脂質ベシクル型ナノリアクターを機能性生体触媒とするスマートバイオプロセスの開発

• 研究課題/領域番号: 14750638
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 生物・生体工学
• 研究機関: 山口大学
• 研究代表者: 吉本 誠 山口大学, 工学部, 助手 (80322246)
• 研究期間 (年度): 2002 – 2003
• 研究課題ステータス: 完了 (2003年度)
• 配分額: 3,300千円 (直接経費: 3,300千円); 2003年度: 1,300千円 (直接経費: 1,300千円); 2002年度: 2,000千円 (直接経費: 2,000千円)
• キーワード: 酵素封入リポソーム / グルコースオキシダーゼ / 固定化生体触媒 / 外部循環式エアリフト型気泡塔 / ナノリアクター / キトサンゲル担体

研究概要

脂質ベシグル(リポソーム)と酵素を複合化したナノリアクターを実用的なバイオリアクターへ応用することを目的として、平成14年度に得られた結果に基づき研究を行った。今年度は、ナノリアクターを生体触媒とするスマートバイオプロセスの開発に際して重要となる点に着目して、(1)多種酵素系に着目したナノリアクターの安定化機構、(2)ナノベシクル型リアクターの反応性と安定性の向上及び(3)効率的な反応操作を目的とした小型気泡塔内におけるリポソーム系酵素反応のモデル化に関する検討を行った。
(1)では、リポソーム内封入グルコースオキシダーゼ(GO)が遊離GOに比べてグルコース酸化反応時に生成する過酸化水素による阻害を受けずに著しく安定化される機構を解明した。すなわち、市販のGOに微量同伴しているカタラーゼ活性がリポソーム内においてのみ高度に安定化され、生成過酸化水素を分解し続けること及びリポソーム膜自身が過酸化水素分解機能を有することを明らかにした。(2)では、基質であるグルコースの膜透過を促進するタンパク質を脂質膜に組み込み、同時にGOとカタラーゼを、リポソーム内に封入することにより、GOのみを封入したリポソーム系の高い安定性を維持してリポソーム内封入GOの反応性を大幅に改善することができた。(3)では、リポソーム内封入GOによる反応器容積が約20mlの小型外部循環式エアリフト型気泡塔における物質移動を伴うグルコース酸化反応をモデル化した。これによりプロセスの設計において重要となる、スケールアップやバイオリアクターにおけるGOの安定性について定量的に評価・予測する方法を確立した。
以上の結果に基づき、従来型の触媒に比べて著しく安定なベシクル型ナノリアクターを応用するスマートバイオプロセスの開発のための重要な指針を示すことができた。

研究成果

• [文献書誌] Makoto Yoshimoto et al.: "A kinetic model for glucose oxidation catalyzed by immobilized glucose oxidase-containing liposomes in a mini-scale external loop airlift bubble column"Journal of Chemical Engineering of Japan. (In press).
• [文献書誌] Chengzhou Li et al.: "Preparation and characterization of cellulose-containing liposomes and their immobilization suitable for enzymatic hydrolysis of cellulose"Journal of Chemical Engineering of Japan. (In press).
• [文献書誌] Makoto Yoshimoto et al.: "Enhancement of apparent substrate selectivity of proteinase K encapsulate in liposomes through a cholate-induced alteration of the bilayer permeability"Biotechnology and Bioengineering. 85・2. 222-233 (2004)
• [文献書誌] Makoto Yoshimoto et al.: "Characterization and performance of mini-scale external loop airlift bioreactor for evaluating immobilized glucose oxidase-containing liposomes"Preprints of 6th Japanese/German Symposium on Bubble Columns. 1. 183-189 (2003)
• [文献書誌] Shaoqing Wang et al.: "Optimal covalent immobilization of glucose oxidase-containing liposomes for highly stable biocatalyst in bioreactor"Biotechnology and Bioengineering. (In press).
• [文献書誌] Makoto Yoshimoto et al.: "Preparation and characterization of reactive and stable glucose oxidase-containing liposomes modulated with detergent"Biotechnology and Bioengineering. 81・6. 695-704 (2003)
• [文献書誌] Yoshihiro Arimatsu et al.: "Gas-holdup, liquid circulating velocity and mass transfer properties in a mini scale external loop airlift bubble column"Proc. of The 8th Asian Conf. on Fluidized-Bed and Three-Phase Reactors. 1. BB02 (2002)
• [文献書誌] 吉本 誠: "固定化酵素封入リポソームを生体触媒とするバイオリアクター"ケミカルエンジニヤリング. 47・10. 25-29 (2002)
• [文献書誌] Makoto Yoshimoto et al.: "Preparation and characterization of cellulase-loaded liposomes for hydrolysis of insoluble cellulose"Proc. of 9th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering. 1. No.120 (2002)