JPH08196284A - Enzyme reaction element and method for producing the same, enzyme reactor and enzyme reaction method - Google Patents

Enzyme reaction element and method for producing the same, enzyme reactor and enzyme reaction method

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JPH08196284A
JPH08196284A JP638295A JP638295A JPH08196284A JP H08196284 A JPH08196284 A JP H08196284A JP 638295 A JP638295 A JP 638295A JP 638295 A JP638295 A JP 638295A JP H08196284 A JPH08196284 A JP H08196284A
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JP
Japan
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energy
enzyme
donor
reaction
energy donor
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JP638295A
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Japanese (ja)
Inventor
Masanori Sakuranaga
昌徳 桜永
Yasuko Tomita
康子 富田
Junji Oyama
淳史 大山
Takeshi Nomoto
毅 野本
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 (1)2つの異なる酵素の共役反応を実現す
る酵素固定素子、(2)物理的エネルギーを利用してエ
ネルギー供与体の再生を行って酵素反応を同時連続的に
行なわせる素子および反応器、さらに(3)再生のため
の原料となる高エネルギーリン酸供与体を必要としない
簡便な酵素反応方法を提供する。 【構成】 異なる酵素(エネルギー供与体合成酵素およ
びエネルギー供与体利用酵素)を固定した2種のプロテ
オリポソームを融合させて得た酵素反応素子あるいはそ
れらのいずれかの酵素の固定された2種の素子が分散さ
れ、リン酸供与体、エネルギー供与体前駆体ならびに基
質の含まれた液媒体の入った反応器に、電気的エネルギ
ー、光エネルギーなどの物理的エネルギーを印加してin
situで連続的に酵素反応を行わせる。
(57) [Abstract] [Purpose] (1) Enzyme immobilization element that realizes coupled reaction of two different enzymes, (2) Regeneration of energy donor by utilizing physical energy, and simultaneous continuous enzymatic reaction (3) A simple enzymatic reaction method that does not require a high-energy phosphate donor as a raw material for regeneration. [Structure] Enzyme reaction element obtained by fusing two kinds of proteoliposomes having different enzymes (energy donor synthase and energy donor utilizing enzyme) immobilized thereto, or two elements having one of these enzymes immobilized By dispersing physical energy such as electrical energy or light energy into a reactor containing a liquid medium containing a phosphoric acid donor, an energy donor precursor and a substrate.
Enzyme reaction is performed continuously in situ.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、複数の蛋白質を保持し
た脂質2分子膜を利用して複数の反応を同一系内で行な
う酵素反応に関するもので、特に、高エネルギーリン酸
供与体を再生しながら行なう酵素反応に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an enzymatic reaction in which a plurality of reactions are carried out in the same system by utilizing a lipid bilayer membrane holding a plurality of proteins, and in particular, a high energy phosphate donor is regenerated. The enzyme reaction to be carried out while.

【0002】[0002]

【従来の技術】酵素を用いた生合成反応は、酵素、基質
以外にアデノシン−5’−三リン酸(ATP)のような
高エネルギーリン酸化合物もしくはNAD(P)やNA
D(P)Hなどの補酵素を必要とする。その際、これら
補酵素は一般に高価であることから、実用的な生合成反
応系を構築するには、使用済みの補酵素の再生が不可欠
と考えられてきた。そこで、生合成反応より生化学物質
を安価に合成するためには、主合成反応と、補酵素再生
反応の両者を効率よく実施することのできる反応方法お
よび反応器が望まれている。
2. Description of the Related Art In addition to enzymes and substrates, biosynthesis reactions using enzymes involve high energy phosphate compounds such as adenosine-5'-triphosphate (ATP) or NAD (P) or NA.
Requires a coenzyme such as D (P) H. At that time, since these coenzymes are generally expensive, it has been considered necessary to regenerate the used coenzyme in order to construct a practical biosynthesis reaction system. Therefore, in order to synthesize a biochemical substance at a lower cost than a biosynthesis reaction, a reaction method and a reactor capable of efficiently performing both the main synthesis reaction and the coenzyme regeneration reaction are desired.

【0003】ATPを利用して合成反応を行ない生成さ
れる生化学物質としては、CDP−コリン(苅谷ら;発
酵工学,53,278,1975)、グラミシジン(St
ramondoら;AIChE Symp. Ser 74 No.172, 1, 1976/7
7)、グルコース−6−リン酸(Pollokら;J. Am. Che
m. Soc., 99, 2366, 1977)、グルタチオン(Murata
ら;Enzyme Microbio Tech, 3, 233, 1981)、NADP
(Miyawakiら;Agrio. Biol.Chem. 46, 2725, 1982)な
どを挙げることができる。もちろん、ATPの利用がこ
れらの物質の合成反応にとどまるものではなく、むしろ
ほとんどの合成反応がATP等を要求し、しかもその反
応過程が複数段よりなるのが一般的である。こうした多
段の合成反応には、動植物細胞や菌体を用いたリアクタ
ーを利用するのが現状である。
Biochemical substances produced by carrying out a synthetic reaction using ATP include CDP-choline (Kariya et al .; Fermentation Engineering, 53, 278, 1975) and gramicidin (St.
ramondo et al .; AIChE Symp. Ser 74 No.172, 1, 1976/7
7), glucose-6-phosphate (Pollok et al; J. Am. Che
m. Soc., 99, 2366, 1977), glutathione (Murata)
Enzyme Microbio Tech, 3, 233, 1981), NADP
(Miyawaki et al .; Agrio. Biol. Chem. 46, 2725, 1982). Of course, the use of ATP is not limited to the synthetic reaction of these substances, but most synthetic reactions generally require ATP and the like, and the reaction process is generally composed of multiple steps. The present situation is to use a reactor using animal and plant cells or cells for such multi-step synthetic reaction.

【0004】しかし、細胞や菌体の操作は煩雑であり、
品質の画一性および制御性に欠ける等の欠点がある。従
って、ATPの再生と連続する合成反応の簡便で小型化
できる方法を開発することは、単に一段の合成反応ばか
りでなく、多段の酵素による合成反応を工業的に利用し
ていく上で期待の大きいものである。さらに、このよう
な期待は、合成反応に限られるのものではなく、リン酸
化反応や分解反応の利用においても同様である。
However, the manipulation of cells and cells is complicated,
There are drawbacks such as lack of uniformity and controllability of quality. Therefore, it is expected to develop not only a single-step synthetic reaction but also a multi-step enzymatic synthetic reaction industrially, in order to develop a simple and compact method for the synthetic reaction that is continuous with ATP regeneration. It's a big one. Furthermore, such expectations are not limited to synthetic reactions, but also to utilization of phosphorylation reactions and decomposition reactions.

【0005】ATPを再生しながら合成反応を行なわせ
る方法としては、再生反応と合成反応を別々の反応容器
で行なわせる分離再生方式が最も代表的である。この場
合、ATP再生方法を最適化することが重要となる。現
在のところ、種々提案されているATP再生法の中で、
再生部分を単独に考えると、酵素法が有利と考えられて
おり、特にADPからATPへの変換の反応にはアセテ
ートキナーゼ、リン酸供与体としてはアセチルリン酸が
有力と考えられている(Langerら;AIChE J.,22, 1079,
1976)。好熱菌からアデニレートキナーゼおよびアセ
テートキナーゼを抽出し、分離再生方法の安定なATP
再生系を構築した例もある(Kondoら;J. Appl. Bioche
m., 6, 29-38, 1984)。
The most typical method for carrying out the synthesis reaction while regenerating ATP is a separation and regeneration system in which the regeneration reaction and the synthesis reaction are carried out in separate reaction vessels. In this case, it is important to optimize the ATP reproduction method. At present, among various proposed ATP regeneration methods,
Considering the regenerated portion alone, the enzymatic method is considered to be advantageous, and particularly acetate kinase is considered to be the most effective reaction for the conversion of ADP to ATP, and acetyl phosphate is considered to be the most effective phosphate donor (Langer). AIChE J., 22, 1079, et al.
1976). Stable ATP of separation and regeneration method by extracting adenylate kinase and acetate kinase from thermophile
There is also an example of constructing a regeneration system (Kondo et al .; J. Appl. Bioche
m., 6, 29-38, 1984).

【0006】一方、分離再生方式の他に補酵素の再生と
それに続く合成反応を同時に行なわせる連続in situ方
式が提唱されてきた(Finkら;Biotech. Bioeng. 17, 1
029,1975)。この方式は、動的再生系であり、(1)合
成反応に必要なATP量が微量でも使用でき、ATPの
利用効率が高く、反応槽を小型化できること、(2)再
生系と合成系の条件設定が容易なため反応の平衡を所望
方向へシフトできるなど、融通性および多様性が高いこ
と、(3)さらに中間産物であるATPの液送および分
離等を省略することができ、装置の簡略化が図れるな
ど、工業的利用には分離再生方式より利点が多いと期待
されている。しかし、それが検討された例は少なく、N
ADに関してはその再生とホローファイバーに固定した
デヒドロゲナーゼの共役反応(Miyawakiら;J. Chem. E
ng. Jap., 15, 224-228, 1982)、またATPに関して
は、アセトキナーゼによる再生とグルコキナーゼによる
グルコース−6−リン酸の合成(Ishikawaら;MEMBRAN
E, Vol.14, 186-195, 1987)をホローファイバー型反応
器で行なわせた例などにとどまっている。
On the other hand, in addition to the separation and regeneration system, a continuous in situ system in which regeneration of coenzyme and subsequent synthetic reaction are simultaneously carried out has been proposed (Fink et al .; Biotech. Bioeng. 17, 1).
029,1975). This method is a dynamic regeneration system. (1) ATP amount required for the synthesis reaction can be used even in a small amount, the utilization efficiency of ATP is high, and the reaction tank can be downsized. (2) The regeneration system and the synthesis system Since the conditions can be set easily, the equilibrium of the reaction can be shifted to a desired direction, and the flexibility and variety are high. (3) Further, the liquid transfer and separation of ATP, which is an intermediate product, can be omitted. It is expected to have more advantages than the separation and regeneration method for industrial use, such as simplification. However, there were few cases where it was examined, and N
Regarding AD, the regeneration and the coupling reaction of dehydrogenase immobilized on hollow fiber (Miyawaki et al .; J. Chem. E.
ng. Jap., 15, 224-228, 1982), and regarding ATP, regeneration by acetokinase and synthesis of glucose-6-phosphate by glucokinase (Ishikawa et al .; MEMBRAN
E, Vol.14, 186-195, 1987) is only an example in which a hollow fiber reactor is used.

