has been reduced due to the oxidation of glucose to an oxidant and also sends electrons to electrode 11 via an electron mediator. It is a coenzyme oxidase that passes. As shown in FIG.
  • one or a plurality of antibiotics 16 are bonded to the lipid bilayer membrane constituting the liposome 12, and a hole 17 penetrating the lipid bilayer membrane in a form bordered by the antibiotic 16. Is formed. Although only one hole 17 is shown in FIG. 2, the number and arrangement of the holes 17 are arbitrary. The size of the hole 17 is selected so that glucose can be permeated but the permeation of the enzymes 13 and 14 and the coenzyme 15 enclosed in the liposome 12 is impossible or difficult.
  • the antibiotic 16 for example, amphotericin B, which is a polyene antibiotic, ionophore, and the like can be used. However, the antibiotic 16 is not limited thereto.
  • ionophore examples include valinomycin, ionomycin, nigericin, gramicidin A, monensin, carbonyl cyanide-m-chlorophenyl hydrazone, carbonyl cyanide-p-fluoromethoxyphenyl hydrazone, and the like.
  • This enzyme-immobilized electrode can be produced, for example, as follows. First, the liposome 12 in which the enzymes 13 and 14 and the coenzyme 15 are encapsulated is prepared. Next, an antibiotic 16 is bonded to the lipid bimolecular membrane constituting the liposome 12 to form a hole 17.
  • the liposome 12 thus formed with the holes 17 is immobilized on the electrode 11.
  • an enzyme-immobilized electrode is produced.
  • the pores 17 may be formed by immobilizing the liposome 12 on the electrode 11 and then binding the antibiotic 16 to the lipid bimolecular membrane constituting the liposome 12.
  • the enzyme-immobilized electrode is manufactured as follows, for example.
  • the enzymes 13 and 14 and the coenzyme 15 outside the liposome 12 are removed by, for example, passing the mixed solution through a gel filtration column.
  • the liposome 12 in which the enzymes 13 and 14 and the coenzyme 15 are encapsulated in this way is placed in a buffer solution, and an antibiotic 16 is added to the buffer solution so that the lipid bilayer membrane constituting the liposome 12 has antibiotics.
  • FIG. 3 schematically shows an example of an electron transfer reaction by an enzyme, a coenzyme, and an electron mediator in the enzyme-immobilized electrode.
  • the enzyme involved in glucose degradation is glucose dehydrogenase (GDH).
  • NAD + is a coenzyme that produces a reductant with an oxidation reaction in the glucose decomposition process.
  • DI diaphorase
  • An electron mediator receives electrons generated from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes them to the electrode 11.
  • FIG. 4 schematically shows an example of an electron transfer reaction by an enzyme, a coenzyme, and an electron mediator in the enzyme-immobilized electrode.
  • the enzyme involved in the decomposition of ethyl alcohol is alcohol dehydrogenase (ADH).
  • ADH alcohol dehydrogenase
  • NAD + is a coenzyme that generates a reductant with an oxidation reaction in the decomposition process of ethyl alcohol.
  • DI diaphorase
  • the electron mediator receives electrons generated from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes them to the electrode 18.
  • ethyl alcohol permeates the lipid bimolecular membrane constituting the liposome 19 and enters the inside of the liposome 19, and acetaldehyde (CH 3 CHO) is generated by the decomposition of the ethyl alcohol by alcohol dehydrogenase. Go outside 19 The electron mediator moves in and out of the lipid bimolecular membrane constituting the liposome 19 and conducts electrons.
  • the enzyme-immobilized electrode shown in FIG. 4 was actually produced and tested. First, an enzyme-immobilized electrode was produced as follows.
  • DI diaphorase
  • ADH Alcohol dehydrogenase
  • ADH NAD-dependent, EC 1.1.1.1, manufactured by Amano Enzyme
  • the buffer solution for dissolving the enzyme is preferably refrigerated until just before, and the enzyme buffer solution is preferably stored as refrigerated as much as possible.
  • NADH (manufactured by Sigma Aldrich, N-8129) was weighed and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to obtain a NADH buffer solution (3).
  • Q0 2,3-dimethoxy-5-methyl-1,4-benzoquinone
  • a liposome buffer solution (5) 100 mg of egg yolk lecithin (manufactured by Wako) was weighed and dissolved in 10 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) and homogenized with a homogenizer to obtain a liposome buffer solution (5).
  • the various solutions prepared as described above were collected and mixed in the amounts shown below, and freeze-thaw was repeated three times.
  • the mixed solution is passed through a gel filtration column to remove extraliposomal enzymes and NADH.
  • the liposome solution obtained here was used as an ADH, DI, NADH-encapsulated liposome solution (6).
  • 5, 6 and 7 are fluorescence micrographs of liposomes encapsulating ADH fluorescently labeled with the cyanine dye Cy2 and DI and NADH fluorescently labeled with the cyanine dye Cy3.
  • Ex indicates excitation light, has a wavelength described on the right of Ex
  • DM Dichroic mirror
  • BA Barrier filter
  • FIG. 5 shows the ADH distribution in which fluorescence is generated by exciting Cy2 with excitation light having a wavelength of 450 to 490 nm.
  • FIG. 6 shows the distribution of DI in which fluorescence is generated by exciting Cy3 with excitation light having a wavelength of 510 to 560 nm.
  • FIG. 7 shows NADH distribution in which NADH is excited by excitation light having a wavelength of 380 to 420 nm to generate fluorescence. From FIG. 5, FIG. 6, and FIG.
  • FIGS. 5, 6 and 7 are graphs showing the results of fluorescence monitoring of liposomes encapsulating ADH fluorescently labeled with Cy2 and DI and NADH fluorescently labeled with Cy3.
  • FIG. 8 shows the fluorescence intensity from ADH fluorescently labeled with Cy2
  • FIG. 9 shows the fluorescence intensity from DI fluorescently labeled with Cy3
  • FIG. 10 shows the fluorescence intensity from NADH.
  • Em indicates the light emitted when the dye is excited by the excitation light Ex, and has the wavelength described on the right side of Em.
  • the wavelength of Ex and the wavelength of Em The numerical value in the parenthesis on the right side of the wavelength is the half width.
  • the fluorescence intensity did not change up to an ethyl alcohol concentration of 100 mM. That is, it was found that the liposome was stable at least up to an ethyl alcohol concentration of 100 mM, and ADH, DI, and NADH were reliably encapsulated inside the liposome. Further, when 0.3% Triton X as a surfactant was added, the fluorescence intensity increased.
  • the state at this time is shown in FIG. 11 taking NADH as an example.
  • the NADH fluorescence intensity is low in a state where NADH is encapsulated inside the liposome, but if NADH encapsulated in the liposome is broken and released inside the liposome, NADH causes The fluorescence intensity increases.
  • the ADH, DI and NADH encapsulated liposome solution (6) thus obtained and the Q0 buffer solution (4) were mixed to prepare a measurement solution having a total volume of 100 ⁇ L.
  • the carbon felt was used as the working electrode, and the reference electrode Ag
  • 0.3 V was set to a potential sufficiently higher than the oxidation-reduction potential of the electron mediator, and chronoamperometry was performed while stirring the solution.
  • ethyl alcohol was added to the measurement solution in such a way that final concentrations of 1, 10, and 100 mM were added.
  • the results of chronoamperometry when ethyl alcohol is added to the measurement solution containing ADH, DI, and NADH-encapsulated liposomes as described above are shown in curve (a) of FIG.
  • the liposome 19 encapsulates ADH (indicated by a circle with a horizontal line), DI (indicated by a vertical line with a circle), and NADH (indicated by a blank circle).
  • ADH indicated by a circle with a horizontal line
  • DI indicated by a vertical line with a circle
  • NADH indicated by a blank circle
  • the volume of the buffer solution S is, for example, 100 ⁇ L
  • the volume inside the liposome 19 is, for example, about 0.17 ⁇ L.
  • 5.5 ⁇ 10 ⁇ 3 ⁇ mol of phospholipid constituting the lipid bilayer membrane of liposome 19 is present in buffer S, and the total volume inside liposome 19 is 30 ⁇ L / ⁇ mol when converted per 1 ⁇ mol of liposome. is there.
  • ADH, DI, and NADH are present in liposome 19 as shown in FIG. 13.
  • These local concentrations of ADH, DI, and NADH when encapsulated are about 600 times higher. That is, by encapsulating ADH, DI, and NADH in the liposome 19, the concentration of these ADH, DI, and NADH can be remarkably increased, and the distance between these ADH, DI, and NADH can be made extremely small. Can do. For this reason, in the liposome 19, the catalytic cycle by ADH, DI, and NADH advances very rapidly, and the result as shown in FIG. 12 is obtained.
  • the enzyme reaction is carried out in a minute space inside the liposome 12. It can be seen that the reaction can be performed efficiently and electrons can be efficiently extracted from the substrate.
  • An enzyme-immobilized electrode was produced as follows. 1 to 10 mg of diaphorase (DI) (EC 1.8.1.4, manufactured by Amano Enzyme) was weighed and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to obtain a DI enzyme buffer solution (11). . Glucose dehydrogenase (GDH) (NAD-dependent, EC 1.1.1.47, manufactured by Amano Enzyme) was weighed 10 to 50 mg, dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7), and GDH enzyme buffer solution (12).
  • DI diaphorase
  • GDH Glucose dehydrogenase
  • the buffer solution for dissolving the enzyme is preferably refrigerated until just before, and the enzyme buffer solution is preferably stored as refrigerated as much as possible.
  • 10 to 50 mg of NADH (manufactured by Sigma Aldrich, N-8129) was weighed and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to obtain a NADH buffer solution (13).
  • 100-200 mg of 2,3-dimethoxy-5-methyl-1,4-benzoquinone (Q0) was weighed and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to obtain a Q0 buffer solution (14).
  • the liposome solution obtained here was used as a GDH, DI, NADH-encapsulated liposome solution (16).
  • the GDH, DI and NADH encapsulated liposome solution (16) thus obtained and the Q0 buffer solution (14) were mixed to prepare a measurement solution having a total volume of 100 ⁇ L.
  • carbon felt is used as the working electrode
  • the results of chronoamperometry are shown in FIG. As shown in FIG.
  • FIG. 16 shows the results of chronoamperometry when the final concentration of amphotericin B added to a measurement solution containing 100 mM glucose similar to that described above was changed to 1, 10, and 100 ⁇ M. As shown in FIG.
  • FIG. 17 shows the structural formula of amphotericin B.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view showing a state where amphotericin B is bound to the lipid bimolecular membrane constituting the liposome 12.
  • FIG. 19 is a plan view showing a state in which amphotericin B is bound to a lipid bilayer membrane (not shown). As shown in FIG.
  • a plurality of amphotericin B cyclically bonded to the lipid bilayer membrane form a hole penetrating the lipid bilayer membrane in a form bordered by these amphotericin B. It has been reported that amphotericin B can form holes in liposomes (see, for example, Non-Patent Document 3). This hole is permeable to glucose, and has a size that prevents the enzymes GDH and DI and the coenzyme NADH from permeating. As described above, according to the first embodiment, it is necessary for the enzyme reaction for decomposing glucose inside the liposome 12 in which the antibiotic 16 is bonded to the lipid bilayer and the hole 17 is formed. Enzymes 13 and 14 and coenzyme 15 are enclosed.
  • the liposome 12 is immobilized on the electrode 11. For this reason, the enzyme reaction can be efficiently performed using the minute space inside the liposome 12 as a reaction field, and electrons can be efficiently extracted from glucose as a substrate and transferred to the electrode 11. Further, the immobilization can be easily performed as compared with the conventional case in which an enzyme or the like is directly immobilized on the electrode 11 by a polyion complex or the like.
  • the enzyme-immobilized electrode according to the first embodiment is used as the negative electrode of the biofuel cell.
  • FIG. 20 schematically shows this biofuel cell. In this biofuel cell, glucose is used as a fuel.
  • FIG. 20 schematically shows this biofuel cell. In this biofuel cell, glucose is used as a fuel.
  • this biofuel cell schematically shows the details of the configuration of the negative electrode of this biofuel cell, an example of an enzyme group and a coenzyme enclosed in the liposome 12 immobilized on the negative electrode, and an electron transfer reaction by the enzyme group and the coenzyme.
  • this biofuel cell has a structure in which a negative electrode 21 and a positive electrode 22 face each other with an electrolyte layer 23 therebetween.
  • the negative electrode 21 decomposes glucose supplied as a fuel with an enzyme to take out electrons and protons (H + ).
  • the positive electrode 22 generates water by protons transported from the negative electrode 21 through the electrolyte layer 23, electrons sent from the negative electrode 21 through an external circuit, and oxygen in the air, for example.
  • the enzyme-immobilized electrode As the negative electrode 21, the enzyme-immobilized electrode according to the first embodiment is used. Specifically, the enzyme-immobilized electrode is obtained by immobilizing liposomes 12 having a hole 17 capable of permeating glucose in the lipid bimolecular membrane on the electrode 11. Encapsulated in the liposome 12 are enzymes involved in the degradation of glucose, a coenzyme that produces a reductant during the oxidation process in the glucose degradation process, and a coenzyme oxidase that oxidizes the reductant of the coenzyme. ing.
  • an electron mediator that receives electrons generated from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes it to the electrode 11 is also immobilized.
  • an enzyme involved in the degradation of glucose for example, glucose dehydrogenase (GDH), preferably NAD-dependent glucose dehydrogenase can be used.
  • GDH glucose dehydrogenase
  • ⁇ -D-glucose can be oxidized to D-glucono- ⁇ -lactone.
  • this D-glucono- ⁇ -lactone can be decomposed into 2-keto-6-phospho-D-gluconate by the presence of two enzymes, gluconokinase and phosphogluconate dehydrogenase (PhGDH).
  • gluconokinase and phosphogluconate dehydrogenase PhGDH
  • D-glucono- ⁇ -lactone is converted to D-gluconate by hydrolysis, and D-gluconate is converted from adenosine triphosphate (ATP) to adenosine diphosphate (ADP) and phosphate in the presence of gluconokinase. And then phosphorylated to 6-phospho-D-gluconate.
  • ATP adenosine triphosphate
  • ADP adenosine diphosphate
  • This 6-phospho-D-gluconate is oxidized to 2-keto-6-phospho-D-gluconate by the action of the oxidase PhGDH.
  • glucose can be converted to CO using sugar metabolism. 2 Can also be disassembled.
  • the decomposition process utilizing sugar metabolism is roughly divided into glucose decomposition and pyruvic acid generation by a glycolysis system and a TCA cycle, which are widely known reaction systems.
  • the oxidation reaction in the monosaccharide decomposition process is accompanied by a coenzyme reduction reaction. This coenzyme is almost determined by the acting enzyme. In the case of GDH, the coenzyme contains NAD. + Is used.
  • the liposome 12 encapsulating the enzyme and coenzyme and the electron mediator are provided with a buffer such as a phosphate buffer or a Tris buffer contained in the electrolyte layer 23 so that the electrode reaction can be performed efficiently and constantly.
  • the solution is preferably maintained at an optimum pH for the enzyme, for example, around pH 7.
  • phosphate buffers include NaH. 2 PO 4 And KH 2 PO 4 Is used.
  • the ionic strength (IS) is too large or too small to adversely affect the enzyme activity, but considering the electrochemical response, it should be an appropriate ionic strength, for example, about 0.3. Is preferred.
  • pH and ionic strength have optimum values for each enzyme used, and are not limited to the values described above. In FIG.
  • an enzyme involved in glucose degradation is glucose dehydrogenase (GDH), and a coenzyme that produces a reductant in the oxidation reaction in the glucose degradation process is NAD. +
  • the coenzyme oxidase that oxidizes NADH, which is a reduced form of the coenzyme is diaphorase (DI)
  • DI diaphorase
  • the electron mediator that receives electrons from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes to the electrode 11 is ACNQ Is shown.
