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JPH01245810A - Ion permeating membrane and its control by light irradiation - Google Patents

Ion permeating membrane and its control by light irradiation

Info

Publication number
JPH01245810A
JPH01245810A JP63071884A JP7188488A JPH01245810A JP H01245810 A JPH01245810 A JP H01245810A JP 63071884 A JP63071884 A JP 63071884A JP 7188488 A JP7188488 A JP 7188488A JP H01245810 A JPH01245810 A JP H01245810A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ion
membrane
light
wavelength
irradiation
Prior art date
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Pending
Application number
JP63071884A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Junji Oyama
淳史 大山
Harumi Iwashita
岩下 晴美
Kinya Kato
欽也 加藤
Nobuko Yamamoto
伸子 山本
Masanori Sakuranaga
桜永 昌徳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP63071884A priority Critical patent/JPH01245810A/en
Priority to EP89105450A priority patent/EP0335326B1/en
Priority to CA000594938A priority patent/CA1322439C/en
Priority to DE68916080T priority patent/DE68916080T2/en
Priority to US07/329,811 priority patent/US5041224A/en
Publication of JPH01245810A publication Critical patent/JPH01245810A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Peptides Or Proteins (AREA)

Abstract

PURPOSE:To control ion permeability of a membrane by light irradiation by incorporating >=2 ion active transporting material groups in an ion impermeable lipid membrane by irradiation of light of different wavelength. CONSTITUTION:Equal to or larger than 2 kinds of ion active transporting material groups such as rhodopsins, iodopsins, bacteriorhodopsins, etc., are incorporated in an ion impermeable lipid membrane of glycerolinlipids, sphingoglycolipids, etc., or in a membrane having the same function by irradiation of light of different wavelength to give an ion permeable membrane. By light irradiation to the membrane, the kinds of ions to be transported and the direction of permeation are controlled according to the wavelength of the irradiated light. Meanwhile, the difference of ion concn. between the ion permeating membranes can be transformed into an electrical signal, therefore, the membrane is expected to use for a photoelectric devices transforming electric signals into photo signals.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光を吸収してイオンを輸送する物質群を利用
した光照射による選択的なイオン透過性膜とその制御方
法に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a selective ion-permeable membrane by light irradiation using a group of substances that absorb light and transport ions, and a method for controlling the same. .

(従来の技術〕 生体膜の機能の1つにイオン等の選択的透過があること
はよく知うわており、例えばイオン能動輸送性をもつ物
質を薄膜中に保持させるなどの方法で生体膜類似の機能
を付与して透析膜や種々のセンサーを構成することに期
待がもたれている。
(Prior art) It is well known that one of the functions of biological membranes is the selective permeation of ions, etc., and it is possible to create structures similar to biological membranes by, for example, retaining substances with active ion transport properties in thin membranes. There are high expectations for the construction of dialysis membranes and various sensors by imparting these functions.

また、膜を横切るイオン濃度差はいわゆる膜電位として
イオン感応電極などと組み合わせて容易に電気信号に変
換することができるから、化学信号を電気信号に変換す
る化学素子としての応用も可能となる。蛋白質をイオン
能動輸送性の物質として使用するものとしては、例えば
生体埋め込み用センサーのような生物化学素子の構成が
特開昭62−11158に開示されている。
Furthermore, since the difference in ion concentration across the membrane can be easily converted into an electrical signal as a so-called membrane potential by combining it with an ion-sensitive electrode, it can also be applied as a chemical element that converts chemical signals into electrical signals. As an example of a device using a protein as an ion active transporting substance, a construction of a biochemical device such as a sensor for implantation in a living body is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11158/1983.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

イオン透過性制御を行なわせるのに光入力を用いるなら
ば、単に外部制御法が容易になるだけでなく、例えば光
電変換を少ない発熱量で行なわせる化学素子も実現可能
である。本発明のように、イオン透過の方向性や可逆性
を光照射によって制御した例は現在までのところないが
、容積効率とエネルギー効率が優れしかも良好な制御性
をもつイオン透過膜は、光通信分野の変換素子としても
今後有望である。
If optical input is used to control ion permeability, it not only facilitates external control methods, but also enables the realization of chemical devices that can perform photoelectric conversion with a small amount of heat, for example. Although there is no example to date in which the directionality and reversibility of ion transmission is controlled by light irradiation as in the present invention, ion permeable membranes with excellent volumetric efficiency and energy efficiency as well as good controllability are useful for optical communication. It is also promising as a conversion element in the field.