【0007】ATP再生に関しては、そのエネルギー源
を有機物とせずに、電気的エネルギーや物理的エネルギ
ーとする方法の提案がなされてきている。例えば、光リ
ン酸化系は、光合成生物による明反応過程の一部として
光化学反応および電子伝達系と連動して光エネルギーに
よるATP生成を行なうことができる。光合成のこの反
応は効率が高いとされており、エネルギーを太陽光に求
めることが期待される。光リン酸化の試みとしては、Rh
odospirillumあるいはRhodopseudomonasなどのクロマト
フォアや好熱性藍藻を利用することが提案されている
(Yangら:Biotechnol. Bioeng., 18, 1413, 1425, 197
6; Paul and Vignais: Enzyme Microb. Technol., 2, 2
81, 1980; Gardeら: Eur. J. Appl. Microbiol. Biotec
hnol., 11,133, 1981; Sawaら: Agr. Biol. Chem. 44,
1967, 1980)。さらに、クロマトフォア等のオルガネラ
や細胞自体のサンプルを利用するだけでなく、ミトコン
ドリアあるいは好熱菌のATP合成酵素とその駆動源で
あるプロトン輸送蛋白質バクテリオロドプシンを再構成
して光リン酸化を実証した例が知られており(J. Biol.
Chem., 49, 1974; J. Biochem., 82, 1977)、このよ
うな酵素を用いたATP再生リアクターの構築も開示さ
れている(特開昭61−124384)。また、電気的
再生法にセラミクスや鉄触媒を用いた簡便なATP生成
法が報告されている(特開昭64−39390)。
With respect to ATP regeneration, there has been proposed a method in which electric energy or physical energy is used as the energy source instead of an organic substance. For example, the photophosphorylation system can perform ATP generation by light energy in cooperation with a photochemical reaction and an electron transfer system as a part of a light reaction process by a photosynthetic organism. This reaction of photosynthesis is said to be highly efficient, and it is expected that sunlight will be used for energy. As an attempt of photophosphorylation, Rh
Utilization of chromatophores such as odospirillum or Rhodopseudomonas and thermophilic cyanobacteria has been proposed (Yang et al .: Biotechnol. Bioeng., 18, 1413, 1425, 197).
6; Paul and Vignais: Enzyme Microb. Technol., 2, 2
81, 1980; Garde et al .: Eur. J. Appl. Microbiol. Biotec
hnol., 11,133, 1981; Sawa et al .: Agr. Biol. Chem. 44,
1967, 1980). Furthermore, not only using organelles such as chromatophores or samples of cells themselves, but also reconstituted mitochondrial or thermophilic ATP synthase and the proton transfer protein bacteriorhodopsin that is the driving source, and demonstrated photophosphorylation. Examples are known (J. Biol.
Chem., 49, 1974; J. Biochem., 82, 1977), and the construction of an ATP regeneration reactor using such an enzyme is also disclosed (JP-A-61-124384). Also, a simple ATP production method using ceramics or an iron catalyst for the electrical regeneration method has been reported (Japanese Patent Laid-Open No. 39390/1989).

【0008】特に、上記特開昭61−124384で用
いられているような、脂質2分子膜上へ酵素を固定した
酵素反応素子を利用する手法が注目されている。
[0008] In particular, attention has been paid to a method of using an enzyme reaction element in which an enzyme is immobilized on a lipid bilayer membrane, as used in JP-A-61-124384.

【0009】生体膜が脂質2分子膜を基本構造として、
その膜内あるいは膜面上に各種の蛋白質を混在させるこ
とにより、多種多様な機能を果たしていることはよく知
られている。リポソームは、生体膜と同様な基本構造を
有し、閉鎖小胞内外の隔壁を提供することから、マイク
ロカプセルとしての利用が考えられ、近年その研究が活
発に行なわれている。例えば、薬剤等を小胞内に固定も
しくは貯蔵するようにしたものから、生理活性物質やD
NAのような物質を小胞内に包封して薬物を移送させ、
生体内や特定の細胞のような標的部位において薬物を徐
放するような利用が多く見られる。近年はまた、小胞内
にマーカーを封入した小胞膜に抗体あるいは抗原を組み
込み、標的抗体との結合で小胞を破壊させ、マーカーを
放出するようにした免疫検出試薬も種々考案されてい
る。
The biological membrane has a lipid bilayer membrane as a basic structure,
It is well known that various proteins are fulfilled by mixing various proteins in the membrane or on the membrane surface. Since liposomes have a basic structure similar to that of biological membranes and provide partitions inside and outside closed vesicles, they are considered to be used as microcapsules, and their research has been actively conducted in recent years. For example, from a drug or the like that is fixed or stored in a vesicle to a physiologically active substance or D
Encapsulating a substance like NA in the vesicles to transfer the drug,
There are many uses such as sustained release of a drug in a target site such as a living body or a specific cell. In recent years, various immunodetection reagents have been devised in which an antibody or an antigen is incorporated into a vesicle membrane in which a marker is encapsulated in a vesicle, and the vesicle is destroyed by binding with a target antibody to release the marker. .

【0010】リポソームの脂質2分子膜中に蛋白質が組
み込まれているものは、プロテオリポソームと呼ばれて
いる。このプロテオリポソームは生体における主要な機
能性物質である蛋白質を含むため、単に生体膜研究の対
象となるだけでなく、多種多様な特性を付与することが
できる。特に、生体の細胞膜や細胞内小器官の膜等に存
在する膜蛋白質は、エネルギー産生、物質合成、物質認
識等の様々な代謝過程で重要な役割を果たしており、そ
のような膜蛋白質を組み込んだプロテオリポソームは生
体中の高度機能を人工的に再現させて利用する人工細胞
素子に道を開くものと期待されている。
A protein in which a protein is incorporated in the lipid bilayer of a liposome is called a proteoliposome. Since this proteoliposome contains a protein, which is a major functional substance in the living body, it is not only an object of biomembrane research, but can be given various properties. In particular, the membrane proteins present in the cell membranes of living organisms and the membranes of subcellular organelles play an important role in various metabolic processes such as energy production, substance synthesis and substance recognition. Proteoliposomes are expected to open the way to artificial cell devices that artificially reproduce and use advanced functions in the living body.

【0011】プロテオリポソームの製法には種々の方法
が考案されており、それぞれの使用目的や蛋白質の種類
などに応じて使い分けられている。主なものとしては、
透析法、超音波処理法、凍結融解法などを挙げることが
できる。
Various methods have been devised for the production of proteoliposomes, and they are used depending on the purpose of use and the type of protein. The main ones are
The dialysis method, ultrasonic treatment method, freeze-thaw method and the like can be mentioned.

【0012】透析法は、蛋白質を脂質とともに界面活性
剤を用いて可溶化した後に、透析して界面活性剤を除去
するもので、直径100nm以下の小さなプロテオリポ
ソームが生成する。また、超音波処理法は、蛋白質を脂
質リポソームとともに超音波処理するもので、やはり直
径100nm以下の小さなプロテオリポソームが生成す
る。さらに、凍結融解法は、蛋白質とリポソームの混合
液の凍結・融解を繰り返して蛋白質を脂質膜に組に込む
方法であり、直径が数100nmの比較的大きなプロテ
オリポソームが生成する。
In the dialysis method, a protein is solubilized with a lipid using a surfactant and then dialyzed to remove the surfactant, and small proteoliposomes having a diameter of 100 nm or less are produced. In the ultrasonic treatment method, a protein is ultrasonically treated together with a lipid liposome, which also produces small proteoliposomes having a diameter of 100 nm or less. Further, the freeze-thaw method is a method in which a mixed solution of a protein and a liposome is repeatedly frozen and thawed to incorporate the protein into a lipid membrane, and a relatively large proteoliposome having a diameter of several 100 nm is produced.

【0013】また、リポソーム表面に酵素を固定する方
法として、吸着法、共存超音波法および共有結合法など
が提案されてきており、目的に応じて利用されている。
Further, as a method for immobilizing the enzyme on the liposome surface, an adsorption method, a coexisting ultrasonic wave method, a covalent bond method and the like have been proposed and used according to the purpose.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】ATPなどの高エネル
ギーリン酸化合物の再生と共役させて酵素反応を行わせ
る系を実用化していくには、系全体をより単純化して反
応効率を高めていくことが必要である。中でも、連続in
situ方式は反応効率上の利点があるにもかかわらず、
従来法ではATP再生が、同じく高エネルギーリン酸化
合物であるアセチルリン酸をリン酸供与体として用いる
ものであった。このような系では、高価なアセチルリン
酸が消費されるだけでなく、連続反応を達成するにはア
セチルリン酸の補給系を反応槽に設ける必要があり、装
置簡略化の面からは好ましくない。また、アセチルリン
酸およびその分解産物である酢酸存在下で酵素反応を行
なわなければならないため、利用できる酵素反応に制限
が生じること、および生成物の分離工程が複雑となるな
どの短所がある。
[Problems to be Solved by the Invention] In order to put into practical use a system in which an enzymatic reaction is carried out in conjugation with the regeneration of a high-energy phosphate compound such as ATP, the whole system is simplified and the reaction efficiency is increased. It is necessary. Above all, in continuous
Although the situ method has the advantage of reaction efficiency,
In the conventional method, ATP regeneration uses acetyl phosphate, which is also a high-energy phosphate compound, as a phosphate donor. In such a system, not only expensive acetylphosphoric acid is consumed, but also an acetylphosphoric acid replenishment system needs to be provided in the reaction tank in order to achieve a continuous reaction, which is not preferable in terms of simplification of the apparatus. . In addition, since the enzymatic reaction must be carried out in the presence of acetylphosphoric acid and its decomposition product, acetic acid, there are disadvantages such that the available enzymatic reaction is limited and the product separation step is complicated.

【0015】また、上記の脂質2分子膜の利用について
もプロテオリポソームの調製法が種々検討されている
が、それらの調製法は、組み込む蛋白質として膜蛋白質
のような膜内在型の蛋白質を想定したもので、通常蛋白
質になんらの修飾を施さなくとも組み込める方法となっ
ている。従って、このプロテオリポソームに膜蛋白質と
は別に、水溶性の酵素を付加させて共役的に酵素反応を
行わせようとすると、膜蛋白質の組み込みとは別の工程
で水溶性蛋白質をリポソームに固定する必要が生じる。
Various methods for preparing proteoliposomes have been investigated for the use of the above-mentioned lipid bilayer membrane. In these methods, an integral membrane type protein such as a membrane protein was assumed as a protein to be incorporated. However, it is a method that can usually be incorporated without any modification to the protein. Therefore, when a water-soluble enzyme is added to the proteoliposome separately from the membrane protein to attempt an enzymatic reaction in a coupled manner, the water-soluble protein is immobilized on the liposome in a step different from the incorporation of the membrane protein. The need arises.

【0016】現在のところ、膜蛋白質のリポソームへの
組み込みと水溶性蛋白質の脂質への固定を同時に達成す
る方法は知られていない。水溶性の蛋白質をリポソーム
表面に固定する最も安定な方法は共有結合法であるが、
この方法は脂質親水基の活性化あるいは蛋白質の官能基
と脂質官能基間の結合を形成しなければならず、この処
理に先立って組み込まれた膜蛋白質の失活の原因とな
り、好ましくない。
At present, there is no known method for simultaneously incorporating a membrane protein into a liposome and immobilizing a water-soluble protein on a lipid. The most stable method for immobilizing a water-soluble protein on the liposome surface is the covalent method,
This method is not preferable because it requires activation of hydrophilic groups of lipids or formation of bonds between functional groups of proteins and lipid functional groups, which causes inactivation of membrane proteins incorporated prior to this treatment.

【0017】このような問題から、酵素の多段反応系の
実現に期待が持たれているにも拘らず、膜蛋白質および
その蛋白質と共役反応を行う水溶性の蛋白質を同一の脂
質カプセルに固定した反応素子は実現されていない。
Due to these problems, membrane proteins and water-soluble proteins that undergo a conjugation reaction with the proteins were immobilized in the same lipid capsule, despite the promise of realizing a multi-step reaction system of enzymes. No reactive element has been realized.

