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JP4288053B2 - Enzyme activity control method, molecular switch, metal measurement method, and metal measurement device - Google Patents
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JP4288053B2 - Enzyme activity control method, molecular switch, metal measurement method, and metal measurement device - Google Patents

Enzyme activity control method, molecular switch, metal measurement method, and metal measurement device Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属酵素における酵素活性の制御方法と、制御された酵素活性を指標にしたモレキュラースイッチ、金属の計測方法および金属の計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、環境問題への関心が高まる中、その汚染要因の一つである重金属の計測法が注目されている。多くの金属は人体にとって必須であるため、摂取量が少なければ生体に影響を及ぼし、逆に過剰に摂取しすぎても害となったりする。
【0003】
一般の金属の定量には、比色法や原子吸光分析法が使用されており、更に微量の試料に関しては、原子吸光分析や、高周波誘導結合プラズマ発光分析によって金属の定量が行われる。
【0004】
一方、酵素タンパク質とその基質等との特異的な反応を利用して、基質等の化合物を検出できる電気化学センサーが開発されている(特許文献1参照)。また、例えばタンパク質等のポリマーを少なくとも2つの電極に連結したセンサーも提案されている(特許文献2参照)。
【0005】
特許文献1記載のセンサーは、支持材にアンカー基を介してタンパク質を固定したものであり、固定されたタンパク質の活性を変化させる操作は行われない。特許文献2記載のセンサーについても、電極に結合されたタンパク質の活性を変化させる操作は行われない。
【0006】
電気化学的手法を用いたことにより、金属酵素から金属イオンが脱離した報告として、金属酵素の一種であるアルカリホスファターゼを含む溶液について等電点電気泳動を行った結果、酵素活性が消失し、付与することにより回復したという事例がある(非特許文献1参照)。
【0007】
この等電点電気泳動はタンパク質の精製において、通常用いられる手法のひとつであり、その結果、酵素活性に影響が生じたことを報告するものであり、当該酵素活性を意図して消失、また回復させて使おうとしたものではない。
【0008】
電気化学的に酵素活性を制御する先行技術として、酵素反応系において、酸化反応で生じた補酵素NADH(還元形NAD)を電気化学的方法によりNAD+(ニコチンアミドジヌクレオチド)に再生し、酸化反応を促進させる報告がある(非特許文献2参照)。
【0009】
また、これと類似の、酵素の基質を電気化学的に再生させ、酵素活性を制御する方法は数多く報告されている。しかし、基質ではなく、酵素自身を構成する一要素を電気的に脱離させることにより、活性を制御した報告はなされていない。
【0010】
金属酵素は、活性を発現するために、当該酵素に特有の金属を保持していなければならないことが広く知られている。その金属をキレート剤を用いて除去すると、酵素活性は消失するが、消失した酵素活性は金属イオンの付与により回復する。
【0011】
このような金属の除去と付与により酵素活性を制御し、この酵素活性を指標として当該金属を計測する方法が報告されている(非特許文献3参照)。この場合、活性を制御するための金属の脱離はキレート剤を用いて行っている。
【0012】
【特許文献1】
特開平8−233773号公報
【特許文献2】
特表平10−507521号公報
【非特許文献1】
A. Latner, M. E. Parsons, A. W. Skillen, Biochem. J, 118, 299 (1970)
【非特許文献2】
O. Miyawaki and T. Yano, Enzyme Microb. Technol., 14, 474 (1992)
【非特許文献3】
I. Satoh, “Biosensing of heavy metal ions based on specific interactions with apoenzymes", In Advances in Molecular and Cell Biology, eds., B. Danielsson and L. B▲u▼low, 15B, Greenwich, CT, U.S.A. JAI Press Inc., 1996, pp. 461-471.
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法は、金属酵素中の金属を除去するため、キレート剤や変性剤の添加といった、薬剤の作用を用いていた。しかしながら、キレート剤等の薬剤の添加により金属酵素から金属を完全に除去するには、所定の濃度の薬剤を含有する溶液を調製する必要がある。
【0014】
また、薬剤の添加により失活した金属酵素の活性を回復させるには、キレート剤等が含まれない溶液に置換してから金属酵素に金属を付与する必要があり、溶液の調製や置換の時間を要するだけでなく、操作が煩雑となる。また、薬剤を含有する溶液の調製量が多い場合や、溶液中の薬剤が高濃度である場合には、薬剤が環境に負荷をかける問題もある。
【0015】
必要に応じて特定の酵素反応が起こり、不要なときは酵素が不活性化するような酵素はモレキュラースイッチとして利用できる。特に、そのような用途に用いる酵素では酵素活性を可逆的に変化させる必要がある。
【0016】
例えば、タンパク質の断片化に利用されるサーモリシン等の各種の金属酵素では、配位している金属の有無によって活性が制御されることが知られている。そのような金属酵素から金属を可逆的に除去し、酵素活性を制御したい場合、添加量によってはタンパク質が不可逆的に変性する変性剤の使用は好ましくない。
【0017】
また、前述したように、試料中の微量の金属を分析する方法としては、原子吸光分析や高周波誘導結合プラズマ発光分析が挙げられるが、これらの方法は大型で高価な機器や、機器の高額な維持費を必要とする。したがって、目的とする金属を従来よりも簡便、迅速かつ安価に計測できる方法が望まれている。
【0018】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、したがって本発明は、簡便で安価、かつ安全性に優れた方法で酵素活性を精度よく制御できる酵素活性の制御方法提供することを目的とする。
また、本発明は、酵素反応を利用して簡便、迅速かつ安価に金属を検出できる金属の計測方法と計測装置を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の酵素活性の制御方法は、金属酵素において酵素活性の発現に必須な金属を前記金属酵素から電気化学的に脱離させ、前記酵素活性を消失または減少させる工程を有することを特徴とする。本発明の酵素活性の制御方法は、好適には、前記酵素活性が消失または減少した前記金属酵素に、前記金属を付与して前記酵素活性を回復させる工程をさらに有する。
【0021】
上記の目的を達成するため、本発明の金属の計測方法は、金属酵素において酵素活性の発現に必須な金属を前記金属酵素から電気化学的に脱離させ、前記酵素活性を消失または減少させる工程と、前記酵素活性が消失または減少した前記金属酵素に試料を供給する工程と、前記試料の供給により回復した酵素活性を指標として、前記試料中の前記金属の量を計測する工程とを有することを特徴とする。
【0022】
また、上記の目的を達成するため、本発明の金属の計測装置は、金属酵素が固定された担体と、該担体が充填されたカラムと、該カラムに通液させる通液手段と、前記カラムに定電流または定電位を印加し、前記金属酵素において酵素活性の発現に必須な金属を前記金属酵素から電気化学的に脱離させ、前記酵素活性を消失または減少させる印加手段と、前記カラムに前記金属酵素の基質を供給する基質供給手段と、前記カラムに試料を供給する試料供給手段と、前記試料中に含まれる前記金属の量に応じて回復した前記金属酵素の前記酵素活性により、前記基質から生成した生成物を検出する検出手段とを有することを特徴とする。
これにより、酵素反応およびその制御を利用して簡便、迅速かつ安価に金属を検出することが可能となる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の酵素活性の制御方法、属の計測方法および金属の計測装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0024】