  • the positive electrode 22 is obtained by immobilizing an enzyme that decomposes oxygen, such as bilirubin oxidase, laccase, and ascorbate oxidase, on an electrode made of an electrode material such as porous carbon.
  • the outer part of the positive electrode 22 (the part opposite to the electrolyte layer 23) is usually formed by a gas diffusion layer made of porous carbon, but is not limited thereto.
  • an electron mediator that transfers electrons to and from the positive electrode 22 is also immobilized on the positive electrode 22.
  • H from the electrolyte layer 23 is present in the presence of the enzyme that decomposes oxygen.
  • + And oxygen from the negative electrode 21 reduce oxygen in the air to produce water.
  • the electrolyte layer 23 is H generated in the negative electrode 21. + Is transported to the positive electrode 22 and does not have electron conductivity. + It is comprised with the material which can be transported. Specific examples of the electrolyte layer 23 include those already mentioned, such as cellophane.
  • the biofuel cell configured as described above, when glucose is supplied to the negative electrode 21 side, the glucose is decomposed by a decomposing enzyme including an oxidase. Since oxidase is involved in the monosaccharide decomposition process, electrons and H on the negative electrode 21 side. + And a current can be generated between the negative electrode 21 and the positive electrode 22.
  • a specific structural example of the biofuel cell will be described. As shown in FIGS.
  • this biofuel cell has a configuration in which the negative electrode 21 and the positive electrode 22 face each other with the electrolyte layer 23 therebetween.
  • Ti current collectors 41 and 42 are placed under the positive electrode 22 and the negative electrode 21, respectively, so that current collection can be performed easily.
  • Reference numerals 43 and 44 denote fixed plates.
  • the fixing plates 43 and 44 are fastened to each other by screws 45, and the positive electrode 22, the negative electrode 21, the electrolyte layer 23, and the Ti current collectors 41 and 42 are sandwiched between them.
  • One surface (outer surface) of the fixing plate 43 is provided with a circular recess 43a for taking in air, and a plurality of holes 43b penetrating to the other surface are provided in the bottom surface of the recess 43a.
  • holes 43 b serve as air supply paths to the positive electrode 22.
  • a circular recess 44a for fuel loading is provided on one surface (outer surface) of the fixing plate 44, and a number of holes 44b penetrating to the other surface are provided on the bottom surface of the recess 44a. These holes 44 b serve as a fuel supply path to the negative electrode 21.
  • a spacer 46 is provided on the periphery of the other surface of the fixing plate 44, and when the fixing plates 43 and 44 are fastened to each other with screws 45, the interval between them becomes a predetermined interval. . As shown in FIG.
  • a load 47 is connected between the Ti current collectors 41 and 42, and a glucose solution in which glucose is dissolved in a phosphate buffer, for example, is put into the recess 44a of the fixed plate 44 to generate power.
  • the liposome 12 in which the enzyme group and the coenzyme necessary for the enzyme reaction are encapsulated and the antibiotic 16 is bound to the lipid bilayer and the hole 17 is formed is formed on the electrode 11.
  • An immobilized enzyme-immobilized electrode is used as the negative electrode 21. For this reason, the enzyme reaction can be efficiently performed using the minute space inside the liposome 12 as a reaction field, and electrons can be efficiently extracted from the fuel glucose and transferred to the electrode 11, as well as enzymes, etc.
  • the biofuel cell according to the third embodiment is the same as the biofuel cell according to the second embodiment except that a porous conductive material as shown in FIGS. 23A and 23B is used for the electrode material of the negative electrode 21. It has a configuration.
  • FIG. 23A schematically shows the structure of the porous conductive material
  • FIG. 23B is a cross-sectional view of the skeleton of the porous conductive material. As shown in FIGS.
  • this porous conductive material includes a skeleton 79a made of a porous material having a three-dimensional network structure and a carbon-based material 79b covering the surface of the skeleton 79a. Liposomes 12 similar to those of the second embodiment are immobilized on the surface of the material 79b.
  • This porous conductive material has a three-dimensional network structure in which a large number of holes 80 surrounded by the carbon-based material 79b correspond to a network. In this case, these holes 80 communicate with each other.
  • the form of the carbon-based material 79b is not limited and may be any of fibrous (needle-like) or granular.
  • the skeleton 79a made of the porous material foam metal or foam alloy, for example, foam nickel is used.
  • the porosity of the skeleton 79a is generally 85% or more, or 90% or more, and the pore diameter is generally, for example, 10 nm to 1 mm, alternatively 10 nm to 600 ⁇ m, alternatively 1 to 600 ⁇ m, typically 50 It is ⁇ 300 ⁇ m, more typically 100 to 250 ⁇ m.
  • the carbon-based material 79b is preferably a highly conductive material such as ketjen black, but a functional carbon material such as carbon nanotube or fullerene may be used.
  • the porosity of the porous conductive material is generally 80% or more, or 90% or more, and the diameter of the hole 80 is typically 9 nm to 1 mm, alternatively 9 nm to 600 ⁇ m, alternatively 1 to 600 ⁇ m, typically Specifically, it is 30 to 400 ⁇ m, more typically 80 to 230 ⁇ m.
  • a method for producing this porous conductive material will be described. As shown in FIG. 24A, first, a skeleton 79a made of a foam metal or a foam alloy (for example, foam nickel) is prepared. Next, as shown in FIG. 24B, a carbon-based material 79b is coated on the surface of the skeleton 79a made of the foam metal or foam alloy.
  • the carbon-based material 79b is coated by spraying an emulsion containing carbon powder, an appropriate binder, or the like onto the surface of the skeleton 79a by spraying.
  • the coating thickness of the carbon-based material 79b is determined in accordance with the porosity and pore size required for the porous conductive material in consideration of the porosity and pore size of the skeleton 79a made of foam metal or foamed alloy.
  • a large number of holes 80 surrounded by the carbon-based material 79b are communicated with each other. In this way, the target porous conductive material is manufactured.
  • the liposome 12 is immobilized on the surface of the carbon-based material 79b of the porous conductive material.
  • the other than the above is the same as that of the second embodiment.
  • the porous conductive material in which the surface of the skeleton 79a made of a foam metal or a foam alloy is coated with the carbon-based material 79b has a sufficiently large hole 80 diameter and a rough three-dimensional network structure, while having a high strength. In addition, it has high conductivity and can provide a necessary and sufficient surface area.
  • the negative electrode 21 composed of an enzyme / coenzyme / electron mediator immobilized electrode obtained by immobilizing an enzyme, a coenzyme and an electron mediator on the porous conductive material is used as an electrode material.
  • the enzyme metabolic reaction can be performed with high efficiency, or the enzyme reaction phenomenon occurring in the vicinity of the electrode can be efficiently captured as an electrical signal, and is stable regardless of the use environment, It is possible to realize a high-performance biofuel cell.
  • FIG. 25 shows a part of a cell membrane 81 made of a lipid bimolecular membrane on the outer periphery of the cell.
  • this cell is an animal cell is considered, it may be a plant cell.
  • These cells mainly include the nucleus, organelles such as mitochondria, endoplasmic reticulum, Golgi apparatus, lysosome, and water in which various ions, nutrients, enzymes, and the like are dissolved.
  • various proteins 82, 83, 84, etc. are embedded in the cell membrane 81 of this cell.
  • the protein 82 is a pump protein that transports ions and the like from the outside to the inside of the cell
  • the protein 83 is an intramembrane protein
  • the protein 84 is a channel protein that has a function of transporting a specific molecule into and out of the cell.
  • the antibiotic 16 is bonded, and one or a plurality of holes 17 capable of permeating glucose are formed.
  • the cells configured as described above are immobilized on an electrode made of porous carbon or the like by a conventionally known method.
  • glucose when the above cells are placed in a buffer solution containing glucose or the like, glucose can be taken in through the holes 17 of the cell membrane 81.
  • the glucose thus taken into the cell is decomposed by a metabolic system such as a citrate circuit, a glycolysis system, and a pentose phosphate circuit of the cell, and electrons are taken out.
  • the electrons taken out in this way are finally delivered to the electrode on which the cells are immobilized via the electron mediator or directly without the electron mediator and taken out to the outside.
  • electric energy can be extracted from glucose. ⁇ 5.
  • lipid bilayer membrane constituting mitochondria which is an organelle contained in a cell collected from a cell or a cell obtained by culturing a cell collected from a living organism. Forming one or more holes. Mitochondria are the place of eukaryotic energy production, and ATP is produced by the energy obtained during the oxidation reaction of food molecules.
  • FIG. 26 shows mitochondria. As shown in FIG. 26, the mitochondria have an outer membrane 85 and an inner membrane 86. These outer membrane 85 and inner membrane 86 are cell membranes composed of lipid bimolecular membranes. The inner membrane 86 forms a pleated crystal.
  • Various enzymes are concentrated in the matrix cavity 87 inside the inner membrane 86.
  • the final stage of molecular oxidation occurs at the inner membrane 86.
  • Antibiotics 16 are bound to the cell membranes constituting the mitochondrial outer membrane 85 and inner membrane 86, and one or a plurality of holes 17 capable of permeating glucose are formed.
  • the mitochondria configured as described above are immobilized on an electrode made of porous carbon or the like by a conventionally known method. According to the fifth embodiment, when the mitochondria are placed in a buffer solution or the like containing glucose, glucose can be taken in through the holes 17 of the outer membrane 85 and the inner membrane 86.
  • the glucose thus taken into the mitochondria is decomposed by the oxidation system of the molecules of the mitochondria, that is, the citrate circuit, glycolysis system, pentose phosphate circuit, etc., and electrons are taken out.
  • the electrons taken out in this way are finally transferred to the electrode on which the mitochondria are immobilized via the electron mediator or directly without the electron mediator and taken out to the outside.
  • electric energy can be extracted from glucose.
  • FIG. 27 shows bacteria.
  • this bacterium is an eubacteria. As shown in FIG.
  • this bacterium is surrounded by a capsule 88, a cell wall 89, and a cell membrane 90 in order from the outside, and a cytoplasm 91 is contained therein.
  • Flagella 92 and cilia 93 are bound to the outside of this bacterium.
  • some bacteria lack the capsule 88, flagella 92, and cilia 93.
  • E. coli does not have these capsules 88, flagella 92, and cilia 93.
  • nucleoids, ribosomes and the like are present in the cell membrane 90.
  • Antibiotic 16 is bound to cell membrane 90 made of this lipid bimolecular membrane of bacteria, and one or a plurality of holes 17 capable of permeating glucose are formed.
  • the bacterium configured as described above is immobilized on an electrode made of porous carbon or the like by a conventionally known method.
  • glucose can be taken in through the hole 17 of the cell membrane 90 of the bacterium.
  • the glucose thus taken into the inside of the bacterium is decomposed by a metabolic system such as a citrate circuit, a glycolytic system, and a pentose phosphate circuit of the bacterium, and an electron is taken out.
  • the biofuel cell according to the seventh embodiment is the same as the biofuel cell according to the second embodiment except that a porous electrode as shown in FIGS. 28A and B is used as the electrode 11 of the negative electrode 21. It has a configuration.
  • FIG. 28A shows the overall configuration of the electrode 11 made of this porous electrode
  • FIG. 28B schematically shows the cross-sectional structure of the electrode 11. As shown in FIG. 28B, the electrode 11 made of this porous electrode has a large number of pores 11a.
  • the same liposome 12 as in the second embodiment (enzymes and coenzymes enclosed in the internal aqueous phase, antibiotics bound to the lipid bilayer, holes bordered by the antibiotics, etc.) Is omitted).
  • these holes 11a communicate with each other.
  • a carbon-based material is preferably used, but the material is not limited to this.
  • This porous electrode is typically a carbon paste electrode.
  • the liposome 12 can be fixed to the inner surface of the hole 11a of the electrode 11 made of this porous electrode by allowing a solution containing the liposome 12 to penetrate into the electrode 11.
  • the other than the above is the same as that of the second embodiment.
  • FIG. 29 shows an enzyme-immobilized electrode according to the eighth embodiment.
  • glucose is used as a substrate.
  • avidin 101 is immobilized on the surface of electrode 11 made of porous carbon or the like (including the inner surface of the hole inside electrode 11).
  • biotin 102 is bound to the same liposome 12 as in the first embodiment. Then, avidin 101 immobilized on the surface of electrode 11 and biotin 102 bound to liposome 12 are irreversibly specifically bound.
  • biotin 102 is bound to one liposome 12
  • a plurality of biotins 102 may be bound to one liposome 12.
  • Enzymes 13 and 14 and coenzyme 15 involved in the target enzyme reaction are enclosed in the aqueous phase 12a inside the liposome 12.
  • an electron mediator may be enclosed in the aqueous phase 12 a inside the liposome 12. This electron mediator may be immobilized on the electrode 11 together with the liposome 12.
  • Enzyme 13 is an oxidase that promotes and decomposes the oxidation of glucose used as a substrate, and enzyme 14 returns coenzyme 15 that has been reduced due to the oxidation of glucose to an oxidant and also sends electrons to electrode 11 via an electron mediator. It is a coenzyme oxidase that passes.
  • illustration is omitted, like the liposome 12 shown in FIG. 2, one or a plurality of antibiotics are bound to the lipid bimolecular film constituting the liposome 12, and the lipid 2 is bounded by the antibiotic. A hole penetrating the molecular film is formed.
  • This enzyme-immobilized electrode can be produced, for example, as follows.
  • the liposomes 12 in which the enzymes 13 and 14 and the coenzyme 15 are encapsulated and the biotin 102 is bound to the outer peripheral surface are prepared.
  • biotin 102 modified with NHS ester is used for dehydration condensation with a phospholipid such as phosphatidylethanolamine to form an amide bond.
  • an antibiotic is bound to the lipid bimolecular membrane constituting the liposome 12 to form a hole.
  • avidin 101 is immobilized on the surface of the electrode 11.
  • the avidin 101 on the electrode 11 for example, a carbon paste electrode mixed with agarose beads to which the avidin 101 is bonded is used as the electrode 11, or the avidin 101 is poly-L-lysine on the surface of the electrode 11. Or embedded in a polymer such as (PLL).
  • the liposome 12 is immobilized on the electrode 11 by binding the avidin 101 thus immobilized on the surface of the electrode 11 and the biotin 102 bound to the liposome 12 having the holes 17 formed therein.
  • an enzyme-immobilized electrode is produced.
  • a hole may be formed by binding an antibiotic to the lipid bimolecular membrane constituting the liposome 12 before enclosing the enzymes 13 and 14 and the coenzyme 15.
  • the pores may be formed by immobilizing the liposome 12 on the electrode 11 and then binding an antibiotic to the lipid bilayer membrane constituting the liposome 12.
  • An enzyme-immobilized electrode was produced as follows. Diaphorase (DI) (EC 1.8.1.4, manufactured by Amano Enzyme) was weighed in 5 mg and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to prepare a 5 mg / mL DI enzyme buffer solution. . Glucose dehydrogenase (GDH) (NAD-dependent, EC 1.1.1.47, manufactured by Amano Enzyme) was weighed in 25 mg and dissolved in 1 mL of a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to obtain 25 mg / mL GDH enzyme. A buffer solution was prepared.
  • DI Diaphorase
  • GDH Glucose dehydrogenase
  • the buffer solution for dissolving the enzyme is preferably refrigerated until just before, and the enzyme buffer solution is preferably stored as refrigerated as much as possible.
  • NADH manufactured by Sigma
  • a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) was prepared to prepare a 50 mM NADH buffer solution.
  • Q0 2,3-dimethoxy-5-methyl-1,4-benzoquinone
  • Q0 was dissolved in a buffer solution (10 mM phosphate buffer, pH 7) to prepare a 10 mM Q0 buffer solution.
