博士 （ 理学）佐 藤

準

学 位 論文 題 名
人工及び天然イオノフオアを包埋した脂質二分子膜を用いる化学センサーの基礎研究
学位論文内容の要旨
脂質二分子膜は．厚さ50〜60Aのイオン透過性の極めて低い脂質分子配向膜である．脂質二分子膜を構成要素とする生体膜は，膜蛋白質がイオン・分子を認識し，引き続いて膜電位変化や膜透過性変化に情報変換を行っている．また，生体膜中のレセブターチャンネル蛋白などは，1分子の認識を膜を横切る多数個のイオンの流れに情報変換する様な信号増幅機能を持つ．今までに，膜蛋白を感応素子とする脂質二分子膜を用いるセンシング膜が．十数例報告された，しかしながら，従来からイオン選択性電極(ISE)に用いられている人工及び天然イオノフオアを感応素子とする脂質二分子膜を用いるセンシング膜は，膜電位応答型パリノマイシン包埋脂質二分子膜と水溶液中のノナクチンによるイオン輸送に基づく脂質二分子膜のみである．
本論文は，脂質二分子膜を用いるイオン・分子認識，情報変換に基づく電気化学センシングを一般化するために，従来ISEに用いられていた人工イオノフォアを脂質二分子膜に直接包埋することを試み，選択的イオン認識に引き続く情報変換を実験的に考察したものである．具体的には天然及び人工イオノフォアを直接包埋した脂質二分子膜の目的
イオン認識によるイオン選択的膜透過性変化とイオン選択的膜電位（電荷分離）応答を検討した，また，従来ISEに電位応答改善のために用いられてきた脂溶性のアニオン性サイトを膜電位応答の改善のために初めてイオノフォアと同時に脂質二分子膜に包埋し，膜電位応答を検討した・
本論文は4章から構成されている．
第1章「序論」においては，これまでのイオン・分子認識及び情報変換機能を有する膜を用いた電気化学センサ一及び脂質二分子膜を用いるセンサーについて，また，過去に報告された脂質二分子膜の作製法，電気化学特性及びイオノフォアを介するイオンの膜透過（キャリヤーメカニズム）について概説レ，イオノフォア包埋脂質二分子膜のセンシング膜としての位置付けにっいて述べた．
第2章「膜 透過性変化に基づく人工イオノフォア包埋脂質二分子膜センサーJ
では，イオノフォアを含む膜と含まない膜のバックグランドコンダクタンス（目的イオンが膜の両側に無い場合）を比較することによって，単分子膜貼り合わせ法(Folding法）によって形成されたフオスフんチヂルコリン及びコレステロールから成る脂質二分子膜に11種 の 内 7種 の 人 工 イ オ ノ フ エ ア を 包 埋 で き る こ と を 初 め て 示 し た ，さらに得られたイオノフォア包埋脂質二分子膜の内，valinomycln及びETH4120を各々包埋した脂質二分子膜は，バルクにおけるイオノフォアの選択性を反映して目的イオー8―

ン 濃 度 に 依存 し た コ ンダ ク タ ン ス差 （ パ ックグ ランドコ ンダク タンス を差し 引いた 値）が 増加す ること を見い 出した ．この とき，目 的カチ オンは cis側のみ に添加 しており，cis側 が 負 電 位の と き に も目 的 カ チ オン 濃 度 に依存 してコン ダクタ ンス差 が増加 するこ と及び 目 的 カ チオ ン の 対 アニ オ ン に 脂溶 性 の 高い対 アニオン を用い たとき にコン ダクタ ンス
差 が さ ら に増 加 す る こと を 見 い 出し た ， これら の結果か ら，イ オノフ ォア包 埋脂質 二分子 膜 に お ける イ オ ン 透過 は ， 従 来考 え ら れてき たイオノ フォア による 目的カ チオン の輸送 （ キ ャ リヤ ー ヌ カ ニズ ム ） に 加え て イ オノフ ォア錯体 カチオ ンをゲ ートと する対 アニオ ン の 対 向透 過 によ ること を初め て見い 出した． また， 7種のイ オノフ ォアを 各々包 埋した 脂 質 二 分子 膜 に つ いて も ， 各 目的 イ オ ン濃度 に依存し たコン ダクタ ンス差 の増加 が観測 された ．
さ らに， 本章で は，Folding法及び tip−dip法に よるイ オノフォア包埋脂質二分子膜の信号 増幅能 及び検 出限界 を比較 した． tipーdip法に よるイ オノフォア包埋脂質二分子膜は，
検 出 限 界 がFolding法 に よ る 膜よ り 劣 り ，信 号 変 換 比（ イ オ ノ フォ ア1分子 が1秒問 に透過 させる イオン 数）に よって 評価し た信号増 幅能は ，Folding法 による 膜に比 べて1〜10万倍 優れて いるこ とを見 い出し た．
第 3章 「 膜電 位 変 化 に基 づ く 人 工イ オ ノ フ ォア 包 埋 脂 質二 分 子 膜セン サー」 では， イオ ノ フ ォ ア 包 埋 脂 質 二 分 子 膜 を 電 位 応 答 型 セ ン シ ン グ 膜 と し て一 般 化 す るた め に ，Folding法 に よ る 6種 の人 工 イ オ ノフ ォ ア を 各々 包 埋 し た脂 質 二 分子 膜及び valinomycin
包 埋 脂 質 二分 子 膜 の 膜電 位 応 答 につ い て 検討し た．また ，膜電 位応答 及び膜 抵抗を 制御
す る こ と を目 的 とし て，従 来液膜 型ISEの電 位応答 の改善 のため に用いら れてい る脂溶 性の ア ニ オン 性 サ イ ト（ potassium tetrakis(4― chlorophenyl)borate(KTI)CIPB)及 び
sodiumtetrakis(4‑fluorophenyDborate(NaTFPB))を 初 めて イ オ ノ フォ ア 包 埋 脂質 二分 子膜に 包埋し ，影響 を検討 した．
イ オ ノフ ォ ア 包 埋脂 質 二 分 子膜 の 膜 電位 測定で は，膜 抵抗と 測定装置 の入カ インピ ー
ダ ン ス が 合わ な い 場 合が 多 い ． アニ オ ン 性サイ トを同時 に包埋 するこ とによ り膜抵 抗値が 低 下 し ，測 定 装 置 との イ ン ピ ーダ ン ス マッチ ングが達 成され ，膜電 位を測 定でき る割合 が60%から 100％に 向上し た．
イ オノ フ ォ ア包 埋 脂 質 二分子膜 の膜電位 応答に ついては ，目的 イオンに 対してNernstian応答 を 示 す 膜（ valinomycin及 び ETH 4120包 埋 膜 ）と 示 さ な い膜 に 分 か れる
こ と，Nernstlan応答を 示さな い膜に ついて は，パ ルクに おけるイ オノフ ォアの選択性を
反 映 す る 膜(cryptand包 埋 膜） と 反 映 しな い 膜 (dibenzoー 30−crownー10， ETH1001及び bls(12−crown―4）包埋膜）に分かれることを見い出した．これらのイオノフォア包埋脂質 二 分 子膜 に ア ニ オン 性 サ イ トを 同 時 に 包埋 す る こ とに よ っ て ，目 的 イ オ ンに 対 し て
Nernstlan応 答 する膜 は検出 下限が 低下す ること ，Nernstian応 答しな い膜はNernstlan応答 を 示 し かっ バ ル ク の選 択 性 を 反映 す る ように なること を初め て見い 出した ．また ，これ ら の ア ニオ ン 性 サ イ卜 包 埋 に よる 膜 電 位応答 改善の結 果から ，膜電 位発生 時に脂 質二分 子 膜 内 部に お い て 電荷 中 性 則 が達 成 さ れなく ても良い とする 従来の 考えを 不十分 とする 知見を 得た．
第 4章 「 総 括 」 で は ， 本 研 究 を 通 じ て 見 い 出 さ れ た 知 見 に つ い て 要 約 し た ．

