JPH078233B2 - 光合成反応ユニット可溶化精製と利用 - Google Patents
光合成反応ユニット可溶化精製と利用Info
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- JPH078233B2 JPH078233B2 JP63056235A JP5623588A JPH078233B2 JP H078233 B2 JPH078233 B2 JP H078233B2 JP 63056235 A JP63056235 A JP 63056235A JP 5623588 A JP5623588 A JP 5623588A JP H078233 B2 JPH078233 B2 JP H078233B2
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- JP
- Japan
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- photosynthetic
- reaction unit
- surfactant
- photosynthetic reaction
- protein complex
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/549—Organic PV cells
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Electroluminescent Light Sources (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光合成生物から得られる光合成反応ユニットの
精製と利用に関する。
精製と利用に関する。
［従来の技術］ 植物、光合成細菌等の光合成生物は光合成反応に係わる
光合成器官を有する。光合成器官は脂質、光合成ユニッ
ト，酸化還元酵素等を含み，その断片として得られる光
合成顆粒はクロマトフォア，スフェロブラスト由来小胞
のような蛋白質，脂質などからなる膜から構成されてい
る閉じた小胞である。この種の膜は光電変換反応を行う
光合成反応中心蛋白質複合体を持ち、光刺激によって膜
を挾んで電位差を生じることが知られている。たとえ
ば，好塩性の光合成細菌であるハロバクテリウムハロビ
ウムの光合成組織の膜である紫膜を界面活性剤で部分的
に分解した断片は膜の表裏の電荷が大きく異なる。これ
らの光合成反応を利用した光電変換素子が検討されてい
る。
光合成器官を有する。光合成器官は脂質、光合成ユニッ
ト，酸化還元酵素等を含み，その断片として得られる光
合成顆粒はクロマトフォア，スフェロブラスト由来小胞
のような蛋白質，脂質などからなる膜から構成されてい
る閉じた小胞である。この種の膜は光電変換反応を行う
光合成反応中心蛋白質複合体を持ち、光刺激によって膜
を挾んで電位差を生じることが知られている。たとえ
ば，好塩性の光合成細菌であるハロバクテリウムハロビ
ウムの光合成組織の膜である紫膜を界面活性剤で部分的
に分解した断片は膜の表裏の電荷が大きく異なる。これ
らの光合成反応を利用した光電変換素子が検討されてい
る。
紅色光合成細菌の光合成器官は、脂質２重層で構成され
る小胞状，ラメラ状、あるいはチューブ状の膜構造に光
合成反応ユニットと呼ばれる蛋白質複合体が埋め込まれ
たものである。この光合成器官を細胞外に取り出した構
造として第1A図、第２図に示すものがある。第1A図はク
ロマトフォアと呼ばれるもので、光合成細菌を超音波処
理などの手法で破砕した際に得られる小胞状の光合成器
官の断片である。第1B図は第1A図の１部を拡大したもの
で、脂質２重層１に光合成反応ユニット２が埋め込まれ
ている様子を模式的に示したものである。
る小胞状，ラメラ状、あるいはチューブ状の膜構造に光
合成反応ユニットと呼ばれる蛋白質複合体が埋め込まれ
たものである。この光合成器官を細胞外に取り出した構
造として第1A図、第２図に示すものがある。第1A図はク
ロマトフォアと呼ばれるもので、光合成細菌を超音波処
理などの手法で破砕した際に得られる小胞状の光合成器
官の断片である。第1B図は第1A図の１部を拡大したもの
で、脂質２重層１に光合成反応ユニット２が埋め込まれ
ている様子を模式的に示したものである。
第２図はクロマトフォアを界面活性剤で処理することに
よって得られ，反応中心（reaction center）４と呼ば
れる蛋白質複合体であり、光合成反応ユニット２から光
捕獲蛋白質（light harvesting protein）複合体５が欠
落した構造体である。反応中心蛋白質複合体４の周囲に
は界面活性剤の分子６が付着している。
よって得られ，反応中心（reaction center）４と呼ば