本発明で酵素活性が制御され、金属の計測に利用できる金属酵素には、亜鉛を補因子とするアルカリホスファターゼや、サーモリシン、カルボキシペプチダーゼ等が含まれる。また、本発明を適用できる金属酵素には、亜鉛のみならず銅を補因子とするアスコルビン酸オキシダーゼや、ガラクトースオキシダーゼ、ラッカーゼ等、あるいはコバルト等を補因子とする酵素も含まれる。
【0025】
また、アミラーゼのようにカルシウムを補因子とする酵素であっても、カルシウムの替わりに金属が結合したときにも活性を示すことが知られている酵素については、上記の金属酵素と同様に本発明を適用できる。金属酵素の補因子には様々な種類の金属があるが、本発明を用いれば、これらの金属酵素から補因子を除去することができる。
【0026】
本発明は従来使われてきたキレート剤、変性剤のような化学処理剤に代えて金属酵素を含む系を電場内におくことで、金属を除去しづらい金属酵素からより容易に金属を除去できる。特に、タンパク質は一般に高次構造をとっており、金属が酵素内部にあるようなものについては、化学処理よりも有効に金属を除去できる場合がある。
【0027】
化学的処理によれば、キレート剤の立体構造や大きさが問題となり、タンパク質内部に埋まっている金属部分にキレート剤が接近できなかったり、キレート剤が接近しても金属錯体を形成するのが困難だったりする可能性がある。
【0028】
それに対し、電気化学的方法によれば、単に電場を印加するのみであり、キレート剤等よりも明らかに小さい金属イオンを、タンパク質の金属結合部位から立体的障害を起こさずに引き抜くことが可能である。
【0029】
本発明における酵素の状態は、溶解してあっても、懸濁された状態であっても、固形の支持体に担持させた状態であってもよく、本発明を適用することができる。いずれの場合においても、金属から脱離した金属イオンは半透膜、フィルターまたはカラム等を用いることによって、酵素から分離させることができる。
【0030】
溶解した酵素や固定化した酵素に加える電流や電圧は酵素が不可逆的に変性しない範囲内で有効であり、タンパク質電気泳動用や、電気化学計測用の定電流・定電圧装置で容易に行うことができる。印加する電場は電流にしておよそ100μA〜10 Aであり、電圧にして1 mV 〜1000 V位である。
【0031】
但し、この電流または電圧は実質的に酵素に印加される値ではなく、系全体に印加される。溶液の組成や気泡等の影響により、系全体の抵抗は増加する。印加する電流または電圧は、金属酵素の金属結合部位の微細環境や、溶液の導電率等を考慮して決定する。
【0032】
本発明では、種々の固定化方法による酵素に適用可能である。酵素を担体に固定化する方法としては、グルタルアルデヒド等を利用する架橋法、ヒドロキシアパタイト等を利用する物理的吸着法、イオン交換樹脂等を利用するイオン結合法、ジアゾニウム塩等を利用する共有結合法、アルギン酸や膜等を利用した包括法等、一般的に固定化法として知られている方法ならばいずれも利用できる。
【0033】
本発明にかかる酵素の固定化担体には、微細孔性ガラス粒子を用いることができる。この粒子の大きさは100 μm 〜数mm位で有効であり、孔の大きさは約10 nm 〜200 nmである。
【0034】
また、担体にはガラス以外にも、酵素の固定化に用いることのできる白金や金等で作製した電極、寒天、逆ミセル等を利用できる。白金や金等を用いる場合、白金黒や金黒を用いたり、白金表面を化学修飾して化学結合で酵素を固定化したりすることが可能である。
【0035】
本発明では、金属酵素から金属イオンを除去した系に、再び金属イオン含有液を添加することによって酵素活性を回復させることが可能である。金属酵素の活性を回復させる金属は原則として、その金属酵素が本来、補因子とする金属であるが、はじめに含まれていた金属に限定されない。
【0036】
具体的には、アルカリホスファターゼについては本来の補因子である亜鉛の代わりにコバルトを添加しても酵素活性の回復が可能であり、アミラーゼではカルシウムやストロンチウム等の添加により活性の回復が可能である。
【0037】
本発明では、金属酵素からの金属の除去と、金属が除去された金属酵素への金属の付与により、酵素活性を制御できる。酵素活性の制御は、金属の付与の有無、あるいは付与する金属の濃度の調節によって行う。逆に、活性を有した状態から電気化学的手法によって活性を消失させることもできる。この制御によって、本発明をモレキュラースイッチとして用いることができる。
【0038】
モレキュラースイッチとは、一分子でスイッチの役割を担うことを指し、本発明での分子は、酵素を指す。酵素活性を有した状態をスイッチがオンの状態、活性がない時をオフの状態とする。当該金属酵素に電位を印加して金属が脱離すると、活性がなくなったオフの状態となる。オフの状態の金属酵素に適量の金属を添加することによって活性が回復し、オンの状態にできる。
【0039】
本発明により、活性中心に亜鉛を持つプロテアーゼである、サーモリシンの固定化物を上記のモレキュラースイッチとして利用することができる。サーモリシンは、タンパク質の配列をプロテインシークエンサーにより決定する際、しばしば用いられる酵素である。本酵素はタンパク質を断片化するために用いられるが、本発明を適用して当該酵素の活性をオン・オフすることにより、タンパク質の断片化を行ったり行わなかったりすることが可能である。
【0040】
本発明によれば、活性中心に亜鉛を持つアルカリホスファターゼの固定化物を、上記のようなモレキュラースイッチとして利用することもできる。亜鉛の除去により活性が消失したアルカリホスファターゼは、亜鉛の添加によって酵素活性が回復し、回復する酵素活性は亜鉛の存在量に依存する。
【0041】
固定化したアルカリホスファターゼは、例えば、動物細胞あるいは植物細胞のプロトプラスト内から細胞(またはプロトプラスト)外への亜鉛イオンの移動または漏出の検知に利用できる。これは、細胞融合の成否の確認に適用できる。
【0042】
細胞融合において、予め細胞内に取り込ませておいた亜鉛イオンが、細胞の破壊により漏出すると、アルカリホスファターゼの固定化物に取り込まれ、スイッチがオンの状態となる。スイッチがオンの状態のアルカリホスファターゼに、基質であるp-nitrophenyl phosphate(PNPP)を添加すると、酵素反応によりp-nitrophenolが生成する。
【0043】
p-nitrophenolの生成に伴い、波長405nmにおける吸光度が増大するため、この吸光度を指標として生成物を検出できる。このような生成物の検出を通して、亜鉛の細胞外への移動を容易に認めることができる。つまり、標識化剤としての亜鉛イオンの検知により、細胞融合の成否が確認できる。
【0044】
本発明にかかる酵素活性を指標とすることにより、金属濃度を計測することが可能となる。金属濃度の計測に適用可能な酵素は、前述したアルカリホスファターゼ、サーモリシン、カルボキシペプチダーゼ等であり、これらに限定されない。測定対象となる金属は、前述したように、当該金属酵素の活性を発現するものであるなら、何れのものでも適用可能である。
【0045】
金属の計測を行う際には、目的金属を選択できるイオノフォア膜等と組み合わせることによって、より選択的な計測が可能となる。また、酵素を選ぶことによって同一金属の検出であっても、その感度及び精度を変化させることが可能となる。
【0046】
【実施例】
以下、本発明を具体的な事例によって詳細に説明するが、本発明の実施例はこれに限定されない。
(1) 金属酵素の固定化方法
金属酵素としては、アルカリホスファターゼ(ALP; orthophosphoric monoester phosphohydrolase, EC 3.1.3.1, エシェリヒア・コリ(Escherichia coli)由来;旭化成株式会社製)を用いた。
【0047】
固定化担体には微細孔性ガラス(C.P.G.;孔径24.2 nm、粒子径120-200メッシュ、Electronucleonics社製)を3 g 秤量し、pH 3.45 に調整した10 % γ-アミノプロピルトリエトキシシラン(γ-APTES)を加えて75 ℃で3時間反応させることにより、ガラスのアルキルアミノ化を行った。その1.0 gに10 mM リン酸塩緩衝液(pH 7.0)により調製した2.5 % グルタルアルデヒド溶液を加えてアルデヒド化した後、乾燥させ、上記緩衝液にて10 mg/ml に調製したアルカリホスファターゼ溶液を加えて固定化を行った。この固定化物を還元剤(NaBH4)で処理した。
【0048】
固定化後還元された酵素は微小カラムに充填し、カラムを恒温に保つためのウォータージャケット内にセットした。以下、これを固定化酵素カラムユニットと呼ぶこととする。図1は固定化酵素カラムユニットと、それに定電流・定電位を印加する装置を示す構成図である。
【0049】