光入射により膜イオン透過性を制御する上では、与える
入射光の波長を任意に設定しうることが望ましい。また
、膜イオン透過性は一方向のみを制御するのではなく、
透過性の方向を選択でき、しかも与える入射光の波長に
応じてその選択が可能となることが望ましいことは言う
までもない。本発明者らは、物理的あるいは化学的反応
に比べて生体内でみられる生化学的反応における反応の
選択性(特異性)や反応効率が極めて高いといった点に
注目し、照射波長域を任意に選定でき、また光照射エネ
ルギーによって高感度で膜のイオン透過性を制御でき、
しかも入射波長に応じてイオン透過の方向性を選択でき
るイオン透過性膜とその制御方法の検討を行なってきた
In order to control membrane ion permeability by light incidence, it is desirable to be able to arbitrarily set the wavelength of the incident light. In addition, membrane ion permeability is not controlled only in one direction;
Needless to say, it is desirable to be able to select the direction of transparency, and to be able to select it in accordance with the wavelength of incident light. The present inventors focused on the fact that the selectivity (specificity) and reaction efficiency of biochemical reactions observed in the living body are extremely high compared to physical or chemical reactions, and the irradiation wavelength range can be adjusted arbitrarily. The ion permeability of the membrane can be controlled with high sensitivity by adjusting the light irradiation energy.
Moreover, we have been studying an ion-permeable membrane that can select the direction of ion transmission depending on the incident wavelength, and a method for controlling it.

その過程において、本発明者らは、動物の網膜等に存在
し、生体で可視光に対して非常に高感度、高解像度で物
質輸送を行なって光感知を司る物質である光受容蛋白質
に着目し、それに類似の構造および機能を持ち、しかも
常温で比較的安定に存在し得る光受容蛋白質を脂質膜内
に保持させて用いることによって上述の機能を実現でき
ることを見い出し本発明に到達した。
In the process, the present inventors focused on photoreceptor proteins, which are substances that exist in the retina of animals and control light sensing by transporting substances with extremely high sensitivity and high resolution to visible light in living organisms. However, we have discovered that the above-mentioned functions can be achieved by using a photoreceptor protein, which has a similar structure and function and can exist relatively stably at room temperature, in a lipid membrane, thereby achieving the present invention.

すなわち本発明の目的の1つは、生物化学反応を利用し
た光照射によるイオン透過性膜を提供することであり、
他の目的は前記イオン透過性膜のイオン透過性の光照射
による制御方法を提供することにある。
That is, one of the objects of the present invention is to provide an ion-permeable membrane that can be produced by light irradiation using a biochemical reaction.
Another object of the present invention is to provide a method for controlling the ion permeability of the ion permeable membrane by light irradiation.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

すなわち本発明は、相異なる波長領域の光照射によって
イオン能動輸送を行なう物質群2種類以上を、イオン不
浸透性の脂質膜または同等の機能をもつ薄膜中に組込ん
で保持することを特徴とするイオン透過膜であり、他の
発明は、上記イオン透A膜の膜イオン透過性を、入射波
長域に応じて輸送イオン種とその透過の方向性も含めて
制御することを特徴とするイオン透過性の制御方法であ
る。
That is, the present invention is characterized in that two or more types of substances that actively transport ions when irradiated with light in different wavelength ranges are incorporated and retained in an ion-impermeable lipid membrane or a thin film having an equivalent function. Another invention is an ion-permeable membrane characterized in that the membrane ion permeability of the ion-permeable A membrane is controlled in accordance with the incident wavelength range, including the ion species to be transported and the direction of their transmission. This is a method of controlling transparency.

本発明で言う光を吸収して各種イオンを輸送する機能を
もつ物質として、光受容蛋白質を挙げることができるが
、このような機能を有するものであれば、各種の光受容
蛋白質あるいはその類似物が利用でき、その種類は限定
されるものではない。
Photoreceptor proteins can be mentioned as substances with the function of absorbing light and transporting various ions as referred to in the present invention, but as long as they have such functions, various photoreceptor proteins or their analogues may be used. can be used, and the types are not limited.

光受容蛋白質の代表例としては、動物網膜に存在する色
素蛋白質、いわゆる視物質があり、これは、発色団(例
えばレチナール)部分と蛋白(例えばオプシン)部分と
からなり、動物の網膜視細胞性節において光を受容し、
それを何らかの膜イオン透過性変化に置き換える作用を
有するものである。そのようなものとして、例えば、ロ
ドプシン、ポリフィロプシン、アイオドプシン等が抽出
精製されている。また、視物質と同様な機能を有するも
のとして、好塩菌の細胞膜に存在するバクテリオロドプ
シンおよびへロロドブシンがあり、これらは比較的に取
り扱いが簡便であり好ましい。
A typical example of a photoreceptor protein is a pigment protein that exists in the animal retina, so-called photoreceptor. Receive light at the nodes;
It has the effect of replacing this with some kind of change in membrane ion permeability. Examples of such substances include rhodopsin, polyphyllopsin, and iodopsin, which have been extracted and purified. In addition, there are bacteriorhodopsin and herorhodobuscin, which are present in the cell membrane of halophilic bacteria, which have the same function as visual substances, and these are preferable because they are relatively easy to handle.