  • Egg yolk lecithin (manufactured by Wako) and biotin-modified phosphatidylethanolamine (1,2-dipalmityl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N- (cap biotinyl)) were used as phospholipids.
  • the liposome solution obtained as described above is transferred to a 1.5 mL tube, and the remaining liposome solution is also collected with 50 ⁇ L of 100 mM phosphate buffer, and 1500 g using 1 mL of 100 mM phosphate buffer, Wash twice by centrifugation at 4 min.
  • GDH, DI and NADH encapsulated biotin-modified liposomes thus obtained are suspended in 600 ⁇ L of 0.1 M phosphate buffer, amphotericin B is added to a final concentration of 1 mM, and mixed by vortexing.
  • biotin-modified liposomes in which GDH, DI, and NADH are encapsulated and amphotericin B is bound are prepared.
  • An avidin modified electrode was produced as follows. Add 100 ⁇ L of avidin agarose bead suspension to 200 mg of carbon paste (manufactured by BAS Co., Ltd.) mixed with graphite powder of uniform particle size and paraffin oil used as an adhesive, and knead with light force on an agate mortar. Include. Next, the avidin-containing carbon paste thus obtained is dried in a desiccator for 1 hour or more, and then kneaded into a pocket portion of an electrode having a pocket portion (concave portion) on the upper surface. Thereafter, the upper surface side of the electrode was pressed in a circle on the copy paper to flatten the surface. An avidin modified electrode is produced as described above.
  • FIG. 30 shows a biotin-modified liposome in which GDH, DI, and NADH are encapsulated and amphotericin B is bound to an avidin-modified electrode. As shown in FIG.
  • a carbon paste electrode 104 is embedded in a pocket portion 103 a provided on the upper surface of the electrode 103, and the avidin 101 is fixed to the carbon paste electrode 104.
  • the avidin 101 and the biotin 102 of the liposome 12 are bonded to each other, so that the liposome 12 is bonded to the carbon paste electrode 104 and immobilized.
  • Enzymes 13 and 14 and coenzyme 15 enclosed in aqueous phase 12a inside liposome 12 are GDH, DI and NADH, respectively.
  • the electrochemical response of the liposome-immobilized electrode prepared as described above (hereinafter abbreviated as AviCPE-BioLipo if necessary) was measured.
  • As a first comparative example as shown in FIG.
  • a liposome-immobilized electrode similar to the above except that the avidin 101 is not immobilized on the carbon paste electrode 104 (hereinafter referred to as CPE-BioLipo as necessary). (Abbreviation) was prepared.
  • CPE-BioLipo carbon paste electrode 104
  • FIG. 32 a liposome-immobilized electrode similar to the above except that biotin 102 is not bound to the liposome 12 (hereinafter abbreviated as AviCPE-Lipo as necessary).
  • AviCPE-Lipo As a third comparative example, as shown in FIG. 33, the same liposome as described above except that the avidin 101 is not immobilized on the carbon paste electrode 104 and the biotin 102 is not bound to the liposome 12.
  • a fixed electrode (hereinafter abbreviated as CPE-Lipo as needed) was produced.
  • CPE-Lipo was produced using a 2 mL tube.
  • To a 2 mL tube add 180 ⁇ L of 0.1 M phosphate buffer and 20 ⁇ L of 10 mM Q0 buffer solution to a final concentration of 1 mM, and add platinum wire as a counter electrode, Ag
  • the liposome-immobilized electrode (AviCPE-BioLipo, CPE-BioLipo, AviCPE-Lipo, CPE-Lipo) was dipped, the potential was set to +0.3 V with respect to Ag
  • the avidin 101 is immobilized on the electrode 11, the biotin 102 is bound to the liposome 12, and the avidin 101 immobilized on the electrode 11 and the biotin 102 bound to the liposome 12 are bound, whereby the liposome 12 is bound to the electrode 11. Is fixed. For this reason, in addition to the advantage similar to 1st Embodiment, the advantage that the liposome 12 can be fixed to the electrode 11 easily and reliably and firmly can be acquired.
  • the liposome-immobilized electrode is suitable for use as, for example, a negative electrode of a biofuel cell. ⁇ 9. Ninth Embodiment> [Enzyme immobilized electrode]
  • FIG. 35 shows an enzyme-immobilized electrode according to the ninth embodiment.
  • glucose is used as a substrate.
  • the multilayer liposome 12 is immobilized on the surface of the electrode 11 by utilizing the fact that avidin 101 has four biotin binding pockets. That is, as in the eighth embodiment, the avidin 101 immobilized on the surface of the electrode 11 and the biotin 102 bound to the liposome 12 are irreversibly and specifically bound to each other, thereby causing the liposome on the surface of the electrode 11. 12 is fixed. In addition, in this case, a plurality of (two in the example shown in FIG. 35) biotins 102 are bound to the liposome 12 immobilized on the surface of the electrode 11.
  • Biotin 102 that is not used for immobilizing liposome 12 immobilized on the surface of electrode 11 on the surface of electrode 11 is bonded to avidin 101 that is not immobilized on the surface of electrode 11. And this avidin 101 and the one or two or more biotin 102 couple
  • the multilayer liposome 12 is immobilized on the surface of the electrode 11.
  • Others are the same as in the eighth embodiment.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications based on the technical idea of the present invention. Is possible.
  • the numerical values, structures, configurations, shapes, materials, and the like given in the above-described embodiments and examples are merely examples, and different numerical values, structures, configurations, shapes, materials, etc. are used as necessary. Also good.
  • the method of immobilizing the liposomes on the electrode according to the present invention using specific binding between avidin and biotin, etc. is also used when the lipid bilayer membrane constituting the liposome does not have a hole through which glucose can permeate. It is an effective method.
  • the fuel is not limited to glucose, and various fuels including alcohol can be used.

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Abstract

　一種または複数種の酵素あるいはさらに補酵素を微小な空間に閉じ込め、この空間を反応場として酵素反応を行うことによりグルコースなどから効率的に電子を取り出して電気エネルギーを発生させることができ、これらの酵素あるいはさらに補酵素の電極への固定も容易に行うことができる燃料電池およびその製造方法を提供する。　酵素反応に必要な酵素１３、１４および補酵素１５をリポソーム１２に封入し、このリポソーム１２を多孔質カーボンなどからなる電極の表面に固定化して酵素固定化電極を形成する。リポソーム１２を構成する脂質２分子膜に抗生物質１６を結合させることによりグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴１７を形成する。この酵素固定化電極を例えばバイオ燃料電池の負極として用いる。

Description

燃料電池、燃料電池の製造方法、電子機器、酵素固定化電極、バイオセンサー、エネルギー変換素子、細胞、細胞小器官および細菌
　この発明は、燃料電池、燃料電池の製造方法、電子機器、酵素固定化電極、バイオセンサー、エネルギー変換素子、細胞、細胞小器官および細菌に関する。より詳細には、この発明は、例えば、燃料または基質としてグルコースを用いるバイオ燃料電池、バイオセンサーおよびエネルギー変換素子ならびにバイオ燃料電池を電源に用いた各種の電子機器に適用して好適なものである。
　近年、酵素を用いた燃料電池（バイオ燃料電池）が注目されている（例えば、特許文献１~１２参照。）。このバイオ燃料電池は、燃料を酵素により分解してプロトン（Ｈ＋）と電子とに分離するもので、燃料としてメタノールやエタノールなどのアルコール類あるいはグルコースなどの単糖類あるいはデンプンなどの多糖類を用いたものが開発されている。
　このバイオ燃料電池においては、電極に対する酵素の固定化・配列が非常に重要であることが分かっている。また、電子を伝達する役目を果たす電子メディエーターが酵素とともに有効に存在する必要性もあることが分かっている。従来の酵素の固定化方法は様々なものがあるが、その中でも本発明者らは、プラスに電荷を帯びたポリマーとマイナスに電荷を帯びたポリマーとを酵素と適当な割合で混合して多孔質カーボンなどからなる電極上に塗布することにより、電極との接着性を保ちつつ固定化膜を安定化させるポリイオンコンプレックス法やグルタルアルデヒド法を主体に開発してきた。
特開２０００−１３３２９７号公報 特開２００３−２８２１２４号公報 特開２００４−７１５５９号公報 特開２００５−１３２１０号公報 特開２００５−３１０６１３号公報 特開２００６−２４５５５号公報 特開２００６−４９２１５号公報 特開２００６−９３０９０号公報 特開２００６−１２７９５７号公報 特開２００６−１５６３５４号公報 特開２００７−１２２８１号公報 特開２００７−３５４３７号公報
秋吉一成、辻井薫監修、リポソーム応用の新展開「人口細胞の開発に向けて」、株式会社エヌ・ティー・エス、２００５年６月１日発行 Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．８１，Ｎｏ．６，ｐｐ．６９５−７０４（２００３） Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｊ．，７１，ｐｐ．２９８４−２９９５（１９９６）
　しかしながら、上述のポリイオンコンプレックスを用いる固定化方法は、酵素の物理化学的性質、特に電荷に大きく依存しており、外部溶液の変化、使用中の環境変化などにより固定化の状態が絶えず変化することが懸念され、固定化した酵素などが溶出しやすい。また、一般的に酵素は熱に対する耐性が低いが、バイオ燃料電池の実用化に向けて酵素を改変してゆく際に、酵素そのものの物理化学的性質が変わり、その都度、固定化膜作製方法の最適化を図る必要があり、煩雑である。さらに、燃料からより多くの電子を取り出したいときには、より多くの酵素が必要となるが、これらの酵素を固定化する場合、その固定化条件の最適化に多大な労力を費やすことになる。
　そこで、この発明が解決しようとする課題は、一種または複数種の酵素あるいはさらに補酵素を微小な空間に閉じ込め、この空間を反応場として酵素反応を行うことによりグルコースなどの燃料から効率的に電子を取り出して電気エネルギーを発生させることができ、これらの酵素あるいはさらに補酵素の電極への固定化も容易に行うことができる燃料電池およびその製造方法を提供することである。
　この発明が解決しようとする他の課題は、上記の優れた燃料電池を用いた高性能の電子機器を提供することである。
　この発明が解決しようとするさらに他の課題は、上記の燃料電池に適用して好適な酵素固定化電極ならびに高効率のバイオセンサーおよびエネルギー変換素子を提供することである。
　この発明が解決しようとするさらに他の課題は、グルコースを基質として効率的に電子を取り出して電気エネルギーを発生させることができる細胞、細胞小器官および細菌を提供することである。
　本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を行った。その結果、バイオ燃料電池において、酵素反応に必要な酵素あるいはさらに補酵素を人工細胞であるリポソームに封入した場合には、同量の酵素あるいはさらに補酵素をリポソームに封入しないで用いる場合に比べて、酵素反応をはるかに効率的に行って極めて高い触媒電流を得たり、電極への固定化を容易にしたりすることができることを見出した。そして、実験でその有効性を確認し、さらにこの手法の適用が可能な範囲について様々な観点から検討を行い、この発明を案出するに至った。また、この手法は、バイオ燃料電池だけでなく、酵素あるいはさらに補酵素を用いる各種の素子または装置に適用して好適なものである。