【0018】そこで本発明の目的は、膜蛋白質と水溶性
の蛋白質の2種の酵素を固定したリポソームにより2つ
の異なる酵素の共役反応を実現する酵素固定素子を提供
し、さらに、エネルギー供与体とその脱リン酸体を駆動
源とする酵素反応において、消費されるエネルギー供与
体の再生を物理的エネルギーをエネルギー源として同時
連続的に行なわせることにより、再生のための原料とな
る高エネルギーリン酸供与体を必要としない簡便な酵素
反応方法、反応器および反応素子を提供することにあ
る。
Therefore, an object of the present invention is to provide an enzyme immobilization element which realizes a coupling reaction of two different enzymes by means of liposomes immobilizing two enzymes of a membrane protein and a water-soluble protein. In the enzymatic reaction that uses the dephosphorylated form as a driving source, the energy donor consumed is regenerated at the same time by using physical energy as an energy source, so that high-energy phosphoric acid that is a raw material for regeneration An object of the present invention is to provide a simple enzymatic reaction method, reactor and reaction element that do not require a donor.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】本発明は、(1)脂質と
第一の蛋白質から成るプロテオリポソームと、表面に第
二の蛋白質を固定したリポソームとを融合することを特
徴とする酵素反応素子の製造方法およびその方法で製造
される酵素反応素子、特に、表面が親水性で内部が疎水
性の膜からなるマイクロカプセルであって、第一の蛋白
質分子の一部が該膜内部の疎水部に埋め込まれて担持さ
れ、第二の蛋白質分子が該膜の親水性表面に固定されて
いる酵素反応素子、とりわけ、物理的エネルギーで生じ
るイオン濃度勾配を利用してエネルギー供与体前駆体と
リン酸供与体からエネルギー供与体を生成するエネルギ
ー供与体合成酵素および該エネルギー供与体の脱リン酸
化を行なうエネルギー供与体利用酵素が同一膜上に保持
されている酵素反応素子、ならびに(2)リン酸供与
体、エネルギー供与体前駆体、該物理的エネルギーで生
じるイオン濃度勾配を利用して該エネルギー供与体前駆
体と該リン酸供与体からエネルギー供与体を生成するエ
ネルギー供与体合成酵素および該エネルギー供与体の脱
リン酸化を行なうエネルギー供与体利用酵素を含む液媒
体と物理的エネルギーの印加手段とを有して成ることを
特徴とする酵素反応器、およびその酵素反応器を用い、
物理的エネルギー印加手段から物理的エネルギーを印加
して液媒体にイオン濃度勾配を生ぜしめ、エネルギー供
与体合成酵素によるエネルギー供与体合成の反応、およ
びエネルギー供与体利用酵素により該エネルギー供与体
から得られるエネルギーを利用する系内に存在する基質
の反応を連続的に進行させる酵素反応方法を提供する。
MEANS FOR SOLVING THE PROBLEMS The present invention comprises: (1) fusion of a proteoliposome comprising a lipid and a first protein with a liposome having a second protein immobilized on the surface thereof. And an enzyme reaction element produced by the method, particularly a microcapsule comprising a hydrophilic membrane on the surface and a hydrophobic membrane on the inside, wherein a part of the first protein molecule is a hydrophobic part inside the membrane. Enzyme reaction element in which a second protein molecule is embedded in and supported on a hydrophilic surface of the membrane, in particular, an energy donor precursor and a phosphate are utilized by utilizing an ion concentration gradient generated by physical energy. An enzyme reaction in which an energy donor synthase that produces an energy donor from a donor and an energy donor-utilizing enzyme that performs dephosphorylation of the energy donor are held on the same membrane Device, and (2) Phosphoric acid donor, energy donor precursor, and energy for generating an energy donor from the energy donor precursor and the phosphoric acid donor by utilizing an ion concentration gradient generated by the physical energy An enzyme reactor comprising a liquid medium containing a donor synthase and an energy donor-utilizing enzyme for dephosphorylating the energy donor, and a means for applying physical energy, and the enzyme reaction thereof. Using a vessel
Physical energy is applied from a physical energy applying means to generate an ion concentration gradient in a liquid medium, and a reaction of energy donor synthesis by an energy donor synthase, and an energy donor utilizing enzyme are used to obtain the energy donor. Provided is an enzymatic reaction method for continuously advancing a reaction of a substrate existing in a system utilizing energy.

【0020】本発明の酵素反応素子製造方法で製造され
る酵素反応素子の構成は例えば図4のようなものであ
る。図中、53は表面が親水性で内部が疎水性である膜
を示し、この膜に膜内の疎水部に一部分を埋め込まれた
蛋白質51と、これとは別の第二の蛋白質52が膜53
の表面親水部に固定されている。
The structure of the enzyme reaction element manufactured by the method for manufacturing an enzyme reaction element of the present invention is, for example, as shown in FIG. In the figure, reference numeral 53 denotes a membrane having a hydrophilic surface and a hydrophobic interior, in which a protein 51 in which a part is embedded in the hydrophobic part of the membrane and a second protein 52 other than this are membranes. 53
Is fixed to the hydrophilic part of the surface.

【0021】図では素子の形状として球面形状の一部と
して示されているが、特に球形である必要はなく、閉鎖
形状のマイクロカプセルであればよい。
In the drawing, the shape of the element is shown as a part of a spherical shape, but it is not particularly required to be spherical, and a closed microcapsule may be used.

【0022】担持させる2種の蛋白質は、一方が膜内在
性の蛋白質で他方が水溶性であり、両蛋白質の反応が共
役しているものであれば特に制限はなく、そのような構
造の素子は、特に内外のイオン濃度差によってATP合
成活性を示すATP合成酵素とATP要求性の反応をす
る酵素の組み合わせには好適である。
The two kinds of proteins to be carried are not particularly limited as long as one of them is an integral membrane protein and the other is water-soluble, and the reaction of both proteins is coupled, and an element having such a structure is used. Is particularly suitable for a combination of an ATP synthase that exhibits an ATP synthesizing activity depending on the difference in internal and external ion concentrations and an enzyme that reacts with an ATP requirement.

【0023】合成酵素の作用は、一般に適当なエネルギ
ー供与体の脱エネルギー過程をエネルギー源として起こ
っている。このようなエネルギー供与体として、最も代
表的なものがATPである。本発明は、このようなエネ
ルギー供与体の再生を、無機リン酸(Pi)をリン酸供
与体として外部物理的エネルギーを使って行なわせ(前
段反応)、それによって再生されたエネルギー供与体を
利用する酵素系の作用(後段反応)を同一の反応器内で
同時連続的に進行させる酵素反応器、および反応素子を
提供するものである。
The action of the synthase generally takes place by the energy source of the deenergization process of a suitable energy donor. The most typical example of such an energy donor is ATP. In the present invention, the regeneration of such an energy donor is carried out by using an inorganic phosphoric acid (Pi) as a phosphoric acid donor by using external physical energy (preliminary reaction), and the energy donor thus regenerated is utilized. The present invention provides an enzyme reactor and a reaction element for simultaneously and continuously advancing the action of an enzyme system (second-stage reaction) in the same reactor.

【0024】本発明の酵素反応方法の流れを図示する
と、図1のように表わすことができる。この図をもとに
酵素反応方法を説明すると、次のようである。物理エネ
ルギー印加手段1はエネルギー供与体合成酵素2を活性
化する。活性化された2はエネルギー供与体前駆体(化
合物B)をリン酸化しエネルギー供与体Aに変換する。
エネルキー供与体Aは拡散により移動し、エネルギー供
与体利用酵素3に到達し、これを活性化する。活性化さ
れた酵素3はエネルギー供与体Aの脱リン酸化により化
合物Bを生成すると同時に基質aを生成物bに変換す
る。以上の反応は、実質的に同時連続的に進行するもの
である。
The flow chart of the enzymatic reaction method of the present invention can be represented as shown in FIG. The enzymatic reaction method will be described based on this figure as follows. The physical energy applying means 1 activates the energy donor synthase 2. Activated 2 phosphorylates the energy donor precursor (compound B) and converts it to energy donor A.
The energy donor A moves by diffusion, reaches the energy donor utilizing enzyme 3, and activates it. The activated enzyme 3 produces the compound B by dephosphorylation of the energy donor A and at the same time converts the substrate a into the product b. The above reactions proceed substantially continuously at the same time.

【0025】以上の反応がどのような機構で達成される
かを以下に記す。まず、本発明で言うところの反応素子
とは、図2に示すように、エネルギー供与体合成酵素1
1あるいは21とエネルギー供与体利用酵素12あるい
は22がイオン透過性の膜13あるいは23に担持され
ている構成となっているものである。図では素子の形状
として平面形状の例(1)と球面形状の例(2)の2つ
を断面で示しているが、形状は特にそれらに限定される
ものではない。
The mechanism by which the above reaction is achieved is described below. First, as used in the present invention, the reaction element means an energy donor synthase 1 as shown in FIG.
1 or 21 and the energy donor utilizing enzyme 12 or 22 are supported on the ion permeable membrane 13 or 23. In the drawing, two examples of the shape of the element, that is, the planar shape (1) and the spherical shape (2) are shown in cross section, but the shape is not particularly limited thereto.

【0026】次に、エネルギー供与体合成酵素11ある
いは21について説明する。本発明の第一の要件となっ
ている前段反応は、高エネルギーリン酸化合物をリン酸
供与体として用いずに、無機リン酸(Pi)をリン酸供
与体とすることにより、電気あるいは可視光のような外
部物理エネルギーを印加することで下記式のATP再生
反応を行なわせようとするものである。
Next, the energy donor synthase 11 or 21 will be described. The first step reaction, which is the first requirement of the present invention, is to use an inorganic phosphoric acid (Pi) as a phosphoric acid donor without using a high-energy phosphoric acid compound as a phosphoric acid donor, thereby producing electricity or visible light. By applying such external physical energy as described above, the ATP regeneration reaction represented by the following formula is performed.

【0027】[0027]

【化1】ADP+Pi+E → ATP 前段反応は、イオン透過と共役してATP合成活性を示
すATP合成酵素を用いることにより実現することがで
きる。図3は、本発明の酵素反応素子をより具体的に例
示したものであり、この図において、ATP(エネルギ
ー供与体)合成酵素は31あるいは41aで示されてい
る。
## STR00001 ## ADP + Pi + E → ATP The first-step reaction can be realized by using an ATP synthase that exhibits an ATP synthesizing activity in association with ion permeation. FIG. 3 more specifically illustrates the enzyme reaction element of the present invention. In this figure, the ATP (energy donor) synthase is indicated by 31 or 41a.

