バイオと電気化学の接点＊加納健司＂
生物と電気化学

媒電極反応はバイオセンサ，バイオ電池あるいは電気化学は， 1791 年に出された L. Galvani の動バイオ電解の基礎概念であり，市販されている使物電気仮説に端を発すると 言 われるように，生命い捨てタイプのグルコースセンサ等にもこの原理と密接な関係がある 。 また ，生命力を電気エネルが用いられている 。最近ではメディエータを使わギーとして取り出す試みはずっと以前から続けらない直接電子移動型酵素触媒電極反応（第三世代れてきた 。20 世紀初頭には，呼吸や炭酸同化のよバイオセンサ）の研究も開始されている。

うな生命現象を電流や電圧変化として観測できるペルオキシダーゼ (POD) が触媒となる H202 の酵ことも報告されている 。 しかし，当時の生化学や素機能触媒還元反応は，比02 の高感度高選択的ア電極反応の理解は十分ではなく，バイオ燃料電池ンペロメトリックセンサに利用できる。さらに，(biofuel cell) といえるものまでには至らなかった。

これを各種の酸化酵素系を組み合わせることによ

生化学反応の詳細がしだいに明らかになるにつれおり，多種多様なバイオセンサができる。 P O D （て，代謝，呼吸，光合成，神経伝達，イオンチャよび酸化酵素）を利用した比 02 の分光光度法は，ンネル等々，多くの生命現象は電気化学現象に密生化学・臨床・食品分析にも多く使われているが，接に関連していることが分子 レベルでわかってきP O D と酸化酵素の交差反応や還元性共存物質にた。 こうした背景のもと生命現象を電気化学的による定量妨害の影響を非常に受けやすい本質的欠利用する試みがさ らに加速し，現在も，バイオセ点がある 。 これに対して界面反応をうまく利用すンサやバイオ電池等に関する研究は活発に行われるバイオセンサではこの問題を解決できる 。一例ている 。筆者の所属する研究グルー プは，生体電として，この H2切バイオセンサを用いた茶飲料

子移動反応に着目し，生物の電気化学的利用とい水中のカテキンの自動酸化反応に関する研究を紹う応用的側面と，生命現象の電気化学的理解とい介した。
一方，こうしたアンペロメトリックバイオセン

う基礎的側面から研究を行ってきた。本稿ではその一部を紹介する 。

サは，物質移動特性や酵素活性の変動がそのまま信号強度に反映されるてしまう 。 この欠点を克服するひとつの手法として，酵素反応とクーロメトバイオセンサ
1967 年にいわゆる酵素電極'(第 一世代バイリーを共役させたバイオクーロメトリーを提言 しオセンサ）が発 表 されて以来，バイオセンサヘのた。 これは酵素機能触媒電極反応により目的物質関心が高ま った。 1980 年代中ごろから，適当な電を全電解し，その電気量から絶対微量分析するも子伝達メディータを介した酸化還元酵素反応と 電のである 。

極反応との共役系（第 二世代バイオセ ンサ），すなわ ちメディエータ型酵素触媒電極反応（バイオバイオ電池エレクトロカタリシス反応）に関する研究が池田

酵素機能触媒電極反応のもうひと つの応用としらにより大きく進展させ られた。 この酵素機能触て，バイオ電池が考えられる 。 生体は，食物の酸＂京都大学農学研究科応用生命科学専攻
Transactions of T h e Research Institute ofce ●nochemistry Vol.16, No.I, April, 2003

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化反応を利用して A T P を生成し，これをネルギーの通貨生体工として利用している。電子の出バイオ電解

口は好気性生物では酸素である。このような生体バイオ電池で用いたバイオ電極素子は，バイオエネルギー代謝を模して，それに関するあるいはセンサの場合と同様，生体関連物質の電解にも利類似する酸化還元反応系を電極系に組み込み，用できる。ここではこれをバイオ電解ということ

A T P 生成ではなく電気エネルギーとして取り出にする。この方法を用いると，有機合成反応ではす装置がバイオ電池である。これまで，水素・酸非常に困難な位置選択的酸化・還元等も可能であ

素バイオ燃料電池，グルコース・酸素バイオ電池，りリアクタとして利用できるほか，環境浄化等にN A D H ・酸素バイオ電池，光呼吸バイオ電池等のも適用できる可能性がある。バイオ電解には，京プロトタイプの作成を手がけてきた。このような大理学部の研究グループが開発したカラム電解法

バイオ電池特性は，ボルタンメトリー的観点からが好都合である。一方，うまく説明できるが，その詳細は省略させていたには，適当な酸化剤と還元剤の組み合わせで，印だく。

加電圧を非常に小さくすることができる 。 たとえ

2 電極電解を用いる場合

水素・酸素バイオ燃料電池では，例えばアノーば，水素製造法のひとつに水の電気分解があるが，ドにヒドロゲナーゼを，カソードにビリルビンオ

これには 2.5 V 程度の印加電圧が必要であるのにキシダーゼを利用する。つまり，通常の燃料電池対し，アルコールのバイオ酸化とプロトンのバイの白金触媒を生体触媒に置き換えたものである。

オ還元を組み合わせた場合， 0.4 V 程度にまで軽減

このような触媒の機能特性の違いは，そのまま電して，水素（＋有機酸）製を実現できる 。 この方池機能に反映される。例えばバイオ燃料電池にお法をバイオ電池と組み合わせると，有機物から水ける電子供与体としては，水素のほか，糖類・ア素への自発的変換装置となる 。 この反応は全体とルコール類，アミン類・有機酸等，生物が利用すしては，ある種の微生物が行う反応と酷似しているエネルギー源はすべて利用できる。また，カソる上，今後は環境問題を考える上でも興味ある方ードでの電子受容体としても，酸素のみならず，法になると考えている 。

硝酸イオンや硫酸イオン等，生物が利用するもの
代謝制御は原理上すべて利用できる。 一方で，生体触媒は金属触媒に比べて脆弱であり耐久性に欠ける。こ生物エネルギー代謝を考える上では，還元剤とのためバイオ電池の寿命は生体触媒の耐久性に大しての食物のみならず，酸化剤としての末端電子きく左右される。また，出力（電流密度と電圧）受容体も重要である 。嫌気性条件下で微生物代謝を決める因子としては，触媒である酵素の反応速の中には，酵母やビフィズス菌あるいは乳酸菌の度だけでなく，メディエータ自体の酸化還元電位ように，代謝中間体であるピルビン酸を末端電子や電極反応速度，および液抵抗が重要になる。こ受容体とするものがある 。 このような系に外部電の水素・酸素バイオ電池の起電力は 1.17 V と理論子受容体への電子リーク経路を組み込むことによ

値 (1.23 V ) に近く，通常の燃料電池以上の性能

りヒ゜
ルビン酸を消費することなく， A T P 生成がでである 。 ただし，電流密度は，現状では通常の燃きると考えられる。2‑Amino‑3‑carboxy‑naphthoquinone

料電池に比べ 2 ケタほど小さい。 出力（特に電流( A C N Q ) はこの電子移動経路の有効な電子伝達メ密度）を向上するためのひとつの鍵は電極修飾をディエータとなることを明らかにした 。 実際，含めた電極構造であり，その特性評価は，やはりフィズス菌に A C N Q を加えると増殖促進効果がボルタンメトリー的解釈が非常に有用である 。

認められる 。 同様の増殖促進 の効果は
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海 洋 化 学 研 究 第 16 巻第 1 号 平 成 15 年 4 月

ビ

1,4‑dihyroxy‑naphtoic acid ( D H N A ) にも認められるの活性中心が新規キノンコファクター ・システイので，これを A C NQ 前駆体と考 え， D H N A からントリプトフィルキノンであることも見出した。

A C N Q の生成を証明した 。 こうした単一細胞種の本酵素あるいは放線菊のヒスタミン脱水素酵素の代謝研究過程で，その目的に添った各種バイオセ構造解析，平衡論的・速度論的解析等を行う過程

ンサを活用することは非常に有効であることを示

で，既存の分離分析手法やプロテオーム解析法すことができたが，今後は，生態系全体を視野に(AA・ D N A シークエンス解析， E SI‑MS 等）も汎入れた酸化還元反応の動的解析が必要になると考用してきたが，これらに加えタンパク質の酸化還え，そうしたアプローチヘと発展させていく必要

元電位評価法や分子間電子移動速度解析解析法等，があると考えている 。

新規なプロテオーム解析法の開発も行ってきた。
いずれも厳密な電気化学理論に基づいた手法であキノプロテインの電気化学と生化学（生化学へのる。詳細は省かせていただくが，こうした新しい電気化学的アプローチ）

電気化学手法により，これまでの生化学的手法で地球上の窒素サイクルの 1 過程として，微生物は得られない情報を提供することができると考えによる有機体窒素からのアンモニア生成反応（有ている 。

機物の無機化）がある 。以前は，たとえば土壌特

現時点では 主に生体電子移動に着目しているが，性等は，関連窒素化合物の（静的）濃度で評価さほかにも，イオン移動反応，あるいは A T P 生成反れていたが，ごく最近の研究では，この無機化過応と膜電位の関係等々，電気化学に携わるものが程の動的解析の重要性が指摘されている 。 こうし

正面から向き合うべき課題は多いと思われる 。 こた観点から ，脱窒菌や放線菌 のアミン代謝についのように，バイオと電気化学の境界領域には大変て着目している。その過程で，脱窒菌から新規キ興味深い問題が山積しており，大変やりがいのあノヘモプロテインアミン脱水素酵素を発見し，そる研究領域であると考えている 。

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