バクテリオロドプシンは、へロバタテリウム(Ila 
lobacterium)属に属する高度好塩菌ハロバ
クテリウム ハロビウム(tlalobac、Leri
um halobium)等の細胞膜(紫膜)の蛋白質
の主成分であり、レチナールを発色団として含み、可視
光を受けて水素イオンを輸送する機能(プロトンポンプ
能)を有する[八、Danon、W、5toecken
ius;Proc、Natl、Acad。
Bacteriorhodopsin is derived from Helobatatherium (Ila
Halobacterium halobium (tlalobac, Leri) belonging to the genus lobacterium
It is a main component of proteins in cell membranes (purple membranes) such as um halobium, contains retinal as a chromophore, and has the function of transporting hydrogen ions (proton pumping ability) in response to visible light [8, Danon, W. 5toecken
ius; Proc, Natl, Acad.

Sci、、  USA、  71. 1234(197
4)  ]  。
Sci., USA, 71. 1234 (197
4) ].

この]バタテリオロドプシは、例えば[0゜0este
rhelt、お よび W、St、oeckcnius
;  Method  inEnzymology、 
31.667 (1974)]の方法などを用いて、高
度好塩菌から紫膜として抽出し、更に、[に−5,lI
uang、 11.l1ayley and Il、G
、Khorana;Proc、Natl、Acad、S
ci、、 USA、 77、323(+980) ]に
記載の方法などを用いて得られた紫膜から脂質を取り除
いて得ることができる。
For example, [0°0este]
rhelt, and W, St, oeckcnius
;Method inEnzymology,
31.667 (1974)] as a purple membrane from highly halophilic bacteria, and
uang, 11. l1ayley and Il,G
, Khorana; Proc, Natl, Acad, S
It can be obtained by removing lipids from the purple membrane obtained using the method described in [Ci., USA, 77, 323 (+980)].

また、へロロドブシンは高度好塩菌の例えばRlmR,
L33などのバクテリオロドプシン欠損株から発見され
たレチナール蛋白質であり、可視光を受けてナトリウム
イオンを輸送する性質がある[A、Y、Matsuno
 and Y、Mukohata:Biochem、B
iophys。
Herorhodobuscin is also used in highly halophilic bacteria such as RlmR,
A retinal protein discovered in bacteriorhodopsin-deficient strains such as L33, which has the property of transporting sodium ions in response to visible light [A, Y, Matsuno
and Y, Mukohata: Biochem, B
iophys.

Res、Commun、、 78.237(1977)
: R,E、Mac Donald。
Res, Commun, 78.237 (1977)
: R.E., Mac Donald.

R,U、Greene、 R,D、Glark、 E、
V、Lindley:J、Biol。
R,U,Greene, R,D,Glark,E,
V, Lindley: J, Biol.

Chem、、 254.11831(1979) ]。Chem, 254.11831 (1979)].

このハロロド・プシンは、高度好塩菌から例えば[Y、
Mukohata、 Y、Sugiyama and 
Y、にaji、J、Usukuraand E、Yam
ada; Photochem、Photobiol、
、 33,539(1981)]に記載の方法などを用
いて得ることができる。
This halorodopusin is derived from highly halophilic bacteria such as [Y,
Mukohata, Y., Sugiyama and
Y., Niji, J. Usukura and E. Yam.
ada; Photochem, Photobiol,
, 33, 539 (1981)].

また、生体から分離した天然の光受容蛋白質の構造をそ
の機能を損なうことなく変化させて、感光波長を変化さ
せた誘導体を形成して、本発明に用いることもできる。
Further, the structure of a natural photoreceptor protein isolated from a living body can be changed without impairing its function to form a derivative with a changed photosensitive wavelength, which can be used in the present invention.

代表的には、レチナール部分を置換して光吸収波長を変
化させることが可能である。ロドプシンにおけるこのよ
うな誘導体の形成の具体例を挙げると、例えばレチナー
ル部分を a)全−trans−レチナールとすることによって吸
収極大波長を570nmとしたバクテリオロドプシン[
P、Townor、 W、Gaerther、 ct、
al、、 Eur、J。
Typically, the retinal moiety can be substituted to change the optical absorption wavelength. To give a specific example of the formation of such a derivative in rhodopsin, for example, bacteriorhodopsin with a maximum absorption wavelength of 570 nm by changing the retinal moiety to a) all-trans-retinal [
P.Townor, W.Gaerther, ct.
al., Eur, J.

Biochem、、 117.353(198])]、
b) 13−cis−レチナールとすることによって吸
収極大波長を550nmとしたバクテリオロドプシン[
同上]、 c)5.6−ジヒドロレチナールとすることによって吸
収極大波長を475nmとしたバクテリオロドプシン[
R,Mao、R,Govindjee、et、al、 
、Biochemistry、輩、 428 (198
1)]、d)レトロ−γ−レチナールとすることによっ
て吸収極大波長を430nmとしたバクテリオロドプシ
ン[に、S、Huang、 H,Baylay、 et
、al、、 Fed、Proc、。
Biochem,, 117.353(198])],
b) Bacteriorhodopsin with maximum absorption wavelength of 550 nm by using 13-cis-retinal [
c) bacteriorhodopsin with maximum absorption wavelength of 475 nm by using 5,6-dihydroretinal [
R, Mao, R, Govindjee, et al.
,Biochemistry, 428 (198
1)], d) Bacteriorhodopsin with maximum absorption wavelength of 430 nm by retro-γ-retinal [S, Huang, H, Baylay, et
,al, ,Fed,Proc.