【0028】ATP合成酵素の例としては、一価陽イオ
ンに関わるものとして、H+-ATPase、Na+-ATPaseなどが
挙げられるが、これらに限定されず、二価陽イオンに関
わるもの、あるいは例えばCl-のような陰イオンに関
わるものでもよい。簡便なものとしては、プロトン濃度
勾配を外部物理的エネルギーで制御することによって生
じる自由エネルギーにてADPのリン酸化をすることの
できるH+-ATP合成酵素がある。この酵素は、ミトコンド
リア、クロロプラスト、光合成細菌等から容易に抽出精
製することができる。
Examples of the ATP synthase include H + -ATPase, Na + -ATPase, and the like as those related to monovalent cations, but are not limited to these, and those related to divalent cations, or For example, it may be related to an anion such as Cl . A simple one is H + -ATP synthase that can phosphorylate ADP with free energy generated by controlling the proton concentration gradient with external physical energy. This enzyme can be easily extracted and purified from mitochondria, chloroplasts, photosynthetic bacteria and the like.

【0029】図3(1)の反応素子は、入力源を電気的
エネルギーにする場合のもので、その場合、駆動したい
イオン種に応じて、後述するイオノフォアを膜に共存さ
せて使用することができる。
The reaction element of FIG. 3 (1) is for the case where the input source is an electric energy, and in that case, depending on the ion species to be driven, it is possible to use an ionophore to be described later coexisting in the membrane. it can.

【0030】エネルギー源を光入力とする場合には、図
3(2)に示すように、前段反応はATP合成酵素41
aだけでなく、光受容によりイオン輸送を行なう物質4
1bを共存させなければならない。このようなイオン輸
送物質41bとして、ロドプシン等の視物質を使用して
よいが、高度好塩菌から抽出されるバクテリオロドプシ
ン(bR)を用いるのが簡便である。言うまでもない
が、bRの発色団を人工的な発色団に変更して、光吸収
極大波長を天然型から変化させて用いても構わない。ま
た、bRの化学修飾体やbR遺伝子の組換え体の発現産
物などを用いても構わない。bRは光照射によりプロト
ン輸送を行なう蛋白質であることから、共役するATP
合成酵素はH+-ATP合成酵素が簡便であるが、イオノフォ
アと共存させることにより、各種イオンのATP合成酵
素と共役させることが可能である。
When the energy source is a light input, as shown in FIG.
Not only a, but also substances that carry out ion transport by photoreception 4
1b must coexist. As such an ion transport substance 41b, a visual substance such as rhodopsin may be used, but it is convenient to use bacteriorhodopsin (bR) extracted from highly halophilic bacteria. Needless to say, the bR chromophore may be changed to an artificial chromophore and the light absorption maximum wavelength may be changed from the natural type before use. In addition, a chemically modified bR, a recombinant bR gene expression product, or the like may be used. Since bR is a protein that transports protons by irradiation with light, it binds to ATP
H + -ATP synthase is convenient as the synthase, but it is possible to couple it with ATP synthase of various ions by coexisting with an ionophore.

【0031】イオノフォアとしては例えば、グラミシジ
ン、バリノマイシン、ノナクチン、モナクチン、ナイジ
ェリン、アラメシン、モネンジン、A23187、X-5374等の
微生物由来の天然オリゴペプチドだけでなく、合成品の
環状オリゴペプチド等でもよい。また、環状もしくは鎖
状ポリエーテル誘導体、18−クラウンエーテルに代表
されるクラウンエーテル類あるいはクリプタンド類等の
有機化合物でも構わない。
The ionophore may be, for example, not only natural oligopeptides derived from microorganisms such as gramicidin, valinomycin, nonactin, monactin, nigerin, alamesin, monendin, A23187 and X-5374, but also synthetic cyclic oligopeptides. Further, an organic compound such as a cyclic or chain polyether derivative, crown ethers represented by 18-crown ether, or cryptands may be used.

【0032】また、光照射によるイオン輸送の手段とし
ては、上述したbRのような生体由来の物質に限るもの
でもない。例えば、ベンゾスピロピラン等のスピロピラ
ン化合物を主鎖もしくは側鎖に持つ親水性ポリマーある
いはオリゴマーで作製した膜は、光照射により膜電位を
発生させることができる。このようなポリマー膜にAT
P合成酵素を共存させるかあるいは、オリゴマーを脂質
2分子膜に修飾させてもよい。この場合にも、利用する
イオン種に応じてイオノフォアを混在させてもよい。
Further, the means for ion transport by light irradiation is not limited to the substances of biological origin such as bR mentioned above. For example, a film made of a hydrophilic polymer or oligomer having a spiropyran compound such as benzospiropyran in the main chain or side chain can generate a film potential by light irradiation. AT to such a polymer film
P synthase may be allowed to coexist, or the lipid bilayer membrane may be modified with an oligomer. Also in this case, ionophores may be mixed depending on the ion species used.

【0033】反応素子内のATP合成酵素および光受容
性のイオン輸送物質は、関連するイオン種の透過性を制
御し得る膜33あるいは43に担持して用いる。そのよ
うな膜として、脂質の2分子膜を用いるのが簡便である
が、脂質2分子膜と同様の機能を示すものであれば、他
の構造のものでも構わない。また、例えば、ナイロン等
の多孔性ポリマー等に脂質2分子膜を充填した複数種の
材料を使用しても良い。脂質2分子膜は、生体膜と類似
の構造および機能を持っており、ATP合成酵素の担持
マトリクスとすることができる。一般に脂質2分子膜
は、形状から閉鎖小胞(ベジクル)と平面膜に大別する
ことができるが、既に述べたように、本発明ではいずれ
の形状も利用することができる。
The ATP synthase and the photoreceptive ion transport substance in the reaction element are used by being carried on the membrane 33 or 43 capable of controlling the permeability of the relevant ionic species. It is convenient to use a lipid bilayer as such a membrane, but any other structure may be used as long as it has the same function as the lipid bilayer. Further, for example, a plurality of kinds of materials obtained by filling a lipid bilayer with a porous polymer such as nylon may be used. The lipid bilayer membrane has a structure and a function similar to those of a biological membrane and can be used as a carrier matrix for ATP synthase. Generally, lipid bilayer membranes can be roughly classified into closed vesicles (vesicles) and flat membranes according to their shape, but as described above, any shape can be used in the present invention.

【0034】脂質材料としては、炭素が8個以上の長鎖
アルキル基と親水基を有して構成されているもので、親
水基がカチオン性、アニオン性、ノニオン性のいずれで
もよい。例えば、ホスファジルコリン、ホスファチジル
エタノールアミン、ジホスファチジルグリセロールなど
のグリセロリン脂質;スフィンゴミエリン、セラミドシ
リアチン等のスフィンゴリン脂質;セレブロシド、スル
ファチド、セラミドオリゴヘキソシド等のスフィンゴ糖
脂質;親水基として炭水化物を含むグリコシルジアシル
グリセロール等のグリセロ糖脂質などを挙げることがで
きる。本発明で言う脂質はこれらに限定されるものでは
なく、閉鎖小胞あるいは平面膜を形成できるものであれ
ば材質の如何を問わない。
The lipid material is composed of a long-chain alkyl group having 8 or more carbon atoms and a hydrophilic group, and the hydrophilic group may be cationic, anionic or nonionic. For example, glycerophospholipids such as phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine, and diphosphatidylglycerol; sphingomyelin such as sphingomyelin and ceramide cyatinine; glycosphingolipids such as cerebroside, sulfatide, ceramide oligohexoside; and carbohydrate as a hydrophilic group. Examples thereof include glyceroglycolipid such as glycosyl diacylglycerol. The lipid referred to in the present invention is not limited to these, and any material may be used as long as it can form a closed vesicle or a flat membrane.

【0035】閉鎖小胞の作製方法は、通常使用されてい
る方法で良く、特別な工夫を必要としない。例えば、界
面活性剤で脂質を可溶化して作った混合液から透析によ
り界面活性剤を除去する方法(透析法);水溶液に脂質
を加え適当な温度で懸濁し、ボルテックスなどにより機
械的振動を与えた後、その懸濁液を急速冷却し徐々に融
解させる方法(凍結融解法);懸濁液を超音波処理する
方法(超音波処理法);脂質の有機溶媒溶液を水と混和
させた後、有機溶媒を除去する方法(逆相蒸発法);作
製した閉鎖小胞懸濁液に交流電場を与えるなどして融合
する方法(膜融合法)などを使用することができる。
The closed vesicles may be produced by a method that is usually used and does not require any special device. For example, a method of removing a surfactant by dialysis from a mixed solution prepared by solubilizing a lipid with a surfactant (dialysis method); adding lipid to an aqueous solution and suspending it at an appropriate temperature, and subjecting it to mechanical vibration by vortexing or the like. After feeding, the suspension is rapidly cooled and gradually thawed (freezing and thawing method); the suspension is ultrasonically treated (sonication method); an organic solvent solution of lipid is mixed with water Then, a method of removing the organic solvent (reverse phase evaporation method); a method of fusing the prepared closed vesicle suspension by applying an AC electric field (membrane fusion method) and the like can be used.

【0036】これらの方法を組み合わせたり、その他の
変法も使用することができる。閉鎖小胞の粒径は作製方
法により多様であるが、容易に100nm〜100μm
の範囲で分布させることができる。
It is possible to combine these methods or to use other variants. The particle size of the closed vesicles varies depending on the production method, but it is easily 100 nm to 100 μm.
Can be distributed in the range.

【0037】さらに、中空の閉鎖小胞だけでなく、中心
の基材を脂質2分子膜で被覆した形態を取ってもよい。
このような基材として、アガロース、セルロース、コラ
ーゲン等やあるいは樹脂、ゲル、ガラス、金属等を使用
しても構わない。例えば、ポリメチルメタクリレートの
微粒子を脂質2分子膜で被覆した構造などが便利であ
る。
Further, not only hollow closed vesicles but also a central substrate may be covered with a lipid bilayer membrane.
As such a substrate, agarose, cellulose, collagen or the like, or resin, gel, glass, metal or the like may be used. For example, a structure in which fine particles of polymethylmethacrylate are coated with a lipid bilayer membrane is convenient.

【0038】平面膜の作製方法としては、黒膜法やLang
miur-Blodgett(LB)膜法などを利用することができ
る。黒膜法は、テフロン(商品名;デュポン社)等の薄
いシートに直径数100μmの細孔を開けたものを水溶
液中に浸し、細孔に有機溶剤に溶かした脂質を塗ると、
溶剤が細孔の周辺部に移動して中心部に脂質2分子膜が
形成されることを利用するものである。LB法とは、分
子内に親水基部位と疎水基部位とを有する構造の分子あ
るいは親水基性に顕著な差がある部位を有する構造の分
子において、分子は水面上で親水基を単分子層を形成す
ることを利用して単分子膜を形成させ、基盤面上にこの
単分子膜を付着させる方法である。
The black film method or Lang
The miur-Blodgett (LB) film method or the like can be used. In the black film method, a thin sheet such as Teflon (trade name; DuPont) having pores with a diameter of several 100 μm is dipped in an aqueous solution, and the lipid is dissolved in an organic solvent to coat the pores.
This utilizes the fact that the solvent moves to the periphery of the pores and a lipid bilayer membrane is formed in the center. The LB method is a molecule having a structure having a hydrophilic group portion and a hydrophobic group portion in the molecule or a molecule having a portion having a marked difference in hydrophilicity, and the molecule has a hydrophilic group on the water surface as a monolayer. Is used to form a monomolecular film and the monomolecular film is attached to the substrate surface.