図1に示すように、タイゴンチューブ1によって白金管2とテフロンチューブ3(「テフロン」はデュポン社の登録商標)またはフレア付きテフロンチューブ3aが連結されている。フレア付きテフロンチューブ3aはネジ4とワッシャー5によってウォータージャケットのキャップ6に埋め込まれる。ウォータージャケット7は、フィルター8に挟まれた固定化酵素粒子充填層9を被覆している。固定化酵素粒子充填層9は、酵素が固定化されたガラス粒子を充填した層である。ウォータージャケットのキャップ6はパッキン10を用いて密封される。
【0050】
ウォータージャケット7には恒温水出口11と恒温水入り口12を介して恒温が循環し、これによって固定化酵素粒子充填層9内が恒温に保たれる。ウォータージャケットのキャップ13は固定化酵素用カラム14の上流側のキャップであり、下流側と同様にパッキン10を用いて密封される。また、キャップ13は固定化酵素用カラム14の下流側と同様に、ネジ4およびワッシャー5を用いてテフロンチューブ3、フレア付きテフロンチューブ3a等に接続されている。
【0051】
固定化酵素用カラム14内の固定化酵素粒子充填層9にはキャリヤー入り口15からキャリヤーが供給され、キャリヤーはキャリヤー出口16から排出される。定電流・定電位印加装置17は固定化酵素用カラム14内の上流側と下流側にそれぞれ設けられた白金管2に接続される。これにより、固定化酵素に定電流または定電位が印加される。
【0052】
(2)FIA (Flow Injection Analysis)システム
図2は本実施例のFIAシステムの構成図である。図2に示すように、FIAシステムはタンク内のキャリヤーC、送液用ポンプP、脈流を防ぐためのダンパーDa、試料注入用ループ付ロータリーバルブ(金属注入用バルブMVおよび基質注入用バルブSV)、固定化酵素カラムユニットIE、定電流・定電位印加装置PG、検出計D(紫外・可視分光検出器)、記録計Rより構成されている。
【0053】
キャリヤーCには100 mM Tris-HCl緩衝液(pH 8.0)を用い、キャリヤーCの送液(1.0 ml/min)にはプランジャーポンプPを用いた。FIAシステムは2つのループ付ロータリーバルブを経由しており、これらのロータリーバルブは酵素の補因子(金属)注入用バルブMVと酵素基質注入用バルブSVである。
【0054】
これらのバルブから注入された試料は、キャリヤーCと共に固定化酵素カラムユニットIEに達する。固定化酵素カラムユニットIEはウォータージャケット(図1参照)によって30℃に保たれており、試料は固定化酵素カラムユニットIEで触媒作用を受ける。
【0055】
カラムユニットIE内を通過したキャリヤーCは、紫外・可視分光検出器D内に設置されたフローセルに導入される。紫外・可視分光検出器Dにより特定波長(405 nm)における吸光度変化が連続的にモニタリングされ、記録計Rに記録される。
【0056】
(3)試薬の調製
酵素活性の測定用キャリヤーは、100 mM Tris-HCl緩衝液中に、NaClおよびクエン酸がそれぞれ1.0 M, 0.1 μMになるように溶解されており、かつpH が8.0に調整されたものを用いた。補因子の電気的除去用キャリヤーには、0.1 Mのクエン酸塩緩衝液(pH 4.5)を用いた。また、酵素の基質には2.0 mM PNPP (p-nitrophenyl phosphate, シグマ社製)を用いた。調製の際は、キャリヤーを用いて希釈した。比較用のキレート剤には、100 mM PDC (2,6-pyridinedicarboxylic acid)を用いた。また、補因子の検量線作成には、亜鉛標準液(原子吸光分析用)を種々の濃度に希釈して用いた。
【0057】
(4)アルカリホスファターゼカラムの活性測定
(2)に記載したFIAシステムを用いて、アルカリホスファターゼが固定化されたカラムの活性を測定した。酵素活性の測定用キャリヤーを用い、流速1.0 ml/minでキャリヤーが流れていることを確認した後、基質注入用バルブより2.0 mM PNPPを100 μl注入した。この基質の触媒反応に伴う吸光度変化を計測した。この操作を10回行い、再現性を求めた。10回の吸光度の平均値は1.65であり、相対標準偏差は0.10 % であった。このことから、本計測システムは非常に再現性が高いことが示された。
【0058】
また、種々の濃度の基質を注入した際の吸光度変化も同様にして測定した。種々の濃度(0.0625, 0.125, 0.25, 0.5, 1.0, 2.0mM)の基質を注入した結果、基質の濃度が高くなるに従い、吸光度は大きくなった。基質濃度が0.5 mMまでは、濃度と吸光度に比例関係が得られ、定量的に反応していることが示された。
【0059】
(実施例1)
固定化酵素カラムからアルカリホスファターゼの補因子である亜鉛(II)イオンを、以下のような電気化学的方法によって除去した。
まず、活性測定用のキャリヤーで通液し、酵素活性を確認した後、補因子の電気化学的除去用キャリヤー(pH 4.5)に切り替え、10分間通液した後、図2に示すシステムによって、通液を行いながら固定化酵素カラムユニットの上下に設置した白金管に電流を印加した。印加電流は定電流装置により2.0 mAとし、印加時間は1時間とした。
【0060】
その後、再度酵素活性用キャリヤーに戻し、2.0 mM PNPPを注入して酵素活性を計測した。その結果、図3に示すように、電流印加前に1.649の吸光度ΔAを有していた活性が、印加後には0.017まで低下した。この値は、固定化酵素カラムを通さず、基質のみを注入した場合とほぼ同様の値であったことから、電流印加により酵素活性を消失させ、活性を制御できることが示された。
【0061】
電流印加の時間は、1ミリ秒から1時間の範囲で行ったが、5分間でも1時間の場合と同様の結果を得ることが出来た。また、数秒間の印加においても、有意な酵素活性の低下が確認された。
【0062】
アルカリホスファターゼカラムに電流を印加した際に酵素から除去され、カラム外に流出した亜鉛イオンを、ICP-AES(高周波誘導結合プラズマ発光分析)により定量した。電流の印加は、上記の酵素活性の測定(図3に結果を示す測定)を行った場合と同様の条件で行い、電流印加時間を5分間とした。
【0063】
本実施形態のカラムで酵素から亜鉛を除去し、亜鉛をカラム外に流出させるには5分間で十分であるが、電流印加前後に余裕をもたせ、電流を印加した5分間と電流印加の前後各1分間にカラムから流出した溶液を採取した。
【0064】
採取した溶液について、シークエンシャル型プラズマ発光分析装置(ICPS-7000, 島津製作所)を用いて亜鉛を定量した。亜鉛の定量では、亜鉛の吸光波長である213.856 nmの発光強度を検量線法により比較した。
【0065】
上記の実施例1で亜鉛を計測した結果を図4に示す。ここで、推定されたアルカリホスファターゼカラム中の亜鉛含有量は3.587 μgであった。また、アルカリホスファターゼカラム中の理論亜鉛含有量は、3.66 μgと実験で得られた値とほぼ同程度であった。ここで、アルカリホスファターゼカラム中の理論亜鉛含有量は、担体に固定化された酵素量と、カラムへの担体の充填量と、アルカリホスファターゼの亜鉛含有量を用いて算出した。以上のことから、電流を印加することにより、亜鉛をアルカリホスファターゼから脱離させ得ることが示された。
【0066】
(比較例1)
図5は、上記の実施例1において、補因子除去用キャリヤーを100 mM Tris-HCl緩衝液(pH 8.0)に変更した場合に得られた結果である。比較例1では、pH 8.0のキャリヤーにおいて電流を印加した後、そのまま同じキャリヤーを通液しながら酵素活性を測定した。図3と図5を比較すると明らかなように、比較例1では酵素活性に全く変化が現れず、補因子である亜鉛が取り除けていないことが示された。
【0067】
実施例1で用いた補因子除去用キャリヤーのpH 4.5は、アルカリホスファターゼの等電点であり、比較例1で用いた補因子除去用キャリヤーのpH 8.0は、アルカリホスファターゼの至適pHである。以上から、本発明の方法において補因子の除去に用いるキャリヤーは、当該酵素の等電点であるpHに調整することが好ましいと言える。
【0068】
(実施例2)
実施例1と同様の手順に従い、アルカリホスファターゼ中の亜鉛を電気的に脱離させ、酵素活性を測定した。その後、図2に示した金属注入用バルブより、種々の濃度の亜鉛溶液を注入して酵素活性の測定を行った。
【0069】
1.0 nMから1.0 mMの亜鉛溶液を注入して検量線を作成したところ、図6に示すような結果を得た。すなわち、固定化されたアルカリホスファターゼから電気化学的に亜鉛を脱離した後、適当な亜鉛溶液を添加することにより、目的の酵素活性を発現させることが出来た。
【0070】
以上のように、本実施例のシステムによれば、アルカリホスファターゼ活性を制御できることが示された。また、亜鉛濃度と酵素活性との関係を示す検量線を作成した後、未知試料を注入して酵素活性を測定し、検量線と比較すれば、未知試料中の亜鉛濃度を定量できることが示された。すなわち、本実施例の装置はバイオセンシングシステムとして使用できる。
【0071】
(実施例3)
金属酵素として実施例1、2と同様にアルカリホスファターゼを用い、補因子である亜鉛をアルカリホスファターゼから電気化学的に除去した後、様々な二価金属溶液を添加して酵素活性を測定した。
