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2019 年度 実績報告書

生体模倣電極触媒への展開を指向した金属酵素修飾電極におけるオペランド振動分光計測

研究課題

研究課題/領域番号 19H02664
研究機関北海道大学

研究代表者

八木 一三  北海道大学, 地球環境科学研究院, 教授 (40292776)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード脂質二重膜 / 自己組織化膜 / 膜蛋白質 / 一酸化炭素還元酵素 / 表面増強赤外吸収分光 / テラヘルツラマン散乱分光 / 振動和周波発生分光
研究実績の概要

表面増強赤外吸収(SEIRA)分光法を用いて、電極表面に膜蛋白質である一酸化窒素還元酵素(NOR)の有無により、電極/溶液界面における脂質二重膜(BLM)の形成過程の違いが生じることを明らかにすることができた。具体的には、SEIRA活性なAu薄膜をSiプリズム表面に構築し、さらにその表面にカルボン酸基末端およびヒドロキシ基末端を有する炭素鎖数3のアルキルチオールを混合して親水性表面を有する自己組織化単分子膜(SAM)を構築した。まずは親水性SAM膜表面へのBLM構築過程を観測するため、赤外分光で測定しながら、界面活性剤と混合した脂質分子を添加し、一定時間が経過した後、界面活性剤を優先的に吸着するバイオビーズを添加した。バイオビーズを添加すると水のOH伸縮領域の吸収が急激に減少し、一方で直鎖アルキル基のCH伸縮領域のバンドが増大しながら低波数シフトすることを見出した。このOH伸縮バンドの減衰面積強度とCH伸縮のピーク波数を時間に対してプロットすると、2つの変化が同期しており、界面活性剤が除去されると、界面の脂質分子が配列してBLMを形成し、それにより界面の水が失われ、ち密なBLMが形成されることが示唆された。CHバンドの波数は固体のアルキル鎖のそれと近い値にまで低下していた。ただし、膜蛋白質がない状態では、この変化には2時間以上の時間が必要だった。一方、カルボン酸基末端へのアミド結合形成に基づき、NORを固定した状態で同様の方法でBLMの構築を試みると、バイオビーズ添加以前に既に比較的密なBLMが形成されており、添加後、10分以内に結晶状態に近い密なBLMが形成された。このことは膜蛋白質の存在が、BLMの形成を促進しているということであり、膜蛋白質と脂質分子との親和性を示す結果となった。
この他、テラヘルツラマン分光の整備と和周波発生分光の整備も並行しておこなった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

3つの分光法を同じ系に使用するための素地が確立された他、一酸化窒素還元酵素(NOR)については、脂質二重膜との親和性が高いこと、脂質二重膜に埋め込まれた状態であってもなくても一酸化窒素還元能にはほとんど変化が認められないことなど、有益な知見が得られた。NORについては一酸化窒素(NO)還元機構の解明を目的としており、脂質二重膜による界面水の除去ができたことにより、NOが吸着した際のバンドの観測が十分可能になると考えられる。

今後の研究の推進方策

今後は、一酸化窒素還元酵素(NOR)については、下地となる自己組織化膜(SAM)の鎖長を変化させて、NORの配向性が変わるかどうか、あるいはその周辺に構築される脂質二重膜(BLM)の疎密が影響されるか否かを明らかにする他、配向が確定して周辺にBLMが密に存在している条件で一酸化窒素(NO)還元反応をオペランド計測し、NO還元機構を解明できるよう、検討を進めてゆく。
次のターゲットである酸素還元酵素についても当初はラッカーゼ(Lac)を検討していたが、シトクロムc酸化酵素(CcO)が入手できる可能性が生じたので、NORにおけるNO還元機構が一段落したら、CcOにシフトする方向で考えたい。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Electrocatalytic Oxygen Reduction at Multinuclear Metal Active Sites Inspired by Metalloenzymes2020

    • 著者名/発表者名
      Masaru Kato and Ichizo Yagi
    • 雑誌名

      e-Journal of Surface Science and Nanotechnology

      巻: 18 ページ: 81-93

    • DOI

      10.1380/ejssnt.2020.81

    • 査読あり
  • [学会発表] Mechanistic Insights into Enzymatic Nitric Oxide Reduction Revealed By Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy Absorption Spectroscopy2019

    • 著者名/発表者名
      Kato Masaru, Masuda Yuya, Nakagawa Shogo, Tosha Takehiko, Yagi Ichizo
    • 学会等名
      235th ECS Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy of Nitric Oxide Reductase Immobilized on Gold Electrodes2019

    • 著者名/発表者名
      Kato Masaru, Masuda Yuya, Nakagawa Shogo, Tosha Takehiko, Yagi Ichizo
    • 学会等名
      ISABC15
    • 国際学会
  • [学会発表] Operando Monitoring of Nitric Oxide Reduction at Enzyme- Modified Electrode by ATR-SEIRA Spectroscopy2019

    • 著者名/発表者名
      Yagi Ichizo, Masuda Yuya, Nakagawa Shogo, Tosha Takehiko, Kato Masaru
    • 学会等名
      ICAVS 10
    • 国際学会
  • [学会発表] 種々の計測で解き明かす電極触媒活性の向上2019

    • 著者名/発表者名
      八木一三
    • 学会等名
      電気化学会関西支部・東海支部合同シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] NonPGM Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction Inspired By Metalloenzyme Active Sites2019

    • 著者名/発表者名
      Kato Masaru, Fujibayashi Natsuki, Matsubara Naohiro, Muto Marika, Murotani Takeshi, Yagi Ichizo
    • 学会等名
      236th ECS Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] 酸素還元活性に対するカーボンナノチューブへの銅ー鉄共ドーピング効果2019

    • 著者名/発表者名
      藤林那月、松原直啓、加藤優、保田諭、八木一三
    • 学会等名
      電気化学会第87回大会
  • [備考] 生体分子固定電極におけるその場計測

    • URL

      https://iyagilab.jp/home-jp/portfolio/project-title-3

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公開日: 2021-12-27  

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