　酵素反応に必要な酵素あるいはさらに補酵素をリポソームに封入することにより酵素反応をはるかに効率的に行うことができ、極めて高い触媒電流を得ることができるという本発明者らが独自に得た知見は、従来の定説を覆すものである。すなわち、従来は、リポソーム内に封入された酵素を生体触媒として捉えたとき、リポソームを構成する脂質２分子膜（脂質二重層）に対する基質の透過速度が制限されるため、反応速度は低いと考えられていた。例えば、非特許文献１の第４５４頁右欄の２行目から６行目には「リポソーム内封入酵素を生体触媒として使用する際、脂質膜の高い透過選択性のため、リポソーム外水相に添加された親水性あるいは高分子量の基質に対するリポソーム内封入酵素の反応性が過度に制限されることが問題となる」と記載されている。また、非特許文献２の第６９５頁右欄下から８行目から下から５行目には「一般に、リポソーム内に封入された酵素の外部から添加された基質に対する反応性はリポソームの二重層を横断する基質透過性に著しく依存する」と記載されている。
　一方、バイオ燃料電池においてグルコースを燃料に用いる場合、周知のようにグルコースはリポソームを構成する脂質２分子膜に対する透過性が著しく低いため、グルコースを含む燃料溶液中にリポソームを置いても、リポソームの内部に燃料溶液からグルコースを取り込むことは極めて困難である（図３６参照。）。本発明者らは、この点に関し鋭意研究を行った結果、リポソームを構成する脂質２分子膜にグルコースの透過が可能な穴を形成することによりこの問題を解消することができることを見出し、この発明を案出するに至った。
　すなわち、上記課題を解決するために、この発明は、
　正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
　少なくとも一種の上記酵素がリポソームに封入されており、
　上記リポソームを構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有する燃料電池である。
　また、この発明は、
　正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、酵素を用いて燃料から電子を取り出す燃料電池を製造する場合に、少なくとも一種の上記酵素をリポソームに封入した後、上記リポソームを構成する脂質２分子膜にグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を形成する工程を有する燃料電池の製造方法である。
　上記の各発明においては、典型的には、燃料電池は、酵素および補酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素がリポソームに封入される。
　リポソームは、リン脂質などからなる脂質２分子膜により形成された閉鎖小胞であり、内部が水相となっている。このリポソームには、一層の脂質２分子膜からなる単層リポソーム（ＳＵＶ：小さな一枚膜リポソーム、ＧＵＶ：巨大一枚膜リポソーム）だけでなく、小さなリポソーム（ＳＵＶ）が大きいリポソーム（ＧＵＶ）に取り込まれて入れ子になった多重層リポソーム（ＭＵＶ）も含まれる。リポソームは、例えば、直径１００ｎｍ程度のものから１０μｍに及ぶ大きなものまで作製することができ、直径は必要に応じて選ばれるが、具体例を挙げると２~７μｍである。リン脂質としては基本的にはどのようなものを用いてもよく、グリセロリン脂質、スフィンゴリン脂質のいずれを用いてもよい。グリセロリン脂質としては、ホスファチジン酸、ホスファチジルコリン（レシチン）、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルセリン、ホスファチジルグリセロール、ジホスファチジルグリセロール（カルジオリピン）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。スフィンゴリン脂質としては、スフィンゴミエリンなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。ホスファチジルコリンの代表例はジミリストイルホスファチジルコリン（ＤＭＰＣ）である。リポソームの形成およびリポソーム内部への酵素および補酵素の封入には従来公知の方法を用いることができ、必要に応じて選ばれる。
　リポソームを構成する脂質２分子膜にグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を形成するためには、典型的には、この脂質２分子膜に抗生物質を結合させる。こうすることで、抗生物質により縁取られる形で脂質２分子膜を貫通する穴が形成される。この抗生物質としては従来公知の各種のものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。この穴は、リポソームの内部に封入される酵素あるいはさらに補酵素が少なくとも容易に透過しない大きさに形成される。この穴は、抗生物質を用いないで形成することも可能である。例えば、リポソームを構成する脂質２分子膜を貫通するようにカーボンナノチューブなどの内径が十分に小さい微小管を挿入することにより穴を形成してもよい。
　このリポソームには、酵素反応に必要な酵素あるいはさらに補酵素のうち、少なくとも一種の酵素あるいはさらに少なくとも一種の補酵素を封入するが、酵素反応に必要な全ての酵素あるいはさらに補酵素をリポソームに封入してもよいし、一部の酵素または補酵素をリポソームに封入せず、このリポソームを構成する脂質２分子膜に組み込んだり、固定化したり、リポソームの外部に存在させるようにしてもよい。酵素または補酵素をリポソームを構成する脂質２分子膜に固定化する場合には、例えばポリエチレングリコール鎖などのアンカーを用いることができる。
　このリポソームは、好適には負極に固定化されるが、必ずしも固定化する必要はなく、プロトン伝導体に緩衝液（緩衝物質）を含む電解質を用いるような場合にはその緩衝液に含ませるようにしてもよい。リポソームの固定には、例えば細胞の固定に用いられる従来公知の各種の固定化方法を用いることができる。また、この場合、負極に対するリポソームの固定を安定化するために、負極とリポソームとの間に中間層を形成してもよい。この中間層としては、タンパク質やＤＮＡなどの生体高分子のみならず、親水、疎水の両方の性質を持つような高分子電解質や、ミセル、逆ミセル、ラメラなどの構造体を形成することができるものや、ナノメートル構造を持ち、一つまたは複数の性質を持つ化合物であって生体親和性の高い化合物を用いることができる。タンパク質としては、例えば、アルブミンを代表とした、アルコールデヒドロゲナーゼ、ラクテートデヒドロゲナーゼ、オボアルブミン、ミオキナーゼなどの酸性タンパク質のほか、等電点をアルカリ側に持つリゾチウム、チトクロームｃ、ミオグロビン、トリプシノーゲンなどを用いることができる。このようなタンパク質などからなる中間層を電極表面に物理的に吸着させ、この中間層にリポソームを固定化することにより、負極に対してリポソームを安定に固定化することが可能である。
　負極に対してリポソームを安定に固定化する方法としては、次のような方法を用いることが有効である。すなわち、負極には第１の物質を固定化し、リポソームには第２の物質を結合し、負極に固定化された第１の物質とリポソームに結合した第２の物質とが互いに結合することにより、負極に対してリポソームを安定に固定化することができる。このような第１の物質と第２の物質との組み合わせとしては、好適には、特異的に結合する結合対が用いられるが、必ずしもこれに限定されるものではない。このような第１の物質と第２の物質との組み合わせの具体例を挙げると次の通りである。
・アビジン（ａｖｉｄｉｎ）とビオチン（ｂｉｏｔｉｎ）
　アビジンはビオチンと特異的に結合する糖タンパク質である。例えば、負極にアビジンを固定化するとともに、ビオチンをリポソームに結合し、負極に固定化したアビジンとリポソームに結合したビオチンとを結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。負極にビオチンを固定化し、リポソームにアビジンを結合させてもよい。アビジンとしては、ストレプトアビジン（ＳｔｒｅｐｔＡｖｉｄｉｎ）、ニュートロアビジン（ＮｅｕｔｒｏＡｖｉｄｉｎ）などの各種のものを用いることができ、さらにはこれらの変異体を用いることもできる。
・抗原と抗体
　抗体は抗原と特異的に結合する免疫グロブリンである。例えば、抗原修飾脂質を用いてリポソームを作製するとともに、負極に抗体を固定化し、負極に固定化した抗体とリポソームに結合した抗原とを結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。負極に抗原を固定化し、リポソームに抗体を結合させてもよい。
・プロテインＡまたはプロテインＧと免疫グロブリンＩｇＧ
　プロテインＡまたはプロテインＧは免疫グロブリンＩｇＧに強い親和性を有するタンパク質である。例えば、負極に免疫グロブリンＩｇＧを固定化するとともに、プロテインＡまたはプロテインＧをリポソームに結合する。そして、負極に固定化した免疫グロブリンＩｇＧとリポソームに結合したプロテインＡまたはプロテインＧとを結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。負極にプロテインＡまたはプロテインＧを固定化し、リポソームに免疫グロブリンＩｇＧを結合させてもよい。
・糖分子（あるいは糖鎖含有化合物）とレクチン
　レクチンは糖結合性タンパク質の総称である。例えば、膜貫通型レクチンを混ぜてリポソームを作製するとともに、負極に糖分子（あるいは糖鎖含有化合物）を固定化する。そして、負極に固定化した糖分子（あるいは糖鎖含有化合物）の糖鎖とリポソームに結合したレクチンとを結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。負極にレクチンを固定化し、リポソームに糖分子（あるいは糖鎖含有化合物）を結合させてもよい。
・ＤＮＡと相補鎖ＤＮＡ
　例えば、ＤＮＡを結合した水溶性脂質を利用してリポソームを作製するとともに、負極に相補鎖ＤＮＡを固定化する。そして、負極に固定化した相補鎖ＤＮＡとリポソームに結合したＤＮＡとをハイブリダイゼーションにより結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。
・グルタチオンとグルタチオンＳ−トランスフェラーゼ（ＧＳＴ）
　例えば、ＧＳＴ融合膜貫通タンパク質を混ぜてリポソームを作製するとともに、負極にグルタチオンを固定化する。そして、負極に固定化したグルタチオンとリポソームに結合したＧＳＴとを結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。
・ヘパリンとヘパリン結合性分子
　例えば、リポソームを構成する脂質２分子膜をヘパリン結合性分子で修飾するとともに、負極をヘパリンで修飾する。そして、ヘパリン修飾負極のヘパリンとリポソームに結合したヘパリン結合性分子とを結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。
・ホルモンとホルモン受容体
　ホルモン受容体はホルモン分子を特異的に受容するタンパク質分子または分子複合体である。例えば、負極にホルモン受容体を固定化するとともに、リポソームにホルモンを結合し、負極に固定化したホルモン受容体とリポソームに結合したホルモンとを結合させることにより負極にリポソームを固定化することができる。
・カルボン酸とイミド
　例えば、負極にカルボン酸を結合するとともに、リポソームにアミンを結合する。そして、負極に結合したカルボン酸とリポソームに結合したアミンとをカルボジイミドやＮ−ヒドロキシスクシンイミドなどのイミドを用いてアミドカップリングにより結合することにより負極にリポソームを固定化することができる。負極にアミンを結合するとともに、リポソームにカルボン酸を結合してもよい。
　なお、負極の電極材料が炭素（カーボン）である場合、負極にカルボン酸を結合する方法としては、例えば、ジアゾニウム塩を硝酸、硫酸、過酸化水素などを含む溶液中でリフラックス、もしくは電気化学的酸化を行う方法を用いることができる。
　燃料としては、グルコースなどの種々のものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。グルコース以外の燃料としては、例えば、クエン酸回路に関与する各種の有機酸や、ペントースリン酸回路および解糖系に関与する糖および有機酸などが挙げられる。クエン酸回路に関与する各種の有機酸は、乳酸、ピルビン酸、アセチルＣｏＡ、クエン酸、イソクエン酸、αケトグルタル酸、スクシニルＣｏＡ、コハク酸、フマル酸、リンゴ酸、オキサロ酢酸などである。ペントースリン酸回路および解糖系に関与する糖および有機酸は、グルコース６リン酸、６ホスホグルコノラクトン、６ホスホグルコン酸、リブロース５リン酸、グリセルアルデヒド３リン酸、フルクトース６リン酸、キシルロース５リン酸、セドヘプツロース７リン酸、エリトロース４リン酸、ホスホエノールピルビン酸、１，３ビスホスホグリセリン酸、リボース５リン酸などである。これらの燃料は、いずれも、リポソームを構成する脂質２分子膜が有する、グルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴の透過が可能である。
　これらの燃料は、典型的には、これらの燃料をリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの従来公知の緩衝液に溶かした燃料溶液の形で用いる。
　リポソームに封入する酵素は、典型的には、グルコースなどの燃料の酸化を促進し分解する酸化酵素を含み、さらに、燃料の酸化に伴って還元された補酵素を酸化体に戻すとともに電子メディエーターを介して電子を負極に渡す補酵素酸化酵素を含む。具体的には、好適には、リポソームに封入する酵素は、グルコースなどの燃料の酸化を促進し分解する酸化酵素と、この酸化酵素によって還元される補酵素を酸化体に戻す補酵素酸化酵素とを含む。この補酵素酸化酵素の作用により、補酵素が酸化体に戻るときに電子が生成され、補酵素酸化酵素から電子メディエーターを介して負極に電子が渡される。例えば燃料としてグルコースを用いる場合、酸化酵素としては例えばグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）（特に、ＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼ）が、補酵素としては例えばＮＡＤ＋またはＮＡＤＰ＋が、補酵素酸化酵素としては例えばジアホラーゼ（ＤＩ）が用いられる。
　電子メディエーターとしては基本的にはどのようなものを用いてもよいが、好適には、キノン骨格を有する化合物が用いられ、具体的には、例えば、２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン（Ｑ０）や、ナフトキノン骨格を有する化合物、例えば、２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）、２−アミノ−３−メチル−１，４−ナフトキノン（ＡＭＮＱ）、２−メチル−１，４−ナフトキノン（ＶＫ３）、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）、ビタミンＫ１などの各種のナフトキノン誘導体が用いられる。キノン骨格を有する化合物としては、例えば、アントラキノンやその誘導体を用いることもできる。電子メディエーターには、必要に応じて、キノン骨格を有する化合物以外に、電子メディエーターとして働く一種または二種以上の他の化合物を含ませてもよい。この電子メディエーターは、酵素および補酵素が封入されたリポソームとともに負極に固定化してもよいし、このリポソームの内部に封入してもよいし、このリポソームに固定してもよいし、燃料溶液に含ませるようにしてもよい。
　正極に酵素が固定化される場合、この酵素は、典型的には酸素を還元する酵素を含む。この酸素を還元する酵素としては、例えば、ビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどを用いることができる。この場合、正極には、好適には、酵素に加えて電子メディエーターも固定化される。電子メディエーターとしては、例えば、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、オクタシアノタングステン酸カリウムなどを用いる。電子メディエーターは、好適には、十分に高濃度、例えば、平均値で０．６４×１０−６ｍｏｌ／ｍｍ２以上固定化する。
　プロトン伝導体としては種々のものを用いることができ、必要に応じて選択されるが、具体的には、例えば、セロハン、パーフルオロカーボンスルホン酸（ＰＦＳ）系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、ＰＳＳＡ−ＰＶＡ（ポリスチレンスルホン酸ポリビニルアルコール共重合体）や、ＰＳＳＡ−ＥＶＯＨ（ポリスチレンスルホン酸エチレンビニルアルコール共重合体）、含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂（ナフィオン（商品名、米国デュポン社）など）などからなるものが挙げられる。プロトン伝導体として緩衝液（緩衝物質）を含む電解質を用いる場合には、高出力動作時に十分な緩衝能を得ることができ、酵素が本来持っている能力を十分に発揮することができるようにするのが望ましい。このために、電解質に含まれる緩衝物質の濃度を０．２Ｍ以上２．５Ｍ以下にすることが有効であり、好適には０．２Ｍ以上２Ｍ以下、より好適には０．４Ｍ以上２Ｍ以下、さらに好適には０．８Ｍ以上１．２Ｍ以下とする。緩衝物質は、一般的には、ｐＫａが６以上９以下のものであれば、どのようなものを用いてもよいが、具体例を挙げると、リン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４ −）、２−アミノ−２−ヒドロキシメチル−１，３−プロパンジオール（略称トリス）、２−（Ｎ−モルホリノ）エタンスルホン酸（ＭＥＳ）、カコジル酸、炭酸（Ｈ２ＣＯ３）、クエン酸水素イオン、Ｎ−（２−アセトアミド）イミノ二酢酸（ＡＤＡ）、ピペラジン−Ｎ，Ｎ’−ビス（２−エタンスルホン酸）（ＰＩＰＥＳ）、Ｎ−（２−アセトアミド）−２−アミノエタンスルホン酸（ＡＣＥＳ）、３−（Ｎ−モルホリノ）プロパンスルホン酸（ＭＯＰＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−２−エタンスルホン酸（ＨＥＰＥＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−３−プロパンスルホン酸（ＨＥＰＰＳ）、Ｎ−［トリス（ヒドロキシメチル）メチル］グリシン（略称トリシン）、グリシルグリシン、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシエチル）グリシン（略称ビシン）などである。リン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４ −）を生成する物質は、例えば、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ２ＰＯ４）やリン酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）などである。緩衝物質としてはイミダゾール環を含む化合物も好ましい。イミダゾール環を含む化合物は、具体的には、イミダゾール、トリアゾール、ピリジン誘導体、ビピリジン誘導体、イミダゾール誘導体（ヒスチジン、１−メチルイミダゾール、２−メチルイミダゾール、４−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、イミダゾール−２−カルボン酸エチル、イミダゾール−２−カルボキシアルデヒド、イミダゾール−４−カルボン酸、イミダゾール−４，５−ジカルボン酸、イミダゾール−１−イル−酢酸、２−アセチルベンズイミダゾール、１−アセチルイミダゾール、Ｎ−アセチルイミダゾール、２−アミノベンズイミダゾール、Ｎ−（３−アミノプロピル）イミダゾール、５−アミノ−２−（トリフルオロメチル）ベンズイミダゾール、４−アザベンズイミダゾール、４−アザ−２−メルカプトベンズイミダゾール、ベンズイミダゾール、１−ベンジルイミダゾール、１−ブチルイミダゾール）などである。必要に応じて、これらの緩衝物質に加えて、例えば、塩酸（ＨＣｌ）、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）および硫酸（Ｈ２ＳＯ４）からなる群より選ばれた少なくとも一種の酸を中和剤として加えてもよい。こうすることで、酵素の活性をより高く維持することができる。緩衝物質を含む電解質のｐＨは、好適には７付近であるが、一般的には１~１４のいずれであってもよい。
