JPH0719927B2 - アビジン―ビオチン系を用いた光電変換装置とその製造方法 - Google Patents

アビジン―ビオチン系を用いた光電変換装置とその製造方法

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JPH0719927B2
JPH0719927B2 JP63074605A JP7460588A JPH0719927B2 JP H0719927 B2 JPH0719927 B2 JP H0719927B2 JP 63074605 A JP63074605 A JP 63074605A JP 7460588 A JP7460588 A JP 7460588A JP H0719927 B2 JPH0719927 B2 JP H0719927B2
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淳 三宅
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利和 真島
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弘明 杉野
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、光電変換機能を有する蛋白質を含む脂質膜を
利用した光電変換装置とその製造方法に関し、特に光電
変換機能を有する蛋白質を含む脂質膜を基板上に固定化
した光電変換装置とその製造方法に関する。
[従来の技術] 光電変換機能を有する蛋白質を含む脂質膜として,たと
えばチラコイド膜が知られている。植物、藍藻、光合成
細菌等の光合成能を有する細胞に含まれるチラコイド膜
は、光合成機能に関する蛋白質および脂質を含む生体膜
である。この種の膜は、方向性を持って配列した光合成
反応中心蛋白質複合体を有し、光を吸収した時、膜を挟
んで電位差を生じる能力を持つ。このため、光電変換装
置等への光合成能を有する細胞の利用が期待されてい
る。
従来の調製方法によると、チラコイド膜は細胞を破砕し
た後に微細な膜断片もしくは膜小胞として得られる場合
が多い。このような膜を挟んで生ずる電位差を直接外部
に取り出すことは困難であった。そこで測定の場合も、
螢光等を利用した間接的測定方法により、主として溶液
状態での光電変換機構等の研究が成されてきた(たとえ
ば,Methods in Enzymology 69巻、409−715頁(1980
年)Academic Press)。
[発明が解決しようとする問題点] 光電変換機能を有する蛋白質を含む脂質膜を光電変換素
子として利用するには、膜の表裏を揃えて固定化し,膜
を挟んで生ずる電気的信号を取り出す技術の開発が望ま
れる。電気的信号は,たとえば,電位差ないしは電流で
ある。
本発明の目的は電極を備えた基板上に光電変換機能を有
する蛋白質を含む脂質膜を方向性をもって固定化した光
電変換装置を提供することである。
本発明の他の目的は基板上に光電変換機能を有する蛋白
質を含む脂質膜を方向性をもって固定化し,光電変換装
置を製造する方法を提供することである。
[問題点を解決するための手段] 電極を備えた基板上にアビジンを結合させる。一方,光
電変換機能を有する蛋白質を含む脂質膜の特定の部位を
選択的にビオチン化する。
アビジン化した基板表面にビオチン化した光電変換機能
を有する蛋白質を含む脂質膜を,アビジン−ビオチン相
互作用によって,結合させることにより,脂質膜を方向
性を持たせて固定化する。
光電変換機能を有する蛋白質を含む脂質膜として,たと
えば,植物の葉緑体,藍藻,光合成細菌等の細胞に含ま
れるチラコイド膜が用いられるが,チラコイド膜の中で
もロドシュードモナス・ビリジス(ATCC19567),ロド
バクタースフェロイデス(ATCC17023)等の細胞を破砕
して得られる標品であるクロマトホア膜は好適な材料で
ある。