40、1659(1981)]、 e)3.4−ジヒドロレチナールとすることによって吸
収極大波長を593nmとしたバクテリオロドプシ:/
 [F、Tokunaga、 T、Ebrey、 Bi
ochemistry。
40, 1659 (1981)], e) Bacteriorhodopsis with maximum absorption wavelength of 593 nm by using 3,4-dihydroretinal: /
[F, Tokunaga, T, Ebrey, Bi
ochemistry.

17、1915(1978)]、 等がある。17, 1915 (1978)], etc.

更に、バクテリオロドプシンのアミノ酸配列は、既に明
かとなっており[Yu、A、0vchinnikov。
Furthermore, the amino acid sequence of bacteriorhodopsin has already been revealed [Yu, A., Ovchinnikov.

N、G、Abdulaev、 et、al、、 Bio
org、Khim、 i、 1573(+978)] 
、また好基塩のバクテリオロドプシン遺伝子の塩基配列
も[R,J、Dunn、 J、M−Mc(:oy等。
N., G., Abdullaev, et. al., Bio
org, Khim, i, 1573 (+978)]
, and the nucleotide sequence of the basophilic bacteriorhodopsin gene [R, J, Dunn, J, M-Mc (: oy et al.

Proc、Natl、Acad、Sci、、 78.6
744 (1981)]によって明かとなっている。こ
れらの知見から、組換え体DNAを構成して、バクテリ
オロドプシンのアミノ酸配列を置換した蛋白類類似体の
合成も可能となっており[N、R,Hackett、 
L、J、5tern、 et。
Proc, Natl, Acad, Sci, 78.6
744 (1981)]. Based on these findings, it has become possible to synthesize protein analogs in which the amino acid sequence of bacteriorhodopsin is substituted by constructing recombinant DNA [N., R. Hackett,
L, J, 5tern, etc.

al、、 J、Biol、にhem、、 262.92
77(1987)] 、このような光受容蛋白質類似物
質もまた本発明に用いることができる。光吸収波長域の
異なる2以上を所望とする膜イオン透過膜の構成に応じ
て、上記の光受容蛋白質から選択して用いれば良い。
al,, J, Biol, hem,, 262.92
77 (1987)], such photoreceptor protein-like substances can also be used in the present invention. Depending on the configuration of the membrane ion-permeable membrane in which two or more proteins with different light absorption wavelength regions are desired, the above-mentioned photoreceptive proteins may be selected and used.

本発明において光受容蛋白質を保持する脂質膜の材料と
しては、単分子膜、あるいは多分子膜を構成できる公知
の両親媒性化合物が利用できる。
In the present invention, known amphipathic compounds capable of forming a monomolecular film or a multimolecular film can be used as the material for the lipid film that retains the photoreceptor protein.

これらの膜形成能を持つ脂質分子は炭素が8個以上の長
鎖アルキル基と親木基とを有して構成され、親木基が 例えば (20nN” 2(+ ) などのカチオン、 例えば CI+3 (CII2)。−、−QC−GH2などのア
ニオン、 例えば (2に、−glycero−(glycidoxy) 
x)などの非イオン、 例えば (2C+a N” CIC2PO4−)などの双性イオ
ンのいずれでも良い。
These lipid molecules with membrane-forming ability are composed of a long-chain alkyl group with 8 or more carbon atoms and a parent group, and the parent group is a cation such as (20nN"2(+), for example CI+3 (CII2). Anions such as -, -QC-GH2, e.g. (2, -glycero-(glycidoxy)
It may be either a nonion such as x) or a zwitterion such as (2C+a N''CIC2PO4-).

こわらの脂質材料のうち、ホスファチジルコリン(レシ
チン)やホスファチジルエタノールアミン、ジホスファ
チジルグリセロールなどのグリセロリン脂質;スフィン
ゴミエリンやセラミドシリアチン等のスフィンゴリン脂
質:セレブロシド、スルファチド、セラミドオリゴへキ
ソシド等のスフィンゴ糖脂類;および親水基として炭水
化物を含むグリコジルジアシルグリセロール等のグリセ
ロ糖脂質は生体膜を構成している脂質であるため、上述
した光受容蛋白質を取り込ませて光受容蛋白質を保持し
た脂質膜を形成させ、該蛋白質を効率良く機能させるの
に特に適した材料といえる。
Among the lipid materials of Kowara, glycerophospholipids such as phosphatidylcholine (lecithin), phosphatidylethanolamine, and diphosphatidylglycerol; sphingophospholipids such as sphingomyelin and ceramide syriatin; sphingoglycolipids such as cerebroside, sulfatide, and ceramide oligohexoside and glyceroglycolipids such as glycosyldiacylglycerol that contain carbohydrates as hydrophilic groups are lipids that constitute biological membranes, so they incorporate the photoreceptive proteins mentioned above to form lipid membranes that retain photoreceptive proteins. It can be said that it is a particularly suitable material for making the protein function efficiently.