　正極および負極の電極材料としては各種のものを用いることができるが、例えば、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンフェルト、カーボンペーパーなどのカーボン系材料が用いられる。電極の材料としては、多孔体材料からなる骨格と、この骨格の少なくとも一部の表面を被覆する、カーボン系材料を主成分とする材料とを含む多孔体導電材料を用いることもできる（特許文献１２参照。）。
　この燃料電池はおよそ電力が必要なものすべてに用いることができ、大きさも問わないが、例えば、電子機器、移動体（自動車、二輪車、航空機、ロケット、宇宙船など）、動力装置、建設機械、工作機械、発電システム、コージェネレーションシステムなどに用いることができ、用途などによって出力、大きさ、形状、燃料の種類などが決められる。
　また、この発明は、
　一つまたは複数の燃料電池を用い、
　少なくとも一つの上記燃料電池が、
　正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
　少なくとも一種の上記酵素がリポソームに封入されており、
　上記リポソームを構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有するものである電子機器である。
　この電子機器は、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器（携帯情報端末機（ＰＤＡ）など）、ロボット、パーソナルコンピュータ（デスクトップ型、ノート型の双方を含む）、ゲーム機器、カメラ一体型ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）、車載機器、家庭電気製品、工業製品などである。
　この電子機器の発明においては、その性質に反しない限り、上記の燃料電池および燃料電池の製造方法の発明に関連して説明したことが成立する。
　また、この発明は、
　少なくとも一種の酵素が封入されたリポソームが固定化されており、
　上記リポソームを構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有する酵素固定化電極である。
　この酵素固定化電極の発明においては、その性質に反しない限り、上記の燃料電池および燃料電池の製造方法の発明に関連して説明したことが成立する。
　また、この発明は、
　酵素を用い、
　少なくとも一種の上記酵素がリポソームに封入されており、
　上記リポソームを構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有するバイオセンサーである。
　このバイオセンサーの発明においては、その性質に反しない限り、上記の燃料電池および燃料電池の製造方法の発明に関連して説明したことが成立する。
　また、この発明は、
　少なくとも一種の酵素が封入されたリポソームを用い、上記リポソームを構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有するエネルギー変換素子である。
　ここで、このエネルギー変換素子は、燃料または基質が持つ化学エネルギーを酵素反応により電気エネルギーに変換する素子であり、上記の燃料電池、すなわちバイオ燃料電池はこのエネルギー変換素子の一種である。
　このエネルギー変換素子の発明においては、その性質に反しない限り、上記の燃料電池および燃料電池の製造方法の発明に関連して説明したことが成立する。
　また、この発明は、
　細胞膜を構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有する細胞である。
　また、この発明は、
　細胞膜を構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有する細胞小器官である。
　また、この発明は、
　細胞膜を構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有する細菌である。
　上記の細胞、細胞小器官および細菌は、グルコースなどの燃料または基質の代謝系を有するものである限り、特に限定されるものではなく、従来公知の各種のものを含む。必要に応じて、これらの細胞、細胞小器官および細菌の内部に、上記の燃料電池と同様に、グルコースなどの燃料または基質の分解などに必要な酵素あるいはさらに補酵素を封入してもよい。
　上述のように構成されたこの発明においては、酵素反応に関与する少なくとも一種の酵素あるいはさらに少なくとも一種の補酵素が高活性を保ったままリポソームに封入されるので、このリポソームの内部の微小な空間を反応場として効率的に酵素反応が行われ、グルコースなどの燃料または基質から効率的に電子を取り出すことができる。この場合、このリポソームの内部に封入された酵素および補酵素の濃度は極めて高く、従って酵素および補酵素の相互の間隔は極めて小さいため、これらの酵素および補酵素による触媒サイクルは極めて高速に進行し、酵素反応が高速に進行する。そして、このリポソームを負極または電極に固定化することにより、このリポソームの内部に封入された酵素あるいはさらに補酵素をこのリポソームを介して負極または電極に容易に固定化することができる。このため、グルコースなどの燃料または基質から取り出された電子を確実に負極または電極に受け渡すことができる。この場合、リポソームの固定は、酵素や補酵素をポリイオンコンプレックスなどにより固定化する場合に比べて簡単に行うことができる。
　また、上記の細胞、細胞小器官および細菌においては、これらの細胞、細胞小器官および細菌の内部の微小な空間を反応場として効率的に酵素反応が行われ、グルコースなどの燃料または基質から効率的に電子を取り出すことができる。この場合、酵素反応は、これらの細胞、細胞小器官および細菌に備わっている代謝系により行われるが、これらの細胞、細胞小器官および細菌の内部に燃料または基質の分解などに必要な酵素あるいはさらに補酵素を封入する場合はこれらの酵素および補酵素により行うことができる。
　この発明によれば、酵素あるいはさらに補酵素が封入されたリポソームの内部の微小な空間を反応場として酵素反応を行うことができることによりグルコースなどの燃料または基質から効率的に電子を取り出して電気エネルギーを発生させることができ、しかもこれらの酵素あるいはさらに補酵素の電極への固定化も容易な高効率の燃料電池を実現することができる。そして、このように高効率の燃料電池を用いることにより、高性能の電子機器などを実現することができる。また、同様に、高効率のバイオセンサーおよびエネルギー変換素子を実現することができる。
　また、グルコースなどの燃料または基質から効率的に電子を取り出して電気エネルギーを発生させることができる細胞、細胞小器官および細菌を実現することができる。
　図１は、この発明の第１の実施の形態による酵素固定化電極を示す略線図である。
　図２は、この発明の第１の実施の形態による酵素固定化電極において用いられる酵素および補酵素が封入されたリポソームを示す略線図である。
　図３は、この発明の第１の実施の形態による酵素固定化電極においてリポソームに封入された酵素群および補酵素による電子の受け渡し反応を模式的に示す略線図である。
　図４は、リポソームに酵素群および補酵素を封入して酵素反応を行うことによる利点を説明するための略線図である。
　図５は、蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームの蛍光顕微鏡像を示す図面代用写真である。
　図６は、蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームの蛍光顕微鏡像を示す図面代用写真である。
　図７は、蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームの蛍光顕微鏡像を示す図面代用写真である。
　図８は、蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示す略線図である。
　図９は、蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示す略線図である。
　図１０は、蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示す略線図である。
　図１１は、リポソームの安定性を説明するための略線図である。
　図１２は、アルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを所定の溶液中に分散させた場合ならびにアルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびＮＡＤＨを単に所定の溶液中に分散させた場合に行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。
　図１３は、アルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを緩衝液中に分散させた状態を示す略線図である。
　図１４は、アルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびＮＡＤＨを単に緩衝液中に分散させた状態を示す略線図である。
　図１５は、この発明の実施例１においてグルコースデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを測定溶液中に分散させた場合に行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。
　図１６は、この発明の実施例１においてグルコースデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを測定溶液中に分散させた場合に行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。
　図１７は、この発明の実施例１において抗生物質として用いるアムホテリシンＢの構造式を示す略線図である。
　図１８は、この発明の実施例１においてリポソームを構成する脂質２分子膜にアムホテリシンＢが結合して穴が形成されている状態を示す断面図である。
　図１９は、この発明の実施例１においてリポソームを構成する脂質２分子膜にアムホテリシンＢが結合して穴が形成されている状態を示す平面図である。
　図２０は、この発明の第２の実施の形態によるバイオ燃料電池を示す略線図である。
　図２１は、この発明の第２の実施の形態によるバイオ燃料電池の負極の構成の詳細ならびにこの負極に固定化されたリポソームに封入された酵素群および補酵素の一例およびこの酵素群および補酵素による電子の受け渡し反応を模式的に示す略線図である。
　図２２は、この発明の第２の実施の形態によるバイオ燃料電池の具体的な構成例を示す略線図である。
　図２３は、この発明の第３の実施の形態によるバイオ燃料電池において負極の電極材料に用いる多孔体導電材料の構造を説明するための略線図および断面図である。
　図２４は、この発明の第３の実施の形態によるバイオ燃料電池において負極の電極材料に用いる多孔体導電材料の製造方法を説明するための略線図である。
　図２５は、この発明の第４の実施の形態による細胞の要部を示す略線図である。
　図２６は、この発明の第５の実施の形態によるミトコンドリアを示す略線図である。
　図２７は、この発明の第６の実施の形態による細菌を示す略線図である。
　図２８は、この発明の第７の実施の形態によるバイオ燃料電池において負極の電極に用いる多孔質電極を示す斜視図および断面図である。
　図２９は、この発明の第８の実施の形態による酵素固定化電極を示す略線図である。
　図３０は、この発明の実施例２においてクロノアンペロメトリー測定を行うために作製した試料を示す略線図である。
　図３１は、この発明の実施例２との比較のために作製した第１の試料を示す略線図である。
　図３２は、この発明の実施例２との比較のために作製した第２の試料を示す略線図である。
　図３３は、この発明の実施例２との比較のために作製した第３の試料を示す略線図である。
　図３４は、この発明の実施例２において行ったクロノアンペロメトリーの結果を比較例の結果とともに示す略線図である。
　図３５は、この発明の第９の実施の形態による酵素固定化電極を示す略線図である。
　図３６は、脂質２分子膜に対する種々の分子の透過性を示す略線図である。
　以下、発明を実施するための形態（以下「実施の形態」とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（酵素固定化電極およびその製造方法）
２．第２の実施の形態（バイオ燃料電池）
３．第３の実施の形態（バイオ燃料電池）
４．第４の実施の形態（細胞）
５．第５の実施の形態（ミトコンドリア）
６．第６の実施の形態（細菌）
７．第７の実施の形態（バイオ燃料電池）
８．第８の実施の形態（酵素固定化電極およびその製造方法）
９．第９の実施の形態（酵素固定化電極およびその製造方法）
〈１．第１の実施の形態〉
［酵素固定化電極］
　図１はこの発明の第１の実施の形態による酵素固定化電極を示す。この酵素固定化電極においては、基質としてグルコースを用いる。
　図１に示すように、この酵素固定化電極においては、多孔質カーボンなどからなる電極１１の表面にリン脂質などの脂質２分子膜からなるリポソーム１２が物理吸着などにより固定化されている。このリポソーム１２の内部の水相に、目的とする酵素反応に関与する少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素が封入される。
　図２にこのリポソーム１２の構造の詳細を示す。図２においては、リポソーム１２の内部の水相１２ａに二種類の酵素１３、１４および一種類の補酵素１５が封入されている。このリポソーム１２の内部の水相１２ａには、これらの酵素１３、１４および補酵素１５以外に、例えば電子メディエーターを封入してもよい。この電子メディエーターは、リポソーム１２とともに電極１１上に固定化してもよい。酵素１３は基質として用いられるグルコースの酸化を促進し分解する酸化酵素、酵素１４はこのグルコースの酸化に伴って還元された補酵素１５を酸化体に戻すとともに電子メディエーターを介して電子を電極１１に渡す補酵素酸化酵素である。
　図２に示すように、リポソーム１２を構成する脂質２分子膜に一つまたは複数の抗生物質１６が結合しており、この抗生物質１６により縁取られる形でこの脂質２分子膜を貫通する穴１７が形成されている。図２においては一つの穴１７だけが示されているが、この穴１７の数および配置は任意である。この穴１７の大きさは、グルコースの透過は可能であるが、リポソーム１２の内部に封入された酵素１３、１４および補酵素１５の透過は不可能あるいは困難な大きさに選ばれる。
　抗生物質１６としては、例えば、ポリエン系抗生物質であるアムホテリシン（Ａｍｐｈｏｔｅｒｉｃｉｎ）Ｂのほか、イオノホア（ｉｏｎｏｐｈｏｒｅ）などを用いることができるが、これに限定されるものではない。イオノホアは、例えば、バリノマイシン、イオノマイシン、ナイジェリシン、グラミシジンＡ、モネンシン、カルボニルシアニド−ｍ−クロロフェニルヒドラゾン、カルボニルシアニド−ｐ−フルオロメトキシフェニルヒドラゾンなどである。
［酵素固定化電極の製造方法］
　この酵素固定化電極は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、酵素１３、１４および補酵素１５が封入されたリポソーム１２を作製する。次に、このリポソーム１２を構成する脂質２分子膜に抗生物質１６を結合させて穴１７を形成する。次に、こうして穴１７を形成したリポソーム１２を電極１１上に固定化する。これによって、酵素固定化電極が製造される。酵素１３、１４および補酵素１５を封入する前のリポソーム１２を構成する脂質２分子膜に抗生物質１６を結合させて穴１７を形成するようにしてもよい。また、リポソーム１２を電極１１上に固定化してからこのリポソーム１２を構成する脂質２分子膜に抗生物質１６を結合させて穴１７を形成してもよい。
　より具体的には、酵素固定化電極は、例えば、次のようにして製造される。まず、酵素１３を含む緩衝液、酵素１４を含む緩衝液、補酵素１５を含む緩衝液およびリポソーム１２（内部に酵素１３、１４および補酵素１５が封入されていないもの）を含む緩衝液をそれぞれ作製する。次に、これらの緩衝液を混合した後、この混合溶液をゲルろ過カラムに通したりすることなどによりリポソーム１２外の酵素１３、１４および補酵素１５を除去する。次に、こうして内部に酵素１３、１４および補酵素１５が封入されたリポソーム１２を緩衝液中に置き、この緩衝液中に抗生物質１６を添加してリポソーム１２を構成する脂質２分子膜に抗生物質１６を結合させて穴１７を形成する。
　図３にこの酵素固定化電極における酵素、補酵素および電子メディエーターによる電子の受け渡し反応の一例を模式的に示す。この例では、グルコースの分解に関与する酵素がグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）である。また、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素がＮＡＤ＋である。また、補酵素の還元体であるＮＡＤＨを酸化する補酵素酸化酵素がジアホラーゼ（ＤＩ）である。そして、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を電子メディエーターが受け取って電極１１に渡すようになっている。この場合、グルコースは、リポソーム１２を構成する脂質２分子膜に形成された穴１７を透過してリポソーム１２の内部に入り、グルコースデヒドロゲナーゼによるこのグルコースの分解によりグルコノラクトンが生成され、このグルコノラクトンがリポソーム１２の外部に出る。電子メディエーターは、リポソーム１２を構成する脂質２分子膜を出入りして電子伝達を行う。
　実施例について説明する前に、酵素反応の反応場として酵素および補酵素を封入したリポソームを用いることの有効性について詳細に検討を行った結果について説明する。ただし、ここでは、リポソームとして脂質２分子膜にグルコースの透過が可能な穴が形成されていないものを用い、酵素反応の基質としてエチルアルコールを用いる場合を考える。