れる蛋白質複合体であり、光合成反応ユニット２から光
捕獲蛋白質（light harvesting protein）複合体５が欠
落した構造体である。反応中心蛋白質複合体４の周囲に
は界面活性剤の分子６が付着している。
クロマトフォアは光合成反応ユニット２の他に電子伝達
系の蛋白質、酸化還元酵素等も混入した複雑な分子組成
の構造体である。直径60−100nm程度の小胞である為、
光合成反応ユニット２の機能を応用したデバイスを構成
する際、分子配向の制御が難しく、分子組成の制御も容
易ではないと考えられる。
系の蛋白質、酸化還元酵素等も混入した複雑な分子組成
の構造体である。直径60−100nm程度の小胞である為、
光合成反応ユニット２の機能を応用したデバイスを構成
する際、分子配向の制御が難しく、分子組成の制御も容
易ではないと考えられる。
光合成細菌は可視から近赤外の種々の波長の光を捕獲
し、巧みに光合成反応を営んでいる。その役目はアンテ
ナクロロフィルが果たしている。反応中心蛋白質複合体
４はアンテナクロロフィルを含む光捕獲蛋白質複合体５
を欠落した蛋白質複合体であり、特定の波長の光しか利
用できず、光エネルギの利用効率が低下する。また、反
応中心蛋白質複合体４の可溶化、精製にはラウリルジメ
チルアミンオキシド（LDAO）と呼ばれる界面活性剤が一
般に用いられるが、この試薬は高価である。
し、巧みに光合成反応を営んでいる。その役目はアンテ
ナクロロフィルが果たしている。反応中心蛋白質複合体
４はアンテナクロロフィルを含む光捕獲蛋白質複合体５
を欠落した蛋白質複合体であり、特定の波長の光しか利
用できず、光エネルギの利用効率が低下する。また、反
応中心蛋白質複合体４の可溶化、精製にはラウリルジメ
チルアミンオキシド（LDAO）と呼ばれる界面活性剤が一
般に用いられるが、この試薬は高価である。
以前、西等はロドスピリラム・ルブラム（rhodospirill
um rubrum,ATCC11170）の光合成反応ユニットをコール
酸ナトリウムとデオキシコール酸ナトリウムの混合物で
可溶化、精製したと報告している（J.BioChem.86,1211
−1224（1979））。しかし、メインの画分は光合成反応
ユニットの会合体であり、単分散状態の光合成反応ユニ
ットの収率は高いとは言えなかった． 会合体も光活性を有しているが，会合の様式や会合体の
大きさが不規則であると考えられる。光電変換素子に利
用するには単分散の光合成ユニットに比べ，分子配向の
制御が困難になるなどの問題がある。
um rubrum,ATCC11170）の光合成反応ユニットをコール
酸ナトリウムとデオキシコール酸ナトリウムの混合物で
可溶化、精製したと報告している（J.BioChem.86,1211
−1224（1979））。しかし、メインの画分は光合成反応
ユニットの会合体であり、単分散状態の光合成反応ユニ
ットの収率は高いとは言えなかった． 会合体も光活性を有しているが，会合の様式や会合体の
大きさが不規則であると考えられる。光電変換素子に利
用するには単分散の光合成ユニットに比べ，分子配向の
制御が困難になるなどの問題がある。
［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は今まで工業的に得られていない主として単分散
状態にあり，種々の波長の光を利用でき、余分な成分を
余り含まず、分子配向の制御の比較的容易な光合成反応
ユニットを得ようとするものである。
状態にあり，種々の波長の光を利用でき、余分な成分を
余り含まず、分子配向の制御の比較的容易な光合成反応
ユニットを得ようとするものである。
［問題点を解決するための手段］ 光合成反応ユニットを可溶化、精製する際、生理的塩濃
度に相当するイオン強度以上の塩の存在下で界面活性剤
を用いて紅色光合成細菌を処理する。
度に相当するイオン強度以上の塩の存在下で界面活性剤
を用いて紅色光合成細菌を処理する。
［作用］ 生理的塩濃度に相当するイオン強度以上の塩の存在下で
は，強イオン強度であり，そこで紅色光合成細菌のクロ
マトフォアを界面活性剤で処理すると光捕獲蛋白質複合
体が保持された光合成反応ユニットが主として単分散状
態で得られる。
は，強イオン強度であり，そこで紅色光合成細菌のクロ
マトフォアを界面活性剤で処理すると光捕獲蛋白質複合
体が保持された光合成反応ユニットが主として単分散状
態で得られる。
［実施例］ 紅色光合成細菌の一種であるロドシュードモナス・ビリ
ディス（rhodopseudomonas viridis,ATCC19567）に適用
した例を説明する。
ディス（rhodopseudomonas viridis,ATCC19567）に適用
した例を説明する。
ロドシュードモナス・ビリディスには第3A図に示すよう
なラメラ状の光合成器官８がある。この光合成器官は細
