2019 Fiscal Year Annual Research Report
Hyperactivation of redox enzymes in confined nano-environments
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18H01719
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
辻村 清也 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (30362429)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
杉本 華幸 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (60529527)
白木 賢太郎 筑波大学, 数理物質系, 教授 (90334797)
藤田 恭子 東京薬科大学, 薬学部, 講師 (90447508)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 酸化還元酵素 / 多孔質炭素材料 / 安定化 / 電解質 / 活性化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度において，これまで研究代表者が開発をしてきたナノ構造が制御された酸化マグネシウムを鋳型とする細孔構造が5-200nmで制御された多孔質炭素を利用し，細孔内の酵素活性および安定性の向上を検討した．細孔の中に酵素を直接固定した場合，その安定性は細孔サイズが5-200nmのスケールにおいては細孔サイズに依存しないことがわかった．ただ，炭素表面を化学的に改質し酵素との親和性を向上させた場合では安定性は向上した．同様に，ハイドロゲル電極においても，細孔サイズに依存して出力の大幅な向上が達成できたが，安定性は細孔サイズよりもむしろゲルの組成や電解質など酵素周辺環境，酵素の細孔内の分布の均一性が重要な因子であることが明らかになった．さらに，酵素と相互作用する高分子あるいはレドックス高分子を，グラフト重合，電解重合あるいは化学的重合で炭素表面に直接付加することで酵素周辺環境を制御し，酵素安定を向上することができた．3次元ナノ電極上に酵素が1年間以上室温でその活性を保つ超安定化はナノ構造およびその環境を制御することで実現できた．また，FAD依存性グルコース脱水素酵素の活性について，高濃度電解質が酵素活性に影響を及ぼし，特に特定の疎水的なイオンを用いることで酵素と反応物との正の相互作用を向上させて，酵素の活性を制御させる（向上させる）ことができることが分かった．さらに，こうした酵素のナノ環境制御およびナノ電極材料を活用することで，フレキシブル型あるいはペーパー型の過酷な環境で作動するバイオ燃料電池の耐久性および出力の向上を達成した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
微小空間制御による酵素の超活性化機構の基礎を明らかにし，得られた知見をもとにした新規複合材料の開発が順調に進んでいる．また開発された材料を適切に用いることでデバイスの高性能化も達成できた．国際共同研究にも順調に発展し論文発表をすることができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに得られた基礎的な知見をもとに，新規バイオ無機複合材料の開発を推し進める．特に空間内の酵素の安定性を積極的に向上させるために，ナノ空間制御をベースに，電極と酵素の界面，および酵素同士の界面制御に重きをおいた材料設計・開発を行う．具体的には，電極表面との相互作用に起因する酵素の変性を抑制する電極表面修飾，空間内に存在する酵素同士の凝集などを抑制する酵素表面修飾を進める．また，反応物の物質供給も出力に大きく影響することがわかったので，高活性と高安定性を同時達成するためにも，物質透過性に優れたマクロ孔とナノ酵素環境の両立を目指す．また，この基本的な概念は，酵素のみならず，無機触媒や分子触媒にも拡張され，マクロ孔とナノ空間を制御することで電極触媒機能制御と高性能化も実現する．
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