　図４に示すように、電極１８に、脂質２分子膜にグルコースの透過が可能な穴が形成されていないリポソーム１９の内部にエチルアルコール（ＥｔＯＨ）の分解に関与する酵素および補酵素が封入されたものを固定化した酵素固定化電極を作製した。電極１８としては電極１１と同様なものを用いた。図４にこの酵素固定化電極における酵素、補酵素および電子メディエーターによる電子の受け渡し反応の一例を模式的に示す。この例では、エチルアルコール（ＥｔＯＨ）の分解に関与する酵素がアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）である。また、エチルアルコールの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素がＮＡＤ＋である。また、補酵素の還元体であるＮＡＤＨを酸化する補酵素酸化酵素がジアホラーゼ（ＤＩ）である。そして、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を電子メディエーターが受け取って電極１８に渡す。この場合、エチルアルコールは、リポソーム１９を構成する脂質２分子膜を透過してリポソーム１９の内部に入り、アルコールデヒドロゲナーゼによるこのエチルアルコールの分解によりアセトアルデヒド（ＣＨ３ＣＨＯ）が生成され、このアセトアルデヒドがリポソーム１９の外部に出る。電子メディエーターは、リポソーム１９を構成する脂質２分子膜を出入りして電子伝達を行う。
　この図４に示す酵素固定化電極を実際に作製して実験を行った。
　まず、次のようにして酵素固定化電極を作製した。
　ジアホラーゼ（ＤＩ）（ＥＣ　１．８．１．４、天野エンザイム製）を５ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、ＤＩ酵素緩衝溶液（１）とした。
　アルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）（ＮＡＤ依存型、ＥＣ　１．１．１．１、天野エンザイム製）を５ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、ＡＤＨ酵素緩衝溶液（２）とした。
　上記の酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ冷蔵保存しておくことが好ましい。
　ＮＡＤＨ（シグマアルドリッチ製、Ｎ−８１２９）を３５ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、ＮＡＤＨ緩衝溶液（３）とした。
　２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン（Ｑ０）を１５~３００ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、Ｑ０緩衝溶液（４）とした。
　卵黄レシチン（Ｗａｋｏ製）を１００ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１０ｍＬに溶解させてホモジナイザーで均一化し、リポソーム緩衝溶液（５）とした。
　上記のようにして作製した各種の溶液を、下記に示す量ずつ採取して混合し、凍結融解を３度繰り返した。
　ＤＩ酵素緩衝溶液（１）：５０μＬ
　ＡＤＨ酵素緩衝溶液（２）：５０μＬ
　ＮＡＤＨ緩衝溶液（３）：５０μＬ
　リポソーム緩衝溶液（５）：５０μＬ
　上記の混合溶液をゲルろ過カラムに通し、リポソーム外の酵素およびＮＡＤＨを除去する。ここで得たリポソーム溶液をＡＤＨ、ＤＩ、ＮＡＤＨ封入リポソーム溶液（６）とした。
　図５、図６および図７は、シアニン色素Ｃｙ２で蛍光ラベル化したＡＤＨ、シアニン色素Ｃｙ３で蛍光ラベル化したＤＩおよびＮＡＤＨを封入したリポソームの蛍光顕微鏡写真である。図５、図６および図７において、Ｅｘ（Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）は励起光を示し、Ｅｘの右に記載されている波長を有し、ＤＭ（Ｄｉｃｈｒｏｉｃ　ｍｉｒｒｏｒ）は励起光と蛍光を分離するミラーを示し、ＤＭの右に記載されている波長以上の光のみを透過し、ＢＡ（Ｂａｒｒｉｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ）は蛍光と散乱光を分離するフィルターを示し、ＢＡの右に記載されている波長以上の光を透過する。この蛍光顕微鏡では、励起光により色素を励起し、それによって得られる光をＤＭおよびＢＡに順次通して不要な光を除去し、色素からの蛍光のみを検出する。図５は波長４５０~４９０ｎｍの励起光でＣｙ２を励起して蛍光を発生させたものでＡＤＨの分布を示す。図６は波長５１０~５６０ｎｍの励起光でＣｙ３を励起して蛍光を発生させたものでＤＩの分布を示す。図７は波長３８０~４２０ｎｍの励起光でＮＡＤＨを励起して蛍光を発生させたものでＮＡＤＨの分布を示す。
　図５、図６および図７より、リポソームの直径は平均４．６μｍ、標準偏差は２．０μｍであった。ただし、リポソームの平均直径は、図５、図６および図７中の３０個のリポソームの直径を測定し、それらの平均を取ることにより求めた。
　図８、図９および図１０は、Ｃｙ２で蛍光ラベル化したＡＤＨ、Ｃｙ３で蛍光ラベル化したＤＩおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示すグラフである。図８はＣｙ２で蛍光ラベル化したＡＤＨからの蛍光強度、図９はＣｙ３で蛍光ラベル化したＤＩからの蛍光強度、図１０はＮＡＤＨからの蛍光強度を示す。図８、図９および図１０において、Ｅｍ（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）は励起光Ｅｘにより色素を励起した時に放出される光を示し、Ｅｍの右に記載されている波長を有し、Ｅｘの波長およびＥｍの波長の右の括弧内の数値は半値幅である。図８、図９および図１０から分かるように、いずれの場合も、エチルアルコール濃度１００ｍＭまで蛍光強度は変化しなかった。つまり、少なくともエチルアルコール濃度１００ｍＭまではリポソームは安定で、リポソーム内部にＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨが確実に封入されていることが分かった。また、界面活性剤である０．３％ＴｒｉｔｏｎＸを添加したところ、蛍光強度が増加した。これは、０．３％ＴｒｉｔｏｎＸによりリポソームが破壊され、内部のＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨがリポソーム外に放出され、蛍光強度が増加したことを意味する。この時の様子をＮＡＤＨを例に取って図１１に示す。図１１に示すように、リポソームの内部にＮＡＤＨが封入されていた状態ではＮＡＤＨによる蛍光強度は低いが、リポソームが破壊され、内部に封入されていたＮＡＤＨがリポソームの外部に放出されるとＮＡＤＨによる蛍光強度が増加する。
　こうして得たＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨ封入リポソーム溶液（６）とＱ０緩衝溶液（４）とを混合して総体積１００μＬの測定溶液を作製し、カーボンフェルトを作用電極とし、参照電極Ａｇ｜ＡｇＣｌに対して、０．３Ｖと電子メディエーターの酸化還元電位より十分高い電位に設定し、溶液攪拌下においてクロノアンペロメトリーを行った。クロノアンペロメトリー中に測定溶液に、エチルアルコールが終濃度１、１０、１００ｍＭとなるよう添加したものを順次添加した。
　ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨ封入リポソームを含む上記測定溶液に上述のようにしてエチルアルコールを添加した際のクロノアンペロメトリーの結果を図１２の曲線（ａ）に示す。この曲線（ａ）から明らかなように、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入した場合にはエチルアルコール由来の触媒電流が観察され、エチルアルコールの濃度が高くなるに従って触媒電流は増加する。すなわち、人工細胞であるＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨ封入リポソームによる電気化学的触媒活性が観察された。一方、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入した場合と同量のＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入せず、単にＱ０緩衝溶液（４）中に分散させた場合について、上記と同様にしてクロノアンペロメトリーを行った。その結果を図１２の曲線（ｂ）に示す。この曲線（ｂ）から明らかなように、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入せず、単にＱ０緩衝溶液（４）中に分散させた場合にはエチルアルコール由来の触媒電流はほとんど観測されない。例えば、エチルアルコールの濃度が１００ｍＭの場合で比較すると、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入せず、単にＱ０緩衝溶液（４）中に分散させた場合に得られる触媒電流は、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入した場合に得られる触媒電流の約３０分の１程度に過ぎない。このことから、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入した場合には、封入しない場合に比べてはるかに高い触媒電流を得ることができることが明らかである。
　このように、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入した場合には、封入しない場合に比べてはるかに高い触媒電流が得られる理由について説明する。図１３に示すように、リポソーム１９内にＡＤＨ（横線を施した○で示す）、ＤＩ（縦線を施した○で示す）およびＮＡＤＨ（空白の○で示す）を封入したものが緩衝液Ｓ中に正方格子状に配列している場合を考える。一方、図１４に示すように、図１３に示すものと同じ体積の緩衝液Ｓ中に、図１３に示すものと同じ量のＡＤＨ（横線を施した○で示す）、ＤＩ（縦線を施した○で示す）およびＮＡＤＨ（空白の○で示す）が六方格子状に配列している場合を考える。緩衝液Ｓの体積は例えば１００μＬ、リポソーム１９の内部の体積は例えば約０．１７μＬである。ただし、リポソーム１９の脂質２分子膜を構成するリン脂質は緩衝液Ｓ中に５．５×１０−３μｍｏｌ存在し、リポソーム１９の内部の体積の合計はリポソーム１μｍｏｌ当たりに換算すると３０μＬ／μｍｏｌである。図１４に示すようにＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨが緩衝液Ｓ中に単に分散されている場合におけるＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨの濃度に比べて、図１３に示すようにリポソーム１９内にＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨが封入されている場合におけるこれらのＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨの局所的な濃度は約６００倍も高い。すなわち、リポソーム１９内にＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨを封入することにより、これらのＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨの濃度を著しく高くすることができ、これらのＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨの相互の間隔を極めて小さくすることができる。このため、リポソーム１９内では、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨによる触媒サイクルが極めて高速に進行し、図１２に示すような結果が得られる。
　以上のことから、この第１の実施の形態において、リポソーム１２の内部に酵素反応に必要な酵素１３、１４および補酵素１５を封入することにより、酵素反応をリポソーム１２の内部の微小な空間を反応場として効率的に行うことができ、基質から効率的に電子を取り出すことができることが分かる。
　次のようにして酵素固定化電極を作製した。
　ジアホラーゼ（ＤＩ）（ＥＣ　１．８．１．４、天野エンザイム製）を１~１０ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、ＤＩ酵素緩衝溶液（１１）とした。
　グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）（ＮＡＤ依存型、ＥＣ　１．１．１．４７、天野エンザイム製）を１０~５０ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、ＧＤＨ酵素緩衝溶液（１２）とした。
　上記の酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ冷蔵保存しておくことが好ましい。
　ＮＡＤＨ（シグマアルドリッチ製、Ｎ−８１２９）を１０~５０ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、ＮＡＤＨ緩衝溶液（１３）とした。
　２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン（Ｑ０）を１００~２００ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、Ｑ０緩衝溶液（１４）とした。
　卵黄レシチン（Ｗａｋｏ製）を１０~１００ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１０ｍＬに溶解させてホモジナイザーで均一化し、リポソーム緩衝溶液（１５）とした。
　上記のようにして作製した各種の溶液を、下記に示す量ずつ採取して混合し、凍結融解を３度繰り返した。
　ＤＩ酵素緩衝溶液（１１）：５０μＬ
　ＧＤＨ酵素緩衝溶液（１２）：５０μＬ
　ＮＡＤＨ緩衝溶液（１３）：５０μＬ
　リポソーム緩衝溶液（１５）：５０μＬ
　上記の混合溶液をゲルろ過カラムに通し、リポソーム外の酵素およびＮＡＤＨを除去する。ここで得たリポソーム溶液をＧＤＨ、ＤＩ、ＮＡＤＨ封入リポソーム溶液（１６）とした。
　こうして得たＧＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨ封入リポソーム溶液（１６）とＱ０緩衝溶液（１４）とを混合して総体積１００μＬの測定溶液を作製した。そして、作用電極としてカーボンフェルト、参照電極としてＡｇ｜ＡｇＣｌ、対極として白金ワイヤーを用い、電位をＡｇ｜ＡｇＣｌに対して＋０．１Ｖに設定し、グルコースを燃料として、溶液攪拌下においてクロノアンペロメトリーを行った。クロノアンペロメトリーの結果を図１５に示す。
　図１５に示すように、まず、クロノアンペロメトリー中に測定溶液に、終濃度１００ｍＭとなるようにグルコースを添加した時には、反応はほとんど起こらず、得られる電流値はほとんど変化しなかった。これは、リポソームを構成する脂質２分子膜をグルコースが透過する速度が著しく小さく、実質的に透過しないことに起因するものである。
　次に、測定溶液に、終濃度１００μＭとなるように抗生物質１６としてアムホテリシンＢ（ＡｍＢ）を添加した。すると、グルコース由来の触媒電流が観察された。すなわち、リポソームを構成する脂質２分子膜をグルコースが透過し、リポソームの内部で一連の酵素反応が進行したことが判明した。本発明者らが知る限り、このようにリポソームの内部に取り込まれたグルコースに由来する触媒電流を観測したのは初めてである。
　次に、測定用液に、リポソームを破壊しうる界面活性剤である０．３％ＴｒｉｔｏｎＸを添加したところ、触媒電流は著しく低下した。これは、０．３％ＴｒｉｔｏｎＸによりリポソームが破壊され、内部のＧＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨがリポソーム外に放出された
ことを意味する。
　図１６に、上記と同様な１００ｍＭのグルコースを含む測定溶液に添加するアムホテリシンＢの終濃度を１、１０、１００μＭと変化させてクロノアンペロメトリーを行った結果を示す。図１６に示すように、この１~１００μＭの濃度範囲内では、添加するアムホテリシンＢの終濃度が高くなるに従って触媒電流は増加するが、アムホテリシンＢの終濃度が１００μＭでは触媒電流の増加は頭打ちの傾向を示す。
　図１７にアムホテリシンＢの構造式を示す。また、図１８に、リポソーム１２を構成する脂質２分子膜にアムホテリシンＢが結合した状態を示す断面図を示す。また、図１９に、脂質２分子膜（図示せず）にアムホテリシンＢが結合した状態を示す平面図を示す。図１９に示すように、脂質２分子膜に環状に複数結合したアムホテリシンＢにより、これらのアムホテリシンＢで縁取られる形で穴が脂質２分子膜を貫通して形成されている。アムホテリシンＢによりリポソームに穴を形成することができることは報告されている（例えば、非特許文献３参照。）。この穴は、グルコースの透過が可能であり、しかも酵素であるＧＤＨおよびＤＩと補酵素であるＮＡＤＨとが透過しない大きさを有する。
　以上のように、この第１の実施の形態によれば、脂質２分子膜に抗生物質１６が結合して穴１７が形成されたリポソーム１２の内部に、グルコースを分解するための酵素反応に必要な酵素１３、１４および補酵素１５を封入している。そして、このリポソーム１２を電極１１に固定化している。このため、酵素反応をこのリポソーム１２の内部の微小な空間を反応場として効率的に行うことができ、基質であるグルコースから効率的に電子を取り出し、電極１１に受け渡すことができる。また、従来のように酵素などをポリイオンコンプレックスなどにより電極１１上に直接固定化する場合に比べて固定化を簡単に行うことができる。
〈２．第２の実施の形態〉
［バイオ燃料電池］
　次に、この発明の第２の実施の形態について説明する。この第２の実施の形態においては、バイオ燃料電池の負極として、第１の実施の形態による酵素固定化電極を用いる。
　図２０はこのバイオ燃料電池を模式的に示す。このバイオ燃料電池では、燃料としてグルコースを用いる。図２１は、このバイオ燃料電池の負極の構成の詳細ならびにこの負極に固定化されたリポソーム１２に封入された酵素群および補酵素の一例およびこの酵素群および補酵素による電子の受け渡し反応を模式的に示す。
　図２０および図２１に示すように、このバイオ燃料電池は、負極２１と正極２２とが電解質層２３を介して対向した構造を有する。負極２１は、燃料として供給されたグルコースを酵素により分解し電子を取り出すとともにプロトン（Ｈ＋）を発生する。正極２２は、負極２１から電解質層２３を通って輸送されたプロトンと負極２１から外部回路を通って送られた電子と例えば空気中の酸素とにより水を生成する。
　負極２１としては、第１の実施の形態による酵素固定化電極が用いられる。この酵素固定化電極は、具体的には、電極１１上に、脂質２分子膜にグルコースの透過が可能な穴１７を有するリポソーム１２が固定化されたものである。このリポソーム１２の内部には、グルコースの分解に関与する酵素、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素および補酵素の還元体を酸化する補酵素酸化酵素が封入されている。電極１１上には、必要に応じて、リポソーム１２に加えて、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極１１に渡す電子メディエーターも固定化される。