【0072】
具体的には、アルカリホスファターゼから電気化学的に亜鉛を脱離させた後、二価のコバルト、カルシウム、銅、マグネシウム、ニッケル、マンガン、鉛、鉄、カドミウム溶液をいずれも1.0 mMの濃度で別々に注入して、酵素活性を測定した。金属イオンはそれぞれキャリヤーにより目的濃度になるように希釈した。
【0073】
図7に示すように、亜鉛およびコバルトにおいて有意な活性の回復が観察された。亜鉛については、図3を参照するとわかるように、金属酵素から亜鉛を除去する前とほぼ同じレベルに酵素活性が回復する。マグネシウムとマンガンにおいても活性の回復が見られたが、その回復は僅かであった。コバルト溶液の濃度を亜鉛同様より詳細にして測定することにより、亜鉛のみならず、コバルトの計測にも適用可能であることが示唆された。
【0074】
上記の本発明の実施形態の酵素活性の制御方法およびモレキュラースイッチによれば、金属酵素中の補因子を電気化学的に脱離させることにより、当該金属酵素の活性を制御することが可能となる。また、環境に負荷をかけるキレート剤等を用いる必要がなく、安全性が高い。補因子の脱離および付与は可逆的に行うことが可能であり、様々な分野での応用が期待される。
【0075】
また、上記の本発明の実施形態の金属の計測方法および金属の計測装置によれば、本発明の制御方法により制御された酵素活性を指標として、溶液中の金属濃度を測定することが可能となる。現在の分析方法では、微量の金属の定量に大掛かりな測定装置が必要とされており、本発明の方法または装置を適用すれば、そのような装置自体あるいは装置の維持・使用に要するコスト等を削減できる。
【0076】
本発明の酵素活性の制御方法、モレキュラースイッチ、金属の計測方法および金属の計測装置の実施形態は、上記の説明に限定されない。例えば、図2のシステムでは金属注入用バルブMVが基質注入用バルブSVの上流側に配置されているが、これらを入れ替えて基質注入用バルブSVを上流側に配置してもよい。また、ウォータージャケット内を循環させる液体の温度は、固定化させる酵素の至適温度等に応じて適宜変更することができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【0077】
【発明の効果】
本発明の酵素活性の制御方法およびモレキュラースイッチによれば、簡便で安価、かつ安全性に優れた方法で酵素活性を精度よく制御することが可能となる。
また、本発明の金属の計測方法および金属の計測装置によれば、酵素反応を利用して簡便、迅速かつ安価に金属を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の実施形態に係る固定化酵素カラムユニットと、それに電流を印加する装置を示す構成図である。
【図2】図2は本発明の実施形態に係る固定化酵素カラムユニットをフローシステムに導入したブロック図である。
【図3】図3は本発明の実施例1に係り、電流印加前後の固定化酵素カラムの活性を評価した図である。
【図4】図4は本発明の実施例1に係る固定化酵素カラムから脱離した亜鉛量をICP-AEMにより測定した結果を示す図である。
【図5】図5は比較例1に係り、電流印加前後の固定化酵素カラムの活性を評価した図である。
【図6】図6は本発明の実施例2に係り、種々の濃度の亜鉛溶液を添加した際の固定化酵素カラムの活性を示す図である。
【図7】図7は本発明の実施例3に係り、種々の金属溶液を添加した際の固定化酵素カラムの活性を示す図である。
【符号の説明】
1…タイゴンチューブ、2…白金管、3…テフロンチューブ、3a…フレア付きテフロンチューブ、4…ネジ、5…ワッシャー、6…ウォータージャケットのキャップ、7…ウォータージャケット、8…フィルター、9…固定化酵素粒子充填層、10…パッキン、11…恒温水出口、12…恒温水入り口、13…ウォータージャケットのキャップ、14…固定化酵素用カラム、15…キャリヤー入り口、16…キャリヤー出口、17…定電流・定電位印加装置、C…キャリヤー、P…通液ポンプ、Da…ダンパー、MV…金属注入用バルブ、SV…基質注入用バルブ、IE…固定化酵素カラム、PG…定電流・定電位印加装置、R…記録計、D…検出計、W…排出液。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for controlling enzyme activity in a metal enzyme, a molecular switch using the controlled enzyme activity as an index, a metal measuring method, and a metal measuring device.
[0002]
[Prior art]
Currently, as interest in environmental issues is increasing, the measurement method for heavy metals, one of the pollution factors, is drawing attention. Since many metals are essential for the human body, if the amount of intake is small, it affects the living body, and conversely, if it is excessively consumed, it can be harmful.
[0003]
Colorimetric methods and atomic absorption spectrometry are used for general metal quantification, and metals are further quantified by atomic absorption analysis and high-frequency inductively coupled plasma emission analysis for a very small amount of sample.
[0004]
On the other hand, an electrochemical sensor capable of detecting a compound such as a substrate using a specific reaction between an enzyme protein and its substrate has been developed (see Patent Document 1). A sensor in which a polymer such as a protein is connected to at least two electrodes has also been proposed (see Patent Document 2).
[0005]
The sensor described in Patent Document 1 has a protein immobilized on a support material via an anchor group, and an operation for changing the activity of the immobilized protein is not performed. The sensor described in Patent Document 2 is also not operated to change the activity of the protein bound to the electrode.
[0006]
As a result of performing isoelectric focusing on a solution containing alkaline phosphatase, which is a kind of metal enzyme, as a report that metal ions were desorbed from the metal enzyme by using an electrochemical technique, the enzyme activity disappeared, There is a case where it recovered by giving (refer nonpatent literature 1).
[0007]
This isoelectric focusing is one of the commonly used techniques in protein purification, and as a result, reports that the enzyme activity has been affected. The enzyme activity is intentionally lost or recovered. It wasn't something you tried to use.