【0039】上述したATP合成酵素や光感受性イオン
輸送蛋白質は、生体中では膜中に高密度で分布してい
る。例えば、bRは紫膜中で2次元結晶を形成してお
り、このような蛋白質の配向法などが提案されている
(J.I.Korenbrot and S.B.Hwang, J. Gen. Physiol., 7
6, 649-682, 1980)。また、H+-ATPは人為的に2次元結
晶構造を形成させることが可能となっており(K.Nagaya
ma, Nanobiology 1, 25-37,1992; H.Yoshimura et al.,
J. Biochem. 106, 958-960, 1989)、このような方法
により、脂質膜に高密度で担持させることが好ましい。
The above-mentioned ATP synthase and light-sensitive ion transport protein are distributed in the membrane at a high density in the living body. For example, bR forms a two-dimensional crystal in a purple membrane, and such a protein orientation method has been proposed (JI Korenbrot and SBHwang, J. Gen. Physiol., 7) .
6 , 649-682, 1980). In addition, H + -ATP is capable of artificially forming a two-dimensional crystal structure (K. Nagaya
ma, Nanobiology 1 , 25-37,1992; H. Yoshimura et al.,
J. Biochem. 106 , 958-960, 1989), it is preferable to support the lipid membrane at a high density by such a method.

【0040】本発明の反応方法では、第二の要件となる
後段反応は、再生されたエネルギー供与体とこの利用酵
素の作用を同一の場所でエネルギー供与体の拡散のみに
よる移動で実現される。この課題を解決するのが、本発
明で言うところの反応素子であり、図2および図3に示
したように、同一の担持膜にエネルギー供与体合成酵素
とエネルギー供与体利用酵素(図2の12あるいは22
および図3の32あるいは42)を保持させるものであ
る。
In the reaction method of the present invention, the second-stage reaction, which is the second requirement, is realized by transferring the action of the regenerated energy donor and the enzyme utilized at the same place by only diffusion of the energy donor. This problem is solved by the reaction element referred to in the present invention. As shown in FIGS. 2 and 3, an energy donor synthase and an energy donor utilizing enzyme (see FIG. 12 or 22
And 32 or 42) of FIG. 3 are retained.

【0041】エネルギー供与体合成酵素を構成するもの
は、高エネルギー供与体もしくはリン酸供与体の共存下
で酵素活性を示すものが挙げられる。このようなものと
して、各種のリン酸転移酵素、アミノアシル−tRNA
シンターゼ、CoAシンターゼ、アミノ酸合成酵素、N
TPシンターゼ、カルボキシラーゼ、リガーゼなどの各
種合成酵素を挙げることができるが、例えばDNAas
eに見られるような分解酵素を使用してもよい。もちろ
ん、使用できる酵素であればこれらに限定されるもので
はなく、高エネルギーリン酸供与体存在下で活性を示す
酵素であれば構わない。さらに、複数種の酵素を共存さ
せて、より多段の反応を行なわせても構わない。
The energy donor synthesizing enzyme may be one that exhibits enzyme activity in the presence of a high energy donor or a phosphate donor. As such, various phosphotransferases, aminoacyl-tRNAs
Synthase, CoA synthase, amino acid synthase, N
Examples thereof include various synthetic enzymes such as TP synthase, carboxylase, and ligase. For example, DNAas
Degrading enzymes such as those found in e may be used. Of course, the enzymes that can be used are not limited to these, and any enzyme that exhibits activity in the presence of a high-energy phosphate donor may be used. Furthermore, a plurality of types of enzymes may be allowed to coexist to carry out a multistage reaction.

【0042】図3で示したように、反応素子は上記のエ
ネルギー供与体利用酵素がATP合成酵素と同一の脂質
2分子膜等の担持膜に固定されたものである。脂質膜に
固定する方法は、特別な手法を必要とするものではな
く、通常の方法でよい(Torchilin, VP & Klibanov, A
L; Enzyme Microb. Technol., 3, 297, 1981)。例え
ば、物理的吸着法、共存超音波(joint sonication)
法、共有結合法等を使用することができる。また、膜蛋
白質のような脂質疎水部に組み込まれる物質を抗原とす
る抗体を介して結合してもよい。また、閉鎖小胞形状の
脂質マトリクスを使用する場合には、これを基板に固定
することで溶媒流速の影響を回避することが可能であ
る。
As shown in FIG. 3, the reaction element is one in which the above-mentioned energy donor utilizing enzyme is immobilized on a carrier membrane such as a lipid bilayer membrane which is the same as the ATP synthase. The method for immobilization on the lipid membrane does not require any special method and may be an ordinary method (Torchilin, VP & Klibanov, A
L; Enzyme Microb. Technol., 3, 297, 1981). For example, physical adsorption method, joint sonication
Method, covalent bond method and the like can be used. Alternatively, it may be bound via an antibody whose antigen is a substance incorporated in a lipid hydrophobic portion such as a membrane protein. In addition, when a closed vesicle-shaped lipid matrix is used, it is possible to avoid the influence of the solvent flow rate by fixing it on the substrate.

【0043】後段反応は、本発明で言う反応素子によっ
てのみ実現されるものではなく、エネルギー供与体合成
酵素とエネルギー供与体利用酵素の両者が共存していれ
ばよい。図5に、この共存の実施態様を示す。図5の
(2)は、反応器内の反応素子において、すでに両酵素
が同一素子上に共存している場合(素子60)であり、
図5の(3)は、エネルギー供与体合成酵素とエネルギ
ー供与体利用酵素が反応器内で共存する別々の担体ある
いは基材に固定されている場合(それぞれ素子61およ
び62)である。
The second-stage reaction is not realized only by the reaction element referred to in the present invention, and it is sufficient that both the energy donor synthase and the energy donor utilizing enzyme coexist. FIG. 5 shows an embodiment of this coexistence. (2) of FIG. 5 is a case where both enzymes have already coexisted on the same element in the reaction element in the reactor (element 60),
(3) of FIG. 5 shows the case where the energy donor synthase and the energy donor utilizing enzyme are immobilized on different carriers or substrates that coexist in the reactor (elements 61 and 62, respectively).

【0044】図5(3)のエネルギー供与体利用酵素を
固定する担体あるいは基材の材料としては、樹脂、ガラ
ス、金属、ゲル、アガロース、コラーゲン、セルロース
等を用いることができ、形状として特に制限はない。担
体および基材への固定は、特別の手法を必要とするもの
ではなく、通常用いられる方法(千畑一郎編:固定化酵
素,講談社サイエンティフィック,1975)でよい。例え
ば、臭化シアン処理したアガロースビーズに酵素固定す
る方法などが便利である。
Resin, glass, metal, gel, agarose, collagen, cellulose or the like can be used as the material of the carrier or substrate for immobilizing the energy donor utilizing enzyme of FIG. 5 (3), and the shape is not particularly limited. There is no. Immobilization on the carrier and the base material does not require any special method, and may be a commonly used method (Ichiro Chibata: Immobilized Enzyme, Kodansha Scientific, 1975). For example, a method of immobilizing an enzyme on agarose beads treated with cyanogen bromide is convenient.

【0045】図5では、エネルギー供与体合成酵素とエ
ネルギー供与体利用酵素との容器内での関係を特に示し
ていないが、反応素子をさらに固定化してもよい。ま
た、図5(3)のように、エネルギー供与体合成酵素と
エネルギー供与体利用酵素が別々の担体に存在する場合
にも、それぞれの担体を固定することもできる。また図
6に示すように、エネルギー供与体合成酵素71が固定
されている基材74にエネルギー供与体利用酵素72を
有する素子73が固定されていても構わない。
Although the relationship between the energy donor synthase and the energy donor-utilizing enzyme in the container is not shown in FIG. 5, the reaction element may be further immobilized. Also, as shown in FIG. 5 (3), even when the energy donor synthase and the energy donor-utilizing enzyme exist in different carriers, the respective carriers can be immobilized. Further, as shown in FIG. 6, the element 73 having the energy donor utilizing enzyme 72 may be fixed to the base material 74 to which the energy donor synthase 71 is fixed.

【0046】外部物理的エネルギーとしては、その印加
に伴って、後段反応に不必要な添加剤、反応副産物、溶
出物のないものが好ましい。本発明の実施態様では、A
TP再生のエネルギー源として電気的あるいは光エネル
ギーを入力する方式を示しているが、もちろん、同様の
効果を誘起できればこれらの入力法に限定されるもので
はなく、また複数の入力法を併用しても構わない。
As the external physical energy, it is preferable that there is no additive, reaction by-product, or eluate unnecessary for the second-stage reaction as the external physical energy is applied. In an embodiment of the present invention, A
Although a method of inputting electrical or light energy as an energy source for TP regeneration is shown, of course, it is not limited to these input methods as long as a similar effect can be induced, and a plurality of input methods can be used in combination. I don't mind.

【0047】図7に電気的エネルギーの印加により反応
素子を駆動する場合を示す。この図において、反応容器
81は両端に電極82、83を有し外部電源84からこ
の電極間に電圧を印加できるようになっている。容器内
の溶媒中に図7(2)に示した反応素子85が懸濁され
ており、反応の開始は電圧の印加によって行なわれる。
FIG. 7 shows a case where the reaction element is driven by applying electric energy. In this figure, the reaction vessel 81 has electrodes 82 and 83 at both ends, and a voltage can be applied between these electrodes from an external power source 84. The reaction element 85 shown in FIG. 7 (2) is suspended in the solvent in the container, and the reaction is started by applying a voltage.

【0048】図8には、光を入力エネルギー源とする構
成を示す。この図において、反応容器92は、例えばガ
ラスのような可視光入力を透過する透明な材質で構成さ
れ、容器内の溶媒中に図8(2)の反応素子91が懸濁
されている。言うまでもなく、不透明な容器を用いて光
ガイドを容器内に導入しても構わない。また、図7ある
いは図8の反応器に、溶媒を攪拌するための手段や、基
質を補給したり生成物を取り出す等の目的で、送液系を
設けてよいことは言うまでもない。
FIG. 8 shows a configuration in which light is used as an input energy source. In this figure, the reaction container 92 is made of a transparent material such as glass that transmits a visible light input, and the reaction element 91 of FIG. 8 (2) is suspended in the solvent in the container. Of course, an opaque container may be used to introduce the light guide into the container. It is needless to say that the reactor shown in FIG. 7 or 8 may be provided with a liquid feeding system for the purpose of stirring the solvent, replenishing the substrate, taking out the product, and the like.

【0049】以上の説明では、高エネルギー供与体をA
TPに想定して述べてきた。しかし、合成反応系が共役
する高エネルギーリン酸化合物はATPに限ったもので
はなく、グアノシン−5’−三リン酸(GTP)などの
ヌクレオチド三リン酸もまた共役する。最後に、このよ
うなATP以外の高エネルギーリン酸化合物の再生を前
段反応とする場合について説明する。
In the above description, the high energy donor is A
I have described it assuming TP. However, the high-energy phosphate compound to which the synthetic reaction system is coupled is not limited to ATP, and nucleotide triphosphates such as guanosine-5′-triphosphate (GTP) are also conjugated. Finally, the case where the regeneration of such a high-energy phosphate compound other than ATP is used as the first-stage reaction will be described.