　グルコースの分解に関与する酵素としては、例えば、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、好適にはＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼを用いることができる。この酸化酵素を存在させることにより、例えば、β−Ｄ−グルコースをＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化することができる。
　さらに、このＤ−グルコノ−δ−ラクトンは、グルコノキナーゼとフォスフォグルコネートデヒドロゲナーゼ（ＰｈＧＤＨ）との二つの酵素を存在させることにより、２−ケト−６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートに分解することができる。すなわち、Ｄ−グルコノ−δ−ラクトンは、加水分解によりＤ−グルコネートになり、Ｄ−グルコネートは、グルコノキナーゼの存在下、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）をアデノシン二リン酸（ＡＤＰ）とリン酸とに加水分解することでリン酸化されて、６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートになる。この６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートは、酸化酵素ＰｈＧＤＨの作用により、２−ケト−６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートに酸化される。
　また、グルコースは上記分解プロセスのほかに、糖代謝を利用してＣＯ２まで分解することもできる。この糖代謝を利用した分解プロセスは、解糖系によるグルコースの分解およびピルビン酸の生成ならびにＴＣＡ回路に大別されるが、これらは広く知られた反応系である。
　単糖類の分解プロセスにおける酸化反応は、補酵素の還元反応を伴って行われる。この補酵素は作用する酵素によってほぼ定まっており、ＧＤＨの場合、補酵素にはＮＡＤ＋が用いられる。すなわち、ＧＤＨの作用によりβ−Ｄ−グルコースがＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化されると、ＮＡＤ＋がＮＡＤＨに還元され、Ｈ＋を発生する。
　生成されたＮＡＤＨは、ジアホラーゼ（ＤＩ）の存在下で直ちにＮＡＤ＋に酸化され、二つの電子とＨ＋とを発生する。したがって、グルコース１分子につき１段階の酸化反応で二つの電子と二つのＨ＋とが生成されることになる。２段階の酸化反応では、合計四つの電子と四つのＨ＋とが生成される。
　上記プロセスで生成された電子はジアホラーゼから電子メディエーターを介して電極１１に渡され、Ｈ＋は電解質層２３を通って正極２２へ輸送される。
　上記の酵素および補酵素が封入されたリポソーム１２および電子メディエーターは、電極反応が効率よく定常的に行われるようにするために、電解質層２３に含まれるリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの緩衝液によって、酵素にとって最適なｐＨ、例えばｐＨ７付近に維持されていることが好ましい。リン酸緩衝液としては、例えばＮａＨ２ＰＯ４やＫＨ２ＰＯ４が用いられる。さらに、イオン強度（Ｉ．Ｓ．）は、あまり大きすぎても小さすぎても酵素活性に悪影響を与えるが、電気化学応答性も考慮すると、適度なイオン強度、例えば０．３程度であることが好ましい。ただし、ｐＨおよびイオン強度は、用いる酵素それぞれに最適値が存在し、上述した値に限定されない。
　図２１には、一例として、グルコースの分解に関与する酵素がグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素がＮＡＤ＋、補酵素の還元体であるＮＡＤＨを酸化する補酵素酸化酵素がジアホラーゼ（ＤＩ）、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極１１に渡す電子メディエーターがＡＣＮＱである場合が図示されている。
　正極２２は、例えば多孔質カーボンなどの電極材料からなる電極に、例えばビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどの酸素を分解する酵素を固定化したものである。この正極２２の外側の部分（電解質層２３と反対側の部分）は通常、多孔質カーボンよりなるガス拡散層により形成されるが、これに限定されるものではない。正極２２には、好適には、酵素に加えて、この正極２２との間で電子の受け渡しを行う電子メディエーターも固定化される。
　この正極２２においては、上記の酸素を分解する酵素の存在下で、電解質層２３からのＨ＋と負極２１からの電子とにより空気中の酸素を還元し水を生成する。
　電解質層２３は負極２１において発生したＨ＋を正極２２に輸送するためのもので、電子伝導性を持たず、Ｈ＋を輸送することが可能な材料により構成されている。電解質層２３としては、具体的には、例えば、セロハンなどの既に挙げたものが用いられる。
　以上のように構成されたバイオ燃料電池において、負極２１側にグルコースが供給されると、このグルコースが酸化酵素を含む分解酵素により分解される。この単糖類の分解プロセスで酸化酵素が関与することで、負極２１側で電子とＨ＋とを生成することができ、負極２１と正極２２との間で電流を発生させることができる。
　次に、バイオ燃料電池の具体的な構造例について説明する。
　図２２ＡおよびＢに示すように、このバイオ燃料電池は、負極２１と正極２２とが電解質層２３を介して対向した構成を有している。この場合、正極２２の下および負極２１の下にそれぞれＴｉ集電体４１、４２が置かれ、集電を容易に行うことができるようになっている。符号４３、４４は固定板を示す。これらの固定板４３、４４はねじ４５により相互に締結され、それらの間に、正極２２、負極２１、電解質層２３およびＴｉ集電体４１、４２の全体が挟み込まれている。固定板４３の一方の面（外側の面）には空気取り込み用の円形の凹部４３ａが設けられ、この凹部４３ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴４３ｂが設けられている。これらの穴４３ｂは正極２２への空気の供給路となる。一方、固定板４４の一方の面（外側の面）には燃料装填用の円形の凹部４４ａが設けられ、この凹部４４ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴４４ｂが設けられている。これらの穴４４ｂは負極２１への燃料の供給路となる。この固定板４４の他方の面の周辺部にはスペーサー４６が設けられており、固定板４３、４４をねじ４５により相互に締結したときにそれらの間隔が所定の間隔になるようになっている。
　図２２Ｂに示すように、Ｔｉ集電体４１、４２の間に負荷４７を接続し、固定板４４の凹部４４ａに燃料として例えばリン酸緩衝液にグルコースを溶かしたグルコース溶液を入れて発電を行う。
　この第２の実施形態によれば、酵素反応に必要な酵素群および補酵素が封入され、かつ脂質２分子膜に抗生物質１６が結合して穴１７が形成されたリポソーム１２を電極１１上に固定化した酵素固定化電極を負極２１として用いている。このため、酵素反応をリポソーム１２の内部の微小な空間を反応場として効率的に行うことができ、燃料であるグルコースから効率的に電子を取り出し、電極１１に受け渡すことができるとともに、酵素などをポリイオンコンプレックスなどにより電極１１上に直接固定化する場合に比べて固定化を簡単に行うことができる。このように負極２１として用いられる酵素固定化電極が高効率であることにより、高効率のバイオ燃料電池を実現することができる。また、バイオ燃料電池の高出力化のためには燃料であるグルコースから２電子よりも多くの電子を取り出す必要があり、このためには三種類以上の酵素が適切な位置に固定化された酵素固定化電極を負極２１に用いる必要があるが、リポソーム１２の内部に三種類以上の酵素を封入することによりこのような要求も満たすことができる。また、互いに異なる三種類以上の酵素が封入された多種類のリポソームを混在させることにより多種類の燃料への対応が容易になる。さらには、負極リポソームと正極リポソームとを配列させたマイクロバイオ燃料電池の実現も可能である。
〈３．第３の実施の形態〉
［バイオ燃料電池］
　この第３の実施の形態によるバイオ燃料電池は、負極２１の電極材に図２３ＡおよびＢに示すような多孔体導電材料を用いることを除いて、第２の実施の形態によるバイオ燃料電池と同様な構成を有する。
　図２３Ａはこの多孔体導電材料の構造を模式的に示し、図２３Ｂはこの多孔体導電材料の骨格部の断面図である。図２３ＡおよびＢに示すように、この多孔体導電材料は、三次元網目状構造の多孔体材料からなる骨格７９ａと、この骨格７９ａの表面を被覆するカーボン系材料７９ｂとからなり、このカーボン系材料７９ｂの表面に、第２の実施形態と同様なリポソーム１２が固定化されている。この多孔体導電材料は、カーボン系材料７９ｂに囲まれた多数の孔８０が網目に相当する三次元網目状構造を有する。この場合、これらの孔８０同士は互いに連通している。カーボン系材料７９ｂの形態は問わず、繊維状（針状）、粒状などのいずれであってもよい。
　多孔体材料からなる骨格７９ａとしては、発泡金属あるいは発泡合金、例えば発泡ニッケルが用いられる。この骨格７９ａの多孔率は一般的には８５％以上、あるいは９０％以上であり、その孔径は、一般的には例えば１０ｎｍ~１ｍｍ、あるいは１０ｎｍ~６００μｍ、あるいは１~６００μｍ、典型的には５０~３００μｍ、より典型的には１００~２５０μｍである。カーボン系材料７９ｂとしては、例えばケッチェンブラックなどの高導電性のものが好ましいが、カーボンナノチューブやフラーレンなどの機能性カーボン材料を用いてもよい。
　この多孔体導電材料の多孔率は一般的には８０％以上、あるいは９０％以上であり、孔８０の径は、一般的には例えば９ｎｍ~１ｍｍ、あるいは９ｎｍ~６００μｍ、あるいは１~６００μｍ、典型的には３０~４００μｍ、より典型的には８０~２３０μｍである。
　次に、この多孔体導電材料の製造方法について説明する。
　図２４Ａに示すように、まず、発泡金属あるいは発泡合金（例えば、発泡ニッケル）からなる骨格７９ａを用意する。
　次に、図２４Ｂに示すように、この発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格７９ａの表面にカーボン系材料７９ｂをコーティングする。このコーティング方法としては従来公知の方法を用いることができる。一例を挙げると、カーボン粉末や適当な結着剤などを含むエマルションをスプレーにより骨格７９ａの表面に噴射することによりカーボン系材料７９ｂをコーティングする。このカーボン系材料７９ｂのコーティング厚さは、発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格７９ａの多孔率および孔径との兼ね合いで、多孔体導電材料に要求される多孔率および孔径に応じて決められる。このコーティングの際には、カーボン系材料７９ｂに囲まれた多数の孔８０同士が互いに連通するようにする。
　こうして、目的とする多孔体導電材料が製造される。この後、この多孔体導電材料のカーボン系材料７９ｂの表面にリポソーム１２を固定化する。
　上記以外のことは第２の実施の形態と同様である。
　この第３の実施の形態によれば、第２の実施の形態と同様な利点に加えて次のような利点を得ることができる。すなわち、発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格７９ａの表面をカーボン系材料７９ｂにより被覆した多孔体導電材料は、孔８０の径が十分に大きく、粗な三次元網目状構造を有しながら、高強度でしかも高い導電性を有し、必要十分な表面積を得ることもできる。このため、この多孔体導電材料を電極材に用い、これに酵素、補酵素および電子メディエーターを固定化することで得られる酵素／補酵素／電子メディエーター固定化電極からなる負極２１は、その上での酵素代謝反応を高効率に行わせることができ、あるいは、電極の近傍で起こっている酵素反応現象を効率よく電気信号として捉えることが可能であり、しかも使用環境によらずに安定であり、高性能のバイオ燃料電池を実現することが可能である。
〈４．第４の実施の形態〉
［細胞］
　この第４の実施の形態においては、生物から採取した細胞あるいは生物から採取した細胞の培養などにより得られる細胞の細胞膜を構成する脂質２分子膜にグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を形成する。
　図２５に、細胞の外周の脂質２分子膜からなる細胞膜８１の一部分を示す。ここでは、この細胞が動物細胞である場合を考えるが、植物細胞であってもよい。この細胞は、主として、核とミトコンドリア、小胞体、ゴルジ体、リソゾームなどの細胞小器官と種々のイオン、養分、酵素などが溶けた水とを含む。図２５に示すように、この細胞の細胞膜８１には種々のタンパク質８２、８３、８４などが埋め込まれている。例えば、タンパク質８２はイオンなどを細胞の外部から内部に輸送するポンプタンパク質、タンパク質８３は膜内タンパク質、タンパク質８４は特定の分子を細胞の内外へ輸送する機能を有するチャネルタンパク質である。この細胞膜８１には、上述の種々のタンパク質８２、８３、８４に加えて抗生物質１６が結合しており、グルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴１７が形成されている。
　上記のように構成された細胞は、従来公知の方法により、多孔質カーボンなどからなる電極に固定化される。
　この第４の実施の形態によれば、上記の細胞がグルコースを含む緩衝液などに置かれた場合、細胞膜８１の穴１７を透過して内部にグルコースを取り込むことができる。こうして細胞の内部に取り込まれたグルコースは、この細胞が有するクエン酸回路、解糖系、ペントースリン酸回路などの代謝系により分解され、電子が取り出される。こうして取り出された電子は最終的には電子メディエーターを介して、もしくは電子メディエーターなしで直接、この細胞が固定化された電極に受け渡されて外部に取り出される。こうして、グルコースから電気エネルギーを取り出すことができる。
〈５．第５の実施の形態〉
［ミトコンドリア］
　この第５の実施の形態においては、生物から採取した細胞あるいは生物から採取した細胞の培養などにより得られる細胞に含まれる細胞小器官であるミトコンドリアを構成する脂質２分子膜にグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を形成する。ミトコンドリアは真核細胞のエネルギー生産の場であり、食物の分子の酸化反応に際して得られるエネルギーでＡＴＰを作る。
　図２６にミトコンドリアを示す。図２６に示すように、ミトコンドリアは、外膜８５および内膜８６を有する。これらの外膜８５および内膜８６は脂質２分子膜からなる細胞膜である。内膜８６はひだ状のクリステを形成している。内膜８６の内部のマトリックス腔８７には多種の酵素が濃縮されている。分子の酸化の最終段階は内膜８６で起こる。このミトコンドリアの外膜８５および内膜８６を構成する細胞膜には抗生物質１６が結合しており、グルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴１７が形成されている。
　上記のように構成されたミトコンドリアは、従来公知の方法により、多孔質カーボンなどからなる電極に固定化される。
　この第５の実施の形態によれば、上記のミトコンドリアがグルコースを含む緩衝液などに置かれた場合、外膜８５および内膜８６の穴１７を透過して内部にグルコースを取り込むことができる。こうしてミトコンドリアの内部に取り込まれたグルコースは、このミトコンドリアが有する分子の酸化系、すなわちクエン酸回路、解糖系、ペントースリン酸回路などにより分解され、電子が取り出される。こうして取り出された電子は最終的には電子メディエーターを介して、もしくは電子メディエーターなしで直接、このミトコンドリアが固定化された電極に受け渡されて外部に取り出される。こうして、グルコースから電気エネルギーを取り出すことができる。
〈６．第６の実施の形態〉
［細菌］
　この第６の実施の形態においては、細菌の細胞膜を構成する脂質２分子膜にグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を形成する。
　図２７に細菌を示す。ここでは、この細菌が真正細菌である場合を考える。図２７に示すように、この細菌は外部から順に莢膜８８、細胞壁８９および細胞膜９０により取り囲まれており、その内部に細胞質９１が入っている。この細菌の外部には鞭毛９２および繊毛９３が結合している。ただし、細菌によっては莢膜８８、鞭毛９２および繊毛９３がないものもある。例えば、大腸菌にはこれらの莢膜８８、鞭毛９２および繊毛９３がない。細胞質９１には、図示は省略するが、核様体、リボソームなどが存在している。細胞膜９０には電子伝達系や各種の輸送体などのタンパク質が分布している。この細菌の脂質２分子膜からなる細胞膜９０には抗生物質１６が結合しており、グルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴１７が形成されている。
　上記のように構成された細菌は、従来公知の方法により、多孔質カーボンなどからなる電極に固定化される。
　この第６の実施の形態によれば、この細菌がグルコースを含む緩衝液などに置かれた場合、この細菌の細胞膜９０の穴１７を透過して内部にグルコースを取り込むことができる。こうして細菌の内部に取り込まれたグルコースは、この細菌が有するクエン酸回路、解糖系、ペントースリン酸回路などの代謝系により分解され、電子が取り出される。こうして取り出された電子は最終的には電子メディエーターを介して、もしくは電子メディエーターなしで直接、この細菌が固定化された電極に受け渡されて外部に取り出される。こうして、グルコースから電気エネルギーを取り出すことができる。
〈７．第７の実施の形態〉
［バイオ燃料電池］
　この第７の実施の形態によるバイオ燃料電池は、負極２１の電極１１として図２８ＡおよびＢに示すような多孔質電極を用いることを除いて、第２の実施の形態によるバイオ燃料電池と同様な構成を有する。
　図２８Ａはこの多孔質電極からなる電極１１の全体構成を示し、図２８Ｂはこの電極１１の断面構造を模式的に示す。図２８Ｂに示すように、この多孔質電極からなる電極１１は多数の孔（ポア）１１ａを有する。この孔１１ａの内面に、第２の実施形態と同様なリポソーム１２（内部の水相に封入されている酵素および補酵素や脂質２分子膜に結合した抗生物質およびこの抗生物質に縁取られる穴などの図示は省略）が固定化されている。この場合、これらの孔１１ａ同士は互いに連通している。この多孔質電極の材料としては、好適にはカーボン系材料が用いられるが、これに限定されるものではない。この多孔質電極は、典型的にはカーボンペースト電極である。
　この多孔質電極からなる電極１１の孔１１ａの内面へのリポソーム１２の固定化は、リポソーム１２を含む溶液を電極１１中に浸透させることにより行うことができる。
　上記以外のことは第２の実施の形態と同様である。
　この第７の実施の形態によれば、第３の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
