大気中に多数の有害な汚染物質が存在することにより、生物の安全に対する環境安全性が大きな懸念事項となっています。環境汚染の脅威を制御・管理するためにさまざまなアプローチが採用されていますが、これは依然として世界的な課題です。したがって、効果的なバイオレメディエーションのために、汚染物質を高感度・高速・選択的に検出・スクリーニングする技術の開発が求められています。この観点から、酵素や酵素産生生物システムは、汚染物質を検出・定量し、分解または無害な化合物に変換して生態系のバランスを回復するために利用できます。バイオセンサーは、環境汚染を検出・測定するための信頼性が高く、特別で高感度な方法です。

バイオセンサーは、トランスデューサー要素と直接接触する生化学的受容体を用いて、正確で定量的かつ分析的な情報を提供する自立型の統合ツールです。バイオセンサーは、生物学的認識要素、トランスデューサー、信号処理システムの3つの主要な構成要素から成り立っています。酵素ベースのバイオセンサーの主な特徴には、測定の正確性と精度、速度、感度、特異性および測定範囲、テストの信頼性、校正および長期安定性、堅牢性、サイズ、安全性および携帯性、分析コスト、ユーザー受容性などがあります。酵素は、特定の化合物（CO₂、NH₃、H₂O₂、H⁺、O₂など）の消費または生成を測定することで、特定の分析対象の存在を検出できるため、センサーは汚染物質を特定し、その存在を基質と関連付けることができます。酵素は主に、オキシドレダクターゼ、トランスフェラーゼ、ヒドロラーゼ、イソメラーゼ、リアーゼ、リガーゼの6つのカテゴリーに分類され、その中でもオキシドレダクターゼとヒドロラーゼは、さまざまな有害な重金属やメタロイドの検出用バイオセンサーとして主に使用されています。

オキシドレダクターゼ

オキシドレダクターゼは、1つの分子から別の分子へ電子を移動させる酵素の一種です。電子を供与する分子は電子供与体または還元剤と呼ばれ、電子を受け取る分子は電子受容体または酸化剤と呼ばれます。多くのオキシドレダクターゼは、重金属やメタロイドの検出および定量に成功裏に使用されています。例えば、チロシナーゼ、ポリピロールグルコースオキシダーゼ（PPy-GOx）、硝酸還元酵素などが、Cd²⁺、Cr³⁺、Cr⁶⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺などの検出に用いられています。

ヒドロラーゼ

ヒドロラーゼは、化学結合を加水分解する酵素の一種です。重金属汚染の検出に用いられるヒドロラーゼの例としては、アルカリホスファターゼによるCu²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺、Ag²⁺の検出が挙げられます。

イソメラーゼ

イソメラーゼは、分子を一方の異性体から他方の異性体へ変換し、分子内再配列を助ける酵素の一種です。イソメラーゼは、Hg²⁺の検出用バイオセンサーとして成功裏に使用されました。

汚染物質検出における酵素ベースバイオセンサー

環境中の汚染物質は主に無機化合物（重金属）、有機リン系化合物、フェノール系化合物に分類されます。カドミウム、クロム、銅、ニッケル、鉛、亜鉛などの重金属は、硝酸還元酵素の阻害によって検出できます。ピロロキノリンキノン依存性グルコースデヒドロゲナーゼ（PPQ-GDH）およびホースラディッシュペルオキシダーゼは、Pb²⁺、Cd²⁺、Hg⁺、Hg²⁺の検出に使用できます。アルカリホスファターゼバイオセンサーは、Cd²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Co²⁺、Zn²⁺を検出することができます。グルコースオキシダーゼは、Ag⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Cr³⁺などの重金属イオンの検出に使用できます。ウレアーゼは、Ag+、Pb²⁺、Sb³⁺、Cu²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Ni²⁺などの検出に使用できます。チロシナーゼは、Cu²⁺イオンの検出に使用できます。

有機リン系化合物（農薬、殺虫剤、除草剤）の使用は、環境や人間の健康、生態系に深刻な脅威をもたらします。一般的に使用される有機リン系化合物には、パラチオン、メチルパラチオン、マラチオン、ジアジノン、クロルピリホス、フェニトロチオン、ジクロルボス、ホスメットなどがあります。これらの化合物は人間や動物に深刻な危険性をもたらすため、その検出と定量は非常に重要です。有機リン系化合物の検出用バイオセンサーの構築には、アセチルコリンエステラーゼ（AChE）、ブチリルコリンエステラーゼ（BChE）、グルコースオキシダーゼ（GOx）、ウレアーゼ、有機リン酸アシッドアンヒドラーゼおよびヒドロラーゼ（OPAAおよびOPH）など、さまざまな酵素が使用されています。

フェノールおよびその誘導体は有毒化合物と見なされており、プラスチック、染料、ポリマー、医薬品、洗剤、殺虫剤、消毒剤などの製造や合成に関連するさまざまな産業廃水中に存在します。クロロフェノールおよびニトロフェノールは、有機リン系殺虫剤や塩素化フェノキシ酸の主要な分解生成物です。これらの化合物は、植物や動物に深刻な毒性を示し、遺伝毒性や変異原性を引き起こし、低濃度でも光合成、呼吸、酵素触媒反応などの生命活動を低下させます。フェノール系化合物およびその分解生成物の検出に使用される酵素には、ラッカーゼ、チロシナーゼ、ペルオキシダーゼなどがあります。

参考文献

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