【0050】このような高エネルギーリン酸化合物は通
常ATPの再生と共役して再生することが可能である。
例えばGTPの再生は、ヌクレオチド二リン酸キナーゼ
を固定することにより、下記式の反応に従って、ATP
の再生と共役させて行なうことができる。
Such a high-energy phosphate compound can usually be regenerated in conjugation with the regeneration of ATP.
For example, GTP is regenerated by immobilizing nucleotide diphosphate kinase according to the reaction of the following formula.
Can be performed in conjugation with the reproduction of.

【0051】[0051]

【化2】ATP + GDP → ADP + GTP この場合、図3に示した32あるいは42を2種の酵素
系になるように固定し、そのうちの一種をヌクレオチド
二リン酸キナーゼとすることにより、外部物理的エネル
ギーでGTPを再生し、もう一種の酵素でGTPを利用
することができる。
## STR00002 ## ATP + GDP → ADP + GTP In this case, 32 or 42 shown in FIG. 3 is immobilized so as to form two types of enzyme systems, and one of them is a nucleotide diphosphate kinase. GTP can be regenerated by physical energy, and GTP can be utilized by another enzyme.

【0052】[0052]

【実施例】以下に、実施例をもって本発明を詳細に説明
するが、これらは本発明の範囲をなんら制限するもので
はない。
The present invention will be described in detail below with reference to examples, but these do not limit the scope of the present invention.

【0053】(実施例1)Kagawaら(The Journal of B
iological Chemistry, Vol.250, No.19, p.7910-7916お
よびp.7917-7923(1975))の方法に準じて好熱性細菌で
あるPS3の培養ならびにATP分解酵素の抽出・精製
を行った。
Example 1 Kagawa et al. (The Journal of B
iological Chemistry, Vol.250, No.19, p.7910-7916 and p.7917-7923 (1975)) was used to culture the thermophilic bacterium PS3 and extract and purify the ATP-degrading enzyme. .

【0054】20mgのアゾレクチン(大豆フォスファ
チジルコリン、タイプIV−S:Sigma社)のクロ
ロホルム溶液1mlをナス型フラスコに入れ、ロータリ
ーエバポレータを用いて溶媒を留去したのち、デシケー
タに入れ真空ポンプにて溶媒を完全に除いて脂質薄膜を
作成した。次いで、2%のコール酸ナトリウム、10m
Mの塩化カリウム、10mMのトリス緩衝液(塩酸にて
pH8に調整)を含む溶液1mlを加え、ボルテックス
ミキサーにて2分間処理して脂質薄膜を分散させた後、
水浴型超音波発振装置(ソニファイアーB−15型、ホ
ップホーン使用:Branson社製)で30分間処理した。
続いて、前記ATP分解酵素250μgを加え、1分間
ボルテックスミキサーにて処理した後、2リットルの1
0mM塩化カリウム、10mMトリス緩衝液(塩酸にて
pH8に調整)に対して24時間、次いで10mM塩化
カリウム水溶液2リットルに対して24時間透析を行
い、ATP分解酵素を含むプロテオリポソームを調製し
た。
1 ml of a chloroform solution of 20 mg of azolectin (soybean phosphatidylcholine, type IV-S: Sigma) was placed in an eggplant-shaped flask, the solvent was distilled off using a rotary evaporator, and then placed in a desiccator and put in a vacuum pump. The solvent was completely removed to prepare a lipid thin film. Then 2% sodium cholate, 10m
After adding 1 ml of a solution containing M potassium chloride and 10 mM Tris buffer (adjusted to pH 8 with hydrochloric acid) and treating with a vortex mixer for 2 minutes to disperse the lipid thin film,
It was treated for 30 minutes with a water bath type ultrasonic oscillating device (Sonifire B-15 type, using hop horn: manufactured by Branson).
Then, 250 μg of the ATP-degrading enzyme was added and treated with a vortex mixer for 1 minute, and then 2 liters of 1 were added.
Dialysis was performed against 0 mM potassium chloride, 10 mM Tris buffer (pH adjusted to 8 with hydrochloric acid) for 24 hours, and then dialyzed against 2 liters of 10 mM potassium chloride aqueous solution for 24 hours to prepare a proteoliposome containing an ATP-degrading enzyme.

【0055】一方、20mgのアゾレクチン、1mgの
ジチオピリジル化ジバルミトイルホスファチジルエタノ
ールアミン(Sigma社製)のクロロホルム溶液を前記と
同様に処理して脂質薄膜を作成し、10mM塩化カリウ
ム水溶液1mlを加えて超音波処理してリポソーム分散
液を調製した。
On the other hand, a chloroform solution of 20 mg of azolectin, 1 mg of dithiopyridylated dibalmitoylphosphatidylethanolamine (manufactured by Sigma) was treated in the same manner as above to prepare a lipid thin film, and 1 ml of 10 mM potassium chloride aqueous solution was added. Ultrasonic treatment was performed to prepare a liposome dispersion liquid.

【0056】次に、グルコキナーゼ(EC 2.7.1.2: 生化
学工業社製)100μgを20mMのN−スクシンイミ
ジル−3−(2−ピリジルチオ)プロピオネート(SP
DPと略す)溶液1mlに加え、室温にて30分間反応
させた。過剰のSPDPを除去するために0.1M酢酸
緩衝液(0.15Mの塩化ナトリウム含有、pH4.
5)で平衡化したセファデックスG−25カラム(1*
25cm)でゲル瀘過した。得られた蛋白質分画にジチ
オスレイトール(DTTと略す)でゲル瀘過して、過剰
のDTTと蛋白質分画を分離した。この蛋白質分画を前
記リポソーム分散液に加えて、ゆっくり攪拌しながら4
℃にて24時間反応させ、グルコキナーゼを保持したリ
ポソームを調製した。
Next, 100 μg of glucokinase (EC 2.7.1.2: manufactured by Seikagaku Corporation) was added to 20 mM of N-succinimidyl-3- (2-pyridylthio) propionate (SP).
It was added to 1 ml of a solution (abbreviated as DP) and reacted at room temperature for 30 minutes. 0.1 M acetate buffer (containing 0.15 M sodium chloride, pH 4.
5) equilibrated with Sephadex G-25 column (1 *
The gel was filtered at 25 cm). The resulting protein fraction was subjected to gel filtration with dithiothreitol (abbreviated as DTT) to separate excess DTT and protein fraction. Add this protein fraction to the liposome dispersion and mix slowly with stirring.
The reaction was performed at 24 ° C. for 24 hours to prepare liposomes retaining glucokinase.

【0057】ATP分解酵素を含むプロテオリポソーム
分散液1mlとグルコキナーゼを保持したリポソーム分
散液1mlを混合し、ポリエチレングリコール(平均分
子量5000、Sigma社製)を重量濃度30%となるよ
うに加え、室温にて2時間反応させた。この過程におい
て、リポソームの融合によってATP分解酵素とグルコ
キナーゼを保持したりリポソームが調製された。
1 ml of the proteoliposome dispersion containing ATP-degrading enzyme and 1 ml of the liposome dispersion containing glucokinase were mixed, and polyethylene glycol (average molecular weight 5000, manufactured by Sigma) was added to the mixture so that the weight concentration was 30%, and the mixture was allowed to stand at room temperature Was reacted for 2 hours. During this process, liposomes were prepared by retaining the ATP-degrading enzyme and glucokinase by fusing the liposomes.

【0058】調製されたリポソームの確認は、電圧印加
によりグルコースとADPから、グルコース−6−リン
酸が合成されることにより行った。
Confirmation of the prepared liposomes was carried out by synthesizing glucose-6-phosphate from glucose and ADP by applying voltage.

【0059】(実施例2)実施例1と同様にして、AT
P分解酵素を含むプロテオリポソームを調製した。
(Second Embodiment) Similar to the first embodiment, the AT
Proteoliposomes containing P-degrading enzyme were prepared.

【0060】次に、P. OesterheltおよびW. Stoeckeniu
sの方法(Method. Enzymol., 31, 667-678(1974))によ
って高度好塩菌Halobacterium halobium RJ株から抽出
した紫膜を、K. Huangの方法(Proc. Natl. Acad. Sc
i., USA, 77, 323(1980))に従って界面活性剤Triton X
-100(和光純薬工業社製)で処理し、紫膜を脱脂質した
状態の膜蛋白質バクテリオロドプシン(bRと略す)を
得た。このbRを実施例1と同様にしてリポソームに再
構成して、bRを含むプロテオリポソームを調製した。
Next, P. Oesterhelt and W. Stoeckeniu
s method (Method. Enzymol., 31, 667-678 (1974)) was used to extract the purple membrane extracted from the highly halophilic bacterium Halobacterium halobium RJ strain by the method of K. Huang (Proc. Natl. Acad. Sc).
i., USA, 77, 323 (1980)) according to the surfactant Triton X.
-100 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to obtain a membrane protein bacteriorhodopsin (abbreviated as bR) in a state where the purple membrane was delipidated. This bR was reconstituted into a liposome in the same manner as in Example 1 to prepare a proteoliposome containing bR.

【0061】続いて、ATP分解酵素を含むプロテオリ
ポソーム分散液1mlとbRを含むプロテオリポソーム
分散液1mlを混合し、ポリエチレングリコール500
0を重量濃度30%となるように加え、室温にて2時間
放置した。この過程において、リポソームの融合によ
り、ATP分解酵素とbRを含むプロテオリポソームが
調製された。
Subsequently, 1 ml of the proteoliposome dispersion liquid containing ATP degrading enzyme and 1 ml of the proteoliposome dispersion liquid containing bR were mixed to obtain polyethylene glycol 500.
0 was added so that the weight concentration was 30%, and the mixture was left at room temperature for 2 hours. In this process, fusion of liposomes prepared a proteoliposome containing ATP-degrading enzyme and bR.

【0062】調製されたリポソームの確認は、光照射に
伴うATP合成によって行った。すなわち、560nm
の光照射によってbRがリポソームの内部にプロトンを
汲み入れ、その結果、リポソーム膜の内外にプロトンの
電気化学ポテンシャル差が形成され、このポテンシャル
差を利用してATP合成酵素がADPと無機リン酸から
ATPを合成することを利用して、ATP合成酵素とb
Rが同一リポソーム内に再構成されたことを確認した。
Confirmation of the prepared liposomes was carried out by ATP synthesis accompanying light irradiation. That is, 560 nm
BR pumps protons into the inside of the liposome by the light irradiation, and as a result, an electrochemical potential difference of protons is formed inside and outside the liposome membrane. By utilizing this potential difference, ATP synthase is separated from ADP and inorganic phosphate. Utilizing the synthesis of ATP, ATP synthase and b
It was confirmed that R was reconstituted in the same liposome.