[0008]
As a prior art technique for electrochemically controlling enzyme activity, coenzyme NADH (reduced NAD) produced by an oxidation reaction in an enzyme reaction system is subjected to NAD by an electrochemical method. + There is a report of regenerating (nicotinamide dinucleotide) to promote the oxidation reaction (see Non-Patent Document 2).
[0009]
In addition, many similar methods for electrochemically regenerating an enzyme substrate and controlling enzyme activity have been reported. However, there has been no report that the activity is controlled by electrically detaching one element constituting the enzyme itself, not the substrate.
[0010]
It is widely known that a metalloenzyme must retain a metal specific to the enzyme in order to exhibit activity. When the metal is removed using a chelating agent, the enzyme activity disappears, but the lost enzyme activity is restored by the application of metal ions.
[0011]
There has been reported a method in which enzyme activity is controlled by removing and applying such a metal, and the metal is measured using the enzyme activity as an index (see Non-Patent Document 3). In this case, the elimination of the metal for controlling the activity is performed using a chelating agent.
[0012]
[Patent Document 1]
JP-A-8-233773
[Patent Document 2]
Japanese National Patent Publication No. 10-507521
[Non-Patent Document 1]
A. Latner, ME Parsons, AW Skillen, Biochem. J, 118 , 299 (1970)
[Non-Patent Document 2]
O. Miyawaki and T. Yano, Enzyme Microb. Technol., 14 , 474 (1992)
[Non-Patent Document 3]
I. Satoh, “Biosensing of heavy metal ions based on specific interactions with apoenzymes”, In Advances in Molecular and Cell Biology, eds., B. Danielsson and L. B ▲ u ▼ low, 15B , Greenwich, CT, USA JAI Press Inc., 1996, pp. 461-471.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
Conventional methods use the action of drugs, such as the addition of chelating agents and denaturing agents, to remove metals in metalloenzymes. However, in order to completely remove the metal from the metal enzyme by adding a drug such as a chelating agent, it is necessary to prepare a solution containing a drug at a predetermined concentration.
[0014]
In addition, in order to recover the activity of a metal enzyme deactivated by the addition of a drug, it is necessary to replace the solution with a solution that does not contain a chelating agent and the like, and then add metal to the metal enzyme. In addition, the operation is complicated. In addition, when the amount of the solution containing the drug is large or when the drug in the solution is at a high concentration, there is a problem that the drug places a burden on the environment.
[0015]
A specific enzyme reaction occurs as required, and an enzyme that inactivates the enzyme when not needed can be used as a molecular switch. In particular, it is necessary to reversibly change the enzyme activity in an enzyme used for such applications.
[0016]
For example, it is known that the activity of various metalloenzymes such as thermolysin used for protein fragmentation is controlled by the presence or absence of a coordinated metal. When it is desired to reversibly remove a metal from such a metal enzyme and control the enzyme activity, it is not preferable to use a denaturant that irreversibly denatures the protein depending on the amount added.
[0017]
In addition, as described above, atomic absorption analysis and high frequency inductively coupled plasma emission analysis can be cited as methods for analyzing a trace amount of metal in a sample, but these methods are large and expensive instruments or expensive equipment. Requires maintenance costs. Therefore, a method capable of measuring a target metal more easily, quickly and inexpensively than before is desired.
[0018]
The present invention has been made in view of the above problems. Therefore, the present invention provides a method for controlling enzyme activity, which can accurately control enzyme activity by a simple, inexpensive and safe method. The The purpose is to provide.
Another object of the present invention is to provide a metal measuring method and measuring apparatus that can detect a metal simply, quickly and inexpensively using an enzyme reaction.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the method for controlling enzyme activity of the present invention electrochemically desorbs a metal essential for the expression of enzyme activity in a metal enzyme from the metal enzyme, thereby eliminating or reducing the enzyme activity. It has the process. The method for controlling enzyme activity of the present invention preferably further includes a step of restoring the enzyme activity by imparting the metal to the metal enzyme whose enzyme activity has disappeared or decreased.
[0021]
In order to achieve the above object, the method for measuring a metal of the present invention comprises a step of electrochemically desorbing a metal essential for expression of enzyme activity from a metal enzyme in the metal enzyme to eliminate or reduce the enzyme activity. And a step of supplying a sample to the metalloenzyme in which the enzyme activity has disappeared or decreased, and a step of measuring the amount of the metal in the sample using the enzyme activity recovered by the supply of the sample as an index. It is characterized by.
[0022]
In order to achieve the above object, the metal measuring device of the present invention includes a carrier on which a metal enzyme is fixed, a column packed with the carrier, a liquid passing means for passing the liquid through the column, and the column. A constant current or a constant potential is applied to the metal enzyme, the metal enzyme essential for expression of enzyme activity is electrochemically desorbed from the metal enzyme, and the enzyme activity is lost or reduced, and the column is applied to the column. Substrate supply means for supplying a substrate for the metal enzyme, sample supply means for supplying a sample to the column, and the enzyme activity of the metal enzyme recovered in accordance with the amount of the metal contained in the sample, And detecting means for detecting a product generated from the substrate.
Thereby, it becomes possible to detect a metal simply, quickly and inexpensively using an enzyme reaction and its control.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Below, the method for controlling the enzyme activity of the present invention, Money An embodiment of a genus measuring method and a metal measuring device will be described with reference to the drawings.
[0024]
The metalloenzyme whose enzyme activity is controlled in the present invention and can be used for metal measurement includes alkaline phosphatase using zinc as a cofactor, thermolysin, carboxypeptidase, and the like. The metal enzymes to which the present invention can be applied include ascorbate oxidase using not only zinc but also copper as a cofactor, galactose oxidase, laccase, or the like, or an enzyme using cobalt or the like as a cofactor.
[0025]
In addition, even for enzymes that use calcium as a cofactor, such as amylase, enzymes that are known to show activity even when a metal is bound instead of calcium are the same as for the above-mentioned metal enzymes. The invention can be applied. There are various kinds of metal coenzyme cofactors, and the present invention can remove cofactors from these metal enzymes.
[0026]
In the present invention, a metal enzyme-containing system is placed in an electric field instead of a chemical treatment agent such as a chelating agent or a denaturing agent that has been used in the past, so that the metal can be removed more easily from a metal enzyme that is difficult to remove the metal. . In particular, proteins generally have a higher-order structure, and in some cases where the metal is inside the enzyme, the metal can be removed more effectively than chemical treatment.
[0027]
According to the chemical treatment, the three-dimensional structure and size of the chelating agent become a problem, and the chelating agent cannot access the metal part embedded in the protein, or even if the chelating agent approaches, it forms a metal complex. It may be difficult.
[0028]
In contrast, the electrochemical method simply applies an electric field and can extract metal ions that are clearly smaller than a chelating agent or the like from a metal binding site of a protein without causing steric hindrance. is there.
[0029]
The enzyme in the present invention may be dissolved, suspended, or supported on a solid support, and the present invention can be applied. In any case, the metal ions desorbed from the metal can be separated from the enzyme by using a semipermeable membrane, a filter, a column, or the like.
[0030]
The current and voltage applied to the dissolved enzyme and the immobilized enzyme are effective as long as the enzyme is not irreversibly denatured, and should be easily performed with a constant current / constant voltage device for protein electrophoresis or electrochemical measurement. Can do. The electric field to be applied is about 100 μA to 10 A in terms of current and about 1 mV to 1000 V in terms of voltage.
[0031]
However, this current or voltage is not a value that is substantially applied to the enzyme, but is applied to the entire system. The resistance of the entire system increases due to the influence of the composition of the solution and bubbles. The applied current or voltage is determined in consideration of the fine environment of the metal binding site of the metal enzyme, the conductivity of the solution, and the like.
[0032]
The present invention can be applied to enzymes by various immobilization methods. Examples of the method for immobilizing an enzyme on a carrier include a crosslinking method using glutaraldehyde, a physical adsorption method using hydroxyapatite, an ion binding method using an ion exchange resin, and a covalent bond using a diazonium salt. Any method generally known as an immobilization method, such as a method, a comprehensive method using alginic acid or a membrane, can be used.
[0033]
As the enzyme immobilization carrier according to the present invention, microporous glass particles can be used. The particle size is effective at about 100 μm to several mm, and the pore size is about 10 nm to 200 nm.
[0034]
In addition to glass, an electrode made of platinum or gold that can be used for immobilization of enzymes, agar, reverse micelles, or the like can be used as the carrier. When using platinum, gold, or the like, it is possible to use platinum black or gold black, or to chemically modify the platinum surface to immobilize the enzyme by chemical bonding.
[0035]
In the present invention, the enzyme activity can be recovered by adding the metal ion-containing liquid again to the system in which the metal ions have been removed from the metal enzyme. A metal that restores the activity of a metalloenzyme is, in principle, a metal that the metalloenzyme originally serves as a cofactor, but is not limited to the metal originally contained.
[0036]
Specifically, alkaline phosphatase can be recovered by adding cobalt instead of zinc, which is the original cofactor, and amylase can be recovered by adding calcium or strontium. .
[0037]
In the present invention, the enzyme activity can be controlled by removing the metal from the metal enzyme and applying the metal to the metal enzyme from which the metal has been removed. The enzyme activity is controlled by the presence / absence of metal addition or by adjusting the concentration of the metal to be applied. On the contrary, the activity can be eliminated from the active state by an electrochemical method. By this control, the present invention can be used as a molecular switch.
[0038]
A molecular switch refers to playing a role of a switch with one molecule, and a molecule in the present invention refers to an enzyme. The state having the enzyme activity is the switch on state, and the state having no enzyme activity is the off state. When a metal is desorbed by applying a potential to the metalloenzyme, the metal enzyme is turned off with no activity. The activity is restored by adding an appropriate amount of metal to the metal enzyme in the off state, and the metal enzyme can be turned on.
[0039]
According to the present invention, an immobilized product of thermolysin, which is a protease having zinc at the active center, can be used as the molecular switch. Thermolysin is an enzyme often used in determining the sequence of a protein with a protein sequencer. The present enzyme is used for fragmenting a protein. By applying the present invention to turn on / off the activity of the enzyme, it is possible to perform protein fragmentation or not.
[0040]
According to the present invention, an immobilized product of alkaline phosphatase having zinc at the active center can be used as the molecular switch as described above. Alkaline phosphatase whose activity has been lost by removal of zinc recovers its enzymatic activity by the addition of zinc, and the enzymatic activity to be recovered depends on the amount of zinc present.
[0041]
The immobilized alkaline phosphatase can be used, for example, to detect the movement or leakage of zinc ions from the protoplast of animal cells or plant cells to the outside of the cells (or protoplasts). This can be applied to confirm the success or failure of cell fusion.
[0042]
In cell fusion, when zinc ions that have been taken into the cell in advance are leaked due to cell destruction, they are taken into the immobilized product of alkaline phosphatase and the switch is turned on. A substrate for alkaline phosphatase with the switch on p When -nitrophenyl phosphate (PNPP) is added, p -Nitrophenol is produced.
[0043]
p Since the absorbance at a wavelength of 405 nm increases with the generation of -nitrophenol, the product can be detected using this absorbance as an index. Through detection of such a product, the movement of zinc out of the cell can be easily recognized. That is, the success or failure of cell fusion can be confirmed by detecting zinc ions as a labeling agent.
[0044]
By using the enzyme activity according to the present invention as an index, the metal concentration can be measured. Enzymes applicable to the measurement of metal concentration are alkaline phosphatase, thermolysin, carboxypeptidase and the like described above, but are not limited thereto. As described above, any metal can be used as long as it exhibits the activity of the metalloenzyme as described above.
[0045]
When measuring a metal, it is possible to perform more selective measurement by combining with an ionophore film or the like that can select a target metal. Moreover, even if the same metal is detected by selecting an enzyme, the sensitivity and accuracy can be changed.
[0046]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of specific examples, but the embodiments of the present invention are not limited thereto.
(1) Immobilization method of metalloenzyme
Metalloenzymes include alkaline phosphatase (ALP; orthophosphoric monoester phosphohydrolase, EC 3.1.3.1, Escherichia coli ( Escherichia coli ) Origin: Asahi Kasei Co., Ltd.).
[0047]
As the immobilization support, 3 g of microporous glass (CPG; pore size 24.2 nm, particle size 120-200 mesh, manufactured by Electronucleonics) was weighed and adjusted to pH 3.45, 10% γ-aminopropyltriethoxysilane (γ- APTES) was added and reacted at 75 ° C. for 3 hours to carry out alkylamination of the glass. 2.5 g glutaraldehyde solution prepared with 10 mM phosphate buffer (pH 7.0) was added to 1.0 g of the resulting solution to form an aldehyde, which was then dried and the alkaline phosphatase solution adjusted to 10 mg / ml with the above buffer solution. In addition, immobilization was performed. This immobilizate is used as a reducing agent (NaBH Four ).
[0048]
The enzyme reduced after immobilization was packed in a microcolumn and set in a water jacket for keeping the column at a constant temperature. Hereinafter, this is referred to as an immobilized enzyme column unit. FIG. 1 is a block diagram showing an immobilized enzyme column unit and an apparatus for applying a constant current / constant potential thereto.
[0049]
As shown in FIG. 1, a platinum tube 2 and a Teflon tube 3 (“Teflon” is a registered trademark of DuPont) or a flare-equipped Teflon tube 3 a are connected by a Tygon tube 1. The flare-equipped Teflon tube 3 a is embedded in the cap 6 of the water jacket by screws 4 and washers 5. The water jacket 7 covers an immobilized enzyme particle packed layer 9 sandwiched between filters 8. The immobilized enzyme particle packed layer 9 is a layer filled with glass particles on which an enzyme is immobilized. The cap 6 of the water jacket is sealed with a packing 10.
[0050]
A constant temperature circulates in the water jacket 7 via a constant temperature water outlet 11 and a constant temperature water inlet 12, whereby the inside of the immobilized enzyme particle packed bed 9 is maintained at a constant temperature. The cap 13 of the water jacket is a cap on the upstream side of the immobilized enzyme column 14 and is sealed using the packing 10 in the same manner as the downstream side. The cap 13 is connected to the Teflon tube 3 and the flare-equipped Teflon tube 3a using the screw 4 and the washer 5 similarly to the downstream side of the immobilized enzyme column 14.
[0051]
A carrier is supplied to the immobilized enzyme particle packed bed 9 in the immobilized enzyme column 14 from the carrier inlet 15, and the carrier is discharged from the carrier outlet 16. The constant current / constant potential application device 17 is connected to the platinum tube 2 provided on the upstream side and the downstream side in the immobilized enzyme column 14 respectively. Thereby, a constant current or a constant potential is applied to the immobilized enzyme.
[0052]
(2) FIA (Flow Injection Analysis) system
FIG. 2 is a configuration diagram of the FIA system of this embodiment. As shown in FIG. 2, the FIA system includes a carrier C in the tank, a pump P for feeding liquid, a damper Da for preventing pulsating flow, a rotary valve with a sample injection loop (a metal injection valve MV and a substrate injection valve SV). ), An immobilized enzyme column unit IE, a constant current / constant potential application device PG, a detector D (ultraviolet / visible spectroscopic detector), and a recorder R.
[0053]
A 100 mM Tris-HCl buffer (pH 8.0) was used for carrier C, and a plunger pump P was used for feeding carrier C (1.0 ml / min). The FIA system passes through two rotary valves with loops, which are an enzyme cofactor (metal) injection valve MV and an enzyme substrate injection valve SV.
