JP6520106B2 - Mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase, isolated nucleic acid molecule encoding mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase, enzyme electrode fixed with mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase, enzyme electrode Battery and biosensor equipped with - Google Patents
Mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase, isolated nucleic acid molecule encoding mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase, enzyme electrode fixed with mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase, enzyme electrode Battery and biosensor equipped with Download PDFInfo
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Description
本発明は、変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素、当該変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素をコードする単離核酸分子、当該変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素を固定した酵素電極、当該酵素電極を備えたバイオ電池、及びバイオセンサーに関する。より詳細には、本発明は、電極触媒として電極基材上に吸着固定され酵素電極とした際に、安定してその触媒活性を発揮でき、触媒電流密度の高密度化を図れる変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素、当該変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素をコードする単離核酸分子、当該変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素を固定した酵素電極、当該酵素電極を備えたバイオ電池、及びバイオセンサーに関する。 The present invention provides a mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase, an isolated nucleic acid molecule encoding the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase, and immobilizing the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase The present invention relates to an enzyme electrode, a biobattery provided with the enzyme electrode, and a biosensor. More specifically, the present invention is a mutant pyrroloquinoline capable of stably exhibiting its catalytic activity and achieving high densification of the catalyst current density when it is adsorbed and immobilized on an electrode substrate as an electrode catalyst to form an enzyme electrode. A quinone-dependent glucose dehydrogenase, an isolated nucleic acid molecule encoding the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase, an enzyme electrode on which the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase is immobilized, the enzyme electrode The present invention relates to a provided biobattery and a biosensor.
近年、バイオ資源を利用したバイオ電池が、その高いエネルギー効率及び低い環境負荷から次世代のエネルギーとして提案されている。微生物を始めとする生物は、酵素等の生体触媒により、炭水化物、タンパク質、脂質等を酸化分解する生体内代謝過程において、ATP等の高エネルギー物質を生成して、生命活動に必要なエネルギーを獲得している。バイオ電池は、かかる生体内代謝過程において発生するエネルギーを電気エネルギーとして電極に取り出す発電装置である。 BACKGROUND ART In recent years, bio batteries utilizing bio resources have been proposed as the next generation energy because of their high energy efficiency and low environmental load. Organisms including microorganisms produce high-energy substances such as ATP in the in vivo metabolic process that oxidizes and degrades carbohydrates, proteins, lipids, etc. by biocatalysts such as enzymes, and acquires energy necessary for life activities doing. A bio battery is a power generation device that takes out energy generated in such in vivo metabolic process as electrical energy to an electrode.
酵素の触媒機能を利用したバイオ電池の実用化に当たっては、酵素の選択がその成否を左右する。なかでも、自然界に多く存在し、エネルギー変換効率も高いグルコースを燃料とするバイオ電池の構築が実用性の高い技術として注目されている。ここで、グルコースを酸化する酵素としては、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ等が知られている。しかし、グルコースオキシダーゼは電子供与体として酸素と反応するため、グルコースオキシダーゼによって触媒されるグルコース酸化エネルギーを電気エネルギー変換する上では、反応液中の溶存酸素をあらかじめ除去する必要があった。一方、グルコース脱水素酵素は、グルコースオキシダーゼとは異なり酸素との反応性を有しないため、電気エネルギー変換に際して、反応液中の溶存酸素の影響を受けないとの利点を有し、また反応速度も非常に早い。かかる有利な特性によりグルコース脱水素酵素は、糖類の検出、バイオ電池の電極触媒等に利用されており、食品化学、臨床化学、生化学等の多岐にわたる分野において利用価値が高い酵素である。 In the practical application of a biobattery utilizing the catalytic function of an enzyme, the choice of the enzyme determines the success or failure. Above all, construction of a bio-cell fueled with glucose, which is abundant in nature and has high energy conversion efficiency, has been attracting attention as a highly practical technology. Here, as an enzyme that oxidizes glucose, glucose oxidase, glucose dehydrogenase and the like are known. However, since glucose oxidase reacts with oxygen as an electron donor, in order to convert the glucose oxidation energy catalyzed by glucose oxidase into electrical energy, it is necessary to remove dissolved oxygen in the reaction solution in advance. On the other hand, since glucose dehydrogenase has no reactivity with oxygen unlike glucose oxidase, it has the advantage of not being affected by the dissolved oxygen in the reaction solution during electrical energy conversion, and also has a reaction rate. Very early. Due to such advantageous properties, glucose dehydrogenase is used for detection of saccharides, electrocatalysis of bio batteries, etc., and is an enzyme having high utility value in various fields such as food chemistry, clinical chemistry, biochemistry and the like.
グルコース脱水素酵素としては、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(以下、「NAD+」と略する場合がある。)ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(以下、「NADP+」と略する場合がある。)を補酵素として機能するものが広く知られていた。このようなNAD(P)+依存型グルコース脱水素酵素は、多種多様の生物から単離されている。しかしながら、NAD(P)+依存型グルコース脱水素酵素の場合、グルコースの酸化により還元されたNAD(P)+を電極反応と共役させるようとすると、ジアホラーゼ等の追加コンポーネントが必要となり、電極構造が複雑化するとの問題もあった。 As glucose dehydrogenase, nicotinamide adenine dinucleotide (hereinafter sometimes abbreviated as "NAD +") Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (hereinafter sometimes abbreviated as "NADP +") is a coenzyme The one that functions as is widely known. Such NAD (P) + -dependent glucose dehydrogenases have been isolated from a wide variety of organisms. However, in the case of NAD (P) +-dependent glucose dehydrogenase, if it is attempted to couple NAD (P) + reduced by oxidation of glucose to the electrode reaction, additional components such as diaphorase are required, and the electrode structure is There was also the problem of becoming complicated.
近年、ピロロキノリンキノン(以下「PQQ」と略する場合がある。)が、グルコース脱水素酵素の新たな補酵素として見出された。このようなPQQ依存性酵素として、大腸菌YliI株(Escherichia coli YliI)由来のアルドース糖ヒドロゲナーゼ、及びアシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)由来のグルコース脱水素酵素が知られていた。アシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)由来のPQQ依存性グルコース脱水素酵素は、菌体のペリプラズム画分に存在し、酸化により得られた電子を呼吸鎖に受け渡すことでエネルギー生産に関与していることが知られていた。 In recent years, pyrroloquinoline quinone (hereinafter sometimes abbreviated as "PQQ") has been found as a new coenzyme of glucose dehydrogenase. As such PQQ-dependent enzymes, an aldose sugar hydrogenase derived from Escherichia coli YliI strain (Escherichia coli YliI) and a glucose dehydrogenase derived from Acinetobacter calcoaceticus have been known. PQQ-dependent glucose dehydrogenase from Acinetobacter calcoaceticus (Acinetobacter calcoaceticus) is present in the periplasmic fraction of bacterial cells and is involved in energy production by transferring electrons obtained by oxidation to the respiratory chain. It was known to be.
かかるPQQ依存性グルコース脱水素酵素(以下、「PQQGDH」と称する場合がある)の配列情報解析及びタンパク質の立体構造解析等の研究が行われている(非特許文献1及び非特許文献2等を参照のこと)。非特許文献1には、アシネトバクター・カルコアセティカス由来のPQQGDHの構造遺伝子の全塩基配列を同定し、それらにコードされるタンパク質の1次構造を明らかにしたことが報告されている。非特許文献2には、当該PQQGDHのX線結晶解析が行われ、その立体構造が報告されている。PQQGDHの立体構造は、4つのβ鎖からなる逆平行βシートが6枚集まった構造(6 propeller構造)をしており、他のキノプロテインの多くは8 propeller構造をとることから、構造的にユニークな酵素であることが知られている。 Studies such as analysis of sequence information of such PQQ-dependent glucose dehydrogenase (hereinafter sometimes referred to as "PQQGDH") and conformational analysis of proteins have been conducted (Non-patent document 1 and Non-patent document 2 etc. See for reference). Non-Patent Document 1 reports that the entire base sequence of the structural gene of PQQGDH derived from Acinetobacter calcoaceticus was identified and the primary structure of the protein encoded by them was clarified. Non-Patent Document 2 performs X-ray crystallographic analysis of the PQQGDH, and reports its three-dimensional structure. The three-dimensional structure of PQQGDH is a structure in which six antiparallel β sheets consisting of four β chains are assembled (6 propeller structure), and many of the other quinoproteins have an 8 propeller structure. It is known to be a unique enzyme.
上記したように、他のグルコースを酸化する酵素と比較して、反応速度が非常に早く、かつ、溶存酸素の影響を受けにくいという利点をも有している。かかる利点を生かして、PQQGDHはバイオセンサーやバイオ電池の電極触媒としての利用が研究されている。例えば、特許文献1には、PQQGDHを利用した血糖測定用グルコースセンサーの作製が開示されている。 As mentioned above, it has the advantage that the reaction rate is very fast and insensitive to dissolved oxygen as compared to other enzymes that oxidize glucose. Taking advantage of this advantage, PQQGDH is being investigated for use as an electrode catalyst for biosensors and bio batteries. For example, Patent Document 1 discloses production of a glucose sensor for blood glucose measurement using PQQGDH.
しかしながら、PQQGDHをはじめとして多くの酵素は、一般的な金属触媒等に比べて熱安定性及び耐久性が低く、外部環境の変化に伴って立体構造が変化してその触媒活性が低下してしまうという問題点があった。そのため、バイオ電池やバイオセンサーの電極触媒としての実用化に際して大きな障害となっていた。そこで、より安定性の高い酵素電極を作製すべく、耐熱性酵素の構築に関する研究が進められている。例えば、特許文献2及び非特許文献3には、PQQGDHが同一のサブユニットから構成されるホモ2量体を形成し活性を発現することに着目し、PQQGDHの5CDループ領域に位置する所定のアミノ酸残基をシステインに置換することで、耐熱性が大幅に向上したことが報告されている。これは、2量体化したPQQGDHモノマー間にジスルフィド結合を導入することにより、活性型のホモ2量体の安定化を図ったものである。 However, many enzymes, including PQQGDH, have lower thermal stability and durability than general metal catalysts etc., and their steric structure changes with the change of external environment and their catalytic activity decreases. There was a problem of that. Therefore, it has been a major obstacle in the practical application of biobattery and biosensor as an electrode catalyst. Therefore, in order to produce a more stable enzyme electrode, research on the construction of a thermostable enzyme is in progress. For example, Patent Document 2 and Non-patent Document 3 focus on the fact that PQQGDH forms a homodimer composed of identical subunits and expresses activity, and predetermined amino acids located in the 5CD loop region of PQQGDH. It has been reported that heat resistance was greatly improved by substituting a residue with cysteine. This is intended to stabilize the active homodimer by introducing a disulfide bond between dimerized PQQGDH monomers.
特許文献2及び非特許文献3の技術は、酵素の耐熱性に着目するものであるが、酵素を電極基材等に固定する際には、疎水性の電極基材との接触による酵素の立体構造の変化等に伴う酵素触媒活性の低下をはじめとする様々な問題を回避する必要がある。例えば、PQQGDHを電極基材に吸着固定させる際に、このPQQGDHのホモ2量体が不活性型のモノマーに解離した状態で吸着することが起り得る。その結果、構築された酵素電極の触媒電流密度が低下することが知られていることから、更なる、酵素電極等に好適に利用できるPQQGDHの提供が望まれていた。 The techniques of Patent Document 2 and Non-Patent Document 3 focus on the heat resistance of the enzyme, but when immobilizing the enzyme on the electrode substrate etc., the steric structure of the enzyme by contact with a hydrophobic electrode substrate It is necessary to avoid various problems including the reduction of the enzyme catalytic activity accompanying the change of structure etc. For example, when PQQGDH is adsorbed and fixed to an electrode substrate, it may occur that the homodimer of PQQGDH is dissociated in the inactive monomer. As a result, since it is known that the catalytic current density of the constructed enzyme electrode is reduced, it has been desired to provide PQQGDH which can be suitably used as an enzyme electrode or the like.
そこで、本発明は、上記問題点を解決すべく、酵素電極の電極触媒として安定的にその触媒活性を発揮でき、野生型に比べて高い触媒電流密度を達成できるPQQ依存性グルコース脱水素酵素の提供を目的とする。更に、本発明は、当該酵素の特性を活用した酵素電極、引いてはバイオ電池及びバイオセンサーの提供を目的とする。 Therefore, in order to solve the above problems, the present invention is able to stably exhibit its catalytic activity as an electrode catalyst of an enzyme electrode, and can achieve higher catalytic current density compared to that of a wild-type PQQ-dependent glucose dehydrogenase The purpose is to provide. Furthermore, the present invention aims to provide an enzyme electrode, that is, a biobattery and a biosensor utilizing the characteristics of the enzyme.
本発明者らは、上記課題を解決すべく研究を重ねた結果、野生型アシネトバクター・カルコアセティカス由来のPQQ依存性グルコース脱水素酵素の少なくとも2箇所の特定アミノ酸残基をシステインに置換した変異型酵素を電極触媒として電極基材上に吸着固定し酵素電極とした際に、当該変異体酵素が安定してその触媒活性を発揮でき、酵素電極の触媒電流密度の高密度化を図れることを見出した。かかる変異型酵素の理化学的特性を利用することにより、より実用面において有利な酵素電極、及び当該酵素電極を利用したバイオ電池並びにバイオセンサーを構築できることを見出した。本発明者らは、これらの知見に基づき本発明を完成するに至った。 As a result of repeated researches to solve the above-mentioned problems, the present inventors substituted cysteine with at least two specific amino acid residues of PQQ-dependent glucose dehydrogenase from wild type Acinetobacter calcoaceticus. When the immobilized enzyme is adsorbed and immobilized on the electrode substrate as an electrode catalyst to form an enzyme electrode, the mutant enzyme can stably exhibit its catalytic activity, and the catalyst current density of the enzyme electrode can be increased. I found it. It has been found that by utilizing the physicochemical properties of such a mutant-type enzyme, it is possible to construct an enzyme electrode that is more advantageous for practical use, and a biobattery and a biosensor using the enzyme electrode. The present inventors have completed the present invention based on these findings.
即ち、上記目的を達成するため、以下の[1]〜[8]に示す発明を提供する。 That is, in order to achieve the above-mentioned object, the invention shown in the following [1] to [8] is provided.
[1]下記(a)、(b)、又は(c)のアミノ酸配列からなり、かつ、配列番号2のアミノ酸配列に示す野生型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素に比べて、電極触媒として電極基材に吸着固定し酵素電極とした際に得られる触媒電流密度が向上した変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
(a)配列番号2に示すアミノ酸配列において、配列番号2に示すアミノ酸配列の第26番目のバリンと第334番目のセリンの位置のアミノ酸残基がシステインへ置換されたアミノ酸配列
(b)(a)のアミノ酸配列において、配列番号2に示すアミノ酸配列の第26番目と第334番目に対応する位置のアミノ酸残基以外の位置に、1若しくは数個のアミノ酸が置換、欠失、付加、又は挿入されたアミノ酸配列
(c)配列番号2に示すアミノ酸配列と少なくとも90%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列において、配列番号2に示すアミノ酸配列の第26番目のバリンと第334番目のセリンに対応する位置のアミノ酸残基がシステインへ置換されたアミノ酸配列
[2]配列番号2に示すアミノ酸配列において、第26番目のバリンと第334番目のセリンがシステインへ置換されたアミノ酸配列を含む上記[1]の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[3]配列番号3に示すアミノ酸配列からなる上記[1]又は[2]の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[1] Compared to the wild-type pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase consisting of the amino acid sequence of the following (a), (b) or (c) and shown in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, as an electrocatalyst A mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase with improved catalytic current density obtained when it is adsorbed and immobilized on an electrode substrate to form an enzyme electrode.