電極には,インジウム−錫・酸化物(ITO),酸化錫(S
nO2),金属蒸着膜,半導体等を用いることができる。
電極基板の作成は,たとえば,真空蒸着等の方法によ
り,基板上に導電性膜を形成すること等により行うこと
ができる。
電極基板へのアビジン分子の結合は,たとえば,化学結
合,吸着等で行うことができる。
種々のビオチン化試薬で,光電変換機能を有する蛋白質
を化学修飾する場合,条件を選択することにより,特定
の部位を選択的にビオチン化することができる。
このようにしてビオチン化した脂質膜を,アビジン化し
た電極基板に取り付ける。
[作用] アビジンとビオチンとは強い特異的相互作用を有する。
光電変換機能を有する蛋白質を含む脂質膜の蛋白質複合
体の特定部位をビオチン化すると光電変換機能を有する
蛋白質を含む脂質膜がアビジン分子と結合性に関して方
向性を付与される。
アビジン化した基板表面にはビオチンが結合するので、
基板上に方向性をもって光電変換機能を有する蛋白質を
含む脂質膜を固定化できる。
[実施例] 光電変換機能を有する蛋白質を含む脂質膜の材料はたと
えばチラコイド膜であり、植物、藍藻、光合成細菌等の
細胞より調製することができる。中でも光合成細菌ロド
シュードモナスビリジス(ATCC19567)、ロドバクター
スフェロイデス(ATCC17023)等の細胞を破砕して得ら
れるクロマトホア膜小胞は、好適な材料である。これら
のクロマトホア膜において、光合成を行う反応中心の蛋
白質複合体のサブユニットにはL,M,H等のサブユニット
がある。クロマトホア膜懸濁液に、ビオチン基を有する
試薬を反応させ、蛋白質の化学修飾を行うと、Hサブユ
ニットを選択的にビオチン化する事ができる。このよう
にしてビオチン化を行ったクロマトホアは、アビジンを
介して基板上に方向性をもって固定化することが可能で
ある。すなわち、基板表面に化学結合、吸着等によって
アビジン分子を結合させ、さらにビオチン化したクロマ
トホア膜を作用させる。ビオチン−アビジンの特異的な
相互作用いよって、クロマトホア膜が方向性を持って基
板に結合する。
このようにしてクロマトホア膜を固定化させ,電極を備
えた光電変換装置について,光−電位応答ないし光−電
流応答等の光電応答を検出利用する。
以下に,図面を参照して本発明をさらに詳細に説明す
る。
[クロマトホア膜の調製] 光合成細菌であるロドシュードモナスビリジス(ATCC19
567)を、嫌気状態で、光照射下、30℃で培養した。得
られた菌体より以下の手順によってクロマトホア膜を調
製した。すなわち、菌体をフレンチプレスによって破砕
し、庶糖密度勾配遠心等の遠心分画法によって膜画分を
調製し、50mMの炭酸ナトリウムNaHCO3(pH8.9)水溶液
に透析した(Arch.Biochem.Biophys.,223巻282−290頁
(1979年))。このようにして第1図(A)に示すよう
なクロマトホア膜を調製した。脂質膜2に光合成反応中
心の蛋白質複合体1が埋め込まれた構造を有している。
[クロマトホア膜のビオチン化] クロマトホア膜の懸濁液(A1020=10)に、8mg/mlスル
ホスクシニミジル6−(ビオチンアミド)ヘキサノエー
トを加え、30℃で30分処理し、膜蛋白質のビオチン化修
飾を行う。ビオチン化したクロマトホア膜は第1図
(B)に示すように,方向性をもって,ビオチン基3を
備える。ビオチン化後のクロマトホア膜は、リン酸緩衝
液(pH7.4)を含む生理的食塩水(PBS)に懸濁する。
[アビジンの基板表面への固定化] 固定化の基板としては,ガラス基板4に酸化錫(Sn
O2),ITO,金等の導電性物質を蒸着させて薄膜状電極5
としたものを用い,第1図(C)に示すように,その表
面に蛋白質吸着能力の高いニトロセルロース等の物質で
さらに薄膜6をつくり,第1図(D)に示すようにアビ
ジン7を吸着させる方法を用いる。このような薄膜の作
成については,ニトロセルロースの0.002%酢酸アミル
溶液(コロジオン溶液)50マイクロリットルを2平方セ