【0063】具体的には、ATP合成酵素とbRを含む
プロテオリポソーム200μlに10mMのATPと2
mMの塩化マグネシウムを混合し、ルミノメーター用透
明キュベット(容量3ml)に入れ、バンドバスフィル
ター(多層膜フィルター、朝日分光社製、中心波長55
5nm、半値幅30nm)と熱カットフィルターを通し
たハロゲン光(Technolight KLS-2150, Kenko社製)を
照射し、ATP合成を測定した。合成されたATPは、
それを基質として分解するルシフェリン/ルシフェラー
ゼ系試薬(ATP Assay Kit, LKB社製)を利用し、発
光強度をルミノメーター(1251、Bio-Orbit社製)
で測定することにより定量した。
Specifically, 200 μl of proteoliposome containing ATP synthase and bR was added with 10 mM of ATP and 2
mM magnesium chloride was mixed and put in a transparent cuvette for a luminometer (volume: 3 ml), and a band bath filter (multilayer film filter, manufactured by Asahi Spectroscopy, central wavelength 55).
The ATP synthesis was measured by irradiating with halogen light (Technolight KLS-2150, manufactured by Kenko) that passed through a heat cut filter (5 nm, half width at 30 nm). The synthesized ATP is
Using a luciferin / luciferase-based reagent (ATP Assay Kit, manufactured by LKB) that decomposes using it as a substrate, the luminescence intensity is measured using a luminometer (1251, manufactured by Bio-Orbit).
It quantified by measuring with.

【0064】光照射に伴い、ATP合成酵素1モル当
り、ATP4モルが合成されたことより、ATP合成酵
素とbRが同一リポソーム内に再構成されたことを確認
した。
It was confirmed that ATP synthase and bR were reconstituted in the same liposome because 4 mol of ATP was synthesized per 1 mol of ATP synthase upon irradiation with light.

【0065】(実施例3)試験管にアゾレクチンのクロ
ロホルム溶液(30mg/ml)1mlを入れ、ロータ
リーエバポレーターを用いて溶媒を留去した後、デシケ
ータに入れ、真空ポンプを用いて溶媒を完全に除いた。
これに2mlの緩衝液(20mMリン酸カリウム、1.
25mM硫酸マグネシウム、2%コール酸ナトリウム)
を加え、ボルテックスミキサーで30秒処理して脂質薄
膜を分散させた後、プローブ型超音波発振装置で30分
間処理して一枚膜のリポソーム懸濁液を得た。
Example 3 1 ml of a chloroform solution of azolectin (30 mg / ml) was placed in a test tube, the solvent was distilled off by using a rotary evaporator, then placed in a desiccator, and the solvent was completely removed by using a vacuum pump. It was
Add 2 ml of buffer solution (20 mM potassium phosphate, 1.
25 mM magnesium sulfate, 2% sodium cholate)
Was added and the mixture was treated with a vortex mixer for 30 seconds to disperse the lipid thin film, and then treated with a probe-type ultrasonic oscillator for 30 minutes to obtain a liposome suspension having a single membrane.

【0066】好熱菌P3SよりATP合成酵素TF01
を前記のKagawaらの方法によって調製した。遠心分離と
ゲル瀘過(バイオゲル、A-5m, BIO RAD)を行った精製
TF01を脂質/蛋白質の比率(重量比)が10〜20
0となるように予め調製してあった懸濁液に加えて、1
分間超音波処理した。この懸濁液を液体窒素またはドラ
イアイス・アセトンで凍結、室温で融解、ボルテックス
ミキサーで30秒処理する操作を3回繰り返し、TF0
1再構成ベクシルを得た。
From the thermophilic bacterium P3S, ATP synthase TF 0 F 1
Was prepared by the method of Kagawa et al., Supra. The purified TF 0 F 1 obtained by centrifugation and gel filtration (biogel, A-5m, BIO RAD) had a lipid / protein ratio (weight ratio) of 10 to 20.
In addition to the suspension that was previously prepared to be 0,
Sonicated for minutes. The operation of freezing this suspension with liquid nitrogen or dry ice / acetone, thawing at room temperature, and treating with a vortex mixer for 30 seconds was repeated 3 times, and TF 0
An F 1 reconstituted Bexil was obtained.

【0067】調製後の懸濁液にグルコキナーゼ(EC
2.7.1.2;生化学工業)をTF01とほぼ等重量
部加え、約10秒間ボルテックスミキサーで処理した
後、1分間超音波処理した。
The glucokinase (EC
2.7.1.2; Seikagaku Kogyo Co., Ltd.) was added to TF 0 F 1 in an approximately equal weight part, and the mixture was treated with a vortex mixer for about 10 seconds and then sonicated for 1 minute.

【0068】直径5mm程度のガラス容器の開口部か
ら、一対の薄いPt板電極を互いに平行になるように固
定して反応容器とした。上記のように調製した懸濁液を
アルゴンで脱気置換した後、グルコース10mmol、
ADP1mmolを加えて軽く振とうした。この試料を
ガラス容器に移し、両電極間に約1.5Vの定電圧の3
0分間印加を断続的に繰り返し、合計8時間通電した。
A pair of thin Pt plate electrodes were fixed in parallel with each other through an opening of a glass container having a diameter of about 5 mm to prepare a reaction container. The suspension prepared as described above was degassed with argon, and then glucose 10 mmol,
1 mmol of ADP was added and shaken lightly. This sample was transferred to a glass container and a constant voltage of about 1.5V was applied between the electrodes.
The application was repeated intermittently for 0 minutes, and electricity was supplied for a total of 8 hours.

【0069】処理した試料内のグルコース−6−リン酸
は、Pollakらの方法(J. Amer. Chem. Soc., 99:7, 236
6-2367, 1977)に従って定量すると、転換率80%であ
ることがわかった。
Glucose-6-phosphate in the treated sample was determined by the method of Pollak et al. (J. Amer. Chem. Soc., 99: 7, 236).
6-2367, 1977), the conversion was found to be 80%.

【0070】(実施例4)実施例3同様に調製したリポ
ソーム懸濁液に膜蛋白質バクテリオロドプシン(bR)
を加えてプロテオリポソームを形成した。次に、前記の
P. OesterheltおよびW. Stoeckeniusの方法によって高
度好塩菌Halobacterium halobium RJ株から抽出した紫
膜を、K. Huangの方法(Proc. Natl. Acad. Sci., USA,
77, 323(1980))を用いて、脂質を脱脂質してバクテリ
オロドプシンを得た。この懸濁液を2分間超音波処理し
て、ミセル溶液とした。
Example 4 The liposome protein prepared in the same manner as in Example 3 was added to the membrane protein bacteriorhodopsin (bR).
Was added to form proteoliposomes. Then the above
The purple membrane extracted from the highly halophilic Halobacterium halobium RJ strain by the method of P. Oesterhelt and W. Stoeckenius was subjected to the method of K. Huang (Proc. Natl. Acad. Sci., USA,
77, 323 (1980)) was used to delipidate lipids to obtain bacteriorhodopsin. The suspension was sonicated for 2 minutes to give a micelle solution.

【0071】実施例3同様に精製したTF01を、TF
01/bRの比率が2となるように加えて懸濁し、1分
間超音波処理した。これを3リットルの緩衝液(20m
Mリン酸カリウム、1.25mM硫酸マグネシウム)で
約48時間透析すると、bR−TF01の再構成ベクシ
ルを得た。
Example 3 TF 0 F 1 purified in the same manner was treated with TF 0 F 1 .
The mixture was added and suspended so that the ratio of 0 F 1 / bR was 2, and sonicated for 1 minute. Add 3 liters of buffer solution (20 m
Dialysis with M potassium phosphate, 1.25 mM magnesium sulfate) for about 48 hours gave reconstituted bexyl of bR-TF 0 F 1 .

【0072】こうして得られたbR−TF01−ベクシ
ルがATP合成活性を示すことを、予め前記のルシフェ
リン/ルシフェラーゼ系試薬で調べた。光照射後、試薬
を素早く加え、ルミノメーター測定すると、光照射の約
15分後にATP合成活性はピークを示すことがわかっ
た。
The bR-TF 0 F 1 -Bexyl thus obtained was examined beforehand with the above-mentioned luciferin / luciferase system reagent to show ATP synthesis activity. After the light irradiation, the reagent was added rapidly and the luminometer measurement revealed that the ATP synthesis activity showed a peak about 15 minutes after the light irradiation.

【0073】この試料に実施例3と同様にして超音波を
用いてグルコキナーゼの修飾を施した。さらに、脱気
後、グルコース10mmol、ADP1mmolを加え
て軽く振とうする。
This sample was modified with glucokinase using ultrasonic waves in the same manner as in Example 3. Further, after deaeration, 10 mmol of glucose and 1 mmol of ADP are added and the mixture is shaken lightly.

【0074】角型のガラスセルを反応容器とし、それに
上記試料を入れて、ハロゲンランプ(150W×2台;
Kenko TechnoLight)の光源を光ガイドで導き、波長フ
ィルターおよび熱カットフィルターを通して反応器に1
時間照射した。
A prismatic glass cell was used as a reaction vessel, and the above sample was put therein, and a halogen lamp (150 W × 2 units;
The light source of Kenko TechnoLight) is guided by a light guide, and the reactor is passed through a wavelength filter and a heat cut filter.
Irradiated for an hour.

【0075】実施例3と同様にして定量を行い、その試
料内に生成したG−6−Pの確認を行った。
Quantification was carried out in the same manner as in Example 3 to confirm G-6-P produced in the sample.

【0076】(実施例5)実施例4同様に脱脂質したバ
クテリオロドプシンのカルボキシル末端に特異的に結合
するモノクローナル抗体をKimuraらの方法(J. Biol. C
he., 257, 2859(1980))に従って作製した。この抗体と
グルコキナーゼの両者を粒子径100μmのアガロース
ゲル(ファルマシア社製;CNBr-activated Sepharose 4
B)に共有結合で固定した。膨潤ゲル1ml当り抗体
0.5mg、グルコキナーゼ5mgにて、カップリング
バッファ、0.5MNaCl、0.2MNaCO3を用
い、4℃で一晩反応させた。未反応活性基をブロック
し、過剰の抗体およびグルコキナーゼを洗い流した後、
それらを結合したゲルを0.1MNaClで洗浄した。
Example 5 A monoclonal antibody that specifically binds to the carboxyl terminus of delipidated bacteriorhodopsin was used in the same manner as in Example 4 by the method of Kimura et al. (J. Biol. C).
he., 257, 2859 (1980)). Both this antibody and glucokinase are agarose gels with a particle size of 100 μm (Pharmacia; CNBr-activated Sepharose 4
It was covalently immobilized on B). The antibody was reacted with 0.5 mg of antibody and 5 mg of glucokinase per 1 ml of the swollen gel at 4 ° C. overnight using a coupling buffer, 0.5 M NaCl and 0.2 M NaCO 3 . After blocking unreacted active groups and washing away excess antibody and glucokinase,
The gels to which they were bound were washed with 0.1 M NaCl.

【0077】精製したバクテリオロドプシン0.2mg
を含む0.1MNaCl溶液に前記のゲルを加え、バク
テリオロドプシンをゲルに固定したモノクローナル抗体
に結合させた。
0.2 mg of purified bacteriorhodopsin
The above-mentioned gel was added to a 0.1 M NaCl solution containing Bacteriorhodopsin to bind to the monoclonal antibody immobilized on the gel.

【0078】bR−TF01再構成プロテオリポソーム
を実施例4に従って調製した。このプロテオリポソーム
を上記のゲルに加えて1時間インキュベートし、抗体に
結合したバクテリオロドプシンをプロテオリポソームに
組み込ませた。
BR-TF 0 F 1 reconstituted proteoliposomes were prepared according to Example 4. This proteoliposome was added to the above gel and incubated for 1 hour to incorporate the antibody-bound bacteriorhodopsin into the proteoliposome.