〈８．第８の実施の形態〉
［酵素固定化電極］
　図２９はこの第８の実施の形態による酵素固定化電極を示す。この酵素固定化電極においては、基質としてグルコースを用いる。
　図２９に示すように、この酵素固定化電極においては、多孔質カーボンなどからなる電極１１の表面（電極１１の内部の孔の内面も含む）にアビジン１０１が固定化されている。一方、第１の実施の形態と同様なリポソーム１２にビオチン１０２が結合している。そして、電極１１の表面に固定化されたアビジン１０１とリポソーム１２に結合したビオチン１０２とが不可逆的に特異的に結合している。図２９においては、一つのリポソーム１２に一つのビオチン１０２が結合している場合が示されているが、一つのリポソーム１２に複数のビオチン１０２を結合させてもよい。
　リポソーム１２の内部の水相１２ａには、目的とする酵素反応に関与する酵素１３、１４および補酵素１５が封入されている。このリポソーム１２の内部の水相１２ａには、これらの酵素１３、１４および補酵素１５以外に、例えば電子メディエーターを封入してもよい。この電子メディエーターは、リポソーム１２とともに電極１１上に固定化してもよい。酵素１３は基質として用いられるグルコースの酸化を促進し分解する酸化酵素、酵素１４はこのグルコースの酸化に伴って還元された補酵素１５を酸化体に戻すとともに電子メディエーターを介して電子を電極１１に渡す補酵素酸化酵素である。
　図示は省略するが、図２に示すリポソーム１２と同様に、リポソーム１２を構成する脂質２分子膜に一つまたは複数の抗生物質が結合しており、この抗生物質により縁取られる形でこの脂質２分子膜を貫通する穴が形成されている。
［酵素固定化電極の製造方法］
　この酵素固定化電極は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、酵素１３、１４および補酵素１５が封入され、外周面にビオチン１０２が結合したリポソーム１２を作製する。リポソーム１２にビオチン１０２を結合するためには、例えば、ＮＨＳエステルによって修飾されたビオチン１０２を用いてリン脂質、例えばホスファチジルエタノールアミンと脱水縮合させてアミド結合させる。次に、このリポソーム１２を構成する脂質２分子膜に抗生物質を結合させて穴を形成する。一方、電極１１の表面にアビジン１０１を固定化する。アビジン１０１を電極１１に固定化するためには、例えば、アビジン１０１が結合したアガロースビーズが混合されたカーボンペースト電極を電極１１として用いたり、アビジン１０１を電極１１の表面上でポリ−Ｌ−リシン（ＰＬＬ）などのポリマーに埋め込ませたりする。次に、こうして電極１１の表面に固定化したアビジン１０１と、穴１７を形成したリポソーム１２に結合したビオチン１０２とを結合させることにより、リポソーム１２を電極１１上に固定化する。これによって、酵素固定化電極が製造される。酵素１３、１４および補酵素１５を封入する前のリポソーム１２を構成する脂質２分子膜に抗生物質を結合させて穴を形成するようにしてもよい。また、リポソーム１２を電極１１上に固定化してからこのリポソーム１２を構成する脂質２分子膜に抗生物質を結合させて穴を形成してもよい。
　次のようにして酵素固定化電極を作製した。
　ジアホラーゼ（ＤＩ）（ＥＣ　１．８．１．４、天野エンザイム製）を５ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、５ｍｇ／ｍＬのＤＩ酵素緩衝溶液を調製した。
　グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）（ＮＡＤ依存型、ＥＣ　１．１．１．４７、天野エンザイム製）を２５ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、２５ｍｇ／ｍＬのＧＤＨ酵素緩衝溶液を調製した。
　上記の酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ冷蔵保存しておくことが好ましい。
　ＮＡＤＨ（シグマ社製）を緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）に溶解させ、５０ｍＭのＮＡＤＨ緩衝溶液を調製した。
　２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン（Ｑ０）を緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）に溶解させ、１０ｍＭのＱ０緩衝溶液を調製した。
　リン脂質として卵黄レシチン（Ｗａｋｏ製）およびビオチン修飾ホスファチジルエタノールアミン（１，２−ｄｉｐａｌｍｉｔｏｙｌ−ｓｎ−ｇｌｙｃｅｒｏ−３−ｐｈｏｓｐｈｏｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ−Ｎ−（ｃａｐ　ｂｉｏｔｉｎｙｌ）を用いた。
　次のようにしてビオチン修飾リポソームを作製した。
　レシチンをエタノールに溶解し、１００ｍｇ／ｍＬレシチン溶液を調製する。また、ＣＨＣｌ３、メタノールおよび水の混合溶液（ＣＨＣｌ３：メタノール：水＝６５：３５：８）にビオチン修飾ホスファチジルエタノールアミンを溶解し、１０ｍｇ／ｍＬビオチン修飾ホスファチジルエタノールアミン溶液を調製する。
　エタノール２０ｍＬに上記のレシチン溶液を１ｍＬ、上記のビオチン修飾ホスファチジルエタノールアミン溶液を５０μＬ加え、良く混合する。こうして得られた混合溶液をロータリーエバポレーターにより４０℃バス、真空下で１時間以上処理して溶媒を減圧除去する。
　次に、得られた生成物に、２５ｍｇ／ｍＬのＧＤＨ酵素緩衝溶液５０μＬ、５ｍｇ／ｍＬのＤＩ酵素緩衝溶液５０μＬ、５０ｍＭのＮＡＤＨ緩衝溶液５０μＬを混合してから加え、３０~６０秒、超音波バスにつける。その際、ポリテトラフルオロエチレン製スクレーパーによりリン脂質フィルムをかきとるように混ぜる。
　次に、上記のようにして得られたリポソーム溶液を１．５ｍＬのチューブに移し、５０μＬの１００ｍＭリン酸緩衝液で残りのリポソーム溶液も回収し、１ｍＬの１００ｍＭリン酸緩衝液を用いて１５００ｇ、４ｍｉｎの条件での遠心分離により２回、洗浄する。
　こうして得たＧＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨ封入ビオチン修飾リポソームを６００μＬの０．１Ｍリン酸緩衝液に懸濁させて、終濃度１ｍＭになるようにアムホテリシンＢを添加し、ボルテックスで混合する。
　以上のようにして、ＧＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨが封入され、アムホテリシンＢが結合したビオチン修飾リポソームが作製される。
　次のようにしてアビジン修飾電極を作製した。
　均一な粒子径のグラファイトパウダーと接着剤として用いるパラフィンオイルとを混合したカーボンペースト（ビー・エー・エス株式会社製）２００ｍｇにアビジンアガロースビーズ懸濁液１００μＬを加え、めのう乳鉢上で軽い力で練り込む。次に、こうして得られたアビジン含有カーボンペーストをデシケーター内で１時間以上乾燥させた後、上面にポケット部（凹部）を有する電極のポケット部に練り込む。この後、この電極の上面側をコピー紙に円を描くように押し付け、表面を平らにした。
　以上のようにしてアビジン修飾電極が作製される。
　次に、次のようにして、ＧＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨが封入され、アムホテリシンＢが結合したビオチン修飾リポソームをアビジン修飾電極に固定化した。
　まず、上記のようにして作製されたビオチン修飾リポソーム３００μＬに、上記のようにして作製されたアビジン修飾電極を浸漬する。そして、１時間、室温でインキュベーションを行った後、０．１Ｍリン酸緩衝液５００μＬで２回洗浄する。
　図３０に、ＧＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨが封入され、アムホテリシンＢが結合したビオチン修飾リポソームをアビジン修飾電極に固定化したものを示す。図３０に示すように、電極１０３の上面に設けたポケット部１０３ａにカーボンペースト電極１０４が埋め込まれ、このカーボンペースト電極１０４にアビジン１０１が固定化されている。そして、このアビジン１０１とリポソーム１２のビオチン１０２とが結合することにより、カーボンペースト電極１０４にリポソーム１２が結合し、固定化されている。リポソーム１２の内部の水相１２ａに封入された酵素１３、１４および補酵素１５はそれぞれＧＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨである。
　上記のようにして作製されたリポソーム固定化電極（以下、必要に応じてＡｖｉＣＰＥ−ＢｉｏＬｉｐｏと略称）の電気化学応答を測定した。第１の比較例として、図３１に示すように、カーボンペースト電極１０４にアビジン１０１が固定化されていないことを除いて上記と同様なリポソーム固定化電極（以下、必要に応じてＣＰＥ−ＢｉｏＬｉｐｏと略称）を作製した。第２の比較例として、図３２に示すように、リポソーム１２にビオチン１０２が結合していないことを除いて上記と同様なリポソーム固定化電極（以下、必要に応じてＡｖｉＣＰＥ−Ｌｉｐｏと略称）を作製した。第３の比較例として、図３３に示すように、カーボンペースト電極１０４にアビジン１０１が固定化されていないこと、および、リポソーム１２にビオチン１０２が結合していないことを除いて上記と同様なリポソーム固定化電極（以下、必要に応じてＣＰＥ−Ｌｉｐｏと略称）を作製した。
　２ｍＬのチューブに０．１Ｍリン酸緩衝液１８０μＬ、終濃度１ｍＭになるように１０ｍＭのＱ０緩衝溶液２０μＬを加え、これに対極として白金ワイヤー、参照電極としてＡｇ｜ＡｇＣｌ、作用電極として上記の四種類のリポソーム固定化電極（ＡｖｉＣＰＥ−ＢｉｏＬｉｐｏ、ＣＰＥ−ＢｉｏＬｉｐｏ、ＡｖｉＣＰＥ−Ｌｉｐｏ、ＣＰＥ−Ｌｉｐｏ）を浸漬させ、電位をＡｇ｜ＡｇＣｌに対して＋０．３Ｖに設定し、クロノアンペロメトリーを行った。測定開始後、終濃度１００ｍＭになるように２０μＬの１Ｍグルコース溶液を加えた。クロノアンペロメトリーの結果を図３４に示す。図３４の各電流（Ｉ）−時間曲線は０．０３μＡのオフセットが加算されて示されているが、ベース電流値は同程度である。図３４から、カーボンペースト電極１０４にアビジン１０１が固定化され、かつリポソーム１２にビオチン１０２が結合しているリポソーム固定化電極（ＡｖｉＣＰＥ−ＢｉｏＬｉｐｏ）を用いた場合だけ、グルコースの添加時に０．０１５μＡ→０．０２３μＡと他のリポソーム固定化電極（ＣＰＥ−ＢｉｏＬｉｐｏ、ＡｖｉＣＰＥ−Ｌｉｐｏ、ＣＰＥ−Ｌｉｐｏ）に比べて比較的高い電流値応答が見られることが分かる。
　以上のように、この第８の実施の形態によれば、脂質２分子膜に抗生物質１６が結合して穴１７が形成されたリポソーム１２の内部に、グルコースを分解するための酵素反応に必要な酵素１３、１４および補酵素１５を封入している。そして、電極１１にアビジン１０１を固定化するとともに、リポソーム１２にビオチン１０２を結合し、電極１１に固定化したアビジン１０１とリポソーム１２に結合したビオチン１０２とを結合させることにより、電極１１にリポソーム１２を固定化している。このため、第１の実施の形態と同様な利点に加えて、電極１１にリポソーム１２を容易かつ確実にしかも強固に固定化することができるという利点を得ることができる。このリポソーム固定化電極は、例えば、バイオ燃料電池の負極として用いて好適なものである。
〈９．第９の実施の形態〉
［酵素固定化電極］
　図３５はこの第９の実施の形態による酵素固定化電極を示す。この酵素固定化電極においては、基質としてグルコースを用いる。
　図３５に示すように、この酵素固定化電極においては、アビジン１０１が４個のビオチン結合ポケットを有することを利用して、電極１１の表面に多層のリポソーム１２が固定化されている。すなわち、第８の実施の形態と同様に、電極１１の表面に固定化されたアビジン１０１とリポソーム１２に結合したビオチン１０２とが不可逆的に特異的に結合することにより、電極１１の表面にリポソーム１２が固定化されている。これに加えて、この場合、この電極１１の表面に固定化されたリポソーム１２には複数（図３５に示す例では二つ）のビオチン１０２が結合している。この電極１１の表面に固定化されたリポソーム１２の、電極１１の表面への固定化に用いられていないビオチン１０２は、電極１１の表面に固定化されていないアビジン１０１と結合している。そして、このアビジン１０１と他のリポソーム１２に結合した一つまたは二つ以上のビオチン１０２とが結合することにより、リポソーム１２同士が互いに結合している。こうして、電極１１の表面に多層のリポソーム１２が固定化されている。その他のことは第８の実施の形態と同様である。
［酵素固定化電極の製造方法］
　この酵素固定化電極を製造するためには、第８の実施の形態による酵素固定化電極と同様にしてリポソーム１２を電極１１上に固定化した後、例えば、アビジン１０１またはアビジンアガロースビーズを加えることで、リポソーム１２を積層させる。この場合、加えるアビジンの量やリポソーム１２を構成する脂質２分子膜中のビオチン修飾脂質の比を調整することにより、積層するリポソーム１２の層の厚さやリポソーム１２の密度などを制御することができる。
　この第９の実施の形態によれば、第８の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
　以上、この発明の実施の形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
　例えば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、構造、構成、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、材料などを用いてもよい。
　なお、アビジンとビオチンとの特異的な結合などを用いたこの発明によるリポソームの電極への固定化方法は、リポソームを構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な穴を有しない場合にも有効な方法である。例えば、この電極を燃料電池の負極に用いる場合、燃料はグルコースに限定されず、アルコールを始めとした各種の燃料を用いることができる。
１１　　　　　電極
１２　　　　　リポソーム
１３、１４　　酵素
１５　　　　　補酵素
１６　　　　　抗生物質
１７　　　　　穴
２１　　　　　負極
２２　　　　　正極
２３　　　　　電解質層
４１、４２　　Ｔｉ集電体
４３、４４　　固定板
４７　　　　　負荷
８１、９０　　細胞膜
８５　　　　　外膜
８６　　　　　内膜
１０１　　　　アビジン
１０２　　　　ビオチン

Claims (20)

  1. 　正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
    　少なくとも一種の上記酵素がリポソームに封入されており、
    　上記リポソームを構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有する燃料電池。
  2. 　上記酵素および補酵素を用いて上記燃料から電子を取り出すように構成され、少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の補酵素が上記リポソームに封入されている請求項１記載の燃料電池。
  3. 　上記脂質２分子膜に結合した抗生物質により上記穴が形成されている請求項２記載の燃料電池。
  4. 　上記抗生物質はアムホテリシンＢである請求項３記載の燃料電池。
  5. 　上記抗生物質はイオノホアである請求項３記載の燃料電池。
  6. 　上記リポソームが上記負極に固定化されている請求項１記載の燃料電池。
  7. 　上記負極に固定化された第１の物質と上記リポソームに結合した第２の物質とが互いに結合している請求項６記載の燃料電池。
  8. 　上記第１の物質と上記第２の物質との組み合わせが、アビジンとビオチン、抗原と抗体、プロテインＡと免疫グロブリンＩｇＧ、プロテインＧと免疫グロブリンＩｇＧ、糖分子とレクチン、ＤＮＡと相補鎖ＤＮＡ、グルタチオンとグルタチオンＳ−トランスフェラーゼ、ヘパリンとヘパリン結合性分子、ホルモンとホルモン受容体またはカルボン酸とイミドである請求項７記載の燃料電池。
  9. 　少なくとも二つの上記リポソーム間が互いに結合している請求項７記載の燃料電池。
  10. 　正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、酵素を用いて燃料から電子を取り出す燃料電池を製造する場合に、少なくとも一種の上記酵素をリポソームに封入した後、上記リポソームを構成する脂質２分子膜にグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を形成する工程を有する燃料電池の製造方法。
  11. 　上記燃料電池は上記酵素および補酵素を用いて上記燃料から電子を取り出し、少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の補酵素を上記リポソームに封入する請求項１０記載の燃料電池の製造方法。
  12. 　一つまたは複数の燃料電池を用い、
    　少なくとも一つの上記燃料電池が、
    　正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
    　少なくとも一種の上記酵素がリポソームに封入されており、
    　上記リポソームを構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有するものである電子機器。
  13. 　上記酵素および補酵素を用いて上記燃料から電子を取り出すように構成され、少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の補酵素が上記リポソームに封入されている請求項１２記載の電子機器。
  14. 　少なくとも一種の酵素が封入されたリポソームが固定化されており、
    　上記リポソームを構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有する酵素固定化電極。
  15. 　少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の補酵素が上記リポソームに封入されている請求項１４記載の酵素固定化電極。
  16. 　酵素を用い、
    　少なくとも一種の上記酵素がリポソームに封入されており、
    　上記リポソームを構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有するバイオセンサー。
  17. 　少なくとも一種の酵素が封入されたリポソームを用い、上記リポソームを構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有するエネルギー変換素子。
  18. 　細胞膜を構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有する細胞。
  19. 　細胞膜を構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有する細胞小器官。
  20. 　細胞膜を構成する脂質２分子膜がグルコースの透過が可能な一つまたは複数の穴を有する細菌。
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