[发明专利]新型酶电极和使用该酶电极的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及酶电极。更具体地，涉及一种这样的酶电极，其中使用起催化剂作用的酶进行氧化还原反应，且被改良以实现更高的输出，还涉及使用该酶电极以实现更高输出的燃料电池。

背景技术

近年来，因为可有效地从燃料(如不易与常规工业催化剂反应的葡萄糖和乙醇)中提取电子，所以具有固定在负极和正极中至少一个电极上用作催化剂的氧化还原酶的燃料电池(以下称为“生物燃料电池”)，作为下一代具有高容量和安全性的燃料电池，已备受关注。

用图5描述了一般的生物燃料电池的反应方案。在图5所示的使用葡萄糖作为燃料的生物燃料电池中，葡萄糖的氧化反应在负极处进行(图5(a))，而大气中的氧(O₂)的还原反应在正极处进行(图5(b))。

对电子流详细说明如下。在负极处，电子以如下顺序连续转移到葡萄糖、葡萄糖脱氢酶、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)、心肌黄酶、电子转移介质、然后转移到电极(碳)。

相反，在正极处，从负极释放的电子以如下顺序连续转移到电极(碳)，电子转移介质，然后到胆红素氧化酶(BOD)，且用电子和从外部供应的氧气进行还原反应从而产生电能。

虽然这样的生物燃料电池作为高度安全的燃料电池而引起了注意，但是它们具有如下问题，即，比其它燃料电池输出低。因此，最近研究了制造具有高输出的生物燃料电池(如参考PTL 1和PTL2)。

例如，根据PTL 1中所述的生物燃料电池，电极由具有多孔结构的导电元件(金属、导电聚合物、金属氧化物、碳材料等)构成，并且酶、电子转移介质等被固定在孔中，从而提高每块有效面积的载酶密度并提高电流密度。

根据PTL 2中所述的生物燃料电池，阴极由诸如碳的多孔材料以及固定在其上的酶和电子转移介质构成，并且阴极的至少一部分设置为与气相的用作反应基质的空气或氧气接触，因此可充分发挥高电极特性。

除了通过修改电极结构来实现较高输出的技术，还有通过改变固定在电极上的酶自身使燃料电池实现较高输出的技术。例如，PTL3公开了通过脱氢酶和心肌黄酶的融合制备蛋白质，且该融合蛋白质固定在负极上从而有效地执行从基质到电极的电子转移反应，且因此使得生物燃料电池具有较高输出。

而且，PTL 4公开了如下技术，即，通过在电极上固定通过结合两种或多种不同类型的酶蛋白质构成的结合蛋白质，从而由于形成结合蛋白质的两种类型的酶蛋白质之间相对距离小，有效执行从基质到电极的电子转移反应，使得生物燃料具有较高输出。

应该注意，为了提高生物燃料电池的输出，必须提高待固定在电极上的酶和反应基质(具体地，电子转移介质)之间的反应效率。酶和反应基质之间的反应由亲和性(Km)和反应速度(kcat)表达，且这两个参数是通过酶与反应基质的组合确定的，因此，必须寻找彼此兼容的酶和反应基质(具体地，电子转移介质)。

然而，为了提高生物燃料电池的输出，需要在由电子转移介质等决定的电势保持在高水平下而获得高电流；因此，在目前的情况下，酶和反应基质的组合受到限制，且输出值受到限制。

引用文献列表

专利文献

PTL 1：日本未审查专利申请公开第2006-234788号

PTL 2：日本未审查专利申请公开第2006-93090号

PTL 3：日本未审查专利申请公开第2007-163185号

PTL 4：日本未审查专利申请公开号第2006-163268号

发明内容

技术问题

如上所述，已经从各种角度开发了提高生物燃料电池输出的技术，但获得电能的生物燃料电池的基本原理都是基于电极上的氧化还原反应；因此，不提高反应基质和电极上的酶之间的反应效率就不能获得根本的解决方案。

因此，本发明的主要目的是人工提高固定在生物燃料电池电极上的反应基质和酶之间的兼容性，以便提高电极上的反应效率，因此使得生物燃料电池能够实现更高输出。

技术方案

问题的解决方案

本申请的发明人进行了广泛研究以便提高电极上的反应基质和酶之间的反应效率从而实现前述目的，结果，通过关注酶和反应基质之间的静电相互作用、亲水性和疏水性相互作用而成功地人工提高了酶和反应基质之间的兼容性，并做出本发明。

首先本发明提供了酶电极，其中利用作为催化剂的酶进行氧化还原反应，且通过将对至少一个特定的氨基酸残基进行编码的密码子加入或插入到对酶进行编码的碱基序列中来改变酶，从而提高与反应基质或电子转移介质的亲和性和/或反应速度，并固定该酶。