(A) Oite the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 2 26th valine and the 334 amino acid sequence in which amino acid residues are substituted into the cysteine at position serine of the amino acid sequence shown in (b 1) In the amino acid sequence of (a), one or several amino acids are substituted, deleted, or added at positions other than the amino acid residues at the positions corresponding to the 26th and 334th positions of the amino acid sequence shown in Or an amino acid sequence inserted in (c) an amino acid sequence having at least 90 % or more identity with the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, and the 26th valine and the 334th amino acid sequence of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 Amino acid sequence [2] in which the amino acid residue at the position corresponding to serine is substituted with cysteine [2] In the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, the 26th valine and the 334rd serine are cis Mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to [1] comprising the amino acid sequence replaced to the in.
[3] The mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the above-mentioned [1] or [2] consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 3.
上記[1]〜[3]の構成によれば、新規な変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素の提供が可能となる。本発明によって提供される変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素は、野生型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素に比べて、電極基材に吸着固定し酵素電極とした際に得られる触媒電流密度が向上している。ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素は、その触媒活性の発揮にはホモ2量体を形成する必要があるが、酵素電極作製等の過程で、電極基材等の表面に酵素を吸着固定する際に、このホモ2量体がモノマーに解離した状態で吸着することが起り得る。その結果、酵素の触媒活性が失われ、構築された酵素電極の触媒電流密度が低下することが知られていた。本発明の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素は、安定な2量体を形成し、上記のような好ましくない現象を改善するものである。つまり、本発明の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素を固定した酵素電極は、その触媒機能を円滑に発揮して酵素触媒電流の高密度化を図ることができる。かかる特性を有する本発明の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素は、医療、食品、環境分野等の様々な産業分野におけるグルコースの脱水素反応を要する技術に適用できる。特に、バイオ電池及びバイオセンサー電極触媒として利用することができ、バイオ電池の高出力化及びバイオセンサーの高感度化に貢献することができる。 According to the constitutions of the above [1] to [3], provision of a novel mutant pyrroloquinoline quinone dependent glucose dehydrogenase becomes possible. The mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase provided by the present invention is a catalyst obtained when adsorbed and immobilized on an electrode substrate to form an enzyme electrode, as compared to wild-type pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase The current density is improving. The pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase needs to form a homodimer for its catalytic activity, but in the process of preparation of the enzyme electrode, etc., the enzyme is adsorbed and immobilized on the surface of the electrode substrate etc. In this case, it may occur that this homodimer adsorbs in the state of being dissociated into monomers. As a result, it has been known that the catalytic activity of the enzyme is lost and the catalytic current density of the constructed enzyme electrode is reduced. The mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenases of the present invention form stable dimers and ameliorate the above-mentioned undesirable phenomena. That is, the enzyme electrode on which the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the present invention is immobilized can smoothly exhibit its catalytic function to achieve high density of the enzyme catalytic current. The mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the present invention having such properties can be applied to techniques requiring glucose dehydrogenation in various industrial fields such as medical, food and environmental fields. In particular, it can be used as a biobattery and a biosensor electrode catalyst, and can contribute to the increase in output of the biobattery and the increase in sensitivity of the biosensor.
[4]上記[1]〜[3]の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素をコードする単離核酸分子。 [4] An isolated nucleic acid molecule encoding the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the above [1] to [3].
上記[4]の構成によれば、本発明の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素をコードする核酸分子を提供することができる。また、本発明の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素をコードする核酸分子を取得できたことから、遺伝子工学的手法により低コストかつ工業的に当該酵素を大量生産することができる。これにより、更に本発明の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素の産業上の利用価値をさらに向上させることができる。 According to the configuration of the above [4], a nucleic acid molecule encoding the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the present invention can be provided. In addition, since the nucleic acid molecule encoding the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the present invention can be obtained, the enzyme can be mass-produced inexpensively and industrially by genetic engineering methods. This can further improve the industrial utility value of the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the present invention.
[5]上記[1]〜[3]の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素を電極基材上に吸着固定した酵素電極。
[6]前記電極基材が、カーボン基材である上記[4]の酵素電極。
[5] An enzyme electrode in which the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the above [1] to [3] is adsorbed and immobilized on an electrode substrate.
[6] The enzyme electrode according to the above [4], wherein the electrode substrate is a carbon substrate.
上記[5]及び[6]の構成によれば、本発明の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素を電極触媒として吸着固定した酵素電極を提供できる。本発明の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素は、安定な2量体を形成することから、電極基材上に固定しても不活性型であるモノマーに解離することがない。酵素電極の電極基材として疎水性のカーボン基材が汎用されるが、かかるカーボン基材にも安定的に固定される。したがって、本発明の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素を吸着固定した酵素電極は、その触媒機能を円滑に発揮して酵素触媒電流の高密度化を図ることができ、バイオ電池及びバイオセンサー電極触媒として利用することができ、バイオ電池の高出力化及びバイオセンサーの高感度化に貢献することができる。 According to the constitutions of the above [5] and [6], it is possible to provide an enzyme electrode in which the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the present invention is adsorbed and immobilized as an electrocatalyst. Since the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the present invention forms a stable dimer, it does not dissociate into an inactive monomer even when immobilized on an electrode substrate. Although a hydrophobic carbon substrate is generally used as an electrode substrate of an enzyme electrode, it is also stably fixed to such a carbon substrate. Therefore, the enzyme electrode on which the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the present invention is adsorbed and immobilized can smoothly exhibit its catalytic function to achieve high densification of the enzyme catalytic current, which is a bio battery and bio It can be used as a sensor electrode catalyst, and can contribute to the increase in output of a bio battery and the increase in sensitivity of a biosensor.
[7]上記[5]又は[6]の酵素電極を備えたバイオ電池。 [7] A biobattery comprising the enzyme electrode of the above [5] or [6].
上記[7]の構成によれば、本発明の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素を電極触媒として固定した酵素電極を備えたバイオ電池を提供することができる。本発明の酵素電極は、本発明の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素の触媒機能を利用するものであり、触媒機能を円滑に発揮して酵素触媒電流の高密度化を図ることができる。したがって、かかる酵素電極を備えたバイオ電池は、グルコース等の燃料を効率的に酸化して電気エネルギーを取り出すことができ、電池出力の向上を図ることができる。本発明のバイオ電池は、安全でクリーンなエネルギー源として、医療や福祉、情報通信、移動型や携帯型電子機器等、種々の産業分野において利用可能である。 According to the configuration of the above [7], it is possible to provide a biobattery comprising an enzyme electrode on which the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the present invention is immobilized as an electrocatalyst. The enzyme electrode of the present invention utilizes the catalytic function of the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the present invention, and can smoothly exhibit its catalytic function to achieve high density of the enzyme catalytic current. it can. Therefore, a biocell provided with such an enzyme electrode can efficiently oxidize fuel such as glucose to extract electric energy, and can improve the cell output. The bio battery of the present invention can be used as a safe and clean energy source in various industrial fields such as medical care, welfare, information communication, mobile and portable electronic devices.
[8]上記[5]又は[6]の酵素電極を備えたバイオセンサー。 [8] A biosensor provided with the enzyme electrode of the above [5] or [6].
上記[8]の構成によれば、変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素を電極触媒として固定した酵素電極を備えたバイオセンサーを提供することができる。本発明の酵素電極は、本発明の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素の触媒機能を利用するものであり、触媒機能を円滑に発揮して酵素触媒電流の高密度化を図ることができる。したがって、かかる酵素電極を備えたバイオセンサーは、グルコース等の測定対象物質を高感度かつ迅速に検出及び測定することができる。本発明のバイオセンサーは、グルコース等のピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素の基質と成り得る物質の検出及び測定を要する全ての分野で利用可能であり、特に、医療、食品、環境分野等、種々の産業分野において利用可能である。 According to the configuration of the above [8], it is possible to provide a biosensor provided with an enzyme electrode on which a mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase is immobilized as an electrocatalyst. The enzyme electrode of the present invention utilizes the catalytic function of the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the present invention, and can smoothly exhibit its catalytic function to achieve high density of the enzyme catalytic current. it can. Therefore, a biosensor provided with such an enzyme electrode can detect and measure a target substance such as glucose with high sensitivity and speed. The biosensor of the present invention can be used in all fields requiring detection and measurement of substances that can be substrates of pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase such as glucose, and in particular, medical, food, environmental fields, etc. It is available in various industrial fields.
以下、本発明について詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
(本発明の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素)
本発明の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素(以下、「PQQGDH」と略する)、天然に存在する野生型PQQGDHのアミノ酸配列において、特定の位置のアミノ酸が、特定の他のアミノ酸に置換されており、野生型PQQGDHに比べて、電極触媒として電極基材に吸着固定し酵素電極とした際に得られる触媒電流密度が向上している。PQQGDHは、その触媒活性の発揮にはホモ2量体を形成する必要があるが、酵素電極作製等の過程で、電極基材等の表面にPQQGDHを吸着固定する際に、このホモ2量体がモノマーに解離した状態で吸着することが起り得る。その結果、酵素の触媒活性が失われ、構築された酵素電極の触媒電流密度が低下することが知られていた。本発明の変異型PQQGDHは、安定な2量体を形成し、上記のような好ましくない現象を改善するものである。
(Mutated pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the present invention)
The mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase (hereinafter abbreviated as “PQQGDH”) of the present invention, an amino acid at a specific position in the amino acid sequence of a naturally occurring wild-type PQQGDH is a specific other amino acid It is substituted, and compared with wild-type PQQGDH, the catalyst current density obtained when it is adsorbed and immobilized on an electrode substrate as an electrode catalyst to form an enzyme electrode is improved. PQQGDH needs to form a homodimer in order to exert its catalytic activity, but it is necessary to adsorb and immobilize PQQGDH on the surface of an electrode substrate or the like in the process of enzyme electrode preparation etc. It may occur that dissociates into monomers in the dissociated state. As a result, it has been known that the catalytic activity of the enzyme is lost and the catalytic current density of the constructed enzyme electrode is reduced. The mutant PQQGDH of the present invention forms a stable dimer and ameliorates the above-mentioned undesirable phenomenon.
ここで、PQQGDHとは、グルコースを基質として、グルコースの脱水素反応を触媒する能力を有し、以下のように、補酵素ピロロキノリンキノン(以下、「PQQ」と略する場合がある。)存在下に、グルコースに作用してグルコノラクトンを生成する反応を触媒する。
D-グルコース + 電子受容体 → D-グルコノラクトン + 還元型電子受容体
Here, PQQGDH has the ability to catalyze the dehydrogenation reaction of glucose by using glucose as a substrate, and the coenzyme pyrroloquinoline quinone (hereinafter sometimes abbreviated as "PQQ") is present as follows. Below, it catalyzes a reaction that acts on glucose to form gluconolactone.
D-glucose + electron acceptor → D-gluconolactone + reduced electron acceptor
野生型PQQGDHとは、本発明の変異型PQQGDHの基礎となるPQQGDHのことを意味し、自然界より分離される標準的なPQQGDHのアミノ酸配列において、意図的若しくは非意図的に変異が生じていないものを意味する。したがって、変異部位を有しない限り、天然由来だけでなく、遺伝子組換え体のように人為的手段により生じたものを含める。 Wild-type PQQGDH means PQQGDH which is the basis of the mutant PQQGDH of the present invention, and in which the amino acid sequence of the standard PQQGDH isolated from nature is not intentionally or unintentionally mutated Means Therefore, as long as it does not have a mutation site, it includes not only naturally derived ones but also those produced by artificial means such as recombinants.
野生型PQQGDHとしては、上記特性を有する限り何れの生物由来のものであってもよい。しかしながら、アシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)由来のPQQGDHが好ましい。特には、先行技術文献の項の非特許文献1(JOURNAL Mol. Gen. Genet.、第217巻、第2〜3巻、第430〜436頁、1989年)に記載のアシネトバクター カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)由来のグルコース脱水素酵素(GENBANK ACCESSION No : X15871)が好ましく例示される。その塩基配列及びアミノ酸配列の一例を、それぞれ配列番号1及び配列番号2に示す。この酵素は、Acinetobacter細菌のペリプラズム画分に存在しており、酸化により得られた電子を呼吸鎖に渡すことでエネルギー生産に関与している。他のグルコース酸化酵素に比べ、反応速度が非常に速く、また溶存酸素の影響を受けにくいという特徴があるため酵素電極として利用価値が非常に高い酵素である。そのため自己血糖測定器に広く利用され、またグルコースを燃料とした酵素電池の酵素触媒としての応用が期待されている。 The wild-type PQQGDH may be derived from any organism as long as it has the above-mentioned properties. However, PQQGDH from Acinetobacter calcoaceticus is preferred. In particular, Acinetobacter calcoaceticus described in Non-Patent Document 1 (JOURNAL Mol. Gen. Genet., Vol. 217, Vol. A glucose dehydrogenase (GENBANK ACCESSION No: X15871) derived from Acinetobacter calcoaceticus is preferably exemplified. An example of the nucleotide sequence and the amino acid sequence is shown in SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2, respectively. This enzyme is present in the periplasmic fraction of Acinetobacter bacteria, and is involved in energy production by transferring electrons obtained by oxidation to the respiratory chain. Compared with other glucose oxidases, it is characterized by its reaction speed being very fast, and being insusceptible to the influence of dissolved oxygen, so it is an enzyme that is extremely useful as an enzyme electrode. Therefore, it is widely used for a self-blood glucose meter, and application as an enzyme catalyst of the enzyme cell which used glucose as fuel is expected.
本発明の変異型PQQGDHは、野生型PQQGDHのアミノ酸配列の好適例を示す上述の配列番号2に示すアミノ酸配列の第26番目及び第334番目に対応する位置のアミノ酸残基がシステイン残基に置換されている。PQQGDHは、グルコースの脱水素活性の発揮にはホモ2量体を形成する必要があり、モノマーではその触媒活性を発現することはできない酵素である。そして、ホモ2量体形成時に、一方のモノマーの配列番号2に示すアミノ酸配列における第26番目のバリンは他方の第334番目のセリンに、逆に第334番目のセリンは他方の第26番目のバリンに近接することが立体構造解析で明らかになっている。かかる近接する第26番目と第334番目をシステインに置換することにより、一方のモノマーの第26番目及び334番目が、他方の第334番目と第26番目とそれぞれジスルフィド結合を形成し安定した2量体を形成するようになる。モノマーにおける第26番目と第334番目は離間した位置にあることから、本発明の変異型PQQGDHは非常に安定したホモ2量体を形成する。かかるジスルフィド結合は、活性発現に際して立体障害となることもなく、本発明のPQQGDHは、「電極基材に吸着固定し酵素電極とした際に得られる触媒電流密度が向上」したものとなる。 In the mutant PQQGDH of the present invention, the amino acid residue at the position corresponding to the 26th and 334th amino acids in the amino acid sequence shown in the above-mentioned SEQ ID NO: 2 showing the preferred example of the amino acid sequence of wild type PQQGDH is substituted with a cysteine residue It is done. PQQGDH is an enzyme that needs to form a homodimer to exert glucose dehydrogenation activity, and can not express its catalytic activity in monomers. Then, at the time of homodimer formation, the 26th valine in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 of one of the monomers is the other 334th serine, and the 334th serine is the other 26th Conformation to valine has been revealed by three-dimensional structural analysis. By substituting the adjacent 26th and 334rd with cysteine, the 26th and 334th of one monomer form a disulfide bond with the other 334th and 26th, respectively, and a stable amount of 2 is formed. Become to form a body. Since the 26th and 334rd positions in the monomer are at spaced positions, the mutant PQQGDH of the present invention forms a very stable homodimer. Such a disulfide bond does not become steric hindrance at the time of activity expression, and the PQQGDH of the present invention is “a catalyst current density obtained when it is adsorbed and fixed to an electrode substrate to form an enzyme electrode”.
