生体触媒で作動する生物燃料電池の構築と生物機能の高度利用

生物催化剂驱动的生物燃料电池的构建和生物功能的高级利用

基本信息

批准号：
02J02077
负责人：
辻村清也
金额：
$ 1.54万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は、酸素還元触媒であるビリルビンオキシダーゼの触媒機能解析を重点的に進めてきた。ビリルビンオキシダーゼ(BOD)は中性条件下で酸素4電子還元の優れた触媒活性を持つ。BODはビリルビン以外も電子供与体として利用でき、電極から電子伝達メディエータを介して電子を受け取り、酸素へと渡す。電池への応用、最適化を進める上で、電位および速度のロスをできるだけ小さくしたい。そのためには酵素の反応特性を見極め、触媒電流を制御している因子をより明確にし、どういったメディエータを選択するかが非常に重要になってくる。今回、電子供与体、酵素、電子受容体のそれぞれの電位に注目し、それらが酵素反応速度にどのような影響を与えるかについて検討を行った。電子供与体にはトータルチャージが等しく、電位の異なるシアノ金属錯体を用いた。電子受容体である酸素の電位については、pHを変化させることで検討した。得られたk_<cat>、K_mの対数を酸素/水と錯体の式量電位差(ΔE^o')に対してプロットすると、中心金属やpHといった要素を個々に考えるのではなく、ΔE^o'が速度定数の支配的因子になっていることが考えられる。今回得られた知見を基に、幅広いpH領域において、電位および速度において効率よく触媒機能を引き出す指針ができ、貴金属触媒にない特徴をいかしたバイオ電池カソードへの今後の応用が広がることが期待される。また,酵素-電極間における直接電子移動について,その熱力学,平衡論,速度論に基づき,その反応を制御しているメカニズムについて解析を行った.また、燃料酸化極(電池の負極)開発においては、幅広い燃料の利用を視野に入れた研究を進めてきた。燃料酸化系は、燃料、それぞれに対応するNAD依存性デヒドロゲナーゼ、NAD、そしてジアホラーゼと電子受容体から構成される。電子受容体は、電極とジアホラーゼ間で電子のやりとりを行うメディエータとして機能するものを選択する。対極には、上記のビリルビンオキシダーゼを用い、電子を電極から酸素に渡す。この2つの電極系から構成される電池について、メタノール、グルコースなどを燃料にした場合について、それらの出力特性について研究を進めてきた。

今年，我们重点分析了胆红素氧化酶（一种氧还原催化剂）的催化功能。胆红素氧化酶（BOD）在中性条件下对氧四电子还原具有优异的催化活性。 BOD 可以使用胆红素以外的材料作为电子供体，通过电子转移介体从电极接收电子并将其传递给氧气。在应用和优化电池时，我们希望尽可能减少潜在的和速度的损失。为此，评估酶的反应特性、阐明控制催化电流的因素以及选择介体的类型极为重要。这次，我们关注电子供体、酶和电子受体的电势，并研究它们如何影响酶的反应速率。具有相同总电荷和不同电势的氰基金属配合物被用作电子供体。通过改变 pH 值来研究作为电子受体的氧的电势。当将获得的 k_<cat> 和 K_m 的对数相对于氧/水和络合物之间的公式电位差 (ΔE^o') 绘制时，而不是单独考虑中心金属和 pH 等元素，则 ΔE^o'被认为是速率常数的主导因素。基于这次获得的知识，我们制定了指导方针，以在较宽的pH范围内有效地发挥催化功能的潜力和速度，并有望将其应用扩大到利用未发现的功能的生物电池阴极贵金属催化剂。我们还基于热力学、平衡理论和动力学分析了控制酶和电极之间的直接电子转移的机制。我们还分析了控制酶和电极之间的反应的机制，以期得到广泛的应用。燃料范围。燃料氧化系统由燃料、相应的NAD依赖性脱氢酶、NAD、心肌黄酶和电子受体组成。选择电子受体作为在电极和心肌黄酶之间交换电子的介体。上述胆红素氧化酶用作对电极，电子从电极转移到氧气。我们一直在研究由这两种电极系统组成的电池在使用甲醇、葡萄糖等作为燃料时的输出特性。