胞膜が陥入した脂質２重層に第3B図に示す光合成反応ユ
ニット蛋白質複合体９が規則正しく配列し、第3C図に示
す構造10を取っていると推定されている。脂質２重層に
光合成反応ユニットが埋め込まれている様子は第1B図に
示されているものである。第3B図に示す光合成反応ユニ
ットの中心にある円筒状のもの11は反応中心（reaction
center,RC）蛋白質複合体であり、それを取り囲む６個
の相同な構造体12が光捕獲蛋白質（light−harvesting
protein,LH）複合体である。第3D図にロドシュードモ
ナス・ビリディスの生菌の可視近赤外領域における光吸
収スペクトルを示す。
なラメラ状の光合成器官８がある。この光合成器官は細
胞膜が陥入した脂質２重層に第3B図に示す光合成反応ユ
ニット蛋白質複合体９が規則正しく配列し、第3C図に示
す構造10を取っていると推定されている。脂質２重層に
光合成反応ユニットが埋め込まれている様子は第1B図に
示されているものである。第3B図に示す光合成反応ユニ
ットの中心にある円筒状のもの11は反応中心（reaction
center,RC）蛋白質複合体であり、それを取り囲む６個
の相同な構造体12が光捕獲蛋白質（light−harvesting
protein,LH）複合体である。第3D図にロドシュードモ
ナス・ビリディスの生菌の可視近赤外領域における光吸
収スペクトルを示す。
菌体を超音波処理やフレンチプレスと呼ばれる手法で破
砕し、分画遠心分離や密度勾配遠心分離により分画する
ことで第1A図に示したクロマトフォアと呼ばれる光合成
膜断片の小胞化したものが得られる。
砕し、分画遠心分離や密度勾配遠心分離により分画する
ことで第1A図に示したクロマトフォアと呼ばれる光合成
膜断片の小胞化したものが得られる。
このクロマトフォアを終濃度５−75％トリトンＸ−100,
0.5−1.0モル（Ｍ）NaClを含むトリス−塩酸緩衝液（pH
8.0）に懸濁し、400、000xg,15分間の超遠心分離後、得
られる上澄みを可溶化画分として回収した。
0.5−1.0モル（Ｍ）NaClを含むトリス−塩酸緩衝液（pH
8.0）に懸濁し、400、000xg,15分間の超遠心分離後、得
られる上澄みを可溶化画分として回収した。
この租可溶化画分をスーパーロース （Pharmacia社
製）を用いた高速液体クロマトグラフにより分画した結
果を第４図に示す。この場合、溶出液にもトリトンＸ−
100とNaClが添加されている。サンプルを入れた後、20
分程度で溶出されるメインピーク成分の可視近赤外領域
のスペクトルを第５図に示す。このスペクトルは第3D図
に示したロドシュードモナス・ビリディスの生菌のスペ
クトルと酷似している。第４図の溶出位置から分子量40
0,000程度の蛋白質界面活性剤複合体が分画されている
と判断され、SDS−ポリアクリルアミドゲル電気泳動法
による分析ならびに酸化還元に伴うスペクトル変化等の
知見から光合成反応ユニットが活性を保持した単分散状
態で可溶化されていることが示唆された。このようにし
て得られた可溶化画分は第６図に示すような構造をとっ
て単分散していると推定される。
製）を用いた高速液体クロマトグラフにより分画した結
果を第４図に示す。この場合、溶出液にもトリトンＸ−
100とNaClが添加されている。サンプルを入れた後、20
分程度で溶出されるメインピーク成分の可視近赤外領域
のスペクトルを第５図に示す。このスペクトルは第3D図
に示したロドシュードモナス・ビリディスの生菌のスペ
クトルと酷似している。第４図の溶出位置から分子量40
0,000程度の蛋白質界面活性剤複合体が分画されている
と判断され、SDS−ポリアクリルアミドゲル電気泳動法
による分析ならびに酸化還元に伴うスペクトル変化等の
知見から光合成反応ユニットが活性を保持した単分散状
態で可溶化されていることが示唆された。このようにし
て得られた可溶化画分は第６図に示すような構造をとっ
て単分散していると推定される。
塩としてはNaClに限らず，陽イオンはK+,NH4+のように
１価のものであれば良く、陰イオンはさらに多価のもの
でも良い。と考えられる。細胞内液や体液，或いは培地
に含まれるイオンはほとんどが１価の陽陰イオンであ
り、150−200ミリモル程度の濃度である。これを生理的
塩濃度に相当するイオン強度と呼ぶ。
１価のものであれば良く、陰イオンはさらに多価のもの
でも良い。と考えられる。細胞内液や体液，或いは培地
に含まれるイオンはほとんどが１価の陽陰イオンであ
り、150−200ミリモル程度の濃度である。これを生理的
塩濃度に相当するイオン強度と呼ぶ。
これまで，ロドシュードモナス・ビリディスのクロマト
フォアをトリトンＸ−100で処理すると、ラウリルジメ
チルアミンオキシドで処理したと同様に、光捕獲蛋白質