野生型PQQGDHの立体構造解析において、一方のモノマーの配列番号2に示すアミノ酸配列における第26番目のバリンと他方の第334番目のセリン間、逆に第334番目のセリンと他方の第26番目のバリン間のCβ間距離(A)は、4.2と近接しており、また、第352番目のグルタミン間の距離も4.6と近接していることが知られている(表1)。しかしながら、第352番目のグルタミンをシステインに置換しジスルフィド結合を形成させても、本発明の変異型PQQGDHのような「電極基材に吸着固定し酵素電極とした際に得られる触媒電流密度が向上」するとの効果は得られない。このことから、1本のジスルフィド結合での結合では、電極基材の吸着固定した際のホモ2量体の解離を抑制することはできないものと考えられる。してみると、上述の先行技術文献の項における特許文献2(特願2002-571892)に開示の415番目のアミノ酸残基のシステインへの置換、及び第414番目のアミノ酸残基のシステインへの置換によって得られた変異型PQQGDH(表1)についても同様にもホモ2量体の解離を効果的に抑制することはできないものと考えられる。上記先行技術文献には、表1に示す第340番目と第418番目のシステインへの置換により2本のジスルフィド結合での結合を形成し2量体を安定することが記載されているが、第26番目と第334番目のアミノ酸残基間の距離と比べると第340番目と第418番目のアミノ酸残基間の距離は離間しており、電極基材の吸着固定した際のホモ2量体の解離を効果的に抑制することはできないものと考えられる。また、2量体間にこのようなジスルフィド結合を導入する際には、当該酵素の活性発現に際して立体障害とならない位置であることも必要となる。したがって、ホモ2量体形成時の近接位置にあるアミノ酸残基にジスルフィド結合を形成させるようにシステインを導入しても、酵素触媒活性が低下したり、酵素電極の電極触媒としての機能を発揮できないケースがある。 In the conformational analysis of wild-type PQQGDH, between the 26th valine and the other 334rd serine in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 of one monomer, conversely the 334th serine and the other 26th It is known that the Cβ distance between valine (A) is as close as 4.2, and the distance between the 352nd glutamine is also as close as 4.6 (Table 1). However, even if glutamine at position 352 is substituted with cysteine to form a disulfide bond, “the catalyst current density obtained when adsorbed and immobilized on an electrode substrate to form an enzyme electrode like the mutant PQQGDH of the present invention is improved. The effect is not obtained. From this, it is considered that the single disulfide bond can not suppress the dissociation of the homodimer when the electrode substrate is adsorbed and fixed. As a result, substitution of the 415th amino acid residue with cysteine disclosed in Patent Document 2 (Japanese Patent Application No. 2002-571892) in the section of the prior art document mentioned above and cysteine with the 414th amino acid residue are disclosed. It is considered that homodimer dissociation can not be effectively suppressed similarly for the mutant PQQGDH (Table 1) obtained by substitution. The above prior art documents describe that two disulfide bonds are formed by substitution to cysteines 340 and 418 shown in Table 1 to stabilize a dimer, but As compared with the distance between the 26th and 334th amino acid residues, the distance between the 340th and 418th amino acid residues is separated, and the homodimer at the time of adsorption fixation of the electrode substrate is It is considered that the dissociation can not be effectively suppressed. In addition, when introducing such a disulfide bond between dimers, it is also necessary that the position of the enzyme does not cause steric hindrance in expressing the activity of the enzyme. Therefore, even if a cysteine is introduced to form a disulfide bond at an amino acid residue at a close position during homodimer formation, the enzyme catalytic activity is reduced or the enzyme electrode can not exhibit its function as an electrode catalyst. There is a case.
ここで、「電極基材に吸着固定し酵素電極とした際に得られる触媒電流密度が向上」とは、本発明の改変型PQQGDHを電極基材に吸着固定して構築した酵素電極が、その触媒機能を円滑に発揮して触媒電流密度が向上していることを意味する。野生型PQQGDHを固定した酵素電極に比べて、触媒電流密度が好ましくは10 %以上、例えば5〜10%程度上昇した場合に、「電極基材に吸着固定し酵素電極とした際に得られる触媒電流密度が向上している」と判断することができる。 Here, “the catalyst current density obtained when adsorbed and immobilized on the electrode substrate to form an enzyme electrode is improved” is an enzyme electrode constructed by adsorbing and modifying the modified PQQGDH of the present invention on the electrode substrate, It means that the catalyst current density is improved by exhibiting the catalytic function smoothly. When the catalyst current density is increased by preferably 10% or more, for example, about 5 to 10%, as compared with the enzyme electrode on which wild-type PQQGDH is immobilized, It can be determined that the current density is improved.
本発明の変異型PQQGDHは公知の方法によって取得することができる。例えば、改変の基礎となる野生型PQQGDHをコードする遺伝子に対して改変を施し、得られた変異型遺伝子を用いて宿主細胞を形質転換し、かかる形質転換体の培養物から上述の本発明の変異型PQQGDHの理化学的特性、つまり、グルコースの脱水素反応を触媒する能力を有し、かつ、当該酵素を電極触媒として電極基材に吸着固定して構築した酵素電極がその触媒機能を円滑に発揮して触媒電流密度が野生型PQQGDHに比べて向上しているとの特性を有するタンパク質を採取することによって取得することができる。かかる理化学特性の確認は、例えば実施例3〜5の記載に基づいて行うことができる。 The mutant PQQGDH of the present invention can be obtained by known methods. For example, the gene encoding wild-type PQQGDH which is the basis of modification is modified, and the resulting mutant gene is used to transform host cells, and culture of such transformants is carried out from the above-mentioned present invention. Physicochemical properties of mutant PQQGDH, that is, the ability to catalyze the dehydrogenation reaction of glucose, and the enzyme electrode constructed by adsorbing and fixing the enzyme as an electrode catalyst to the electrode substrate facilitates its catalytic function It can be obtained by collecting a protein having the characteristic that the catalyst current density is enhanced compared to wild-type PQQGDH. The confirmation of such physicochemical properties can be performed, for example, based on the description of Examples 3 to 5.
なお、改変の基礎となる野生型PQQGDHをコードする遺伝子は、公知の遺伝子クローニング技術を用いて取得することができる。例えば、GenBank等の公知のデータベースを検索することによって取得することができる所望の野生型PQQGDH遺伝子の塩基配列を基にして作製したDNAをプローブとして用いるハイブリダイゼーション法により、生物体由来のゲノムDNA、全RNAから逆転写反応によって合成したcDNA等から所望の酵素をコードする核酸分子を調製することができる。ここで用いられるプローブは、所望の酵素と相補的な配列を含むオリゴヌクレオチドであり、常法に基づいて調製することができる。例えば、ホスホアミダイト法等に基づく化学合成法、既に標的となる核酸が取得されている場合にはその制限酵素断片等が利用可能である。このようなプローブとしては、所望の酵素をコードする核酸分子の塩基配列に基づき、この塩基配列の連続する10以上、好ましくは15以上、更に好ましくは約20〜50の塩基からなるオリゴヌクレオチドが例示される。そして、プローブは必要に応じて適当な標識が付されていてよく、このような標識として放射線同位体、蛍光色素等が例示される。 The gene encoding wild-type PQQGDH, which is the basis of modification, can be obtained using a known gene cloning technology. For example, genomic DNA derived from an organism by a hybridization method using as a probe a DNA prepared based on the desired wild-type PQQGDH gene base sequence which can be obtained by searching a known database such as GenBank. A nucleic acid molecule encoding a desired enzyme can be prepared from cDNA or the like synthesized by reverse transcription from total RNA. The probe used here is an oligonucleotide containing a sequence complementary to a desired enzyme, and can be prepared based on a conventional method. For example, a chemical synthesis method based on the phosphoamidite method etc., and if a target nucleic acid has already been obtained, its restriction enzyme fragment etc. can be used. As such a probe, an oligonucleotide consisting of 10 or more, preferably 15 or more, more preferably about 20 to 50 consecutive bases of this base sequence based on the base sequence of the nucleic acid molecule encoding the desired enzyme is exemplified. Be done. The probe may be appropriately labeled if necessary, and examples of such a label include radioisotopes, fluorescent dyes and the like.
また、所望の野生型PQQGDH遺伝子の塩基配列を基にして作製したプライマーとして用いるPCRによっても同様に、生物体由来のゲノムDNA、cDNAを鋳型として所望の酵素をコードする核酸分子を調製することができる。PCRを利用する場合に用いられるプライマーは、所望の酵素と相補的な配列を含むオリゴヌクレオチドであり、常法に基づいて調製することができる。例えば、ホスホアミダイト法等に基づく化学合成法、既に標的となる核酸が取得されている場合にはその制限酵素断片等が利用可能である。化学合成法に基づきプライマーを調製する場合には、合成に先立って標的核酸の配列情報に基づいてプライマーの設計を行う。プライマーの設計は、所望の領域を増幅するように、例えばプライマー設計支援ソフト等を利用して設計することができる。プライマーは合成後、HPLC等の手段により精製される。また、化学合成を行う場合には市販の自動合成装置を利用することも可能である。このようなプライマーとしては、所望の増幅領域を挟んで設計され、10以上、好ましくは15以上、更に好ましくは約20〜50の塩基からなるオリゴヌクレオチドが例示される。 Also, by using PCR as a primer prepared based on the desired wild-type PQQGDH gene base sequence, a nucleic acid molecule encoding a desired enzyme can be similarly prepared using genomic DNA derived from an organism and cDNA as a template. it can. The primers used when using PCR are oligonucleotides containing a sequence complementary to the desired enzyme, and can be prepared based on a conventional method. For example, a chemical synthesis method based on the phosphoamidite method etc., and if a target nucleic acid has already been obtained, its restriction enzyme fragment etc. can be used. When preparing a primer based on a chemical synthesis method, the primer is designed based on the sequence information of the target nucleic acid prior to the synthesis. Primer design can be designed to amplify a desired region, for example, using primer design support software. After synthesis, the primers are purified by means such as HPLC. Moreover, when performing chemical synthesis, it is also possible to use a commercially available automatic synthesizer. As such a primer, an oligonucleotide having 10 or more, preferably 15 or more, more preferably about 20 to 50 bases, which is designed to sandwich a desired amplification region, is exemplified.
ここで、相補的とは、プローブ又はプライマーと標的核酸分子とが塩基対合則に従って特異的に結合し安定な二重鎖構造を形成できることを意味する。ここで、完全な相補性のみならず、プローブ又はプライマーと標的核酸分子が互いに安定な二重鎖構造を形成し得るのに十分である限り、いくつかの核酸塩基のみが塩基対合則に沿って適合する部分的な相補性であっても許容される。その塩基数は、標的核酸分子を特異的に認識するために十分に長くなければならないが、長すぎると逆に非特異的反応を誘発するので好ましくない。したがって、適当な長さはGC含量等の標的核酸の配列情報、並びに、反応温度、反応液中の塩濃度等のハイブリダイゼーション反応条件など多くの因子に依存して決定される。 Here, complementary means that the probe or primer and the target nucleic acid molecule can specifically bind to each other according to the base pairing rule to form a stable duplex structure. Here, not only perfect complementarity, but only some of the nucleobases are in line with the base pairing rules, as long as the probe or primer and the target nucleic acid molecule are sufficient to be able to form stable duplex structures with each other. Even partial complementarity that is compatible is acceptable. The number of bases must be long enough to specifically recognize the target nucleic acid molecule, but if it is too long, nonspecific reactions are induced, which is not preferable. Therefore, an appropriate length is determined depending on many factors such as sequence information of the target nucleic acid such as GC content, and hybridization reaction conditions such as reaction temperature and salt concentration in the reaction solution.
また公知の遺伝子情報に基づいて、常法のホスホルアミダイト(pHospHoramidite)法等の核酸合成法により合成することによっても取得することができる。 It can also be obtained by synthesis based on known genetic information by a nucleic acid synthesis method such as the conventional phosphoramidite (pHos pHoramidite) method.
ここで、本発明の変異型の基礎として好適なPQQGDHの配列情報として、上述のアシネトバクター カルコアセティカス由来のグルコース脱水素酵素(GENBANK ACCESSION No : X15871)のアミノ酸配列及び塩基配列、それぞれ配列表の配列番号2及び配列番号1に示す。 Here, as the sequence information of PQQGDH suitable as a basis of the variant of the present invention, the amino acid sequence and nucleotide sequence of the above-mentioned glucose dehydrogenase from Acinetobacter calcoaceticus (GENBANK ACCESSION No: X15871), respectively, in the sequence listing It is shown in SEQ ID NO: 2 and SEQ ID NO: 1.
野生型PQQGDHをコードする遺伝子に変異部位を挿入する方法としては、特に制限はなく、当業者に公知の変異型タンパク質作製のための変異導入技術を利用することができる。例えば、部位特異的突然変異誘発法、PCR法等を利用して変異を導入するPCR突然誘発法、あるいは、トランスポゾン挿入突然変異誘発法などの公知の変異導入技術を利用することができる。また、市販の変異導入用キット(例えば、QuikChange(登録商標) Site-directed Mutagenesis Kit(Stratagene社製))を利用してもよい。 There is no particular limitation on the method for inserting a mutation site into the gene encoding wild-type PQQGDH, and mutagenesis techniques for production of mutant proteins known to those skilled in the art can be used. For example, known mutagenesis techniques such as PCR mutation which introduces mutations using site-directed mutagenesis, PCR or the like, or transposon insertion mutagenesis can be used. Alternatively, a commercially available mutation introduction kit (for example, QuikChange (registered trademark) Site-directed Mutagenesis Kit (manufactured by Stratagene)) may be used.
特には、野生型PQQGDHをコードするDNAを鋳型として、所望の改変(欠失又は置換)を施した配列を含むオリゴヌクレオチドをプライマーとしてPCRを行うことによって取得することが、好ましく例示される。ここで、変異型PQQGDHの調製において、PCRを利用する場合に用いられるプライマーは、野性型PQQGDHをコードする核酸分子と相補的な配列を含み、かつ所望の変異が挿入できるように設計されたものであり、常法に基づいて調製することができる。例えば、ホスホアミダイト法等に基づく化学合成法等が利用可能である。化学合成法に基づきプライマーを調製する場合には、合成に先立って標的核酸の配列情報に基づいて設計される。プライマーの設計は、所望の領域を増幅するように、例えばプライマー設計支援ソフト等を利用して設計することができる。プライマーは合成後、HPLC等の手段により精製される。また、化学合成を行う場合には市販の自動合成装置を利用することも可能である。このようなプライマーとしては、10以上、好ましくは15以上、更に好ましくは約20〜50の塩基からなるオリゴヌクレオチドが例示される。 In particular, it is preferably exemplified that PCR is performed using, as a primer, a DNA containing wild type PQQGDH as a template and an oligonucleotide having a desired modification (deletion or substitution) as a template. Here, in the preparation of mutant PQQGDH, a primer used when using PCR comprises a sequence complementary to a nucleic acid molecule encoding wild type PQQGDH, and is designed so that a desired mutation can be inserted. It can be prepared based on a conventional method. For example, chemical synthesis methods based on the phosphoramidite method etc. can be used. When preparing a primer based on a chemical synthesis method, it is designed based on the sequence information of the target nucleic acid prior to the synthesis. Primer design can be designed to amplify a desired region, for example, using primer design support software. After synthesis, the primers are purified by means such as HPLC. Moreover, when performing chemical synthesis, it is also possible to use a commercially available automatic synthesizer. As such a primer, an oligonucleotide consisting of 10 or more, preferably 15 or more, more preferably about 20 to 50 bases is exemplified.
また、目的とする変異型PQQGDHのアミノ酸配列が定めれば、それをコードする適当な塩基配列を決定でき、常法のホスホルアミダイト法等の核酸合成技術を利用して本発明の変異型PQQGDHをコードする核酸分子を化学的に合成することができる。 In addition, once the amino acid sequence of the desired mutant PQQGDH is determined, the appropriate base sequence encoding it can be determined, and the mutant PQQGDH of the present invention can be prepared using nucleic acid synthesis techniques such as conventional phosphoramidite method. A nucleic acid molecule that encodes can be chemically synthesized.