なお、本発明でいう脂質膜としては、上述のような脂質
材料から形成され、脂質の単分子膜層からなるもの、あ
るいは脂質の単分子膜が2層積層された構成のもの(脂
質二重層膜)や脂質の単分子膜が3層以上積層された構
成のもの(脂質多重層膜)などが利用できる。
In addition, the lipid membrane referred to in the present invention is one formed from the above-mentioned lipid materials and consists of a monolayer of lipids, or a membrane composed of two monolayers of lipids (lipid bilayer). (membrane) or a structure in which three or more lipid monomolecular films are laminated (lipid multilayer film) can be used.

なかでも、脂質二重層膜内に光受容蛋白質を保持させる
と、感光色素蛋白質を生体内での構造に近い形に再構成
することができ、その機能を有効に利用できるので都合
が良い。また、萌述したバクテリオロドプシンは、好塩
菌内では紫膜と呼ばれる脂質層との複合体で存在してお
り、この脂質−蛋白複合体の断片を抽出することが可能
なので便利である。
Among these, retaining photoreceptive proteins within a lipid bilayer membrane is advantageous because the photosensitive pigment proteins can be reconstituted into a structure similar to that in vivo, and their functions can be effectively utilized. Furthermore, the bacteriorhodopsin described above exists in halophilic bacteria as a complex with a lipid layer called the purple membrane, and it is convenient because it is possible to extract fragments of this lipid-protein complex.

バクテリオロドプシンのような光受容蛋白質と脂質の複
合体を形成するには、例えば[E、Packerand
  W、5toeckenius、  J、Biol、
Chem、、  249,662(+974)]および
[K−5,lluang、 H,Bayley and
 H,G。
To form a lipid complex with a photoreceptor protein such as bacteriorhodopsin, for example [E, Packerand
W, 5toeckenius, J, Biol,
Chem, 249,662(+974)] and [K-5, Iluang, H, Bayley and
H,G.

Khorana、 Proc、Natl、Acad、S
ci、、 USA、 77、323(1980)]に記
載された方法などを用いて、上述したような脂質を適当
な塩濃度の溶液に懸潤し、必要に応じて超音波処理しつ
つリポソームを形成する際に、所望の感光色素蛋白質を
溶液中に加えておき、形成される脂質膜内にこれを取り
込ませる方法を用いて得ることができる。
Khorana, Proc, Natl, Acad, S
ci, USA, 77, 323 (1980)], the above-mentioned lipids are suspended in a solution with an appropriate salt concentration, and liposomes are formed while being sonicated as necessary. At this time, the desired photosensitive pigment protein can be added to the solution and incorporated into the formed lipid membrane.

なお、このようにして得られた生成物からは、例えばカ
ラムクロマトグラフィー法、[G、Lind。
The product thus obtained can be processed, for example, by column chromatography, [G, Lind.

B、ll−1ojeber and tl、G、Kho
rana、 J、Biol、Chem、。
B, ll-1ojeber and tl, G, Kho
rana, J., Biol, Chem.

±、 8298(1981) ]に記載されたショ糖濃
度勾配法による超遠心法などを用いて感光色素蛋白質が
取り込まれたプロテオリポソームを分離精製することが
できる。
Proteoliposomes incorporating photosensitive pigment proteins can be separated and purified using the ultracentrifugation method using the sucrose concentration gradient method described in J.D., 8298 (1981)].

このようにして精製されたプロテオリポソームは、多孔
性の基盤上にあらかじめ形成した脂質2分子膜層を適当
な溶媒中に浸漬して、この膜内に吸着融合させ、光応答
イオン透過膜を形成することが可能である。基盤として
は、コラーゲン、セルロース、多孔性ガラス等が利用で
きる。
Proteoliposomes purified in this way are produced by immersing a lipid bilayer membrane layer previously formed on a porous substrate in an appropriate solvent and adsorbing and fusing it into this membrane to form a photoresponsive ion-permeable membrane. It is possible to do so. Collagen, cellulose, porous glass, etc. can be used as the base.

また、紫膜などで公知のように、プロテオリポソームを
ラングミュアの水槽に展開し、上記基盤面に付着させる
ことにより、蛋白脂質2分子複合膜を形成できる。この
場合、水平付着により基盤に付着させれば、基盤側に親
水面を、また垂直浸漬法で付着させれば、基盤側に疎水
面を形成する平面膜を得ることができる。このようにし
て構成した複合膜を適当な溶媒中に浸漬し、膜内の蛋白
質と異なる蛋白質を保持したプロテオリポソームを吸着
融合することが可能である。この方法により、1層の膜
内にイオン透過方向を逆にする光受容蛋白質が組み込ま
れた複合膜(光応答イオン透過膜)を形成することがで
きる。
Furthermore, as is well known for purple membranes, a protein-lipid bimolecular composite membrane can be formed by developing proteoliposomes in a Langmuir tank and attaching them to the substrate surface. In this case, a planar film can be obtained in which a hydrophilic surface is formed on the substrate side by horizontal deposition, and a hydrophobic surface is formed on the substrate side by vertical dipping. By immersing the thus constructed composite membrane in an appropriate solvent, it is possible to adsorb and fuse proteoliposomes holding a protein different from the protein in the membrane. By this method, it is possible to form a composite membrane (photoresponsive ion permeable membrane) in which a photoreceptive protein that reverses the direction of ion permeation is incorporated into a single layer of membrane.