複合体が欠損した反応中心蛋白質が得られると報告され
ていた。この原因は、可溶化溶液および分離液中の塩濃
度すなわちイオン強度が低かったためと思われる。光合
成ユニットを単離するのに有効な界面活性剤であれば，
高イオン強度下で可溶化および精製工程を行うことによ
り、使用する界面活性剤の濃度を低く押えられるか，光
合成反応ユニットの収率を上げることができる。
フォアをトリトンＸ−100で処理すると、ラウリルジメ
チルアミンオキシドで処理したと同様に、光捕獲蛋白質
複合体が欠損した反応中心蛋白質が得られると報告され
ていた。この原因は、可溶化溶液および分離液中の塩濃
度すなわちイオン強度が低かったためと思われる。光合
成ユニットを単離するのに有効な界面活性剤であれば，
高イオン強度下で可溶化および精製工程を行うことによ
り、使用する界面活性剤の濃度を低く押えられるか，光
合成反応ユニットの収率を上げることができる。
また，他の紅色光合成細菌であるロドバクタ・スフェロ
イデス（rhodobactor spheroides,ATCC17023）を用
い、高イオン強度下でデオキシコール酸ナトリウムで可
溶化した。すると単分散光合成反応ユニットの収率が改
善されることを確認した。
イデス（rhodobactor spheroides,ATCC17023）を用
い、高イオン強度下でデオキシコール酸ナトリウムで可
溶化した。すると単分散光合成反応ユニットの収率が改
善されることを確認した。
なお，界面活性剤としては，トリトンＸ等のイオン性界
面活性剤，デオキシコール酸ナトリウム等のステロイド
骨格をもつ界面活性剤,CHAPS等の両性界面活性剤，及び
イオン性界面活性剤等を用いることができる。ただ，イ
オン性界面活性剤を用いた場合は，共存させる塩濃度を
非イオン性界面活性剤の場合に比べ，低く抑える必要が
あろう。
面活性剤，デオキシコール酸ナトリウム等のステロイド
骨格をもつ界面活性剤,CHAPS等の両性界面活性剤，及び
イオン性界面活性剤等を用いることができる。ただ，イ
オン性界面活性剤を用いた場合は，共存させる塩濃度を
非イオン性界面活性剤の場合に比べ，低く抑える必要が
あろう。
光反応の基本過程は光エネルギが反応中心蛋白質に到達
し、そこで電子と正孔が生じる電荷分離を起こすことに
ある。光捕獲蛋白質複合体を保持した光合成反応ユニッ
トは光エネルギの利用効率を高める。
し、そこで電子と正孔が生じる電荷分離を起こすことに
ある。光捕獲蛋白質複合体を保持した光合成反応ユニッ
トは光エネルギの利用効率を高める。
上述の実施例で得られた単分散光合成反応ユニットは単
分散で制御性を優れるので規則的に配向配列させて光電
変換素子の特性を改善する事が期待される。
分散で制御性を優れるので規則的に配向配列させて光電
変換素子の特性を改善する事が期待される。
光合成反応ユニットを利用した光電変換素子の例を第７
図を参照して説明する。紅色光合成細菌を光照射下で培
養し，培養した紅色光合成細菌から上述の方法で単分散
状態の光合成反応ユニットを採取する。単分散状態の光
合成反応ユニットをスペーサ20を介して電極付き基板間
に封じる。基板上の電極21,23から端子25,26を引き出
す。ここで，電極の材料としてはインジウム錫酸化物
（ITO），酸化錫（NESAガラス），金属，半導体等があ
る。２つの電極は異なる仕事関数を有するのが好まし
い。このような光電変換素子に光を照射すると両電極間
に電気出力を発生した。
図を参照して説明する。紅色光合成細菌を光照射下で培
養し，培養した紅色光合成細菌から上述の方法で単分散
状態の光合成反応ユニットを採取する。単分散状態の光
合成反応ユニットをスペーサ20を介して電極付き基板間
に封じる。基板上の電極21,23から端子25,26を引き出
す。ここで，電極の材料としてはインジウム錫酸化物
（ITO），酸化錫（NESAガラス），金属，半導体等があ
る。２つの電極は異なる仕事関数を有するのが好まし
い。このような光電変換素子に光を照射すると両電極間
に電気出力を発生した。
単離した光合成ユニットのみを取り出し，配向させて乾
燥固化すればさらに効率の良い光電変換素子が得られよ
う。
燥固化すればさらに効率の良い光電変換素子が得られよ
う。
［発明の効果］ 単分散状態の可溶化光合成反応ユニットおよびそれを利
用した光電変換素子が得られる。
用した光電変換素子が得られる。
この光合成反応ユニットは生菌と酷似した光吸収スペク
トルを示し、反応中心蛋白質のみの場合に比べて、広い
領域の波長の光を利用できる。
トルを示し、反応中心蛋白質のみの場合に比べて、広い
領域の波長の光を利用できる。
さらに，この光合成反応ユニットは以下のような利点を
提供することもできる。
提供することもできる。
分子配向をさせる上で、小胞状のクロマトフォアに比
べ、制御性に優れる。
べ、制御性に優れる。