また、このような本発明の変異型PQQGDHは自然又は人工の突然変異により生じた突然変異体の中から、上述の本発明の変異型PQQGDHの理化学的特性を有するか否かスクリーニングすることにより取得できる。さらには、本発明の変異型PQQGDHは、化学的合成技術によっても製造することができる。例えば、ペプチド合成機を用いて合成し、得られるポリペプチドを適当な条件の下で、再構築することにより調製することができる。 In addition, such mutant PQQGDH of the present invention is obtained from among mutants produced by natural or artificial mutation, by screening whether it has physicochemical properties of the above-mentioned mutant PQQGDH of the present invention. it can. Furthermore, the mutant PQQGDH of the present invention can also be produced by chemical synthesis techniques. For example, it can be prepared by synthesizing using a peptide synthesizer and reconstituting the resulting polypeptide under appropriate conditions.
本発明の変異型PQQGDHとして、アシネトバクター カルコアセティカス由来の野生型PQQGDH(GENBANK ACCESSION No : X15871)のアミノ酸配列の一例である配列番号2に示すアミノ酸配列において、配列番号2に示すアミノ酸配列の第26番目のバリン及び第334番目のセリンがシステインに置換されたアミノ酸配列を有するものが好適に例示される。特に好ましくは、本発明の変異型PQQGDHは、配列番号3に示すアミノ酸配列を有する。 As the mutant PQQGDH of the present invention, in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 which is an example of the amino acid sequence of wild type PQQGDH (GENBANK ACCESSION: X15871) derived from Acinetobacter calcoaceticus, Preferred are those having an amino acid sequence in which the 26th valine and the 334rd serine are substituted with cysteine. Particularly preferably, the mutant PQQGDH of the present invention has the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 3.
さらに、野生型PQQGDH(GENBANK ACCESSION No : X15871)を産生する菌株以外のアシネトバクター カルコアセティカスの他の菌株、及び他種の菌体及び生物体由来の野生型PQQGDHのアミノ酸配列のうち、配列番号2に示すアミノ酸配列の第26番目のバリン及び第334番目のセリンに対応する位置のアミノ酸残基がシステインに置換されたものも、上述の本発明の変異型PQQGDHの理化学的特性を有している限り、本発明の変異型PQQGDHに含まれる。したがって、また、GENBANK ACCESSION No : X15871で示されるPQQGDHのホモログ等の配列番号2に示すアミノ酸配列に対応するアミノ酸配列おいて、配列番号2に示すアミノ酸配列の第26番目のバリン及び第334番目のセリンに対応する位置のアミノ酸残基がシステインに置換されたものも、本発明の変異型PQQGDHに含まれる。このような置換位置は、対象となる野生型PQQGDHのアミノ酸配列と、配列番号2に示すアミノ酸配列をアラインメントさせ、配列番号2に示すアミノ酸配列の第26番目のバリン及び第334番目のセリンに対応する位置を検索することにより決定することができる。 Furthermore, among amino acid sequences of wild-type PQQGDH derived from other strains of Acinetobacter calcoaceticus than strains that produce wild-type PQQGDH (GENBANK ACCESSION No: X15871), and cells of other species and organisms. Those in which the amino acid residue at the position corresponding to the 26th valine of the amino acid sequence shown in 2 and the serine at the 334rd position are substituted with cysteine also have the physicochemical properties of the above-mentioned mutant PQQGDH of the present invention As long as it is present, it is included in the mutant PQQGDH of the present invention. Therefore, also in the amino acid sequence corresponding to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 such as the homologue of PQQGDH shown in GENBANK ACCESSION No: X15871, the 26th valine and 334th amino acid sequence of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 Those in which the amino acid residue at the position corresponding to serine is replaced with cysteine are also included in the mutant PQQGDH of the present invention. Such substitution positions correspond to the 26th valine and the 334th serine of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 by aligning the amino acid sequence of the target wild-type PQQGDH with the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 It can be determined by searching the position to be
また、上述の変異型PQQGDHの理化学的特性を保持している限り、配列番号2に示すアミノ酸配列の第26番目のバリン及び第334番目のセリンに対応する位置のアミノ酸残基の置換に加えて、上記アミノ酸残基以外の特定のアミノ酸残基に改変が生じている改変部位を有するものであってもよい。改変とは、改変の基礎となるタンパク質のアミノ酸配列のうち、1又は複数のアミノ酸が欠失、置換、挿入および付加の少なくとも1つからなる改変が生じていることを意味する。そして、「1又は複数のアミノ酸が欠失、置換、挿入及び付加の少なくとも1つからなる改変」とは、改変の基礎となるタンパク質をコードする遺伝子に対する公知のDNA組換え技術、点変異導入方法等によって、欠失、置換、挿入又は付加することができる程度の数のアミノ酸が、欠失、置換、挿入又は付加されることを意味し、これらの組み合わせをも含む。例えば、このような変異型は、配列番号2で示すアミノ酸配列に対して、アミノ酸レベルで70%以上、好ましくは80% 以上、更に好ましくは90%、95%以上の相同性を保持するものとすることができる。 In addition to the substitution of the amino acid residue at the position corresponding to the 26th valine and the 334rd serine of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, as long as the physicochemical properties of the above-mentioned mutant PQQGDH are retained. The amino acid residue may have a modification site in which modification has occurred in a specific amino acid residue other than the above amino acid residue. The term "modification" means that one or more amino acids in the amino acid sequence of the protein on which the modification is based have a modification comprising at least one of deletion, substitution, insertion and addition. Further, “modification in which one or more amino acids are composed of at least one of deletion, substitution, insertion and addition” means known DNA recombination technology for a gene encoding a protein which is the basis of modification, a point mutation introducing method It means that as many amino acids as can be deleted, substituted, inserted or added are deleted, substituted, inserted or added, and the like, including combinations thereof. For example, such a mutant has a homology of 70% or more, preferably 80% or more, more preferably 90%, 95% or more at the amino acid level to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 can do.
このような改変を有するタンパク質は自然又は人工の突然変異により生じた突然変異体の中から当該活性を有するタンパク質をスクリーニングすることにより取得できる。或いは、変異型PQQGDHをコードする核酸分子に対して公知の方法で改変を施すことによっても取得できる。かかる方法については、上述した方法に準じて行うことができる。 A protein having such a modification can be obtained by screening a protein having the activity among mutants produced by natural or artificial mutation. Alternatively, it can also be obtained by modifying the nucleic acid molecule encoding mutant PQQGDH by a known method. About this method, it can carry out according to the method mentioned above.
当業者は、アミノ酸配列の改変に際して変異型PQQGDHのその酵素活性を保持する改変を容易に予測することができる。具体的には、例えばアミノ酸置換の場合には、タンパク質構造保持の観点から極性、電荷、親水性、若しくは疎水性等の点で置換前のアミノ酸と類似した性質を有するアミノ酸に置換することができる。このような置換は保守的置換として当業者には周知である。具体例を挙げると、例えば、アラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、プロリン、メチオニン、フェニルアラニン、トリプトファンは、共に非極性アミノ酸に分類されるため、互いに似た性質を有する。また、非荷電性アミノ酸としては、グリシン、セリン、スレオニン、システイン、チロシン、アスパラギン、グルタミンが挙げられる。また、酸性アミノ酸としては、アスパラギン酸およびグルタミン酸が挙げられる。また、塩基性アミノ酸としては、リジン、アルギニン、ヒスチジンが挙げられる。これらの各グループ内のアミノ酸置換は、タンパク質の機能が維持されるとして許容される。また、その後の精製、固相への固定化等の便宜のため、アミノ酸配列のN、又はC末端にヒスチジンタグ(His-tag)、FLAGタグ(FLAG-tag)等を付加したものも好適に例示される。このようなタグペプチドの導入は常法により行なうことができる。また、酵素活性の消失を引き起こさない範囲内で、C末端側若しくはN末端側のアミノ酸残基を切断した切断型でもよい。更に、グルコシル化等の化学修飾を付加してもよい。 Those skilled in the art can easily predict the modification that retains the enzyme activity of mutant PQQGDH upon modification of the amino acid sequence. Specifically, for example, in the case of amino acid substitution, it can be substituted with an amino acid having similar properties to the amino acid before substitution in terms of polarity, charge, hydrophilicity or hydrophobicity from the viewpoint of protein structure retention . Such substitutions are well known to those skilled in the art as conservative substitutions. As a specific example, for example, alanine, valine, leucine, isoleucine, proline, methionine, phenylalanine and tryptophan are classified into nonpolar amino acids, and thus have similar properties. In addition, non-charged amino acids include glycine, serine, threonine, cysteine, tyrosine, asparagine and glutamine. Acidic amino acids also include aspartic acid and glutamic acid. In addition, examples of basic amino acids include lysine, arginine and histidine. Amino acid substitutions within each of these groups are tolerated as the function of the protein is maintained. In addition, for convenience of subsequent purification, immobilization to a solid phase, etc., one having a histidine tag (His-tag), FLAG tag (FLAG-tag) or the like added to the N or C terminal of the amino acid sequence is also preferable. It is illustrated. The introduction of such a tag peptide can be carried out by a conventional method. In addition, it may be a truncated form in which the amino acid residue at the C-terminal side or the N-terminal side is cleaved within a range that does not cause the disappearance of the enzyme activity. Furthermore, chemical modifications such as glucosylation may be added.
本発明の変異型PQQGDHは、野生型PQQGDHに比べて、電極触媒として電極基材に吸着固定し酵素電極とした際に得られる触媒電流密度が向上している。これは、本発明の変異型PQQGDHが、2量体形成に際して近接する第26番目と第334番目をシステインに置換することにより、一方のモノマーの第26番目及び334番目が、他方の第334番目と第26番目とそれぞれジスルフィド結合を形成し安定した2量体を形成し、電極基材に吸着固定された際にも安定的に2量体構造を維持することができることに起因する。また、かかるジスルフィド結合は、活性発現に際して立体障害になることもない。このように本発明の変異型PQQGDHを固定した酵素電極は、その触媒機能を円滑に発揮して酵素触媒電流の高密度化を図ることができる。かかる特性を有する本発明の変異型PQQGDHは、医療、食品、環境分野等の様々な産業分野におけるグルコースの脱水素反応を要する技術に適用できる。特に、バイオ電池及びバイオセンサー電極触媒として利用することができ、バイオ電池の高出力化及びバイオセンサーの高感度化に貢献することができる。 In the mutant PQQGDH of the present invention, compared with wild-type PQQGDH, the catalytic current density obtained when it is adsorbed and immobilized on an electrode substrate as an electrode catalyst to form an enzyme electrode is improved. This is because the mutant PQQGDH of the present invention substitutes the adjacent 26th and 334th amino acids for cysteine formation with a cysteine so that the 26th and 334th amino acids of one monomer are the other, the 334th amino acid. The 26th and 26th, respectively, form a disulfide bond to form a stable dimer, and are able to stably maintain the dimer structure even when adsorbed and fixed to the electrode substrate. Moreover, such a disulfide bond does not become steric hindrance at the time of activity expression. As described above, the enzyme electrode on which the mutant PQQGDH of the present invention is immobilized can smoothly exhibit its catalytic function to achieve high density of enzyme catalytic current. The mutant PQQGDH of the present invention having such properties can be applied to techniques requiring glucose dehydrogenation in various industrial fields such as medical, food and environmental fields. In particular, it can be used as a biobattery and a biosensor electrode catalyst, and can contribute to the increase in output of the biobattery and the increase in sensitivity of the biosensor.
(変異型PQQGDHをコードする核酸分子)
本発明の変異型PQQGDH遺伝子は、上述の本発明の変異型PQQGDHの理化学的特性を有するすべての変異型PQQGDHをコードするものを包含する。好適には、配列番号2に示すアミノ酸配列において、第26番目のバリン及び第334番目のセリンがシステインに置換されたアミノ酸配列を有するタンパク質をコードする全てのポリヌクレオチドである。特には、配列番号3に示すアミノ酸配列からなるタンパク質をコードする全てのポリヌクレオチドである。ここで、本発明におけるポリヌクレオチドにはDNA及びRNAの双方が含まれ、DNAである場合には、1本鎖であると、二本鎖であるとは問わない。
(Nucleic acid molecule encoding mutant PQQGDH)
The mutant PQQGDH genes of the present invention include those encoding all mutant PQQGDHs having the physicochemical properties of the mutant PQQGDHs of the present invention described above. Preferably, all the polynucleotides encoding a protein having an amino acid sequence in which the 26th valine and the 334rd serine are substituted with cysteine in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2. In particular, all polynucleotides encoding a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 3. Here, the polynucleotide in the present invention includes both DNA and RNA, and in the case of DNA, it does not matter whether it is single-stranded or double-stranded.
本発明の変異型PQQGDHをコードする核酸分子は、本明細書においてそのアミノ酸配列に基づいて塩基配列が明確になったことから、かかる配列情報に基づいて、常法のホスホルアミダイト法等のDNA合成法を利用して化学的に合成することができる。また、改変の基礎となる野生型PQQGDHをコードするDNAに対して改変を施すことによっても製造することができる。なお、詳細については前述した。 Since the nucleic acid molecule encoding the mutant PQQGDH of the present invention has a base sequence clarified based on its amino acid sequence in the present specification, DNA such as conventional phosphoramidite method is used based on such sequence information. It can be chemically synthesized using synthetic methods. It can also be produced by modifying DNA encoding wild type PQQGDH which is the basis of modification. The details are described above.
更に、上述の変異型PQQGDHの理化学的特性を保持している限り、配列番号2に示すアミノ酸配列において、第26番目のバリン及び第334番目のセリンがシステインに置換されたアミノ酸配列を有するタンパク質をコードする塩基配列からなるポリヌクレオチドと相補的なポリヌクレオチドとストリンジェントな条件下でハイブリダイズするポリヌクレオチドを含むものも本発明に含まれる。このようなポリヌクレオチドは、公知の変異導入技術や、常法のホスホルアミダイト法等のDNA合成法を利用することにより作製できる。もしくは、配列番号2に示すアミノ酸配列において、第26番目のバリン及び第334番目のセリンがシステインに置換されたアミノ酸配列を有するタンパク質をコードする塩基配列からなるポリヌクレオチドに対してエキソヌクレアーゼを作用させることによって取得することができる。このようなポリヌクレオチドとしては、配列番号2に示すアミノ酸配列において、第26番目のバリン及び第334番目のセリンがシステインに置換されたアミノ酸配列を有するタンパク質をコードする塩基配列からなるポリヌクレオチドにおいて1又は複数の塩基が欠失、置換、付加もしくは挿入されたものも含まれる。したがって、塩基配列の3'、又は5'末端にタグペプチドをコードする塩基配列が付加したものも好適に例示される。 Furthermore, in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, a protein having an amino acid sequence in which valine at position 26 and serine at position 334 are substituted with cysteine in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 The present invention also includes those comprising a polynucleotide that hybridizes under stringent conditions with a polynucleotide complementary to the polynucleotide consisting of the encoding base sequence. Such a polynucleotide can be prepared by using known mutagenesis techniques or DNA synthesis methods such as conventional phosphoramidite method. Alternatively, exonuclease is allowed to act on a polynucleotide consisting of a nucleotide sequence encoding a protein having an amino acid sequence in which the 26th valine and the 334rd serine are substituted with cysteine in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 Can be obtained by As such a polynucleotide, in the polynucleotide consisting of a nucleotide sequence encoding a protein having an amino acid sequence in which the 26th valine and the 334rd serine are substituted with cysteine in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 Also included are those in which multiple bases are deleted, substituted, added or inserted. Therefore, one having a base sequence encoding a tag peptide added to the 3 'or 5' end of the base sequence is also preferably exemplified.