次に、このように構成された光応答イオン透過膜の制御
方法を図面を用いて説明する。
Next, a method for controlling the photoresponsive ion-permeable membrane configured as described above will be explained with reference to the drawings.

第1図は、本発明透A膜の一構成例を示した模式的断面
図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of the permeable A membrane of the present invention.

上記で示した方法によって、多孔性の支持基盤2に異な
る2つの光受容蛋白質1aおよび1bが脂質2分子内に
配向した光応答透過膜1を形成する。
By the method described above, a photoresponsive permeable membrane 1 in which two different photoreceptor proteins 1a and 1b are oriented within two lipid molecules is formed on a porous support base 2.

異なる2つの光受容蛋白質1aおよび1bは、それらの
吸収極大波長が、例えば1aが短波長側λ1に、lbが
長波長側λ2に位置するように選ばれる。図中a、bは
それぞれ短波側入射光、長波側入射光を示す。この膜の
イオン透過能は、1aあるいはlbが単独に存在する場
合に比べて拡大された広波長域で実現される。
The two different photoreceptor proteins 1a and 1b are selected such that their absorption maximum wavelengths are located, for example, in such a way that 1a is located on the short wavelength side λ1, and lb is located on the long wavelength side λ2. In the figure, a and b indicate incident light on the short wavelength side and incident light on the long wavelength side, respectively. The ion permeability of this membrane is achieved over a wider wavelength range than when 1a or lb is present alone.

第2図は、本発明の他の構成例を示した模式的断面図で
ある。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another configuration example of the present invention.

この例の透過膜1は、第1図の場合と同様にして多孔性
の支持基盤2に形成されるが、異なる2つの光受容蛋白
質1aおよびlbのイオン透過方向が逆向きになるよう
に配向されている。この膜では、イオン輸送の方向性が
、例えば入射光波長をλ1からλ2に切り換えることに
より、任意に選択できる。また、この方向性の相違を利
用し、さらにlaおよび1bの光吸収帯が適度に重なり
合うように光受容蛋白質1aおよびlbを選択すること
により、λ、あるいはλ2の近辺の波長の光に対する波
長選択性を大幅に改善することもできる。
The permeable membrane 1 in this example is formed on a porous support base 2 in the same manner as in the case shown in FIG. has been done. In this film, the directionality of ion transport can be arbitrarily selected by, for example, switching the wavelength of incident light from λ1 to λ2. In addition, by utilizing this difference in directionality and selecting photoreceptor proteins 1a and lb so that the light absorption bands of la and 1b suitably overlap, wavelength selection for light with wavelengths near λ or λ2 can be achieved. It can also significantly improve gender.

〔実施例〕〔Example〕

以下に、実施例をもって本発明の詳細な説明するが、こ
わらは本発明の範囲を何ら制限するものではない。
The present invention will be described in detail below with reference to Examples, but the scope of the present invention is not limited thereto.

実方言江上 前述した0esterheltらの方法によってハロバ
クテリウム ハロビウム、R1株から抽出した紫膜を前
述したHuangらの方法に従って界面活性剤Trit
on X−100(和光純薬工業社製)で処理し、得ら
れた紫膜から脂質を取り除き、蛋白質成分であるバクテ
リオロドプシンを得た。こうして精製したバクテリオロ
ドプシンの一部を用いて、その発色団をTokunag
aらの方法[F、Tokunaga and T。
The purple membrane extracted from Halobacterium halobium, strain R1 by the method of Oesterhelt et al. described above, was treated with a surfactant Trit according to the method of Huang et al.
on X-100 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to remove lipids from the obtained purple membrane to obtain bacteriorhodopsin, which is a protein component. Using a portion of bacteriorhodopsin purified in this way, the chromophore was
The method of a et al. [F, Tokunaga and T.

Iwasa、 Membrane、 ’4.73 (+
984) ]により、レチナールアナログの1種である
ナフチルレチナールに置換した。バクテリオロドプシン
の最大吸収波長が560nm付近であるのに対し、ナフ
チルレチナールを発色団とするバクテリオロドプシンア
ナログの最大吸収波長は、混合比に応じて442nmか
ら503nmに分布するようになる。このバクテリオロ
ドプシンアナログはバクテリオロドプシン同様に、光照
射によりプロトン能動輸送活性を示す。
Iwasa, Membrane, '4.73 (+
984)] was substituted with naphthyl retinal, which is a type of retinal analog. While the maximum absorption wavelength of bacteriorhodopsin is around 560 nm, the maximum absorption wavelength of bacteriorhodopsin analogs having naphthyl retinal as a chromophore is distributed from 442 nm to 503 nm depending on the mixing ratio. Like bacteriorhodopsin, this bacteriorhodopsin analog exhibits active proton transport activity upon irradiation with light.