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9‑学位論文審査の要旨
主査

教授

魚崎 浩平

副査

教授

喜多 村

副査

教授

下村 政嗣

副査

教授

梅澤 喜夫 （ 東京 大学 大学 院理 学系 研究 科）昇

学位論文題名人工及び天然イオノフオアを包埋した脂質二分子膜を用いる化学センサーの基礎 研究
人工 脂質二分子膜(BLM)
は，生体膜におけるイオン・分子認識，情報変換及び信号増幅の機能に学ぶ新たな化学センシングの場となる。過去に膜蛋白質や天然イオノフ
ォアを包埋したBLMセンサーが十数例報告されたが，BLM
はー般性のある定量的な分析反応場として未だ確立されていない。本研究は，膜界面でのイオン・分子認識に基づき情報変換及び信号増幅がイオンの膜透過性，膜電位の変化として，いかに高精度・高感度に達成されるかを多くの人工及び天然イオノフォアを例に，定量的な化学センシング法としての基礎となる知見を得る目的で行われた。
具体的には，まず，液膜型イオン選択性電極(
ISE)に用いられている種々の人工イオノフォアを単分子膜貼り合わせ法により作製レたB
LMに直接包埋できることを初めて示した。
次に，作製した人工及び天然イオノフォア包埋B
L
Mの目的イオン選択的な膜透過性変化を実験的に検討した。イオノフォア包埋B
LMの膜コンダクタンスは，イオノフォアの錯形成の選択性を反映する濃度依存性を示した。その際，イオノフォアによる目的カチオンの輸送に加えて目的イオン／イオノフォア錯体を介する対アニオンの対向輸送が起こることを初めて見い出した。さらに，ティップ・ディップ法により作製したイオノフ
ォア包埋微小B
L
Mは，一個のイオノフエアが千個のイオンを透過させる増幅能を持つことを見い出した。
また，イオノフエア包埋B
LMの目的イオン選択的な膜電位変化を実験的に検討した。
ISEの電位応答の改善に用いられているアニオン性サイトをイオノフォア包埋B
LMに初めて包埋した。B
LMは高膜抵抗（約100GQ）のため測定装置とのインピーダンスマッチングが達成し難く電位測定が困難であったが，膜にアニオン性サイ卜を包埋することによって膜抵抗の制御を実現し，全ての膜について膜電位測定を可能にした。アニオン性サイ卜の包埋は，膜電位応答を著しく改善し，検討した全てのBLMについてイオノフォアの錯形成の選択性を反映したネルンストな電位応答が達成されることを見い出した。また，アニオン性サイト包埋の影響の検討により，膜電位発生時にBL
M内部の電気的中性が 達 成 さ れ な く て も良 い と す る 従 来 の 説 を 不 十 分 と す る 知 見 を 得 た 。
本研究は，脂質二分子膜界面でのイオノフエアによる選択的イオン認識を，如何に定量的に膜電位及び膜透過性変化に情報変換・増幅するかという点に関して，化学にとって一般的に重要な基礎知見を与え，また化学センシングの基礎ともなる点において大き‑ 10−

な 価値を有 するも のであ る。参 考論文は，2編あり，いずれも英文で国際誌に掲載済みある いは掲載 決定済 みであ る。
以 上，審 査員一 同は申請 者が博 士（理 学）の 学位を 受けるに十分な資格を有するものと 判定した 。