ンチメートルの電極面状に載せて乾燥固化させる方法,
及び2%コロジオン溶液20マイクロリットルを水面状に
展開して,溶媒を蒸発させて固化した薄膜を電極面に圧
着する方法等が用いられる。これらの電極を20μg/mlの
アビジンを含むPBSで30℃で20分処理を行い,アビジン
分子7を吸着させる。上述のニトロセルロース薄膜6を
介した固定化法は各種材料からなる基板へのアビジン固
定化に広く用いることができる。
電極の素材によっては,ホルムアルデヒド,グルタルア
ルデヒド等の架橋試薬を用いて,アビジン分子を電極平
面に化学的に結合させることも可能である。
ニトロセルロース薄膜は非共有結合でアビジン分子を吸
着し、架橋試薬の残基をつけた場合はアビジン分子と共
有結合すると考えられる。
[ビオチン化クロマトホア膜のアビジン化基板表面への
固定化] アビジン化ガラス基板をビオチン化クロマトホア膜(A1
020=5.0)で30℃で20分処理し、反応後PBSで洗浄して
未結合のクロマトホア膜を除く。以上の操作により、第
1図(E)に示すように、クロマトホア膜8を固定化す
ることができる。この後1.7%ホルムアルデヒドを含むP
BSで30℃で30分処理を行い,PBSで洗浄してから第1図
(F)に示すようにアビジンを含むPBSで処理する段階
に戻って、クロマトホア膜10の固定化を行う。このよう
に複数回の固定化を行えば、クロマトホア膜の多層積層
を行うことができる。第1図(E)は、ガラス基板4上
のSnO2電極5の表面にニトロセルロース薄膜6を形成
し、その上にアビジン7を吸着させクロマトホア膜8を
1回固定化した場合を示し,第1図(F)は,同様に2
回固定化積層した場合を示す。
また、積層の方法としては固定化クロマトホア膜の上に
コロジオン薄膜を重ね、その上に改めて固定化を行う方
法も用いられる。
このような方法で、SnO2電極5を備えたガラス基板4上
にロドシュードモナスビリジスのクロマトホア膜8、10
を10回積層した光電変換層の吸収スペクトルを第2図に
示す。特徴的な光吸収が行われていることが判る。
上述の固定化方法により、チラコイド膜を方向性をもっ
て固定化できる。
積層することもできる。チラコイド膜のみに限らず、蛋
白質を含む脂質膜を方向性を持って固定化できるものと
考えられる。
クロマトホア膜を固定化した基板を1%牛血清アルブミ
ン(BSA)水溶液に浸した後,乾燥させる。
[光電応答の検出] 基板上に固定化した脂質膜上に,対極となる電極を取り
付けて,光刺激を与え,光電応答による両電極間の電気
信号を取り出すことができる。たとえば,電位,電流の
変化を測定する。対極は,光電変換層である脂質膜の表
面に水銀玉を載せる,金属薄膜を圧着する,金属薄膜を
蒸着する等の方法で形成できる。光刺激の光源は,太陽
光等自然のものでもよいし,ストロボランプ,発光ダイ
オード(LED),レーザ,アーク燈等でもよい。
第3図に光電変換装置の光電応答検出系の概略を示す。
ガラス基板15上のSnO2電極14上にニトロセルロース薄膜
13を介してクロマトホア膜層12を固定化積層した。その
上に,水銀玉をのせる等の方法で対極11を形成した。
図中下側より,ストロボランプ,LED等の光源20からの光
刺激をガラス基板15、SnO2電極14、ニトロセルロース薄
膜13を介して、クロマトホア膜層12へ与える。光刺激に
よって両電極11、14間に生じる電位変化を導線16、19で
取り出し、差動アンプ17を介してオシロスコープ18で観
察した。
第4図に光刺激に対する光電変換装置の電位応答の例を
示す。ストロボランプ光の刺激に対して,ミリ秒以下の
速い応答の立ち上がりがみられた。本例においては,10
回固定化を行った光電変換層を用いた。
[発明の効果] 光電変換機能を有する蛋白質を含む脂質膜を方向性をも
って固定化できる。
これにより,光電変換装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図はクロマトホア膜の固定化を示す概略図であり、 (A)は未処理のクロマトホア膜、 (B)はビオチン化したクロマトホア膜、 (C)はニトロセルロース膜を張ったSnO2電極を備えた
ガラス基板、 (D)はニトロセルロース膜を張り、アビジンを吸着さ
せたSnO2電極を備えたガラス基板、 (E)はガラス基板上のSnO2電極上にニトロセルロース
薄膜を張り、アビジンを吸着させたクロマトホア膜を固
定化した場合, (F)は(E)と同様の固定化を2回行い,積層した場
合を示す。 第2図はSnO2電極上にニトロセルロース薄膜を張り,ク
ロマトホア膜を10回固定化積層した後,PBS中にて測定し
た吸収スペクトルである。 第3図は光電変換装置の光電応答検出系の概略図であ
る。 第4図はストロボランプ光の光刺激に対する光電変換装
置の電位応答を示す図である。クロマトホア膜を10回固
定化積層させた光電変換層を用いて測定した。 符号の説明 1……光合成反応中心蛋白質複合体 2……脂質膜 3……ビオチン化試薬:スルホスクシニミジル6−(ビ
オチンアミド)ヘキサノエート 4……ガラス基板 5……SnO2電極 6……ニトロセルロース薄膜 7……ニトロセルロース薄膜に吸着されたアビジン 8……固定化1層目の脂質膜 9……固定化クロマトホア膜上に結合したアビジン 10……固定化2層目の脂質膜 11……対極となる電極 12……固定化,積層されたクロマトホア膜層 13……ニトロセルロース薄膜 14……SnO2電極 15……ガラス基板 16……対極に接続された導線 17……差動アンプ 18……オシロスコープ 19……SnO2電極に接続された導線 20……光源
フロントページの続き (72)発明者 川村 杉生 茨城県つくば市東1丁目1番3号 工業技 術院微生物工業技術研究所内 (72)発明者 富塚 登 茨城県つくば市東1丁目1番3号 工業技 術院微生物工業技術研究所内 (72)発明者 真島 利和 茨城県つくば市梅園1丁目1番4号 工業 技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 豊玉 秀樹 茨城県つくば市東光台5丁目9番5号 ス タンレー電気株式会社筑波研究所内 (72)発明者 杉野 弘明 茨城県つくば市東光台5丁目9番5号 ス タンレー電気株式会社筑波研究所内 (72)発明者 安食 秀一 茨城県つくば市東光台5丁目9番5号 ス タンレー電気株式会社筑波研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−295600(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の電極部を有する基板と、 該第1の電極部上に固定されたアビジンと、 光合成能を有する細胞より調製された、脂質と光電変換
    機能を有する蛋白質とを含む脂質膜であって、その特定
    の部位が選択的にビオチン化されており、該アビジンと
    アビジン−ビオチンの相互作用により結合している脂質
    膜で形成された光電変換層と、 該光電変換層を挟んで、第1の電極部と対向するように
    該光電変換層上に形成された第2の電極部と を有し、 該アビジンと該アビジンが固定されている該第1の電極
    の間には、蛋白質や脂質が存在しない光電変換装置。
  2. 【請求項2】基板をアビジンを含む処理剤で処理し、表
    面をアビジン化する工程と、 光電変換機能を有する蛋白質を含む脂質膜をビオチンを
    含む処理剤で処理し、蛋白質のビオチン化修飾を行う工
    程と、 表面をアビジン化した基板にビオチン化修飾した光電変
    換機能を有する蛋白質を含む脂質膜を作用させ、アビジ
    ン−ビオチンの相互作用を利用して光電変換機能を有す
    る蛋白質を含む脂質膜を基板上に固定化する工程と を含む光電変換装置の製造方法。
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