このようにして準備したバクテリオロドプシンとそのア
ナログを等量ずつ混合し、Kagawaらの方法[Y、
Kagawa and E、Racker、 J、Bi
ol、Ghem、、 246゜5477 (1971)
 :]で精製した大豆リン脂質アゾレクチンを用いて、
前述したHuangらの方法に基づいて混合プロテオリ
ポソームを構成した。このプロテオリポソームを0.1
5モル/It濃度のにC1溶液中で、水銀ランプ光をモ
ノクロメータを通して単色化した可視光照射を行ない、
そのときのpH変化を調べて、バクテリオロドプシンア
ナログを含まない通常のバクテリオロドプシンのみによ
るプロテオリポソームのpH変化と比較した。その結果
、混合したプロテオリポソームでは、450nmから5
70nmにかけての入射光範囲にわたって同等のプロト
ン能動輸送性を示し、制御入射光の使用範囲を大幅に広
げられることが示された。
The thus prepared bacteriorhodopsin and its analog were mixed in equal amounts, and the method of Kagawa et al. [Y,
Kagawa and E., Rucker, J., Bi.
ol, Ghem, 246°5477 (1971)
:] Using the soybean phospholipid azo lectin purified by
Mixed proteoliposomes were constructed based on the method of Huang et al. described above. This proteoliposome is 0.1
In a C1 solution with a concentration of 5 mol/It, irradiation with monochromatic visible light from a mercury lamp was carried out through a monochromator,
The pH change at that time was examined and compared with the pH change of proteoliposomes produced only by normal bacteriorhodopsin without any bacteriorhodopsin analog. As a result, in the mixed proteoliposomes, from 450 nm to 5
It was shown that the active proton transport properties were comparable over the incident light range of 70 nm, and the range of use of controlled incident light could be greatly expanded.

夾旌里遣 ニトロセルロースフィルターをl Omgアゾレクチン
/mJZデカン溶液に浸漬処理したものを透析膜として
用い、フィルター表面にアゾレクチン層な形成した。実
施例1で準備した、レチナールとナフチルレチナールの
それぞれを発色団として持つプロテオリポソームを混合
し、0.15モルMCI/ffiおよび20ミリモルC
aCl2/J!を含む水溶液を内液とし、pH7,0の
0.15モルにC174水溶液を外液として、外液のp
Hが7.0におちつくまで透析処理を行なった。この操
作によって、ニトロセルロースフィルター表面に第1図
で模式的に示すような蛋白質の融合吸着した膜1が得ら
れる。この膜を隔膜として2層を隔てるチェンバーを構
成し、0.15モルKCI/4溶液を満たした。次いで
入射光波長と隔膜を透過するプロトン濃度をpH電極に
より測定したところ、この膜のプロトン透過能が約44
0nmから約570nmの入射光に対して機能すること
が確かめられた。すなわち、本発明の目的とする制御入
射光の範囲を大幅に広げた平面膜が構成された。
A nitrocellulose filter obtained by immersion in a solution of lOmg azolectin/mJZ decane was used as a dialysis membrane, and an azolectin layer was formed on the surface of the filter. Proteoliposomes having retinal and naphthyl retinal as chromophores prepared in Example 1 were mixed, and 0.15 mol MCI/ffi and 20 mmol C were mixed.
aCl2/J! The internal solution is an aqueous solution containing
Dialysis treatment was carried out until H settled to 7.0. By this operation, a membrane 1 with proteins fused and adsorbed on the surface of the nitrocellulose filter as schematically shown in FIG. 1 is obtained. A chamber was constructed using this membrane as a diaphragm to separate two layers, and was filled with a 0.15 molar KCI/4 solution. Next, when the wavelength of incident light and the concentration of protons transmitted through the diaphragm were measured using a pH electrode, the proton permeability of this membrane was approximately 44.
It was confirmed that it functions for incident light of 0 nm to about 570 nm. In other words, a planar film was constructed that greatly expanded the range of controlled incident light that is the object of the present invention.

火ム側1 実施例1と同様にして紫膜を抽出し、ジメチルホルムア
ミドの25重量%溶液に溶かして展開溶液とし、ラング
ミューア水槽に常法に従って展開した。ガラス基盤に密
着させたニトロセルロースフィルターを用いて、垂直浸
漬法により紫膜の単分子膜をフィルター表面に付着させ
た。実施例1及び2で準備した、発色団をナフチルレチ
ナールに置換したプロテオリポソームの溶液内に、上記
フィルターをインキュベートし吸着融合させた。
Fire side 1 Purple membrane was extracted in the same manner as in Example 1, dissolved in a 25% by weight solution of dimethylformamide to obtain a developing solution, and developed in a Langmuir tank according to a conventional method. Using a nitrocellulose filter tightly attached to a glass substrate, a monomolecular film of purple membrane was attached to the filter surface by the vertical dipping method. The above filter was incubated in the solution of proteoliposomes prepared in Examples 1 and 2 in which the chromophore was replaced with naphthyl retinal, and was adsorbed and fused.