ここで、ストリンジェントな条件とは、塩基配列において、60 %以上、好ましくは70 %、より好ましくは80 %以上、特に好ましくは90 %、95 %以上の同一性を有するDNA同士が優先的にハイブリダイズし得る条件をいう。ストリンジェンシーは、ハイブリダイゼーションの反応や洗浄の際の塩濃度及び温度を適宜変化させることによって調製することができる。例えば、Sambrook他著、Molecular Cloning:A Laboratory Manual、第2版、(1989) Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor、New York等に記載のサザンハイブリダイゼーションのための条件等が挙げられる。 Here, under stringent conditions, DNAs having an identity of 60% or more, preferably 70%, more preferably 80% or more, particularly preferably 90%, 95% or more in the base sequence are preferentially used. It refers to conditions that can be hybridized. Stringency can be prepared by appropriately changing the salt concentration and temperature during the hybridization reaction and washing. For example, conditions for Southern hybridization described in Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Second Edition, (1989) Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York et al.
より具体的には、50 %(v/v) ホルムアミド、5×SSC中で、42 ℃にて16時間のハイブリダイゼーションが例示される。ここで、1×SSCは、0.15 M NaCl、0.015 M クエン酸ナトリウム、pH 7.0である。また、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)を0.1〜1.0 %(v/v)、変性非特異的DNAを0〜200 μl含んでいてよい。そして、洗浄条件としては、2×SSC、0.1 % SDS中の5 ℃にて5分間の洗浄、及び0.1×SSC、0.1 % SDS中の65 ℃にて30分間〜4時間の洗浄が例示される。また、これらと同等の条件も当業者は容易に理解できるであろう。 More specifically, hybridization in 50% (v / v) formamide, 5 × SSC at 42 ° C. for 16 hours is exemplified. Here, 1 × SSC is 0.15 M NaCl, 0.015 M sodium citrate, pH 7.0. Also, it may contain 0.1 to 1.0% (v / v) of sodium dodecyl sulfate (SDS) and 0 to 200 μl of denatured nonspecific DNA. And, as washing conditions, washing for 5 minutes at 5 ° C. in 2 × SSC, 0.1% SDS, and washing for 30 minutes to 4 hours at 65 ° C. in 0.1 × SSC, 0.1% SDS are exemplified. . In addition, conditions equivalent to these will be easily understood by those skilled in the art.
(本発明の組換えベクター)
本発明の組換えベクターは、適当なベクターに本発明の変異型PQQGDHをコードする核酸分子を組み込むことによって構築することができる。利用可能なベクターとしては、外来DNAを組み込め、かつ宿主細胞中で自律的に複製可能なものであれば特に制限はない。したがって、ベクターは、変異型PQQGDHをコードする核酸分子を挿入できる少なくとも1つの制限酵素部位の配列を含むものである。例えば、プラスミドベクター(pEX系、pUC系、及びpBR系等)、ファージベクター(λgt10、λgt11、及びλZAP等)、コスミドベクター、ウイルスベクター(ワクシニアウイルス、及びバキュロウイルス等)等が包含される。
(Recombinant vector of the present invention)
The recombinant vector of the present invention can be constructed by incorporating the nucleic acid molecule encoding the mutant PQQGDH of the present invention into a suitable vector. There are no particular limitations on the available vectors, as long as they can incorporate foreign DNA and can be autonomously replicated in host cells. Thus, the vector comprises a sequence of at least one restriction site into which a nucleic acid molecule encoding a mutant PQQGDH can be inserted. For example, plasmid vectors (pEX system, pUC system, pBR system etc.), phage vectors (λgt10, λgt11, λZAP etc.), cosmid vectors, virus vectors (vaccinia virus, baculovirus etc.) etc. are included.
本発明の組換えベクターは、変異型PQQGDHをコードする核酸分子がその機能を発現できるように組み込まれている。したがって、核酸分子の機能発現に必要な他の公知の塩基配列が含まれていてもよい。例えば、プロモータ配列、リーダー配列、シグナル配列、並びにリボソーム結合配列等が挙げられる。プロモータ配列としては、例えば、宿主が大腸菌の場合にはlacプロモータ、trpプロモータ等が好適に例示される。しかしながら、これに限定するものではなく公知のプロモータ配列を利用できる。更に、本発明の組換えベクターには、宿主において表現型選択を付与することが可能なマーキング配列等をも含ませることができる。このようなマーキング配列としては、薬剤耐性、栄養要求性などの遺伝子をコードする配列等が例示される。具体的には、カナマイシン耐性遺伝子、クロラムフェニコール耐性遺伝子、アンピシリン耐性遺伝子等が例示される。 The recombinant vector of the present invention is incorporated such that the nucleic acid molecule encoding mutant PQQGDH can express its function. Therefore, other known base sequences necessary for functional expression of the nucleic acid molecule may be included. For example, a promoter sequence, a leader sequence, a signal sequence, a ribosome binding sequence and the like can be mentioned. As a promoter sequence, for example, when the host is E. coli, lac promoter, trp promoter and the like are suitably exemplified. However, known promoter sequences can be used without being limited thereto. Furthermore, the recombinant vector of the present invention can also contain a marking sequence or the like that can confer phenotypic selection in a host. Examples of such marking sequences include sequences encoding genes such as drug resistance and auxotrophy. Specifically, kanamycin resistance gene, chloramphenicol resistance gene, ampicillin resistance gene and the like are exemplified.
ベクターへの変異型PQQGDHをコードする核酸分子等の挿入は、例えば、適当な制限酵素で本発明の遺伝子を切断し、適当なベクターの制限酵素部位、又はマルチクローニング部位に挿入して連結する方法などを用いることができるが、これに限定されない。連結に際しては、DNAリガーゼを用いる方法等、公知の方法を利用できる。また、DNA Ligation Kit(Takara-bio社)等の市販のライゲーションキットを利用することもできる。 Insertion of a nucleic acid molecule or the like encoding a mutant PQQGDH into a vector is carried out, for example, by cleaving the gene of the present invention with an appropriate restriction enzyme and inserting it into a restriction enzyme site or multicloning site of an appropriate vector for ligation. Etc. can be used, but it is not limited thereto. For ligation, known methods such as a method using DNA ligase can be used. In addition, commercially available ligation kits such as DNA Ligation Kit (Takara-bio) can also be used.
(本発明の形質転換体)
本発明の形質転換体は、適当な細胞を、本発明の変異型PQQGDHをコードする核酸分子を含む組換えベクターで形質転換することによって構築することができる。ここで、宿主となる細胞としては、本発明の変異型PQQGDHをコードする核酸分子を効率的に発現できる宿主細胞であれば、特に制限はない。原核生物を好適に利用でき、特には大腸菌を利用することができる。その他、枯草菌、バシラス属細菌、シュードモナス属細菌等をも利用できる。大腸菌としては、例えば、E.coli DH5α、E.coli BL21、E.coli JM109等を利用できる。更に、原核生物に限定されず真核生物細胞を利用することが可能である。例えば、Saccharomyces cerevisiae等の酵母、Sf9細胞等の昆虫細胞、CHO細胞、COS-7細胞等の動物細胞等を利用することも可能である。形質転換法としては、塩化カルシウム法、エレクトロポレーション法、リポソームトランスフェクション法、マイクロインジェクション法等を公知の方法を利用することができる。
(Transformant of the present invention)
The transformant of the present invention can be constructed by transforming appropriate cells with a recombinant vector containing the nucleic acid molecule encoding the mutant PQQGDH of the present invention. Here, the host cell is not particularly limited as long as it is a host cell capable of efficiently expressing the nucleic acid molecule encoding the mutant PQQGDH of the present invention. Prokaryotes can be suitably used, in particular E. coli. Besides, Bacillus subtilis, Bacillus bacteria, Pseudomonas bacteria and the like can also be used. As E. coli, for example, E. coli DH5α, E. coli BL21, E. coli JM109 and the like can be used. Furthermore, it is possible to use eukaryotic cells without being limited to prokaryotes. For example, yeasts such as Saccharomyces cerevisiae, insect cells such as Sf9 cells, animal cells such as CHO cells, and COS-7 cells can be used. As transformation methods, known methods such as calcium chloride method, electroporation method, liposome transfection method, microinjection method and the like can be used.
(本発明の変異型PQQGDHの製造方法)
本発明の変異型PQQGDHの製造方法は、上述の本発明の形質転換体を培養し、得られた培養物からグルコースの脱水素反応を触媒する能力を有し、かつ、当該酵素を電極触媒として電極基材に吸着固定して構築した酵素電極がその触媒機能を円滑に発揮して触媒電流密度が野生型PQQGDHに比べて向上しているとの理化学的特性を有するタンパク質を採取することにより行なう。即ち、上述の本発明の形質転換体を培養する培養工程と、前記培養工程で発現した前記タンパク質を回収する回収工程とを備える。このように、適当な宿主で発現させることによって、低コストで変異型PQQGDHの大量生産が可能となる。
(Method for producing mutant PQQGDH of the present invention)
The method for producing mutant PQQGDH of the present invention has the ability to catalyze the dehydrogenation reaction of glucose from the culture obtained by culturing the above-mentioned transformant of the present invention, and using the enzyme as an electrode catalyst It is carried out by collecting a protein having physicochemical properties that the enzyme electrode constructed by adsorbing and fixing to the electrode substrate smoothly exhibits its catalytic function and the catalytic current density is improved compared to wild-type PQQGDH. . That is, it comprises a culture step of culturing the above-mentioned transformant of the present invention, and a recovery step of recovering the protein expressed in the culture step. Thus, expression in a suitable host enables mass production of mutant PQQGDH at low cost.
培養工程は、本発明の形質転換体を適当な培地に接種し、常法に準じて培養することにより行なわれる。本発明の形質転換体の培養は、宿主細胞の栄養生理学的特性を勘案して、培養条件を選択すればよい。使用される培地としては、宿主細胞が資化し得る栄養素を含み、形質転換体におけるタンパク質の発現を効率的に行えるものであれば特に制限はない。したがって、宿主細胞の生育に必要な炭素源、窒素源その他必須の栄養素を含む培地であることが好ましく、天然培地、合成培地の別を問わない。例えば、炭素源として、グルコース、デキストラン、デンプン等が、また、窒素源としては、アンモニウム塩類、硝酸塩類、アミノ酸、ペプトン、カゼイン等が挙げられる。他の栄養素としては、所望により、無機塩類、ビタミン類、抗生物質等とを含ませることができる。宿主細胞が大腸菌の場合には、LB培地、M9培地等が好適利用できる。また、培養形態についても特に制限はないが、大量培養の観点から液体培地が好適に利用できる。 The culture step is carried out by inoculating the transformant of the present invention in an appropriate medium and culturing it according to a conventional method. The culture conditions of the transformant of the present invention may be selected in consideration of the nutritional and physiological characteristics of the host cell. The medium to be used is not particularly limited as long as it contains nutrients which can be assimilated by the host cell and can efficiently express a protein in a transformant. Therefore, a medium containing a carbon source, a nitrogen source and other essential nutrients necessary for the growth of host cells is preferable, and either a natural medium or a synthetic medium may be used. For example, as a carbon source, glucose, dextran, starch and the like can be mentioned, and as a nitrogen source, ammonium salts, nitrates, amino acids, peptone, casein and the like can be mentioned. As other nutrients, if desired, inorganic salts, vitamins, antibiotics and the like can be included. When the host cell is E. coli, LB medium, M9 medium and the like can be suitably used. Also, the culture form is not particularly limited, but a liquid medium can be suitably used from the viewpoint of mass culture.
本発明の組換えベクターを保持する宿主細胞の選別は、例えば、マーキング配列の発現の有無により行なうことができる。例えば、マーキング配列として薬剤耐性遺伝子を利用する場合には、薬剤耐性遺伝子に対応する薬剤含有培地で培養することによって行うことができる。 Selection of host cells carrying the recombinant vector of the present invention can be performed, for example, by the presence or absence of expression of the marking sequence. For example, when using a drug resistance gene as a marking sequence, it can be carried out by culturing in a drug-containing medium corresponding to the drug resistance gene.
精製工程は、上述の培養工程において得られた形質転換体の培養物からの変異型PQQGDHを回収、即ち、単離精製することによって行えばよい。本発明の酵素の存在する画分に応じて、一般的なタンパク質の単離精製方法に準じた手法を適用すればよい。具体的には、変異型PQQGDHが宿主細胞外に生産される場合には、培養液をそのまま使用するか、遠心分離、濾過等の手段により宿主細胞を除去して培養上清を得る。続いて、培養上清に、公知のタンパク質精製方法を適宜選択することにより、本発明の酵素を単離精製することができる。例えば、硫酸アンモニウム沈殿、透析、SDS-PAGE電気泳動、ゲル濾過、疎水、陰イオン、陽イオン、アフィニティークロマトグラフィ等の各種クロマトグラフィ等の公知の単離精製技術を単独、又は適宜組み合わせて適用することができる。特にアフィニティークロマトグラフィを利用する場合、本発明の酵素をHis Tag等のタグペプチドとの融合タンパク質として発現させて、かかるタグペプチドに対する親和性を利用することが好ましい。また、変異型PQQGDHが宿主細胞内で産生される場合には、培養物を遠心分離、濾過等の手段により宿主細胞を回収する。続いて、リゾチーム処理などの酵素的破砕方法、又は超音波処理、凍結融解、浸透圧ショック等の物理的破砕方法等により、宿主細胞を破砕する。破砕後、遠心分離、濾過等の手段により可溶化画分を収集する。得られた可溶化画分を、上述の細胞外に生産できる場合と同様に処理することにより単離精製することができる。 The purification step may be performed by recovering, ie, isolating and purifying mutant PQQGDH from the culture of the transformant obtained in the above-mentioned culture step. Depending on the fraction in which the enzyme of the present invention is present, a procedure according to a general protein isolation and purification method may be applied. Specifically, when the mutant PQQGDH is produced outside the host cell, the culture solution is used as it is, or the host cell is removed by means of centrifugation, filtration or the like to obtain a culture supernatant. Subsequently, the enzyme of the present invention can be isolated and purified by appropriately selecting a known protein purification method for the culture supernatant. For example, known isolation and purification techniques such as ammonium sulfate precipitation, dialysis, SDS-PAGE electrophoresis, gel filtration, hydrophobic, anionic, cationic, various chromatography such as affinity chromatography can be applied singly or in combination as appropriate. . In particular, when using affinity chromatography, it is preferable to express the enzyme of the present invention as a fusion protein with a tag peptide such as His Tag to utilize the affinity to such tag peptide. When the mutant PQQGDH is produced in a host cell, the culture is recovered by centrifugation, filtration or the like. Subsequently, host cells are disrupted by an enzymatic disruption method such as lysozyme treatment or a physical disruption method such as ultrasonication, freeze-thaw, osmotic shock, or the like. After crushing, the solubilized fraction is collected by means of centrifugation, filtration and the like. The obtained solubilized fraction can be isolated and purified by the same treatment as in the case where it can be produced extracellularly as described above.