[0054]
The sample injected from these valves reaches the immobilized enzyme column unit IE together with the carrier C. The immobilized enzyme column unit IE is kept at 30 ° C. by a water jacket (see FIG. 1), and the sample is catalyzed by the immobilized enzyme column unit IE.
[0055]
The carrier C that has passed through the column unit IE is introduced into a flow cell installed in the ultraviolet / visible spectroscopic detector D. The absorbance change at a specific wavelength (405 nm) is continuously monitored by the ultraviolet / visible spectroscopic detector D and recorded in the recorder R.
[0056]
(3) Preparation of reagents
The carrier used for measuring enzyme activity was one in which NaCl and citric acid were dissolved in 1.0 mM and 0.1 μM, respectively, in 100 mM Tris-HCl buffer, and the pH was adjusted to 8.0. . A 0.1 M citrate buffer (pH 4.5) was used as a carrier for electroremoval of the cofactor. In addition, 2.0 mM PNPP ( p -nitrophenyl phosphate (manufactured by Sigma) was used. In the preparation, it was diluted with a carrier. As a chelating agent for comparison, 100 mM PDC (2,6-pyridinedicarboxylic acid) was used. For preparing a calibration curve for cofactors, zinc standard solutions (for atomic absorption analysis) were diluted to various concentrations and used.
[0057]
(4) Measurement of alkaline phosphatase column activity
Using the FIA system described in (2), the activity of the column on which alkaline phosphatase was immobilized was measured. After confirming that the carrier was flowing at a flow rate of 1.0 ml / min using a carrier for measuring enzyme activity, 100 μl of 2.0 mM PNPP was injected from the substrate injection valve. The change in absorbance associated with the catalytic reaction of the substrate was measured. This operation was performed 10 times to obtain reproducibility. The average of 10 absorbances was 1.65, and the relative standard deviation was 0.10%. This indicates that this measurement system is very reproducible.
[0058]
The change in absorbance when injecting various concentrations of the substrate was also measured in the same manner. As a result of injecting various concentrations (0.0625, 0.125, 0.25, 0.5, 1.0, 2.0 mM) of the substrate, the absorbance increased as the concentration of the substrate increased. When the substrate concentration was up to 0.5 mM, a proportional relationship was obtained between the concentration and absorbance, indicating that the reaction was quantitative.
[0059]
(Example 1)
Zinc (II) ions, which are cofactors of alkaline phosphatase, were removed from the immobilized enzyme column by the following electrochemical method.
First, it was passed through a carrier for activity measurement, and after confirming enzyme activity, it was switched to a carrier for electrochemical removal of cofactor (pH 4.5), passed for 10 minutes, and then passed through the system shown in FIG. An electric current was applied to platinum tubes installed above and below the immobilized enzyme column unit while performing the liquid. The applied current was 2.0 mA with a constant current device, and the application time was 1 hour.
[0060]
Thereafter, the enzyme activity was again returned to the carrier for enzyme activity, and 2.0 mM PNPP was injected to measure enzyme activity. As a result, as shown in FIG. 3, the activity having an absorbance ΔA of 1.649 before current application decreased to 0.017 after application. This value was almost the same value as when only the substrate was injected without passing through the immobilized enzyme column. Thus, it was shown that the enzyme activity was lost by applying a current and the activity could be controlled.
[0061]
The current application time was in the range of 1 millisecond to 1 hour, but the same result as in the case of 1 hour could be obtained even at 5 minutes. In addition, a significant decrease in enzyme activity was confirmed even after application for several seconds.
[0062]
Zinc ions that were removed from the enzyme when current was applied to the alkaline phosphatase column and flowed out of the column were quantified by ICP-AES (high frequency inductively coupled plasma emission analysis). The application of current was performed under the same conditions as in the case of the above enzyme activity measurement (measurement shown in FIG. 3), and the current application time was 5 minutes.
[0063]
5 minutes is sufficient to remove zinc from the enzyme and allow zinc to flow out of the column with the column of this embodiment, but allow 5 minutes before and after applying current, 5 minutes after applying current, and before and after applying current. The solution that flowed out of the column in 1 minute was collected.
[0064]
With respect to the collected solution, zinc was quantified using a sequential plasma emission spectrometer (ICPS-7000, Shimadzu Corporation). In the determination of zinc, the emission intensity at 213.856 nm, which is the absorption wavelength of zinc, was compared by a calibration curve method.
[0065]
The result of measuring zinc in the above Example 1 is shown in FIG. Here, the estimated zinc content in the alkaline phosphatase column was 3.587 μg. The theoretical zinc content in the alkaline phosphatase column was 3.66 μg, almost the same as the value obtained in the experiment. Here, the theoretical zinc content in the alkaline phosphatase column was calculated using the amount of enzyme immobilized on the carrier, the amount of the carrier loaded into the column, and the zinc content of alkaline phosphatase. From the above, it was shown that zinc can be desorbed from alkaline phosphatase by applying an electric current.
[0066]
(Comparative Example 1)
FIG. 5 shows the results obtained when the carrier for removing the cofactor was changed to 100 mM Tris-HCl buffer (pH 8.0) in Example 1 above. In Comparative Example 1, after applying an electric current to a carrier having a pH of 8.0, the enzyme activity was measured while passing the same carrier as it was. As is clear from comparison between FIG. 3 and FIG. 5, in Comparative Example 1, no change was observed in the enzyme activity, indicating that zinc as a cofactor could not be removed.
[0067]
The pH 4.5 of the carrier for cofactor removal used in Example 1 is the isoelectric point of alkaline phosphatase, and the pH 8.0 of the carrier for cofactor removal used in Comparative Example 1 is the optimum pH of alkaline phosphatase. From the above, it can be said that the carrier used for removing the cofactor in the method of the present invention is preferably adjusted to a pH which is the isoelectric point of the enzyme.
[0068]
(Example 2)
According to the same procedure as in Example 1, zinc in alkaline phosphatase was electrically desorbed and the enzyme activity was measured. Thereafter, enzyme solutions were measured by injecting zinc solutions of various concentrations from the metal injection valve shown in FIG.
[0069]
When a calibration curve was prepared by injecting a 1.0 nM to 1.0 mM zinc solution, the results shown in FIG. 6 were obtained. That is, the desired enzyme activity could be expressed by electrochemically desorbing zinc from the immobilized alkaline phosphatase and then adding an appropriate zinc solution.
[0070]
As mentioned above, according to the system of the present Example, it was shown that alkaline phosphatase activity can be controlled. In addition, after creating a calibration curve showing the relationship between zinc concentration and enzyme activity, measuring the enzyme activity by injecting an unknown sample and comparing it with the calibration curve indicates that the zinc concentration in the unknown sample can be quantified. It was. That is, the apparatus of the present embodiment can be used as a biosensing system.
[0071]
(Example 3)
Alkaline phosphatase was used as a metal enzyme in the same manner as in Examples 1 and 2, and zinc as a cofactor was electrochemically removed from alkaline phosphatase. Then, various divalent metal solutions were added to measure enzyme activity.
[0072]
Specifically, after electrochemically desorbing zinc from alkaline phosphatase, divalent cobalt, calcium, copper, magnesium, nickel, manganese, lead, iron, and cadmium solutions are all separated at a concentration of 1.0 mM. The enzyme activity was measured. Each metal ion was diluted to a target concentration by a carrier.
[0073]
As shown in FIG. 7, significant recovery of activity was observed in zinc and cobalt. For zinc, as can be seen with reference to FIG. 3, the enzyme activity is restored to about the same level as before removing zinc from the metalloenzyme. The recovery of activity was also observed in magnesium and manganese, but the recovery was slight. By measuring the concentration of the cobalt solution in more detail than zinc, it was suggested that it can be applied not only to zinc but also to measurement of cobalt.
[0074]
According to the enzyme activity control method and molecular switch of the embodiment of the present invention described above, the activity of the metalloenzyme can be controlled by electrochemically desorbing the cofactor in the metalloenzyme. . Moreover, it is not necessary to use a chelating agent that imposes a burden on the environment, and the safety is high. Desorption and application of cofactors can be performed reversibly, and application in various fields is expected.
[0075]
Moreover, according to the metal measuring method and metal measuring apparatus of the above-described embodiment of the present invention, it is possible to measure the metal concentration in the solution using the enzyme activity controlled by the control method of the present invention as an index. Become. In the current analysis method, a large-scale measuring device is required for the determination of a trace amount of metal. If the method or device of the present invention is applied, such a device itself or the cost required for maintenance and use of the device is reduced. Can be reduced.
[0076]
Embodiments of the enzyme activity control method, molecular switch, metal measurement method, and metal measurement device of the present invention are not limited to the above description. For example, in the system of FIG. 2, the metal injection valve MV is disposed upstream of the substrate injection valve SV, but the substrate injection valve SV may be disposed upstream by replacing them. In addition, the temperature of the liquid circulated in the water jacket can be appropriately changed according to the optimum temperature of the enzyme to be immobilized. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0077]
【The invention's effect】
According to the enzyme activity control method and molecular switch of the present invention, the enzyme activity can be accurately controlled by a simple, inexpensive, and safe method.
Moreover, according to the metal measuring method and metal measuring apparatus of the present invention, it is possible to detect a metal simply, quickly and inexpensively using an enzyme reaction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an immobilized enzyme column unit according to an embodiment of the present invention and a device for applying an electric current thereto.
FIG. 2 is a block diagram in which an immobilized enzyme column unit according to an embodiment of the present invention is introduced into a flow system.
FIG. 3 relates to Example 1 of the present invention, and shows the evaluation of the activity of an immobilized enzyme column before and after current application.
FIG. 4 is a graph showing the results of measuring the amount of zinc desorbed from the immobilized enzyme column according to Example 1 of the present invention by ICP-AEM.
FIG. 5 is a diagram related to Comparative Example 1 in which the activity of the immobilized enzyme column before and after current application was evaluated.
FIG. 6 is a graph showing the activity of an immobilized enzyme column when zinc solutions having various concentrations are added according to Example 2 of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing the activity of an immobilized enzyme column when various metal solutions are added according to Example 3 of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Tygon tube, 2 ... Platinum tube, 3 ... Teflon tube, 3a ... Teflon tube with flare, 4 ... Screw, 5 ... Washer, 6 ... Water jacket cap, 7 ... Water jacket, 8 ... Filter, 9 ... Immobilization Enzyme particle packed bed, 10 ... packing, 11 ... constant temperature water outlet, 12 ... constant temperature water inlet, 13 ... water jacket cap, 14 ... immobilized enzyme column, 15 ... carrier inlet, 16 ... carrier outlet, 17 ... constant current・ Constant potential application device, C ... carrier, P ... liquid pump, Da ... damper, MV ... metal injection valve, SV ... substrate injection valve, IE ... immobilized enzyme column, PG ... constant current / constant potential application device , R ... recorder, D ... detector, W ... effluent.

Claims (7)

金属酵素において、該金属酵素の状態が溶液若しくは懸濁液の系、又は固形の支持体に担持された系であり、
該系全体に100μA〜10Aの定電流、又は1mV〜1000Vの定電圧を印加し、
該酵素の等電点のpHにおいて酵素活性の発現に必須な金属を前記金属酵素から電気化学的に脱離させ、前記酵素活性を消失または減少させる工程を有する
酵素活性の制御方法。
In the metal enzyme, the state of the metal enzyme is a solution or suspension system, or a system supported on a solid support,
Apply a constant current of 100 μA to 10 A or a constant voltage of 1 mV to 1000 V to the entire system,
A method for controlling enzyme activity, comprising a step of electrochemically desorbing a metal essential for expression of enzyme activity from the metal enzyme at a pH of an isoelectric point of the enzyme to eliminate or reduce the enzyme activity.
金属酵素において、該金属酵素の状態が溶液若しくは懸濁液の系、又は固形の支持体に担持された系であり、
該系全体に100μA〜10Aの定電流、又は1mV〜1000Vの定電圧を印加し、
該酵素の等電点のpHにおいて酵素活性の発現に必須な金属を前記金属酵素から電気化学的に脱離させ、前記酵素活性を消失または減少させる工程と、
前記酵素活性が消失または減少した前記金属酵素に試料を供給する工程と、
前記試料の供給により回復した酵素活性を指標として、前記試料中の前記金属の量を計測する工程とを有する
金属の計測方法。
In the metal enzyme, the state of the metal enzyme is a solution or suspension system, or a system supported on a solid support,
Apply a constant current of 100 μA to 10 A or a constant voltage of 1 mV to 1000 V to the entire system,
A step of electrochemically desorbing a metal essential for expression of enzyme activity from the metal enzyme at the pH of the isoelectric point of the enzyme to eliminate or reduce the enzyme activity;
Supplying a sample to the metalloenzyme whose enzyme activity has disappeared or decreased;
And measuring the amount of the metal in the sample using the enzyme activity recovered by the supply of the sample as an index.
予め、前記酵素活性が消失または減少した前記金属酵素に前記金属を付与したときに回復する前記酵素活性を、前記金属の付与量が互いに異なる複数の条件で測定する工程と、
前記測定の結果に基づき検量線を作成する工程とを有し、
前記酵素活性を指標として前記金属の量を計測する工程は、前記検量線を参照する工程を含む
請求項記載の金属の計測方法。
Measuring the enzyme activity recovered when the metal is applied to the metal enzyme whose enzyme activity has disappeared or decreased in advance under a plurality of conditions in which the amount of metal applied is different from each other;
Creating a calibration curve based on the result of the measurement,
The method for measuring a metal according to claim 2 , wherein the step of measuring the amount of the metal using the enzyme activity as an index includes a step of referring to the calibration curve.
前記金属酵素を担体に固定して用いる
請求項記載の金属の計測方法。
The method for measuring a metal according to claim 2 , wherein the metal enzyme is immobilized on a carrier.
前記金属酵素はアルカリホスファターゼであり、前記金属は亜鉛またはコバルトの一方である
請求項記載の金属の計測方法。
The metal measuring method according to claim 2 , wherein the metalloenzyme is alkaline phosphatase, and the metal is one of zinc and cobalt.
金属酵素が固定された担体と、
該担体が充填されたカラムと、
該カラムに通液させる通液手段と、
前記カラムに定電流または定電位を印加し、前記金属酵素において酵素活性の発現に必須な金属を前記金属酵素から電気化学的に脱離させ、前記酵素活性を消失または減少させる印加手段と、
前記カラムに前記金属酵素の基質を供給する基質供給手段と、
前記カラムに試料を供給する試料供給手段と、
前記試料中に含まれる前記金属の量に応じて回復した前記金属酵素の前記酵素活性により、前記基質から生成した生成物を検出する検出手段とを有する
金属の計測装置。
A carrier on which a metal enzyme is immobilized;
A column packed with the carrier;
A liquid passing means for passing through the column;
An applying means for applying a constant current or a constant potential to the column, electrochemically desorbing a metal essential for expression of enzyme activity in the metal enzyme from the metal enzyme, and eliminating or reducing the enzyme activity;
Substrate supply means for supplying the metalloenzyme substrate to the column;
Sample supply means for supplying a sample to the column;
A metal measuring apparatus comprising: a detecting unit that detects a product generated from the substrate by the enzyme activity of the metal enzyme recovered according to the amount of the metal contained in the sample.
前記金属酵素はアルカリホスファターゼであり、前記金属は亜鉛またはコバルトの一方である
請求項記載の金属の計測装置。
The metal measuring apparatus according to claim 6 , wherein the metalloenzyme is alkaline phosphatase, and the metal is one of zinc and cobalt.
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