Diffusion-limited biosensing based on the porous electrode

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01961
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 34020:Analytical chemistry-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Kitazumi Yuki 京都大学, 農学研究科, 助教 (00579302)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 白井 理 京都大学, 農学研究科, 教授 (40355011)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 酵素電極反応 / 酸化還元酵素 / 分子配向 / デジタルシミュレーション / バイオセンサ

Outline of Final Research Achievements

Three-dimensional structures of several redox enzymes that have excellent electron transfer characteristics with electrodes are determined by cryo-electron microscopy. The results show the importance of the orientation of the enzyme on the electrode surface and the existence of aromatic amino acids within the enzyme to the electron transfer reaction between enzymes and electrodes. We also established a simple and effective method for protecting enzymes at the electrode surface from inactivation caused by heavy metal ions leaked from the reference electrode. Furthermore, we organized the guidelines of electrode design to improve the stability of microelectrode biosensors. We have also developed a simulation model that can uniformly formulate the electrochemical measurement system from the electrode surface to the bulk of the solution.

Free Research Field

電気分析化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生体や環境モニタリングは近年ますます重要度を高めている。その中で、安定性が高く、都度校正の不要な電気化学バイオセンサの構築技術は必須のものである。本研究では、微小電極を用いた拡散律速型バイオセンサの開発を進めてきた。その中で、いかに酵素電極間の電子移動反応を加速するか、が重要であることはすでに知られていた。本研究によって電極との電位移動特性に優れた酵素の立体構造が明らかとなり、電極表面の分子配向と、酵素を構築するアミノ酸の配置の重要性が示された。この一般指針は今後のバイオセンサ開発に伴う酵素探索において欠くことのできないものである。