補欠分子、安定化剤等の添加が容易であり、種々の使用
目的に合わせて、分子組成を変えることができる。
目的に合わせて、分子組成を変えることができる。
第1A図はクロマトフォアの概略外観図、第1B図は第1A図
の部分拡大図、第２図は反応中心の概略説明図、第3A
図、第3B図、第3C図はロドシュードモナス・ビリディス
の概略外観図、その光合成反応ユニットの概略図，光合
成反応ユニットの配列の概略図，第3D図はロドシュード
モナス・ビリディス生菌の可視近赤外領域の光吸収スペ
クトル，第４図は液体クロマトグラフのスペクトル、第
５図は吸光度のスペクトル、第６図は本発明の実施例に
よって得られた反応中心の予想される概略図，第７図は
光電変換素子の概略断面図である。 符号の説明 ２……光合成反応ユニット ４……反応中心蛋白質複合体 ５……光捕獲蛋白質複合体 ６……界面活性剤分子 20……スペーサ 22……光合成反応ユニット層 21,23……電極
の部分拡大図、第２図は反応中心の概略説明図、第3A
図、第3B図、第3C図はロドシュードモナス・ビリディス
の概略外観図、その光合成反応ユニットの概略図，光合
成反応ユニットの配列の概略図，第3D図はロドシュード
モナス・ビリディス生菌の可視近赤外領域の光吸収スペ
クトル，第４図は液体クロマトグラフのスペクトル、第
５図は吸光度のスペクトル、第６図は本発明の実施例に
よって得られた反応中心の予想される概略図，第７図は
光電変換素子の概略断面図である。 符号の説明 ２……光合成反応ユニット ４……反応中心蛋白質複合体 ５……光捕獲蛋白質複合体 ６……界面活性剤分子 20……スペーサ 22……光合成反応ユニット層 21,23……電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 31/08 51/10 //(Ｃ１２Ｎ 1/06 Ｃ１２Ｒ 1:01） (72)発明者 豊玉 秀樹 茨城県つくば市東光台５丁目９番地の５ スタンレー電気株式会社筑波研究所内 (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 三宅 淳 茨城県つくば市東１丁目１番３ 工業技術 院微生物工業技術研究所内 (72)発明者 原 正之 茨城県つくば市東１丁目１番３ 工業技術 院微生物工業技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭64−110224（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】生理的塩濃度に相当するイオン強度以上の
塩の存在下で紅色光合成細菌を界面活性剤で処理するこ
とを特徴とする光合成反応ユニットを可溶化精製する方
法。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の方法で得られ
た光合成反応ユニットを利用したことを特徴とする光電
変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63056235A JPH078233B2 (ja) | 1988-03-11 | 1988-03-11 | 光合成反応ユニット可溶化精製と利用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63056235A JPH078233B2 (ja) | 1988-03-11 | 1988-03-11 | 光合成反応ユニット可溶化精製と利用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01231886A JPH01231886A (ja) | 1989-09-18 |
| JPH078233B2 true JPH078233B2 (ja) | 1995-02-01 |
Family
ID=13021441
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63056235A Expired - Lifetime JPH078233B2 (ja) | 1988-03-11 | 1988-03-11 | 光合成反応ユニット可溶化精製と利用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH078233B2 (ja) |
-
1988
- 1988-03-11 JP JP63056235A patent/JPH078233B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01231886A (ja) | 1989-09-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |