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JP3020428B2 - Ultra-thin protein film formation by alternate adsorption method - Google Patents
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JP3020428B2 - Ultra-thin protein film formation by alternate adsorption method - Google Patents

Ultra-thin protein film formation by alternate adsorption method

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JP3020428B2
JP3020428B2 JP7052173A JP5217395A JP3020428B2 JP 3020428 B2 JP3020428 B2 JP 3020428B2 JP 7052173 A JP7052173 A JP 7052173A JP 5217395 A JP5217395 A JP 5217395A JP 3020428 B2 JP3020428 B2 JP 3020428B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、交互吸着法によって
分子レベルで構造制御されたタンパク質超薄膜の作成方
法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a protein ultrathin film whose structure is controlled at a molecular level by an alternate adsorption method.

【0002】[0002]

【従来の技術とその課題】従来より、酵素などのタンパ
ク質を固定化する方法としては、水不溶の担体に結合す
る担体固定化法、酵素同士を架橋試薬で架橋して不溶化
する架橋法、高分子ゲルの微細な粒子の中に包み込む包
括法などが広く用いられている。そして、これらのいず
れの方法でも、分子サイズをはるかに超えるサイズの領
域にタンパク質がランダムな配向をもって固定化されて
いる。しかしながら、このうちのいくつかの固定化法で
は、化学反応を伴い、タンパク質の変性を引き起こす場
合がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, methods for immobilizing a protein such as an enzyme include a carrier immobilization method in which the enzyme is bound to a water-insoluble carrier, a cross-linking method in which enzymes are cross-linked with a cross-linking reagent to make them insoluble, and the like. Inclusion methods, such as encapsulation in fine particles of a molecular gel, are widely used. In any of these methods, proteins are immobilized in a region having a size far exceeding the molecular size with a random orientation. However, some of the immobilization methods involve a chemical reaction and may cause protein denaturation.

【0003】また、マイカなどの固体基板をタンパク質
溶液中に浸積し、その表面への吸着によってタンパク質
を固定化する手法が知られている。しかしながら、この
方法にも、基板を乾燥する際にタンパク質の表面変性が
起こるという問題点があり、固定化されるタンパク層の
厚さは固体基板との相互作用が及ぶ範囲に限られ、任意
の厚みのタンパク質薄膜が得られるわけではない。
There is also known a method in which a solid substrate such as mica is immersed in a protein solution and the protein is immobilized by adsorption on the surface. However, this method also has a problem that the surface of the protein is denatured when the substrate is dried, and the thickness of the protein layer to be immobilized is limited to the extent that the interaction with the solid substrate can be performed. It does not necessarily result in a thin protein film.

【0004】さらに最近では、二分子膜形成脂質ととも
にタンパク質をキャストすることによって、タンパク質
を二分子膜間に配向性よく固定化する手法が提案されて
いるが、この手法ではタンパク質/二分子膜水溶液を直
接キャストするため、巨視的な厚みの膜が得られること
になり、コントロールされた分子レベルの厚さの超薄膜
が得られるわけではない。このように、単純な吸着法や
キャスト法などのこれまでの技術では、薄膜の厚さなど
の構造を分子レベルで制御することはできないのが実情
である。
[0004] More recently, a technique has been proposed in which a protein is immobilized between bilayers with good orientation by casting the protein together with a bilayer membrane-forming lipid. Is cast directly, so that a film having a macroscopic thickness can be obtained, and an ultrathin film having a controlled molecular level thickness cannot be obtained. As described above, the existing technology such as the simple adsorption method and the casting method cannot control the structure such as the thickness of the thin film at the molecular level.

【0005】一方、分子サイズの精密さで分子を並べた
薄膜の作成法としては、LB法が知られている。これ
は、脂質のような両親媒性の物質を有機溶媒中に溶解さ
せ、水溶液上に展開し、得られた単分子膜を固体基板上
に移し取ることによって、任意の厚さの薄膜を積層順序
をコントロールしながら積層する方法である。このLB
法をタンパク質に適用しタンパク質の分子レベルの超薄
膜を作成する試みがなされているが、タンパク質の中に
は気−水界面で表面変性して活性を失ってしまうものも
多いので、この手法は一般のタンパク質に広く応用され
るわけではない。また、この方法では、水相にタンパク
質が散逸してしまうという欠点もある。最近、脂質など
で被覆した酵素などを有機溶媒に溶解し、タンパク質を
必要量だけ変性を最小限におさえて水面上に展開する手
法が考案されているが、タンパク質の被覆、有機溶媒へ
の溶解、水面上への展開、およびそれに続くLB膜の作
成という多段階にわたる過程を時間と労力をかけて行う
必要があり、生産性の高い方法とはいえない。一般的に
言って、LB法は生産性に劣っていたり、使用する設備
が高価でかつ取り扱いが容易でないなどの要因により、
タンパク質固定化法として広く採用されるまでにはいた
っていない。
On the other hand, the LB method is known as a method for forming a thin film in which molecules are arranged with the precision of molecular size. This involves dissolving an amphipathic substance such as lipid in an organic solvent, developing it on an aqueous solution, and transferring the resulting monomolecular film onto a solid substrate, thereby laminating a thin film of any thickness. This is a method of laminating while controlling the order. This LB
Attempts have been made to apply the method to proteins to create ultrathin films at the molecular level of proteins.However, many proteins lose their activity due to surface modification at the air-water interface. It is not widely applied to general proteins. In addition, this method has a disadvantage that the protein is dissipated in the aqueous phase. Recently, a method has been devised in which an enzyme coated with lipids or the like is dissolved in an organic solvent and the protein is spread on the water surface with minimal denaturation by a required amount. It is necessary to take time and effort to perform a multi-step process of developing the LB film on the surface of the water and the subsequent production of the LB film, which is not a highly productive method. Generally speaking, the LB method is inferior in productivity, and the equipment used is expensive and the handling is not easy.
It has not yet been widely adopted as a protein immobilization method.

【0006】さらにまた、水溶液の代わりに水銀上にタ
ンパク質を展開し、配列したタンパク質層を変性を伴わ
ずに形成する方法も提案されているが、この方法では毒
性の強い水銀を用いるため特殊でかつ高価な装置を用い
る必要があり、広く採用されるようには至っていない。
このように、水溶液や水銀上にタンパク質を展開する方
法では、安全性、表面変性、生産性の低さ、設備の高価
さが問題となる。
[0006] Furthermore, a method has been proposed in which a protein is spread on mercury instead of an aqueous solution to form an arrayed protein layer without denaturation. In addition, it is necessary to use an expensive device, and it has not been widely adopted.
As described above, in the method of developing a protein on an aqueous solution or mercury, safety, surface denaturation, low productivity, and expensive equipment become problems.

【0007】タンパク質を他の成分と交互吸着させる方
法も、最近、いくつか報告されており、その中のひとつ
は、ビチオン−アビジンという特殊なタンパク質間の相
互作用に基づいたものであるが、タンパク質を労力をか
けて化学修飾する必要があり、どのようなタンパク質に
対しても簡便に適用できる手法ではないという制約があ
る。また、タンパク質をジルコニウムフォスフェートや
両頭性の脂質(bolaamphiphiles) を静電的な相互作用に
よって交互に吸着する方法が提案されているが、これら
の例では、タンパク質間をつなぎ止めている成分が剛直
なためか、積層は数層程度に限られ、また、限られた種
類のタンパク質にしか適用されていない。
[0007] Recently, several methods for alternately adsorbing a protein with other components have been reported, one of which is based on the interaction between a special protein called biotin-avidin. Has to be chemically modified with great effort, and this method is not easily applicable to any protein. In addition, methods of alternately adsorbing proteins by zirconium phosphate and biphasic lipids (bolaamphiphiles) by electrostatic interaction have been proposed. For some reason, lamination is limited to about several layers, and is applied only to a limited type of protein.

【0008】以上の通り、従来の手法によってタンパク
質の超薄膜を作成する場合には、作成中のタンパク質の
変性、膜厚等の構造制御の難しさ、特定のタンパク質に
しか用いられないという一般性の欠如、設備の高価さ、
作成技術の難しさが問題点としてあげられる。そこで、
この発明は、以上の通りの従来技術の欠点を解消し、タ
ンパク質の変性を伴わず、任意のタンパク質によって、
任意の層数だけ、分子レベルで構造制御して積層したタ
ンパク質の超薄膜を簡便に作成することのできる新しい
方法を提供することを目的としている。
As described above, when an ultra-thin protein film is prepared by the conventional method, it is difficult to control the structure of the protein during formation, such as denaturation of the protein, the film thickness, etc., and the generality that it is used only for a specific protein. Lack of equipment, expensive equipment,
One of the problems is the difficulty of the preparation technology. Therefore,
The present invention solves the above-mentioned drawbacks of the prior art, and does not involve denaturation of the protein, and can be performed by any protein.
It is an object of the present invention to provide a new method that can easily form an ultrathin film of a protein by controlling the structure at a molecular level for an arbitrary number of layers and stacking it.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、単一のタンパク質の溶液とそれ
に対し反対荷電を有する有機高分子イオンの溶液に固体
基板を交互に浸漬することによって、タンパク質薄膜を
変性を伴わずに静電相互作用によって固体基板上に分子
レベルで構造制御されたタンパク質超薄膜を形成するこ
とを特徴とする交互吸着法によるタンパク質超薄膜作成
法(請求項1)を提供する。
The present invention solves the above-mentioned problems by alternately immersing a solid substrate in a solution of a single protein and a solution of an organic polymer ion having an opposite charge thereto. Forming an ultra-thin protein film having a structure controlled at a molecular level on a solid substrate by electrostatic interaction without denaturation of the protein thin film by means of an alternate adsorption method. )I will provide a.

【0010】また、この発明は上記方法において、タン
パク質と有機高分子イオンの交互積層を所要回数繰り返
して超薄膜を形成する方法(請求項2)、さらには、
荷電を有するか、あるいは荷電を固定化した固体基板
を、この固体基板とは正味の反対荷電を有する有機高分
子イオンまたはタンパク質の溶液に浸漬し、固体基板上
の荷電の中和および過剰荷電の飽和による表面荷電の逆
転を行い、さらに、それとは逆の正味荷電を有するタン
パク質または有機高分子イオンの溶液に浸漬して表面荷
電の中和および過剰荷電の飽和による表面荷電の逆転を
行う過程を、単一のタンパク質の溶液と有機高分子イオ
ンの溶液を交互に用いて所要回数繰り返して、分子レベ
ルで構造制御されたタンパク質超薄膜を得る方法(請求
項3)をも提供する。
Further, in the present invention is the above method, the alternate lamination of the protein and an organic polymer ion repeated required number of times a method of forming an ultra-thin film (claim 2), furthermore,
A solid substrate having a charge or immobilized charge is immersed in a solution of an organic polymer ion or protein having a net opposite charge to the solid substrate to neutralize the charge on the solid substrate and to overcharge. The process of performing surface charge reversal due to saturation, and further immersing in a solution of a protein or organic polymer ion having the opposite net charge to neutralize the surface charge and reverse the surface charge due to saturation of excess charge. The present invention also provides a method for obtaining a protein ultrathin film whose structure is controlled at a molecular level by repeating a required number of times using a solution of a single protein and a solution of an organic polymer ion alternately.

【0011】[0011]

【作用】この発明においては、上記の方法によって、分
子レベルの膜厚をもち、しかも活性を保持したタンパク
質超薄膜が任意の層数だけ形成される。このようなタン
パク質超薄膜が形成されるのは、以下のような原理に基
づいている。すなわち、まず、タンパク質と反対荷電を
有する固体基板表面をタンパク質の水溶液に浸漬させる
と、静電相互作用によってタンパク質が吸着する。その
際に、タンパク質は基板表面上の荷電を中和するのみな
らず、過剰に吸着して、表面には新たな荷電が現れる。
これをタンパク質とは反対の荷電を持つ有機高分子イオ
ンの水溶液中に浸漬させると、有機高分子イオンによる
荷電の中和および過剰吸着によって、表面には新たな反
対荷電が現れる。この過程を繰り返すことによって、タ
ンパク質と有機高分子イオンの交互吸着が実質上無限に
行われる。また、それぞれのステップにおける過剰吸着
量は、荷電の飽和によって制限され、各同一定量のタン
パク質および有機高分子イオンが固定化されることとな
る。
According to the present invention, an arbitrary number of ultrathin protein films having a film thickness at the molecular level and maintaining the activity are formed by the above method. The formation of such a protein ultrathin film is based on the following principle. That is, first, when the surface of a solid substrate having a charge opposite to that of a protein is immersed in an aqueous solution of the protein, the protein is adsorbed by electrostatic interaction. At that time, the protein not only neutralizes the charge on the substrate surface, but also adsorbs excessively, and a new charge appears on the surface.
When this is immersed in an aqueous solution of an organic polymer ion having a charge opposite to that of the protein, a new opposite charge appears on the surface due to neutralization and excessive adsorption of the charge by the organic polymer ion. By repeating this process, alternate adsorption of proteins and organic polymer ions is performed substantially indefinitely. In addition, the amount of excess adsorption in each step is limited by the saturation of the charge, and the same amount of protein and organic polymer ions is immobilized.

【0012】以上の作成原理からわかるように、この発
明の方法ではタンパク質の水溶液をそのまま用いること
ができるため、タンパク質の変性を避けることができ
る。また、タンパク質の吸着が静電的な相互作用に基づ
いており、あらゆるタンパク質がなんらかの表面荷電を
有していることを考えると、この発明の方法は水溶性の
タンパク質に広く応用される手法であるといえる。つま
り、タンパク質の表面荷電は溶液中のpHによって制御
することができるので、タンパク質水溶液のpHや相手
の有機高分子イオンを適宜に選ぶことによって、広範囲
の種類のタンパク質が固定化されることになる。
As can be seen from the above principle of preparation, in the method of the present invention, since an aqueous solution of a protein can be used as it is, denaturation of the protein can be avoided. Also, considering that protein adsorption is based on electrostatic interaction and that all proteins have some surface charge, the method of the present invention is a method widely applied to water-soluble proteins. It can be said that. In other words, since the surface charge of the protein can be controlled by the pH in the solution, a wide variety of proteins can be immobilized by appropriately selecting the pH of the aqueous protein solution and the partner organic polymer ion. .

【0013】また、この発明の方法では、タンパク質の
形状に応じて自由にコンフォメーションを変えることの
できる柔軟な有機高分子イオンをタンパク質の固定化に
用いているため、ジルコニウムフォスフェートや両頭性
の脂質(bolaamphiphiles)などの剛直な成分を用いた場
合に比して、広い範囲のタンパク質に適用される。しか
も、本手法は基板をタンパク質水溶液や有機高分子イオ
ン水溶液に浸けるだけという、極めて簡便な手法で短時
間に行われ、特別な設備をほとんど必要としない。
In the method of the present invention, since a flexible organic polymer ion whose conformation can be freely changed according to the shape of the protein is used for immobilizing the protein, zirconium phosphate or double-headed It is applied to a wider range of proteins than when rigid components such as lipids (bolaamphiphiles) are used. In addition, this method is performed in a short time using a very simple method of merely immersing the substrate in an aqueous solution of a protein or an aqueous solution of an organic polymer ion, and requires almost no special equipment.

【0014】そこで、より具体的にこの発明の方法につ
いて説明すると、まず、この発明で使用する有機高分子
イオンは、荷電を有する官能基を主鎖または側鎖に持つ
高分子のことをいう。この場合、ポリアニオンとして
は、一般的に、スルホン酸、硫酸、カルボン酸など負荷
電を帯びることのできる官能基を有するものであり、た
とえば、ポリスチレンスルホン酸(PSS)、ポリビニ
ル硫酸(PVS)、デキストラン硫酸、コンドロイチン
硫酸、ポリアクリル酸(PAA)、ポリメタクリル酸
(PMA)、ポリマレイン酸、ポリフマル酸などが用い
られる。また、ポリカチオンとしては、一般に、4級ア
ンモニウム基、アミノ基などの正荷電を帯びることので
きる官能基を有するもの、たとえば、ポリエチレンイミ
ン(PEI)、ポリアリルアミン塩酸塩(PAH)、ポ
リジアリルジメチルアンモニウムクロリド(PDD
A)、ポリビニルピリジン(PVP)、ポリリジンなど
を用いることができる。これらの有機高分子イオンは、
いずれも水溶性あるいは水と有機溶媒との混合液に可溶
なものである。
Therefore, the method of the present invention will be described more specifically. First, the organic polymer ion used in the present invention refers to a polymer having a charged functional group in a main chain or a side chain. In this case, the polyanion generally has a negatively charged functional group such as sulfonic acid, sulfuric acid, and carboxylic acid. Examples thereof include polystyrenesulfonic acid (PSS), polyvinyl sulfate (PVS), and dextran. Sulfuric acid, chondroitin sulfate, polyacrylic acid (PAA), polymethacrylic acid (PMA), polymaleic acid, polyfumaric acid and the like are used. The polycation generally has a positively charged functional group such as a quaternary ammonium group or an amino group, such as polyethyleneimine (PEI), polyallylamine hydrochloride (PAH), or polydiallyldimethyl. Ammonium chloride (PDD
A), polyvinylpyridine (PVP), polylysine and the like can be used. These organic polymer ions are
Both are water-soluble or soluble in a mixture of water and an organic solvent.

【0015】また、導電性高分子、ポリ(アニリン−N
−プロパンスルホン酸)(PAN)などの機能性高分子
イオン、種々のデオキシリボ核酸(DNA)やリボ核酸
(RNA)、ペクチンなどの荷電を有する多糖類などの
荷電を持つ生体高分子を用いることもできる。タンパク
質は水溶性であれば一般的に表面に荷電を有するので、
種類を問わず用いることができる。たとえば、チトクロ
ーム(Cyt;分子量12400、等電点10.1)、
リゾチーム(Lys;分子量14000、等電点1
1)、ヒストンf3(His;分子量15300、等電
点11)、ミオグロビン(Mb;分子量17800、等
電点7.0)、ヘモグロビン(Hb;分子量6400
0、等電点6.8)、グルコースオキシダーゼ(GO
D;分子量186000、等電点4.2)、グルコアミ
ラーゼ(GA;分子量100000、等電点4.2)、
アルコール脱水素酵素(ADH;分子量100000、
等電点9)、ジアホラーゼ(DA;分子量70000
0、等電点4)などが例としてあげられる。固体基板と
しては、銀(表面アニオン性)、ガラスや石英(表面ア
ニオン性)、表面荷電を持つポリマーフィルムなどのよ
うに表面に荷電のあるもの、あるいは、金(表面には、
メルカプトプロピオン酸などの吸着により荷電を導入す
ることができる)や種々の電極などのように荷電を導入
することができるものであればどのようなものでも用い
ることができる。
Further, a conductive polymer, poly (aniline-N
-Charged biopolymers such as functional polymer ions such as -propanesulfonic acid) (PAN), charged polysaccharides such as various deoxyribonucleic acids (DNA) and ribonucleic acids (RNA), and pectin can also be used. it can. Since proteins generally have a charge on the surface if they are water-soluble,
Any type can be used. For example, cytochrome (Cyt; molecular weight 12400, isoelectric point 10.1),
Lysozyme (Lys; molecular weight 14000, isoelectric point 1
1), histone f3 (His; molecular weight 15300, isoelectric point 11), myoglobin (Mb; molecular weight 17800, isoelectric point 7.0), hemoglobin (Hb; molecular weight 6400)
0, isoelectric point 6.8), glucose oxidase (GO
D; molecular weight 186000, isoelectric point 4.2), glucoamylase (GA; molecular weight 100,000, isoelectric point 4.2),
Alcohol dehydrogenase (ADH; molecular weight 100,000;
Isoelectric point 9), diaphorase (DA; molecular weight 70000)
0, isoelectric point 4) and the like. As a solid substrate, a substrate having a surface charge such as silver (surface anionic), glass or quartz (surface anion), a polymer film having a surface charge, or gold (a surface has
Charge can be introduced by the adsorption of mercaptopropionic acid or the like), or any electrode that can introduce charge such as various electrodes can be used.

【0016】タンパク質および有機高分子イオンは基本
的に水溶液とするが、溶解性に応じて有機溶媒を混合さ
せることもできる。それぞれの溶液濃度はタンパク質や
有機高分子イオンの溶解性に依存するが、吸着過程が固
定化されている荷電の中和および再飽和に基づいている
ので、特に厳密な濃度設定は必要としない。標準的な濃
度例としては、タンパク質溶液が1mg/ml、有機高
分子イオンは1−3mg/mlが挙げられるが、この濃
度範囲に限定されるものではない。また、必要に応じて
酸やアルカリのなどの添加あるいは緩衝液の使用によっ
て溶液のpHを調整し、タンパク質および有機高分子イ
オンが充分に荷電を持つようにする。
Although the protein and the organic polymer ion are basically made into an aqueous solution, an organic solvent can be mixed depending on the solubility. Although the concentration of each solution depends on the solubility of the protein or the organic polymer ion, it is not necessary to set a particularly strict concentration because the adsorption process is based on the neutralization and resaturation of the immobilized charge. Examples of standard concentrations include a protein solution of 1 mg / ml and an organic polymer ion of 1-3 mg / ml, but are not limited to this concentration range. If necessary, the pH of the solution is adjusted by adding an acid or an alkali or using a buffer so that the protein and the organic polymer ion are sufficiently charged.

【0017】この発明の方法を、その操作手順として説
明すると、たとえば、まず、表面に荷電を有する固体基
板を2種類の有機高分子イオン溶液(ポリカチオンとポ
リアニオン)に交互に浸し、柔軟な有機高分子イオンの
薄膜を固体基板上に作成する。最終的に目的とするタン
パク質とは反対荷電を有する有機高分子イオンを最外層
に固定化する。その後、タンパク質水溶液への浸漬、水
による洗浄、有機高分子イオン水溶液への浸漬、水によ
る洗浄、の過程を繰り返すことによって、タンパク質の
多層超薄膜を作成する。もちろん、有機高分子イオンは
適当な荷電条件を満たすものであれば、一種類に限定さ
れることはなく、異なる有機高分子イオン層を併せ持つ
超薄膜を得ることもできる。また、有機高分子イオンの
溶液としては同荷電のポリマーを混合して用いることも
できる。例えば、モンモリロナイトなどの粘土化合物を
有機高分子イオンと混合させてそれらを複合化させた薄
膜を積層することもできる。
The method of the present invention will be described as an operation procedure. For example, first, a solid substrate having a charged surface is alternately immersed in two kinds of organic polymer ion solutions (polycation and polyanion) to form a flexible organic substrate. A thin film of a polymer ion is formed on a solid substrate. Finally, an organic polymer ion having a charge opposite to that of the target protein is immobilized on the outermost layer. Thereafter, a process of immersing in a protein aqueous solution, washing with water, immersing in an organic polymer ion aqueous solution, and washing with water is repeated to form a multilayer ultrathin protein film. Of course, the organic polymer ion is not limited to one kind as long as it meets an appropriate charge condition, and an ultrathin film having different organic polymer ion layers can be obtained. Further, as the solution of the organic polymer ion, a polymer having the same charge can be mixed and used. For example, a clay compound such as montmorillonite may be mixed with an organic polymer ion to form a composite thin film to form a thin film.

【0018】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明の構成と作用効果について説明する。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples.

【0019】[0019]

【実施例】実施例1−3 この発明の方法によって、タンパク質層が繰り返し、一
定量ずつ固定化していることを示すため、銀電極で被覆
した水晶発振子上へのタンパク質の固定化を行った。水
晶発振子はマイクロバランスとして知られ、振動数変化
よりその表面上に固定化された物質量を10-9gの精度
で測定することができるデバイスである。銀電極(面積
約0.2cm2 )の表面は部分的な酸化のためアニオン
性となっている。まず銀電極水晶発振子上にポリカチオ
ンあるいはポリアニオンを固定化し、その表面へのタン
パク質の吸着速度を求めた。実施例1としてPSS(ポ
リスチレンスルホン酸)へのMbの吸着を、実施例2と
してPSSへのLysの吸着を、実施例3としてPEI
(ポリエチレンイミン)へのGODの吸着を測定した。
EXAMPLE 1-3 According to the method of the present invention, protein was immobilized on a quartz crystal covered with a silver electrode to show that the protein layer was repeatedly immobilized by a fixed amount. . A crystal oscillator is known as a microbalance, and is a device that can measure the amount of a substance fixed on its surface with an accuracy of 10 −9 g from a change in frequency. The surface of the silver electrode (area about 0.2 cm 2 ) is anionic due to partial oxidation. First, a polycation or polyanion was immobilized on a silver electrode crystal oscillator, and the protein adsorption rate on the surface was determined. Example 1 shows the adsorption of Mb on PSS (polystyrene sulfonic acid), Example 2 shows the adsorption of Lys on PSS, and Example 3 shows PEI.
(Polyethyleneimine) GOD adsorption was measured.

【0020】図1は、Mb(ミオグロビン)の吸着に基
づく水晶発振子の振動数変化を示したものである。この
場合、吸着の時定数はおよそ3分であり、10分以内に
吸着は平衡に達する。この例は、吸着が平衡に達し一定
量のMbが吸着されていること、および、この過程が1
0分以内という短い時間内に終了することを示してい
る。この場合も含めて、タンパク吸着の時定数を表1に
示した。いずれの場合も吸着過程は、10−15分程度
の時間しか要さない。これは、種々のプロセスを経て作
成されるLB法などの従来の方法に比べると、極めて短
い操作時間である。
FIG. 1 shows a change in the frequency of a crystal oscillator based on the adsorption of Mb (myoglobin). In this case, the time constant of the adsorption is approximately 3 minutes, and the adsorption reaches equilibrium within 10 minutes. This example shows that the adsorption has reached equilibrium and a certain amount of Mb has been adsorbed, and that
This indicates that the processing is completed within a short time of less than 0 minutes. Table 1 shows the time constant of protein adsorption including this case. In either case, the adsorption process requires only about 10-15 minutes. This is an extremely short operation time compared to conventional methods such as the LB method created through various processes.

【0021】[0021]

【表1】 [Table 1]

【0022】実施例4−13 次に、種々のタンパク質の多層積層について検討した。
操作法は、タンパク質に対しほぼ共通であるので、Mb
の場合を例として示す。まず、銀電極水晶発振子を1.
5mg/mlPEI水溶液中に浸漬し、カチオン性の有
機高分子イオンを吸着させた。水洗浄後、3mg/ml
PSS水溶液に基板を浸し、基板表面をアニオン性の柔
軟な有機高分子イオンで覆った。次に、この基板をHC
lでpH4ないし5に調整した1mg/mlのカチオン
性Mb水溶液と3mg/mlPSS水溶液に水による洗
浄過程をはさんで交互に浸し、この過程を繰り返すこと
によりMbとPSSの交互積層膜を得た。なお、一回の
吸着過程に要する時間は10−20分程度であり、ビー
カーなど通常の実験機器以外には特別な設備は必要とさ
れない。図2は、この場合(実施例4)の吸着過程の振
動数変化を示したものであるが、一定量の吸着が繰り返
し行われていることがわかる。
Example 4-13 Next, multilayer lamination of various proteins was examined.
Since the procedure is almost common to proteins, Mb
The case of is shown as an example. First, a silver electrode crystal oscillator was used for 1.
It was immersed in a 5 mg / ml PEI aqueous solution to adsorb cationic organic polymer ions. After washing with water, 3mg / ml
The substrate was immersed in a PSS aqueous solution, and the substrate surface was covered with an anionic flexible organic polymer ion. Next, this substrate is
1 and alternately immersed in a 1 mg / ml aqueous solution of cationic Mb adjusted to pH 4 to 5 and a 3 mg / ml aqueous solution of PSS with a washing process with water interposed therebetween, and by repeating this process, an alternate laminated film of Mb and PSS was obtained. . The time required for one adsorption process is about 10 to 20 minutes, and no special equipment is required other than ordinary laboratory equipment such as a beaker. FIG. 2 shows the frequency change in the adsorption process in this case (Example 4). It can be seen that a constant amount of adsorption is repeatedly performed.

【0023】表2には、他のタンパク質の場合における
結果も含めて示した。タンパク質を無作為に選んだにも
かかわらず、いずれの場合も約5%の精度で再現性のよ
い振動数変化値が得られた。これは、この発明の方法
が、広い範囲のタンパク質に応用されることを示す結果
である。また、吸着による振動数変化はタンパク質の分
子量との間によい相関があり、分子量の大きいタンパク
質はより大きな振動数変化を示した。水晶発振子の実表
面積を考慮した計算により、これらのタンパク質は密に
パッキングした単分子層を形成されていることが明らか
である。
Table 2 shows the results for other proteins. Despite the random choice of protein, reproducible frequency change values were obtained with approximately 5% accuracy in each case. This is a result showing that the method of the present invention is applied to a wide range of proteins. In addition, the change in frequency due to adsorption had a good correlation with the molecular weight of the protein, and the protein with a higher molecular weight showed a larger change in frequency. Calculations taking into account the actual surface area of the crystal oscillator reveal that these proteins form a tightly packed monolayer.

【0024】[0024]

【表2】 [Table 2]

【0025】表2に示した実施例の8と9を見るとわか
るように、溶液のpHを変えることによって、同一のタ
ンパク質を全く反対荷電の有機高分子イオンを相手とし
て積層することも可能である。走査型電子顕微鏡写真を
示した図3(25,000倍)、図4(80,000
倍)および図5(90,000倍)は実施例10によっ
て作成されたタンパク質超薄膜についてのものである
が、スムーズな表面を有する構造が得られていることが
わかる。
As can be seen from Examples 8 and 9 shown in Table 2, it is also possible to laminate the same protein with the oppositely charged organic polymer ion by changing the pH of the solution. is there. FIG. 3 (25,000 times) and FIG. 4 (80,000)
5) and FIG. 5 (90,000 times) are for the protein ultra-thin film prepared in Example 10, and it can be seen that a structure having a smooth surface is obtained.

【0026】また、表2に示した実施例11−13から
わかるように有機高分子イオン成分として、導電性高分
子であるPANや生体高分子であるDNAを用いて積層
化することもできる。これらの例は、この発明の方法に
よってより高度に機能化された積層膜が得られることを
示している。実施例14 次に、同様な薄膜を表面がアニオン性の石英基板上に作
成し、積層されたタンパク質層の活性を分光学的に検討
した。
Further, as can be seen from Examples 11 to 13 shown in Table 2, the organic polymer ion component can be laminated using PAN which is a conductive polymer or DNA which is a biopolymer. These examples show that the method of the present invention can provide a highly functionalized laminated film. Example 14 Next, a similar thin film was formed on a quartz substrate having an anionic surface, and the activity of the laminated protein layer was examined spectroscopically.

【0027】実施例14として、実施例4と同様な条件
で、石英基板上にMbとPSSの交互積層膜を作成し
た。図6には各積層数におけるUVスペクトルデータを
示した。400nm付近の吸収ピークはMbの活性中心
に存在するボルフィリンのSoret 吸収帯である。この吸
収ピークはMbが変性することなく天然の活性を保持す
ることを反映したものであるが、層数に比例して吸収強
度が増加している。これは、積層膜中でもMbの活性が
保持されていることを証明するものである。実施例15 実施例15として実施例10と同様な条件で、石英基板
上にGODとPEIの交互積層膜を作成した。この膜
を、グルコース、phenazine methylsulfate 、iodonitr
otetrazolium violet を含む溶液中に浸漬したところ、
30分以内に膜がiodonitroformazaneに基づく紫色に着
色されるのが観測された。この結果を、UVスペクトル
の形で図7に示した。GODの活性を示す600nm付
近の吸収ピークが層数とともに増加した(グラフ中で1
がGOD1層膜、2が2層膜のスペクトルを示す)。こ
の結果は、積層膜中においてGODが本来の活性を持つ
ことを示すものであり、外側のGODだけではなく内側
のGODも機能していることがわかる。
As Example 14, an alternately laminated film of Mb and PSS was formed on a quartz substrate under the same conditions as in Example 4. FIG. 6 shows UV spectrum data at each number of layers. The absorption peak near 400 nm is the Soret absorption band of porphyrin present in the active center of Mb. Although this absorption peak reflects that Mb retains its natural activity without denaturation, the absorption intensity increases in proportion to the number of layers. This proves that the activity of Mb is maintained even in the laminated film. Example 15 As Example 15, an alternately laminated film of GOD and PEI was formed on a quartz substrate under the same conditions as in Example 10. This membrane is treated with glucose, phenazine methylsulfate, iodonitr
When immersed in a solution containing otetrazolium violet,
Within 30 minutes, it was observed that the membrane was colored purple based on iodonitroformazane. The result is shown in FIG. 7 in the form of a UV spectrum. The absorption peak near 600 nm indicating the activity of GOD increased with the number of layers (1 in the graph).
Indicates the spectrum of the GOD single-layer film, and 2 indicates the spectrum of the two-layer film. This result indicates that GOD has the original activity in the laminated film, and it can be seen that not only the outer GOD but also the inner GOD function.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上、詳しく説明したように、この発明
においては、有機高分子イオンを用いる交互吸着によっ
て、様々なタンパク質薄膜が、任意の層数、任意の組み
合わせで、変性を伴わずに、作成される。この発明の方
法で作成されたタンパク質薄膜は、電子デバイスなどと
組み合わせることによって、タンパク質の高機能を持ち
超薄膜という形態に基づく素速いレスポンス能を有する
分子素子の開発に用いられる。
As described above in detail, in the present invention, various protein thin films can be formed in any number of layers and in any combination without denaturation by alternate adsorption using organic polymer ions. Created. The protein thin film prepared by the method of the present invention is used in combination with an electronic device or the like to develop a molecular element having a high function of a protein and a quick response capability based on an ultrathin film.

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

【図1】実施例1のタンパク質吸着過程の時間変化に基
づく水晶発振子振動数変化を示した図である。
FIG. 1 is a diagram showing a change in the frequency of a crystal oscillator based on a time change in a protein adsorption process in Example 1.

【図2】実施例4で作成された薄膜の水晶発振子振動数
変化を示した図である。
FIG. 2 is a diagram showing a change in the crystal oscillator frequency of a thin film formed in Example 4.

【図3】実施例10で作成された薄膜の図面の代わる走
査型電子顕微鏡写真(2万5千倍)である。
FIG. 3 is a scanning electron micrograph (25,000 times) of a drawing of a thin film formed in Example 10 in place of a drawing.

【図4】図3に対応する8万倍の図面に代わる写真であ
る。
FIG. 4 is a photograph replacing the 80,000-fold drawing corresponding to FIG. 3;

【図5】図3に対応する9万倍の図面に代わる写真であ
る。
FIG. 5 is a photograph replacing the 90,000-fold drawing corresponding to FIG. 3;

【図6】実施例14で形成された薄膜のUVスペクトル
図である。
FIG. 6 is a UV spectrum diagram of a thin film formed in Example 14.

【図7】実施例15のGOD活性試験に基づくUVスペ
クトル図である。
FIG. 7 is a UV spectrum chart based on the GOD activity test of Example 15.

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C08J 5/00 - 5/24 B01J 19/00 Continuation of front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C08J 5/00-5/24 B01J 19/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 単一のタンパク質の溶液とこのタンパク
質とは反対の荷電を有する有機高分子イオンの溶液中に
固体基板を交互に浸漬し、固体基板上に分子レベルで構
造制御されたタンパク質超薄膜を得ることを特徴とする
交互吸着法によるタンパク質超薄膜作成法。
[Claim 1] A protein <br/> protein solution Toko single protein solids substrate was immersed alternately in a solution of organic polymer ions having a charge opposite to the solid substrate by the molecular-level structure A method for producing a protein ultrathin film by an alternate adsorption method, which comprises obtaining a controlled protein ultrathin film.
【請求項2】 タンパク質と有機高分子イオンの交互積
層を所要回数繰り返して超薄膜を得る請求項1の方法。
2. The method according to claim 1, wherein the alternate lamination of proteins and organic polymer ions is repeated a required number of times to obtain an ultrathin film.
【請求項3】 荷電を有するか、あるいは荷電を固定化
した固体基板を、固体基板とは正味の反対荷電を有する
有機高分子イオンまたはタンパク質の溶液に浸漬して固
体基板上の荷電の中和および過剰荷電の飽和による表面
荷電の逆転を行い、さらに、それとは逆の正味荷電を有
するタンパク質または有機高分子イオンの溶液に浸漬し
表面荷電の中和および過剰荷電の飽和による表面荷電の
逆転を行う過程を、単一のタンパク質の溶液と有機高分
子イオンの溶液を交互に用いて所要回数繰り返して固体
基板上に分子レベルで構造制御されたタンパク質超薄膜
を得ることを特徴とする交互吸着法によるタンパク質超
薄膜作成法。
3. A method for neutralizing a charge on a solid substrate by immersing a charged or immobilized solid substrate in a solution of an organic polymer ion or protein having a net opposite charge to the solid substrate. And reverses the surface charge by saturation of the excess charge, and then immerses it in a solution of a protein or organic polymer ion having the opposite net charge to neutralize the surface charge and reverse the surface charge by saturation of the excess charge. An alternate adsorption method characterized in that the process is repeated a required number of times using a solution of a single protein and a solution of an organic polymer ion alternately to obtain an ultrathin protein film whose structure is controlled at the molecular level on a solid substrate. Of ultra-thin protein film
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