第2図に模式的に示すように、このようにして構成され
た膜1は、異なる2種類の蛋白質を共存させている。紫
膜単分子層とそれに融合したプロテオリポソームの付着
したニトロセルロースフィルターを、実施例2と同様に
して光照射によるプロトン透過性を調べたところ、入射
光の波長が450nmと550nmでは水素イオン透過
の方向が逆になることが確認された。
As schematically shown in FIG. 2, the membrane 1 constructed in this manner allows two different types of proteins to coexist. When a nitrocellulose filter with a purple membrane monolayer and proteoliposomes fused thereon was examined for proton permeability by light irradiation in the same manner as in Example 2, it was found that hydrogen ion permeability was reduced when the wavelength of incident light was 450 nm and 550 nm. It was confirmed that the direction was reversed.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、光を吸収してイオンを輸送する物質群
を利用して、光照射による選択的なイオン透過性を有す
るイオン透過膜を構成することができ、また膜イオン透
過性を光照射によって制御するときに、入射可視光の波
長域を広範囲に設定するこができ、有効波長域を拡大す
ることも可能となる。ざらに、本発明の透過膜のイオン
透過の方向を、入射波長に応じて切り換え、かつ可逆的
に変化させることも可能となる。このことにより、イオ
ン−透過性の波長選択性を大幅に改善することも可能で
ある。
According to the present invention, it is possible to construct an ion-permeable membrane that has selective ion permeability by light irradiation by using a group of substances that absorb light and transport ions, and to improve the membrane ion permeability by light irradiation. When controlling by irradiation, the wavelength range of incident visible light can be set over a wide range, and the effective wavelength range can also be expanded. Roughly speaking, it is also possible to switch the direction of ion transmission through the transmission film of the present invention depending on the incident wavelength and to change it reversibly. This also makes it possible to significantly improve the wavelength selectivity of the ion-permeability.

イオン透A膜間のイオン濃度差は、イオン電極等により
容易に電気信号へ変換することが可能であるから、本発
明は、例えば光信号を電気信号へ変換する場合のように
、光情報処理産業あるいはオプトエレクトロニクス分野
において、光電変換素子を構成するのに貢献することが
大いに期待される。
Since the ion concentration difference between the ion-permeable A membranes can be easily converted into an electrical signal using an ion electrode or the like, the present invention is suitable for optical information processing, such as when converting an optical signal into an electrical signal. It is highly expected that it will contribute to the construction of photoelectric conversion elements in industry and the optoelectronics field.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の光応答性イオン透過膜の構成の一例を
示す模式的断面部分図、第2図は本発明の光応答性イオ
ン透過膜の構成の他の例を示す模式的断面部分図である
。 1・・・光応答イオン透過膜、 2・・・多孔性支持体、 a・・・短波長個人射光、 b・・・長波長側入射光、 la−・・短波長光受容蛋白質、 I b−・・長波長光受容蛋白質。 特許出願人  キャノン株式会社
FIG. 1 is a schematic cross-sectional partial view showing an example of the structure of the photoresponsive ion-permeable membrane of the present invention, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another example of the structure of the photoresponsive ion-permeable membrane of the present invention. It is a diagram. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Photoresponsive ion permeable membrane, 2... Porous support, a... Short wavelength personal incident light, b... Long wavelength side incident light, la-... Short wavelength photoreceptive protein, I b -...Long wavelength photoreceptor protein. Patent applicant Canon Co., Ltd.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、相異なる波長領域の光照射によってイオン能動輸送
を行なう物質群2種類以上を、イオン不浸透性の脂質膜
または同等の機能をもつ薄膜中に組込んで保持すること
を特徴とするイオン透過膜。 2、イオン能動輸送を行なう前記物質群が、光受容蛋白
質及び同等の機能をもつ誘導体である請求項1記載のイ
オン透過膜。 3、相異なる波長領域の光照射によってイオン能動輸送
を行なう物質群2種類以上を、イオン不浸透性の脂質膜
または同等の機能をもつ薄膜中に組込んで保持したイオ
ン透過膜の膜イオン透過性を変化させることを特徴とす
るイオン透過性の光照射による制御方法。 4、イオン能動輸送を行なう前記物質群が光受容蛋白質
及び同等の機能をもつ誘導体である請求項3記載のイオ
ン透過性の光照射による制御方法。
[Claims] 1. Two or more types of substances that actively transport ions when irradiated with light in different wavelength ranges are incorporated and retained in an ion-impermeable lipid membrane or a thin film with an equivalent function. An ion-permeable membrane characterized by 2. The ion-permeable membrane according to claim 1, wherein the substance group that performs ion active transport is a photoreceptor protein or a derivative having an equivalent function. 3. Membrane ion permeation of an ion-permeable membrane in which two or more types of substances that actively transport ions when irradiated with light in different wavelength ranges are incorporated into an ion-impermeable lipid membrane or a thin film with an equivalent function. A method for controlling ion permeability using light irradiation, which is characterized by changing the properties of ions. 4. The method for controlling ion permeability by light irradiation according to claim 3, wherein the substance group that performs ion active transport is a photoreceptor protein or a derivative having an equivalent function.
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