(グルコースの検出方法)
本発明の変異型PQQGDHは、試料中のグルコースの検出のために利用することができる。グルコースの検出は、グルコースに対してPQQ依存的に脱水素反応を触媒する当該酵素の活性を測定することにより行うことができる。酵素の活性は、PQQ依存的に糖類の脱水素反応を触媒する酵素の活性測定法として知られる方法をいずれも利用して行うことができる。例えば、酸化還元試薬の呈色反応により定量することができる。例えば、ジクロロインドフェノール(以下、「DCIP」と略する。)や、ニトロテトラゾリウムブルー(以下、「NTB」と略する。)等を利用することができる。具体的には、本発明の変異型PQQGDHをフェナジンメトスルフェート(以下「PMS」と略する。)等の電子メディエーターの共存下で、測定対象となる試料と反応させる。グルコースの酸化に伴って還元型PMSが生成し、続いて、還元型PMSによるDCIPの還元脱色反応を波長600 nmで、又は、還元型PMSによるNTBの還元により生成するジホルマザンを波長570 nmで分光光度法により測定することにより行うことができる。かかる吸光度変化をもって当該酵素の活性とすることができ、ひいてはグルコースの存在を検出することができる。吸光度の測定は、既知のマイクロプレートリーダー(モレキュラーデバイス社製)を用いることができる。また、そして、適当な試験条件が選択されていれば、上述の電極酸化電流及び吸光度の変化は、測定しようとする酵素活性に直線的に比例する。このとき、あらかじめ目的濃度範囲内における標準濃度のグルコース溶液を用いて作成した標準曲線に基づいて、測定により得られた変化値に基づいてグルコース濃度を求めることができる。また、本発明の変異型PQQGDH固定化電極を電子メディエーターの共存下で、測定対象となる試料と反応させ、電極酸化電流を測定することにより行うことができる。この場合は、かかる電極酸化電流をもって当該酵素の活性とすることができ、ひいてはグルコースの存在を検出することができる。
(Method of detecting glucose)
The mutant PQQGDH of the present invention can be used for the detection of glucose in a sample. The detection of glucose can be performed by measuring the activity of the enzyme that catalyzes a dehydrogenation reaction in a PQQ-dependent manner on glucose. The activity of the enzyme can be carried out using any method known as a method for measuring the activity of an enzyme that catalyzes the dehydrogenation of saccharides in a PQQ-dependent manner. For example, it can be quantified by a color reaction of a redox reagent. For example, dichloroindophenol (hereinafter abbreviated as "DCIP"), nitrotetrazolium blue (hereinafter abbreviated as "NTB"), etc. can be used. Specifically, the mutant PQQGDH of the present invention is reacted with a sample to be measured in the coexistence of an electron mediator such as phenazine methosulfate (hereinafter abbreviated as "PMS"). Oxidation of glucose produces reduced PMS, followed by reduction of DCIP by reduced PMS at a wavelength of 600 nm, or diformazan formed by reduction of NTB by reduced PMS at a wavelength of 570 nm It can carry out by measuring by photometry. The change in absorbance can be the activity of the enzyme, and thus the presence of glucose can be detected. For measurement of absorbance, a known microplate reader (manufactured by Molecular Device) can be used. Also, if the appropriate test conditions are selected, the changes in electrode oxidation current and absorbance described above are linearly proportional to the enzyme activity to be measured. At this time, the glucose concentration can be determined based on the change value obtained by the measurement, based on a standard curve prepared in advance using a glucose solution of standard concentration within the target concentration range. In addition, the mutant PQQGDH-immobilized electrode of the present invention can be reacted with a sample to be measured in the coexistence of an electron mediator to measure the electrode oxidation current. In this case, the electrode oxidation current can be used as the activity of the enzyme, and thus the presence of glucose can be detected.
(本発明の酵素電極)
本発明の変異型PQQGDHは、酵素電極の電極触媒として利用することができ、かかる酵素電極も本発明の一部を構成する。本発明の酵素電極は、電極基材に本発明の変異型PQQGDHを吸着固定することにより構築することができる。
(Enzyme electrode of the present invention)
The mutant PQQGDH of the present invention can be used as an electrode catalyst of an enzyme electrode, and such an enzyme electrode also constitutes a part of the present invention. The enzyme electrode of the present invention can be constructed by adsorbing and fixing the mutant PQQGDH of the present invention to an electrode substrate.
電極基材としては、外部回路に接続可能なグラファイト、グラッシーカーボン等のカーボン基材、アルミニウム、銅、金、白金、銀、ニッケル、パラジウム等の金属又は合金、SnO2、In2O3、WO3、TiO2等の導電性酸化物等、従来公知の材質の導電性基材を使用することができる。好ましくはカーボン基材である。また、これらの導電性基材を単層又は2種以上の積層構造をもって構成してもよい。電極の大きさ及び形状等は特に限定されるものではなく、使用目的に応じて適宜調整することができる。 As the electrode substrate, carbon substrates such as graphite and glassy carbon which can be connected to an external circuit, metals or alloys such as aluminum, copper, gold, platinum, silver, nickel and palladium, SnO 2 , In 2 O 3 , WO 3, TiO 2 conductive oxides such like, can be used a conductive substrate of the conventional known materials. Preferably, it is a carbon base material. Moreover, you may comprise these electroconductive substrates by single layer or 2 or more types of laminated structure. The size, shape, and the like of the electrode are not particularly limited, and can be appropriately adjusted according to the purpose of use.
電極基材上への酵素の固定は、物理的吸着、イオン結合,共有結合を介して固定する担体結合法等の公知の方法によって行うことができる。また、グルタルアルデヒドなどの二価性官能基をもつ架橋試薬で架橋固定する架橋法をも利用できる。更には、アルギン酸,カラギーナン等の多糖類、導電性ポリマー、酸化還元ポリマー、光架橋性ポリマー等の網目構造をもつポリマー、透析膜等の半透性膜内に封入して固定する包括法等をも利用することができる。また、これらを組み合わせて用いてもよい。好ましくは、物理的吸着により酵素を電極基材に固定する。 Immobilization of the enzyme on the electrode substrate can be carried out by known methods such as physical adsorption, ionic bond, carrier binding method of immobilization via covalent bond, and the like. In addition, a crosslinking method in which crosslinking and immobilization are performed with a crosslinking reagent having a divalent functional group such as glutaraldehyde can also be used. Furthermore, entrapment methods etc. which are enclosed and fixed in semipermeable membranes, such as polysaccharides, such as alginic acid and carrageenan, conductive polymers, redox polymers, polymers having a network structure such as photocrosslinkable polymers, dialysis membranes, etc. Can also be used. Moreover, you may use combining these. Preferably, the enzyme is immobilized on the electrode substrate by physical adsorption.
物理的吸着は、本発明の改変型PQQGDHを電極基材上に物理的な力により固定するものである。そして、吸着結合による固定の場合、本発明の改変型PQQGDH含む溶液に電極基材を接触させ、これを乾燥させることによって簡便に固定できる。固定に際しては、変異型PQQGDHは、補酵素PQQを含むホロ酵素の状態で固定することが好ましい。しかしながら、アポ酵素の形態で固定し、PQQを別の層として、又は、適当な緩衝液に溶解させた形態で供給してよい。また、その他の、酵素の触媒活性の発現のために必要な物質、例えばカルシウムイオンを、別の層として、又は、適当な緩衝液に溶解させた形態で供給してよい。 Physical adsorption is to fix the modified PQQGDH of the present invention on an electrode substrate by physical force. And, in the case of fixation by adsorption bonding, the electrode substrate can be brought into contact with a solution containing the modified PQQGDH of the present invention and dried, and then it can be fixed easily. At the time of fixation, it is preferable to fix the mutant PQQGDH in the state of holoenzyme containing coenzyme PQQ. However, it may be immobilized in the form of the apoenzyme and supplied as a separate layer or in a form in which the PQQ is dissolved in a suitable buffer. In addition, other substances necessary for expression of the catalytic activity of the enzyme, such as calcium ion, may be supplied as a separate layer or in a form dissolved in an appropriate buffer.
本発明の酵素電極は、電極触媒である本発明の変異型PQQGDHは、安定な2量体を形成することから、電極基材上に固定しても不活性型であるモノマーに解離することがない。酵素電極の電極基材として疎水性のカーボン基材が汎用されるが、かかるカーボン基材にも安定的に固定される。したがって、本発明の変異型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素を固定した酵素電極は、その触媒機能を円滑に発揮して酵素触媒電流の高密度化を図ることができ、バイオ電池及びバイオセンサー電極触媒として利用することができ、バイオ電池の高出力化及びバイオセンサーの高感度化に貢献することができる。 Since the enzyme electrode of the present invention forms a stable dimer, the mutant PQQGDH of the present invention, which is an electrocatalyst, dissociates into a monomer that is inactive even when immobilized on the electrode substrate Absent. Although a hydrophobic carbon substrate is generally used as an electrode substrate of an enzyme electrode, it is also stably fixed to such a carbon substrate. Therefore, the enzyme electrode on which the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the present invention is immobilized can smoothly exhibit its catalytic function to achieve high densification of the enzyme catalytic current, a bio battery and a biosensor It can be used as an electrode catalyst, and can contribute to high power output of a bio battery and high sensitivity of a biosensor.
(本発明のバイオ電池)
本発明の変異型PQQGDHは、バイオ電池の構築に利用することができ、かかるバイオ電池も本発明の一部を構成する。本発明のバイオ電池は、例えば、酸化反応を行うアノード極と、還元反応を行うカソード極から構成され、必要に応じてアノードとカソードを隔離する電解質層を含んで構成され、好ましくは、本発明の変異型PQQGDHを外部回路に接続した電極基材上に固定した本発明の酵素電極を備える。好ましくは、本発明の変異型PQQGDHを外部回路に接続した電極基材上に固定した酵素電極はアノード側電極として構築される。このように構成することにより、アノード電極側では、変異型PQQGDHが基質を酸化することによって生じた電子を電極に取り出すと共に、プロトンを発生する。一方、カソード側は、酸素や過酸化水素等の酸化剤を還元して電子を伝達することのできる触媒を固定して構成されることが好ましく、アノード側で発生したプロトンが酸素と反応することによって水を生成するように構成される。また、カソード側電極としては、例えば、ピルビン酸オキシダーゼ、ラッカーゼ等のマルチ銅酵素等の酵素が固定された電極を使用することもできる。
(Bio battery of the present invention)
The mutant PQQGDH of the present invention can be used to construct a biobattery, which also constitutes a part of the present invention. The bio battery of the present invention is composed of, for example, an anode electrode performing oxidation reaction, and a cathode electrode performing reduction reaction, and is composed of an electrolyte layer separating the anode and the cathode as necessary. And the enzyme electrode of the present invention immobilized on the electrode substrate connected to the external circuit. Preferably, the enzyme electrode in which the mutant PQQGDH of the present invention is immobilized on an electrode substrate connected to an external circuit is constructed as an anode electrode. By this configuration, on the anode electrode side, the mutant PQQGDH extracts electrons generated by oxidizing the substrate to the electrode and generates protons. On the other hand, the cathode side is preferably constructed by fixing a catalyst capable of transferring electrons by reducing an oxidant such as oxygen or hydrogen peroxide, and protons generated on the anode side react with oxygen. Configured to produce water. Moreover, as a cathode side electrode, the electrode to which enzymes, such as multi copper enzymes, such as pyruvate oxidase and laccase, were fixed can also be used, for example.
電解質層としては、電子伝達能を有さず、プロトンの輸送が可能な電解質であれば、何れの物質をも利用することができる。 As the electrolyte layer, any substance can be used as long as it has no electron transfer ability and can transport protons.
必要に応じて、酵素反応と電極間の電子伝達を媒介する電子メディエーターを用いることができる。メディエーターは、特に限定されるものではないが、例えば、キノン類、シトクロム類、ビオロゲン類、フェナジン類、フェノキサジン類、フェノチアジン類、フェリシアン化物、フェレドキシン類、フェロセンおよびその誘導体等が例示される。 If necessary, an electron mediator that mediates electron transfer between the enzyme reaction and the electrode can be used. The mediator is not particularly limited, and examples thereof include quinones, cytochromes, viologens, phenazines, phenoxazines, phenothiazines, ferricyanide, ferredoxins, ferrocene and derivatives thereof and the like.
このように構成することにより、アノード電極側の酵素が燃料である基質を酸化して電子を受け取る。そして、この電子は、直接、又は酵素反応と電極間の電子伝達を仲介するためのメディエーターを通してアノード電極に受け渡たされる。そして、アノード電極から外部回路を通ってカソード電極に電子が受け渡されることによって電流が発生する。一方、アノード電極側で発生したプロトンが電解質層を通って、カソード電極側に移動し、外部回路を通してアノード側から移動してきた電子と反応し水を生成する。グルコースとの反応においては、以下に示す電流応答が生じ、電流を発生する。 By this configuration, the enzyme on the anode electrode side oxidizes the fuel substrate and receives electrons. Then, this electron is delivered to the anode electrode directly or through a mediator for mediating electron transfer between the enzyme reaction and the electrode. Then, a current is generated by passing electrons from the anode electrode to the cathode electrode through the external circuit. On the other hand, protons generated on the anode electrode side move to the cathode electrode side through the electrolyte layer, and react with electrons moving from the anode side through the external circuit to generate water. In the reaction with glucose, the following current response occurs to generate a current.
グルコース+グルコース脱水素酵素(酸化型)
→ グルコノラクトン + グルコース脱水素酵素(還元型);
グルコース脱水素酵素(還元型) → グルコース脱水素酵素(酸化型) + e-
Glucose + glucose dehydrogenase (oxidized form)
→ gluconolactone + glucose dehydrogenase (reduced form);
Glucose dehydrogenase (reduced type) → glucose dehydrogenase (oxidized type) + e-
本発明のバイオ電池は、本発明の変異型PQQGDHの触媒機能を利用するものであり、PQQGDHを電極触媒として固定した酵素電極を備えてある。かかる酵素電極は、触媒機能を円滑に発揮して酵素触媒電流の高密度化を図ることができるものであることから、本発明のバイオ電池は、グルコース等の燃料を効率的に酸化して電気エネルギーを取り出すことができ、電池出力の向上を図ることができる。本発明のバイオ電池は、安全でクリーンなエネルギー源として、医療や福祉、情報通信、移動型や携帯型電子機器等、種々の産業分野において利用可能である。 The biobattery of the present invention utilizes the catalytic function of the mutant PQQGDH of the present invention, and is provided with an enzyme electrode on which PQQGDH is immobilized as an electrocatalyst. Since such an enzyme electrode can smoothly exhibit its catalytic function to achieve high densification of the enzyme catalytic current, the biocell of the present invention efficiently oxidizes fuel such as glucose to produce electricity. Energy can be taken out, and battery output can be improved. The bio battery of the present invention can be used as a safe and clean energy source in various industrial fields such as medical care, welfare, information communication, mobile and portable electronic devices.
(バイオセンサー)
本発明の変異型PQQGDHは、グルコースを検出するためのグルコースセンサーなどのバイオセンサーの構築に利用することができ、かかるバイオセンサーも本発明の一部を構成する。本発明のグルコースセンサーは、電極基材に変異型PQQGDHを固定した酵素電極として構成される作用電極、及びその対極を設けて構成される。必要に応じて、測定精度の信頼性を高める観点から、銀塩化銀などの参照極を設けた三電極方式として構成してもよい。ここで、作用電極とする電極基材に変異型PQQGDHを固定した酵素電極については、バイオ電池の電極に準じて構築することができる。
(Biosensor)
The mutant PQQGDH of the present invention can be used to construct a biosensor such as a glucose sensor for detecting glucose, and such a biosensor also constitutes a part of the present invention. The glucose sensor of the present invention is configured by providing a working electrode configured as an enzyme electrode having a mutant PQQGDH immobilized on an electrode substrate, and a counter electrode thereof. If necessary, in order to increase the reliability of measurement accuracy, a three-electrode system provided with a reference electrode such as silver silver halide may be used. Here, an enzyme electrode in which a mutant PQQGDH is immobilized on an electrode substrate serving as a working electrode can be constructed according to an electrode of a bio battery.