【0079】この試料を実施例4と同様にして、光照射
用ガラスセルに移し、グルコース、ADPを加え、1時
間光照射した。反応生成物を実施例3と同様に定量し、
G−6−Pの存在を確認した。
This sample was transferred to a glass cell for light irradiation in the same manner as in Example 4, glucose and ADP were added, and light irradiation was carried out for 1 hour. The reaction product was quantified as in Example 3,
The presence of G-6-P was confirmed.

【0080】(実施例6)実施例4同様に、bR−TF
01の再構成ベクシルを調製した。次に、実施例5同様
にして、アガロースゲルにグルコキナーゼを修飾した。
この2種類の粒子を実施例4に示したガラスセルに入れ
て光照射し、実施例3と同様にして、生成したG−6−
Pの確認を行った。
Example 6 Similar to Example 4, bR-TF
A 0 F 1 reconstituted Bexil was prepared. Next, in the same manner as in Example 5, agarose gel was modified with glucokinase.
These two types of particles were placed in the glass cell shown in Example 4 and irradiated with light, and G-6 produced in the same manner as in Example 3 was produced.
Confirmation of P was performed.

【0081】[0081]

【発明の効果】以上説明した通り、本発明により、膜蛋
白質と水溶性蛋白質の2種の酵素を固定したリポソーム
により2つの個となる酵素の共役反応を実現させる酵素
固定素子を提供することが可能となる。さらに、エネル
ギー供与体の脱リン酸化を駆動源とする酵素反応におい
て、エネルギー供与体の再生を物理的エネルギーによっ
て同時連続的に行わせることが可能となる。それによ
り、リン酸供与体として高エネルギーリン酸化合物を使
用する必要がなく、反応副産物あるいは溶出物が生じる
ことがなく、安定剤などの添加剤を溶媒中に加える必要
もない。従って、ATP再生と連続して行わせる酵素反
応に制限が少なくなり、より広範な酵素反応にその方法
を適用することができるようになる。また、高エネルギ
ー供与体の再生のために供給すべき反応前駆体の補給を
行う必要がなく、酵素反応生成物の分離の操作を省略す
ることができることから、それが装置の簡略化に寄与す
る。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an enzyme immobilization element that realizes a coupled reaction of two enzymes by a liposome immobilizing two enzymes of a membrane protein and a water-soluble protein. It will be possible. Furthermore, in an enzymatic reaction driven by dephosphorylation of an energy donor, regeneration of the energy donor can be simultaneously and continuously performed by physical energy. Thereby, it is not necessary to use a high-energy phosphoric acid compound as a phosphoric acid donor, a reaction by-product or an eluate is not generated, and an additive such as a stabilizer need not be added to the solvent. Therefore, there is less restriction on the enzymatic reaction that is carried out continuously with ATP regeneration, and the method can be applied to a wider range of enzymatic reactions. Further, since it is not necessary to replenish the reaction precursor to be supplied for regeneration of the high energy donor, and the operation of separating the enzymatic reaction product can be omitted, which contributes to simplification of the apparatus. .

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

【図1】本発明の反応方法の流れを示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing a flow of a reaction method of the present invention.

【図2】本発明の反応素子の例の模式的断面図であり、
(1)は平面形状の素子、(2)は球面形状の素子の図
である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an example of a reaction element of the present invention,
FIG. 1A is a plan view of an element, and FIG. 2B is a view of a spherical element.

【図3】本発明の反応素子の例の模式的部分断面図であ
り、(1)は入力源が電気的エネルギーの場合、(2)
は入力源が光エネルギーの場合の図である。
FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view of an example of a reaction device of the present invention, (1) shows a case where an input source is electric energy, (2)
Is a diagram when the input source is light energy.

【図4】本発明の酵素反応素子製造方法で製造される酵
素反応素子の1例の構成を示す模式的部分断面図であ
る。
FIG. 4 is a schematic partial cross-sectional view showing the configuration of an example of an enzyme reaction element manufactured by the method for manufacturing an enzyme reaction element of the present invention.

【図5】本発明の反応方法の例を示す概念図であり、
(1)は酵素反応素子の例、(2)はエネルギー供与体
合成酵素とエネルギー供与体利用酵素が同一の素子に担
持されている場合、(3)はそれら酵素が別個の素子に
担持されている場合の図である。
FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of a reaction method of the present invention,
(1) is an example of an enzyme reaction element, (2) is a case where an energy donor synthase and an energy donor utilizing enzyme are carried on the same element, and (3) shows that those enzymes are carried on separate elements. FIG.

【図6】本発明の酵素反応素子の別の例の模式的断面図
である。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of another example of the enzyme reaction element of the present invention.

【図7】本発明の酵素反応方法のうち、駆動を電気的エ
ネルギーによって行う場合の模式図であり、(1)は反
応器の全体図、(2)は使用する反応素子の断面図であ
る。
FIG. 7 is a schematic diagram in the case of driving by electric energy in the enzymatic reaction method of the present invention, (1) is an overall view of a reactor, and (2) is a cross-sectional view of a reaction element to be used. .

【図8】本発明の酵素反応方法のうち、駆動を光エネル
ギーによって行う場合の模式図であり、(1)は反応器
の全体図、(2)は使用する反応素子の断面図である。
FIG. 8 is a schematic diagram in the case where driving is performed by light energy in the enzymatic reaction method of the present invention, (1) is an overall view of a reactor, and (2) is a cross-sectional view of a reaction element to be used.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 物理エネルギー印加手段 2、11、21、51、71 エネルギー供与体
合成酵素 3、12、22、52、72 エネルギー供与体
利用酵素 A エネルギー供与体 B エネルギー供与体前駆体 a 基質 b 生成物 13、23、33、43、53 膜 31、41a ATP(エネルギー供与体)合成
酵素 41b 光受容イオン輸送物質 32、42 ATP(エネルギー供与体)利用酵
素 60、61、62、73、85、91 素子 74 基材 81、92 反応容器 82、83 電極 84 外部電源
1 Physical energy applying means 2, 11, 21, 51, 71 Energy donor synthase 3, 12, 22, 52, 72 Energy donor utilizing enzyme A Energy donor B Energy donor precursor a Substrate b Product 13, 23, 33, 43, 53 Membrane 31, 41a ATP (energy donor) synthase 41b Photoreceptive ion transport material 32, 42 ATP (energy donor) utilizing enzyme 60, 61, 62, 73, 85, 91 Element 74 groups Material 81, 92 Reaction vessel 82, 83 Electrode 84 External power supply

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野本 毅 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (72) Inventor Takeshi Nomoto 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc.

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 脂質と第一の蛋白質から成るプロテオリ
ポソームと、表面に第二の蛋白質を固定したリポソーム
とを融合することを特徴とする酵素反応素子の製造方
法。
1. A method for producing an enzyme reaction element, which comprises fusing a proteoliposome composed of a lipid and a first protein with a liposome having a second protein immobilized on the surface thereof.
【請求項2】 請求項1記載の方法で製造される酵素反
応素子。
2. An enzyme reaction element manufactured by the method according to claim 1.
【請求項3】 表面が親水性で内部が疎水性の膜からな
るマイクロカプセルであって、第一の蛋白質分子の一部
が該膜内部の疎水部に埋め込まれて担持され、第二の蛋
白質分子が該膜の親水性表面に固定されている請求項2
記載の酵素反応素子。
3. A microcapsule comprising a hydrophilic membrane on the surface and a hydrophobic membrane on the inside, wherein a part of the first protein molecule is embedded in and carried by the hydrophobic portion inside the membrane, and the second protein is carried. The molecule is immobilized on the hydrophilic surface of the membrane.
The enzyme reaction element described.
【請求項4】 第一の蛋白質と第二の蛋白質の一方が物
理的エネルギーで生じるイオン濃度勾配を利用してエネ
ルギー供与体前駆体とリン酸供与体からエネルギー供与
体を生成するエネルギー供与体合成酵素であり、他方が
該エネルギー供与体の脱リン酸化を行なうエネルギー供
与体利用酵素である請求項3記載の酵素反応素子。
4. An energy donor synthesis in which one of a first protein and a second protein produces an energy donor from an energy donor precursor and a phosphate donor by utilizing an ion concentration gradient generated by physical energy. The enzyme reaction element according to claim 3, wherein the enzyme is an enzyme, and the other is an energy donor-utilizing enzyme for dephosphorylating the energy donor.
【請求項5】 リン酸供与体、エネルギー供与体前駆
体、物理的エネルギーで生じるイオン濃度勾配を利用し
て該エネルギー供与体前駆体と該リン酸供与体からエネ
ルギー供与体を生成するエネルギー供与体合成酵素およ
び該エネルギー供与体の脱リン酸化を行なうエネルギー
供与体利用酵素を含む液媒体と物理的エネルギーの印加
手段とを有して成ることを特徴とする酵素反応器。
5. A phosphoric acid donor, an energy donor precursor, and an energy donor that generates an energy donor from the energy donor precursor and the phosphoric acid donor by utilizing an ion concentration gradient generated by physical energy. An enzyme reactor comprising a liquid medium containing a synthase and an energy donor-utilizing enzyme for dephosphorylating the energy donor, and a means for applying physical energy.
【請求項6】 リン酸供与体、エネルギー供与体前駆体
および請求項4記載の酵素反応素子を含む液媒体と物理
的エネルギーの印加手段とを有して成る酵素反応器。
6. An enzyme reactor comprising a liquid medium containing a phosphoric acid donor, an energy donor precursor and the enzyme reaction element according to claim 4, and a means for applying physical energy.
【請求項7】 物理エネルギーが光エネルギーであり、
光受容性のイオン輸送物質を含有する請求項5または6
記載の酵素反応器。
7. The physical energy is light energy,
7. A light-receptive ion transport substance is contained in claim 5 or 6.
The described enzymatic reactor.
【請求項8】 物理エネルギーが電気エネルギーである
請求項5または6記載の酵素反応器。
8. The enzyme reactor according to claim 5, wherein the physical energy is electric energy.
【請求項9】 エネルギー供与体がアデノシン−5’−
三リン酸(ATP)である請求項5または6記載の酵素
反応器。
9. The energy donor is adenosine-5′-
The enzyme reactor according to claim 5 or 6, which is triphosphate (ATP).
【請求項10】 リン酸供与体が無機リン酸である請求
項5または6記載の酵素反応器。
10. The enzyme reactor according to claim 5, wherein the phosphoric acid donor is inorganic phosphoric acid.
【請求項11】 請求項5ないし10のいずれか1項に
記載の酵素反応器を用い、物理的エネルギー印加手段か
ら物理的エネルギーを印加して液媒体にイオン濃度勾配
を生ぜしめ、エネルギー供与体合成酵素によるエネルギ
ー供与体合成の反応、およびエネルギー供与体利用酵素
により該エネルギー供与体から得られるエネルギーを利
用する系内に存在する基質の反応を連続的に進行させる
酵素反応方法。
11. An energy donor using the enzyme reactor according to claim 5, wherein physical energy is applied from a physical energy applying means to generate an ion concentration gradient in the liquid medium. An enzyme reaction method in which a reaction of energy donor synthesis by a synthase and a reaction of a substrate existing in a system that utilizes energy obtained from the energy donor by an energy donor-utilizing enzyme proceed continuously.
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