本発明のグルコースセンサーによる測定は、測定試料を当該グルコースセンサーと接触させることにより行われる。接触により、電極上に固定された酵素と当該酵素の基質である測定対象物質との間で酸化還元反応が生じ、これにより発生した電流を検知することで行われる。かかる応答電流値をもって、試料中の基質の存在の有無若しくは濃度を測定することができる。具体的には、例えば、測定対象となる試料を接触させると、試料中に含まれるグルコースが作用極上に固定された変異型PQQGDHと反応し、続いて電子メディエーターが還元される。そして、電極系に電圧を印加して電子受容体の還元体を酸化し、得られる酸化電流値の変化により試料中のグルコースを検出することができる。このとき、あらかじめ目的濃度範囲内における標準濃度のグルコース溶液により標準曲線を作成することにより、得られた酸化電流値に基づいてグルコース濃度を求めることができる。こで、試料としては、糖類の存在が予想されるすべての試料を対象とすることができる。例えば、血液、尿、唾液等の生物体由来の生物試料、食品試料、環境試料等が例示されるがこれに限定されるものではない。また、必要に応じてこれらの試料に適当な処理を行った試料をも含み得る。 The measurement by the glucose sensor of the present invention is performed by bringing a measurement sample into contact with the glucose sensor. The contact causes an oxidation-reduction reaction to occur between the enzyme immobilized on the electrode and the substance to be measured which is a substrate of the enzyme, which is performed by detecting the current generated thereby. Such response current value can be used to measure the presence or absence or concentration of the substrate in the sample. Specifically, for example, when a sample to be measured is brought into contact, glucose contained in the sample reacts with the mutant PQQGDH immobilized on the working electrode, and then the electron mediator is reduced. Then, a voltage is applied to the electrode system to oxidize the reductant of the electron acceptor, and glucose in the sample can be detected from the change in the oxidation current value obtained. At this time, the glucose concentration can be determined based on the obtained oxidation current value by preparing a standard curve in advance using a glucose solution of standard concentration within the target concentration range. Here, as samples, all samples in which the presence of saccharides is expected can be targeted. For example, biological samples derived from organisms such as blood, urine, and saliva, food samples, environmental samples and the like are exemplified, but not limited thereto. In addition, it may also include samples obtained by appropriately treating these samples as necessary.
本発明のバイオセンサーを用いた測定法としては、酸化電流もしくは還元電流を測定するクロノアンペロメトリーまたはクーロメトリー、サイクリックボルタンメトリー法など、公知の方法を利用することができる。 As a measurement method using the biosensor of the present invention, known methods such as chronoamperometry or coulometry measuring cyclic oxidation current or reduction current, cyclic voltammetry can be used.
本発明のバイオセンサーは、変異型PQQGDHの触媒機能を利用するものであり、PQQGDHを電極触媒として固定した酵素電極を備えてある。かかる酵素電極は、触媒機能を円滑に発揮して酵素触媒電流の高密度化を図ることができるものであることから、かかる酵素電極を備えたバイオセンサーは、グルコース等の測定対象物質を高感度かつ迅速に検出及び測定することができる。したがって、本発明のバイオセンサーは、グルコース等のピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素の基質と成り得る物質の検出及び測定を要する全ての分野で利用可能であり、特に、医療、食品、環境分野等、種々の産業分野において利用可能である。 The biosensor of the present invention utilizes the catalytic function of mutant PQQGDH, and includes an enzyme electrode on which PQQGDH is immobilized as an electrocatalyst. Since such an enzyme electrode can smoothly exhibit its catalytic function to achieve high densification of the enzyme catalytic current, a biosensor provided with such an enzyme electrode has high sensitivity to a substance to be measured such as glucose. And it can be detected and measured quickly. Therefore, the biosensor of the present invention is applicable to all fields requiring detection and measurement of substances that can be substrates of pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase such as glucose, and in particular, medical, food, environmental fields Etc. are available in various industrial fields.
以下、実施例において、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described more specifically by the following examples, but the present invention is not limited to these examples.
野生型ピロロキノリンキノン依存型グルコース脱水素酵素(以下、「PQQGDH」と称する)は、その酵素活性の発現のためにはホモ2量体を形成する必要がある。しかしながら、酵素電極の作製等において、電極基材等の表面に酵素を吸着固定する際、この2量体が解離した状態で吸着固定することが起り得る、その結果、酵素活性が失われ、期待した触媒電流密度が得られなかった。そこで、以下の実施例において、吸着固定等の処理を行った場合にでも、ホモ2量体を維持し、酵素活性を良好に発現し得る変異型PQQGDHを取得するため、変異導入部位を鋭意検討した。 Wild type pyrroloquinoline quinone dependent glucose dehydrogenase (hereinafter referred to as "PQQGDH") needs to form a homodimer for expression of its enzyme activity. However, in the preparation of the enzyme electrode, etc., when the enzyme is adsorbed and fixed on the surface of the electrode substrate etc., it may occur that the dimer is dissociated in the dissociated state, and as a result, the enzyme activity is lost. The catalyst current density could not be obtained. Therefore, in the following examples, even when the treatment such as adsorption fixation is carried out, in order to obtain the mutant PQQGDH which can maintain the homodimer and can express the enzyme activity well, intensive study on the mutation introduction site did.
実施例1:変異型PQQGDHの構築
電極基材等に吸着固定等の処理を行った場合にでも、ホモ2量体を維持して酵素活性を良好に発現し得る変異型PQQGDHを取得するため検討を行った。
Example 1: Construction of mutant PQQGDH Even when an electrode substrate or the like is subjected to treatment such as adsorption and fixation, examination is performed to obtain mutant PQQGDH which can maintain good homodimer and express enzyme activity well. Did.
1.変異型PQQGDHをコードする発現ベクターの構築
上述のアシネトバクター カルコアセティカス由来の野生型PQQGDH遺伝子(GENBANK ACCESSION No : X15871)に基づいて、部位特異的変異導入により、26番目のバリンと334番目のセリンをコードするコドンをシステインをコードするコドンに変換した遺伝子(変異型V26C_S334C)、及び第352番目のグルタミンをコードするコドンをシステインをコードするコドンに変換した遺伝子(変異型Q352C)を作製した。作製した遺伝子を、C末端にヒスチジンタグが付加するように、NdeIとBamHIサイトを用いてpET-22b(+)(Novagen社)ベクターに挿入し、変異型PQQGDH発現ベクターとした。同様にして、野生型PQQGDHをコードする遺伝子を含む発現ベクターを構築した。変異型V26C_S334C、変異型Q352C及び野生型PQQGDHの発現ベクターのそれぞれ発現する全アミノ酸配列を図1に示すと共に、配列表の配列番号3、4及び5として示す。
1. Construction of Expression Vector Encoding Mutant PQQGDH Based on the wild type PQQGDH gene (GENBANK ACCESSION No: X15871) derived from Acinetobacter calcoaceticus as described above, the 26th valine and the 334th serine by site-directed mutagenesis. A gene (mutant V26C_S334C) in which the codon encoding R.sup.1 was converted to a codon encoding cysteine, and a gene (mutant Q352C) in which the codon encoding glutamine at position 352 was converted to a codon encoding cysteine. The prepared gene was inserted into a pET-22b (+) (Novagen) vector using an NdeI and BamHI site so that a histidine tag was added to the C-terminus, to obtain a mutant PQQGDH expression vector. In the same manner, an expression vector containing a gene encoding wild type PQQGDH was constructed. The entire amino acid sequences expressed by the expression vectors of mutant V26C_S334C, mutant Q352C and wild type PQQGDH are shown in FIG. 1 and as SEQ ID NOs: 3, 4 and 5 in the sequence listing.
変異導入のために用いたプライマーの配列情報は以下の通り。
V26C用
ACGDH_V26-5: CATTTGCTGATTGCCCTCTAACTCC(配列番号6)
ACGDH_V26-3: GGAGTTAGAGGGCAATCAGCAAATG(配列番号7)
S334C用
ACGDH_S334-5: GACGAAAGAATGCGAATGGACTGG(配列番号8)
ACGDH_S334-3: CCAGTCCATTCGCATTCTTTCGTC(配列番号9)
Q352用
ACGDH_Q352C-5: ATATACCGTTTGCGATACCTACA(配列番号10)
ACGDH_Q352C-3: TGTAGGTATCGCAAACGGTATAT(配列番号11)
The sequence information of the primers used for mutagenesis is as follows.
For V26C
ACGDH_V26-5: CATTTGCTGATTGCCTCCTAACTCC (SEQ ID NO: 6)
ACGDH_V26-3: GGAGTTAGAGGGCAATCAGCAATG (SEQ ID NO: 7)
For S334C
ACGDH_S334-5: GACGAAAGAATGCGAATGGACTGG (SEQ ID NO: 8)
ACGDH_S334-3: CCAGTCCCATTCGCATTCTTTCGTC (SEQ ID NO: 9)
For Q352
ACGDH_Q352C-5: ATATACGGTTTGCGATACCTACA (SEQ ID NO: 10)
ACGDH_Q352C-3: TGTAGGTATCGCAAC AACGGTATAT (SEQ ID NO: 11)
2.変異型PQQGDHの発現
上記1で構築した変異型V26C_S334C、変異型Q352C及び野生型PQQGDHの発現ベクターを用いてBL21(DE3)株を形質転換した。これをLB培地にて37 ℃で振とう培養し、培養液がおよそOD600=0.6となったときに、終濃度0.01 mMのイソプロピル−β−D−チオガラクトピラノシド(isopropyl-s-D-thiogalactopyranoside:IPTG)を添加し発現誘導を行った。発現誘導後、28 ℃で一晩培養し菌体を回収した。回収した菌体をPBSに懸濁後、超音波によって菌体を破砕した。続いて、遠心分離を行い、上清を水溶性画分として回収した。回収した水溶性画分からTALON樹脂(CLONTECH社製)を用いたメタルイオンアフィニィークロマトグラフィーにてヒスチジンタグをもった変異型V26C_S334C、変異型Q352C及び野生型PQQGDHの精製を行った。精製は、PBSで平衡化したTALON樹脂に水溶性画分を加え、1 mMイミダゾールを含むPBSで樹脂を洗浄し、最後に100 mMイミダゾールを含むPBSにより変異型V26C_S334C、変異型Q352C、及び野生型PQQGDHを溶出した。得られた溶出画分を、Hitrap desalting column(GEヘルスケア社製)を用いてイミダゾールを除去すると共に、1 mM CaCl2を含む50 mM MOPS(pH7.0)緩衝液にバッファー交換した。
2. Expression of mutant PQQGDH The BL21 (DE3) strain was transformed using the expression vectors of mutant V26C_S334C, mutant Q352C and wild type PQQGDH constructed in 1 above. This is cultured with shaking at 37 ° C. in LB medium, and when the culture solution becomes approximately OD 600 = 0.6, isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside (isopropyl-sD-thiogalactopyranoside) at a final concentration of 0.01 mM. : IPTG was added to induce expression. After induction of expression, the cells were cultured overnight at 28 ° C. to recover the cells. The collected cells were suspended in PBS, and the cells were disrupted by ultrasound. Subsequently, centrifugation was performed, and the supernatant was recovered as a water soluble fraction. From the collected water-soluble fraction, purification of mutant V26C_S334C, mutant Q352C and wild type PQQGDH having a histidine tag was performed by metal ion affinity chromatography using TALON resin (manufactured by CLONTECH). For purification, add the water-soluble fraction to PBS equilibrated TALON resin, wash the resin with PBS containing 1 mM imidazole, and finally, with mutant PBS containing 100 mM imidazole, mutant V26C_S334C, mutant Q352C, and wild type PQQGDH was eluted. The obtained eluted fraction was subjected to buffer exchange with 50 mM MOPS (pH 7.0) buffer containing 1 mM CaCl 2 while removing imidazole using a Hitrap desalting column (manufactured by GE Healthcare).
3.変異型PQQGDHのホロ化と2量体化の促進
上記2で得られた変異型V26C_S334C、及び変異型Q352Cに、ホロ化のためのPQQを終濃度で30 μM、及び2量体化促進のためフェリシアン化カリウムを終濃度1μMで添加し、一晩4 ℃の暗所に放置した。放置後、Hitrap desalting column(GEヘルスケア社製)を用いて、過剰なPQQとフェリシアン化カリウムを除去した。また、2量体化しなかったPQQGDHを除去するため、60 ℃で30分間保温後、遠心分離して上清を回収した。
3. Enhancement of holization and dimerization of mutant PQQGDH In the mutant V26C_S334C and mutant Q352C obtained in the above 2, PQQ for holization at a final concentration of 30 μM, and for promotion of dimerization Potassium ferricyanide was added to a final concentration of 1 μM and left overnight at 4 ° C. in the dark. After standing, excess PQQ and potassium ferricyanide were removed using Hitrap desalting column (manufactured by GE Healthcare). In addition, in order to remove PQQGDH which did not be dimerized, it was kept at 60 ° C. for 30 minutes and centrifuged to recover a supernatant.
4.野生型PQQGDHのホロ化
上記2で得られた野生型PQQGDHに、ホロ化のためのPQQを終濃度で1 μM添加し、一晩4 ℃の暗所に放置した。放置後、Hitrap desalting column(GEヘルスケア社製)を用いて、過剰なPQQを除去した。また、精製度を上げるために、50 ℃で30分間保温後、遠心分離して上清を回収した。
4. Holization of Wild-type PQQGDH To the wild-type PQQGDH obtained in 2 above, 1 μM of PQQ for holization was added at a final concentration of 1 μM and left overnight at 4 ° C. in the dark. After standing, excess PQQ was removed using Hitrap desalting column (manufactured by GE Healthcare). Also, in order to increase the degree of purification, the mixture was incubated at 50 ° C. for 30 minutes and centrifuged to recover the supernatant.
5.変異型PQQGDHの2量体化の確認
上記3で得られた変異型V26C_S334C、変異型Q352C及び野生型PQQGDHをSDS-PAGEで分析し、2量体を形成しているか否かを確認した。
5. Confirmation of Dimerization of Mutant PQQGDH The mutant V26C_S334C, the mutant Q352C and the wild type PQQGDH obtained in the above 3 were analyzed by SDS-PAGE to confirm whether or not a dimer was formed.
SDS-PAGEの結果を図2に示す。図2の左側側が還元処理サンプル、右側が未還元サンプルの電気泳動図であり、レーン1は野生型PQQGDH、レーン2は変異型Q352C、レーン3は変異型V26C_S334Cの結果である。図2の結果より、還元状態では、変異型V26C_S334C、変異型Q352C、及び野生型PQQGDHともに50kDa付近にバンドが確認された。一方、非還元状態では、野生型PQQGDHでは還元状態と同様に50kDa付近にバンドが確認されたが、変異型V26C_S334C、及び変異体Q352Cでは100kDa付近にバンドを確認することができた。このことから、変異型V26C_S334C、及び変異体Q352Cはジスルフィド結合により安定な2量体を形成しているものと考えられる。 The results of SDS-PAGE are shown in FIG. The left side of FIG. 2 shows the reduction treated sample, the right side shows the electrophoresis of the unreduced sample, lane 1 shows the result of wild type PQQGDH, lane 2 shows the result of mutant Q352C, and lane 3 the result of mutant V26C_S334C. From the results in FIG. 2, in the reduced state, a band was confirmed around 50 kDa for all of the mutant V26C_S334C, the mutant Q352C, and the wild-type PQQGDH. On the other hand, in the non-reduced state, a band was observed around 50 kDa in the wild-type PQQGDH as in the reduced state, but in the mutant V26C_S334C and the mutant Q352C, a band could be confirmed around 100 kDa. From this, it is considered that the mutant V26C_S334C and the mutant Q352C form a stable dimer by disulfide bond.
実施例2.変異型PQQGDHの酵素活性評価
本実施例では、上記実施例1で取得した変異型PQQGDHの酵素活性を評価した。
Example 2 Evaluation of Enzymatic Activity of Mutant PQQGDH In this example, the enzyme activity of the mutant PQQGDH obtained in Example 1 was evaluated.
上記実施例1の3で取得した変異型V26C_S334C、及び変異型Q352C、並びに上記実施例1の4で取得した野生型PQQGDH の酵素活性を測定した。酵素活性は、フェナジンメソサルフェート(PMS)をメディエーターとした2,6-ジクロロフェノールインドフェノール(DCIP)の還元反応測定により行った。具体的には、0.5 Mリン酸カリウム緩衝液(pH 8.0)中、50 mM グルコース、200 μM PMS、50 μM DCIP、1 nM 酵素を混合し、600 nmの吸光度の消失速度を測定した。 The enzyme activities of the mutant V26C_S334C and the mutant Q352C obtained in 3 of Example 1 and the wild type PQQGDH obtained in 4 of Example 1 were measured. The enzyme activity was determined by measuring the reduction reaction of 2,6-dichlorophenolindophenol (DCIP) using phenazine mesosulfate (PMS) as a mediator. Specifically, 50 mM glucose, 200 μM PMS, 50 μM DCIP, 1 nM enzyme were mixed in 0.5 M potassium phosphate buffer (pH 8.0), and the disappearance rate of absorbance at 600 nm was measured.
ここで、測定原理について簡単に説明すると、PQQGDHは、グルコースの水酸基を酸化してD-グルコノラクトンを生成する反応を触媒する。グルコースの酸化に伴って還元型PQQが生成し、還元型PQQにより、還元型PMSが生成する。この還元型PMSによるDCIPの還元脱色反応を波長600 nmで分光光度法により測定することにより行った。 Here, to briefly explain the measurement principle, PQQGDH catalyzes a reaction of oxidizing a hydroxyl group of glucose to form D-gluconolactone. With the oxidation of glucose, reduced PQQ is generated, and reduced PQQ generates reduced PMS. The reductive decolorization reaction of DCIP with this reduced PMS was measured by spectrophotometry at a wavelength of 600 nm.
結果を表2に示す。 The results are shown in Table 2.
表2の結果より、変異型V26C_S334Cと野生型PQQGDHは同等の活性を示したが、変異型Q352Cは20%ほど活性が低下していた。変異型V26C_S334Cと変異型Q352Cは、上述の通り、野生型PQQGDHの2量体形成時に互いに近接したアミノ酸残基をシステインに変換したものである。しかしながら、変異型Q352Cの酵素活性は低下した。 According to the results in Table 2, mutant V26C_S334C and wild-type PQQGDH showed equivalent activity, but mutant Q352C had reduced activity by 20%. As described above, the mutant V26C_S334C and the mutant Q352C are obtained by converting amino acid residues adjacent to each other at the time of dimer formation of wild-type PQQGDH into cysteine. However, the enzyme activity of mutant Q352C was reduced.
実施例3.変異型PQQGDHを固定した酵素電極の作製
本実施例では、上記実施例1で取得した変異型PQQGDHを電極基材に固定した酵素電極を作製した。同様にして、野生型PQQGDHを固定した酵素電極の作製をも行った。
Example 3 Preparation of Enzyme Electrode Immobilized with Mutant PQQGDH In this example, an enzyme electrode was prepared in which the mutant PQQGDH obtained in Example 1 was immobilized on an electrode substrate. Similarly, preparation of an enzyme electrode on which wild type PQQGDH was immobilized was also performed.
電極基材としては、電極面積約0.07cm2のグラッシーカーボン電極(BAS社製)を用いた。電極面に、0.625、1.25、2.5、5.0、10.0、20.0 μg/mlの各濃度に調製した変異型V26C_S334C、変異型Q352C、及び野生型PQQGDHを滴下し、4 ℃にて一晩静置してPQQGDHを吸着させた。なお、変異型V26C_S334C及び変異型Q352Cは、上記実施例1の3にて取得したものを、野生型PQQGDHは上記実施例1の4で取得したものを使用した。吸着後、1 mMのCaCl2を含む50 mMのMOPS(pH 7.0)緩衝液中で10分間電極を洗浄し、10 μMのPQQと1 mMのCaCl2を含む50 mM MOPS(pH 7.0)緩衝液中に浸し、酵素電極(野生型PQQGDH固定電極、変異型V26C_S334C固定電極、変異型Q352C固定電極)とした。 A glassy carbon electrode (manufactured by BAS) having an electrode area of about 0.07 cm 2 was used as the electrode substrate. On the electrode surface, add mutant V26C_S334C, mutant Q352C, and wild type PQQGDH prepared at each concentration of 0.625, 1.25, 2.5, 5.0, 10.0, 20.0 μg / ml, and allow to stand overnight at 4 ° C. PQQGDH was adsorbed. For the mutant V26C_S334C and the mutant Q352C, the one obtained in 3 of Example 1 above was used, and for the wild-type PQQGDH, the one obtained in 4 of Example 1 above was used. After adsorption, the 50 mM containing CaCl 2 in 1 mM MOPS (pH 7.0) buffer for 10 min electrodes were washed in, 50 mM MOPS (pH 7.0) containing PQQ and 1 mM of CaCl 2 in 10 [mu] M buffer It was immersed in an enzyme electrode (wild-type PQQGDH fixed electrode, mutant V26C_S334C fixed electrode, mutant Q352C fixed electrode).
実施例4.変異型PQQGDH固定電極の電気化学特性評価(CV)
本実施例では、上記実施例3で作製した酵素電極の電気化学特性の評価を行った。電気化学特性の評価は酵素電極のサイクリックボルタンメトリー(CV)により行った。
Example 4 Electrochemical characterization (CV) of mutant PQQGDH fixed electrode
In the present example, the electrochemical characteristics of the enzyme electrode produced in Example 3 were evaluated. Evaluation of the electrochemical characteristics was performed by cyclic voltammetry (CV) of the enzyme electrode.
CVは、BAS社製の電気化学測定装置を用い、作用極として実施例3で作製した酵素電極(野生型PQQGDH固定電極、変異型V26C_S334C固定電極、及び変異型Q352C固定電極)、参照電極として銀/塩化銀電極、対電極として白金を用いた三電極方式にて測定を行った。測定溶液は、100 mMのグルコースと1 mMの2,6‐ジクロロフェノールインドフェノール(DCIP)を含む0.5 Mリン酸カリウム緩衝液(pH 8.0)を用いた。そして、測定溶液に酵素電極、参照電極、対電極を浸し、-0.2 V〜0.3 Vの範囲を掃引速度50 mV/sで測定した。また、コントロールとして、酵素を吸着固定させないグラッシーカーボン電極についても上記と同様の手順によりCV測定を行った。 CV is the enzyme electrode (wild-type PQQGDH fixed electrode, mutant V26C_S334C fixed electrode, and mutant Q352C fixed electrode) prepared in Example 3 as a working electrode using an electrochemical measurement apparatus made by BAS, and silver as a reference electrode Measurement was performed by a three-electrode system using a silver chloride electrode and platinum as a counter electrode. As a measurement solution, 0.5 M potassium phosphate buffer (pH 8.0) containing 100 mM glucose and 1 mM 2,6-dichlorophenolindophenol (DCIP) was used. Then, the enzyme electrode, the reference electrode and the counter electrode were immersed in the measurement solution, and the range of -0.2 V to 0.3 V was measured at a sweep rate of 50 mV / s. In addition, as a control, CV measurement was also performed on a glassy carbon electrode on which the enzyme is not adsorbed and fixed according to the same procedure as described above.
結果を図3に示す。図3は、20 μg/ml濃度の野生型PQQGDH固定電極、変異型V26C_S334C固定電極、及び変異型Q352C固定電極のCV測定結果を示し、横軸が電位(V vs. Ag/AgCl)、縦軸が電流(mA/cm-2)を示す。図3の結果から、変異型V26C_S334C固定電極は、野生型PQQGDH固定電極よりも電流応答値が高くなった。これにより、野生型PQQGDHにおいてV26C及びS334Cの変異を有することで、安定した電流応答値が得られることが判明した。しかしながら、2量体形成時に近接するQ352のシステインへの変異では、変異型V26C_S334Cで観察されたような電流応答値の向上は確認されなかった。また、実施例2では酵素活性の低下が確認された。このことから、近接位置にあるアミノ酸残基にジスルフィド結合を形成させるようにシステインを導入しても、酵素触媒活性が低下したり、酵素電極の電極触媒としての機能を発揮できないケースがあることが判明した。したがって、酵素電極の触媒電流密度の向上を図るためには、安定な2量体を形成でき、かつ活性発現に際して立体障害にならないような位置にジスルフィド結合を形成するにように変異位置を設計する必要があることが理解できる。 The results are shown in FIG. FIG. 3 shows CV measurement results of a wild type PQQGDH fixed electrode, a mutant V26C_S334C fixed electrode, and a mutant Q352C fixed electrode at a concentration of 20 μg / ml, with the horizontal axis representing the potential (V vs. Ag / AgCl), the vertical axis Indicates the current (mA / cm -2 ). From the results in FIG. 3, it is found that the mutant V26C_S334C fixed electrode has a current response value higher than that of the wild-type PQQGDH fixed electrode. This proved that stable current response values can be obtained by having the V26C and S334C mutations in wild-type PQQGDH. However, in the mutation to the cysteine of Q352 which is adjacent at the time of dimer formation, the improvement of the current response value as observed in the mutant V26C_S334C was not confirmed. Further, in Example 2, a decrease in enzyme activity was confirmed. From this, even if cysteine is introduced to form a disulfide bond in an amino acid residue at a close position, there are cases where the enzyme catalytic activity is lowered or the function as an electrode catalyst of the enzyme electrode can not be exhibited. found. Therefore, in order to improve the catalytic current density of the enzyme electrode, the mutation position is designed to form a disulfide bond at a position that can form a stable dimer and does not become steric hindrance during activity expression. It can be understood that it is necessary.
実施例5.変異型PQQGDH電極の電気化学特性評価(CA)
本実施例では、上記実施例4に続き、上記実施例3で作製した酵素電極の電気化学特性の評価を行った。電気化学特性の評価は酵素電極のクロノアンペロメトリー(CA)により行った。
Example 5 Electrochemical characterization (CA) of mutant PQQGDH electrode
In the present example, evaluation of the electrochemical characteristics of the enzyme electrode produced in the above-mentioned Example 3 was performed following the above-mentioned Example 4. The electrochemical properties were evaluated by chronoamperometry (CA) of the enzyme electrode.
CAは、上記実施例3のCVと同条件下で、実施例3で作製した酵素電極(野生型PQQGDH固定電極及び変異型V26C_S334C固定電極)を作用極として設定電位0.2Vで行った。測定開始から3分間経過後の電流応答値を限界電流密度として記録した。なお、本実施例では、実施例4で電流応答値の低下が認められた変異型Q352C固定電極については検討を行わなかった。 CA was performed under the same conditions as in the CV of Example 3 above at a set potential of 0.2 V with the enzyme electrode (wild-type PQQGDH fixed electrode and mutant V26C_S334C fixed electrode) prepared in Example 3 as a working electrode. The current response value after 3 minutes from the start of the measurement was recorded as the limiting current density. In the present example, no examination was made on the mutant Q352C fixed electrode in which a decrease in current response value was recognized in Example 4.
結果を図4に示す。図4は、各濃度におけるV26C_S334C固定電極及び野生型PQQGDH固定電極のCA測定結果(3回測定の平均値)を示し、横軸が酵素の電極への固定化濃度(μg/ml)、縦軸が限界電流密度(mA/cm2)を示す。図4の結果から、吸着濃度5μg/mlで野生型PQQGDH固定電極及び変異型V26C_S334C固定電極共に限界電流密度が飽和し、電流密度はそれぞれ1.7 mA/cm2及び1.9 mA/cm2であった。これにより、PQQGDHにおいてV26C及びS334Cの変異を有することで、野生型に比べて10%以上電流密度が向上することが判明した。かかる電流密度の向上は、実施例1の4で確認した結果を併せて鑑みるに、V26C及びS334Cの変異を有することによりホモ2量体の解離を抑制したことに起因するものと理解される。 The results are shown in FIG. FIG. 4 shows the results of CA measurement (average value of three measurements) of V26C_S334C fixed electrode and wild type PQQGDH fixed electrode at each concentration, the horizontal axis is the concentration of immobilized enzyme on the electrode (μg / ml), the vertical axis Indicates the limiting current density (mA / cm 2 ). From the results of FIG. 4, the limiting current density was saturated at the wild type PQQGDH fixed electrode and the mutant V26C_S334C fixed electrode at an adsorption concentration of 5 μg / ml, and the current densities were 1.7 mA / cm 2 and 1.9 mA / cm 2 , respectively. From this, it was found that the presence of the V26C and S334C mutations in PQQGDH improves the current density by 10% or more compared to the wild type. It is understood that the improvement of the current density is attributable to the suppression of the dissociation of the homodimer by having the mutations of V26C and S334C, in consideration of the results confirmed in 4 of Example 1.
以上の実施例1〜5の結果より、本発明の変異型PQQGDHは安定したホモ2量体を形成することが理解される。そして、当該変異型PQQGDHを固定した酵素電極は、その触媒機能を円滑に発揮できることから、野生型PQQGDHを固定した酵素電極より高い電流応答を示し、酵素触媒電流の高密度化を図ることができることも判明した。このような高触媒電流を与える変異型PQQGDHを固定した酵素電極は、バイオ電池や倍センサーの電極として利用でき、バイオ電池の高出力化及びバイオセンサーの高感度化に寄与すると期待される。 From the results of the above Examples 1 to 5, it is understood that the mutant PQQGDH of the present invention forms a stable homodimer. And, since the enzyme electrode on which the mutant PQQGDH is immobilized can exhibit its catalytic function smoothly, it exhibits higher current response than that of the enzyme electrode on which wild-type PQQGDH is immobilized, and densification of the enzyme catalyst current can be achieved. It also turned out. An enzyme electrode on which a mutant PQQGDH that gives such a high catalytic current is immobilized can be used as an electrode of a bio battery or a double sensor, and is expected to contribute to the high output of the bio battery and the high sensitivity of the biosensor.
本発明は、変異型PQQGDH、及び当該及びその利用に関する関し、グルコース脱水素酵素の利用が要求される全ての分野で利用可能であり、特に、医療、食品、環境分野等、種々の産業分野において利用可能である。 The present invention relates to mutant PQQGDH and related to the use thereof, and can be used in all fields where utilization of glucose dehydrogenase is required, and in particular in various industrial fields such as medical, food, environmental fields, etc. It is available.
Claims (8)
(a)配列番号2に示すアミノ酸配列において、配列番号2に示すアミノ酸配列の第26番目のバリンと第334番目のセリンの位置のアミノ酸残基がシステインへ置換されたアミノ酸配列
(b)(a)のアミノ酸配列において、配列番号2に示すアミノ酸配列の第26番目と第334番目に対応する位置のアミノ酸残基以外の位置に、1若しくは数個のアミノ酸が置換、欠失、付加、又は挿入されたアミノ酸配列
(c)配列番号2に示すアミノ酸配列と少なくとも90%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列において、配列番号2に示すアミノ酸配列の第26番目のバリンと第334番目のセリンに対応する位置のアミノ酸残基がシステインへ置換されたアミノ酸配列 Compared with the wild-type pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase consisting of the amino acid sequence of the following (a), (b) or (c) and shown in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, an electrode substrate as an electrode catalyst A mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase with improved catalytic current density obtained when it is adsorbed and immobilized on an enzyme electrode.
(A) Oite the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 2 26th valine and the 334 amino acid sequence in which amino acid residues are substituted into the cysteine at position serine of the amino acid sequence shown in (b 1) In the amino acid sequence of (a), one or several amino acids are substituted, deleted, or added at positions other than the amino acid residues at the positions corresponding to the 26th and 334th positions of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 Or an amino acid sequence inserted in (c) an amino acid sequence having at least 90 % or more identity with the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, and the 26th valine and the 334th amino acid sequence of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 Amino acid sequence in which the amino acid residue at the position corresponding to serine is substituted for cysteine
素酵素を電極基材上に吸着固定した酵素電極。 An enzyme electrode in which the mutant pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to any one of claims 1 to 3 is adsorbed and immobilized on an electrode substrate.
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