大気中に多数の有害汚染物質が存在することから、環境安全性は生物の安全性に関わる主要な懸念事項となっている。環境汚染の脅威を制御・管理するために様々なアプローチが採用されてきたが、依然として世界的な課題である。したがって、効果的なバイオレメディエーションの実現に向け、汚染物質を高感度・迅速・選択的に検出およびスクリーニングできる技術の開発が求められる。この観点から、酵素または酵素産生生物システムは、汚染物質の検出・定量に加え、分解あるいは無害化合物への変換を通じて生態学的バランスの回復に利用できる。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、特異的かつ高感度な手段である。

バイオセンサーとは、変換素子（トランスデューサ）と直接接触する生化学的受容体を用いて、正確で定量的かつ解析的な情報を提供する自己完結型の統合ツールである。バイオセンサーは、主として生体認識要素、トランスデューサ、信号処理システムの3要素から構成される。酵素ベースのバイオセンサーの主要特性には、測定の正確性・精密性、迅速性、感度、特異性および測定範囲、試験の信頼性、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、解析コストならびにユーザー受容性が含まれる。酵素は、特定化合物（CO₂、NH₃、H₂O₂、H⁺、O₂など）の消費量または生成量を測定することで特定分析対象（アナライト）の存在を検出できるため、センサーは汚染物質を同定し、その存在を基質と相関付けることができる。酵素は主に、酸化還元酵素、転移酵素、加水分解酵素、異性化酵素、リアーゼ、リガーゼの6分類に大別され、このうち酸化還元酵素および加水分解酵素が、多様な有害重金属およびメタロイドの検出用バイオセンサーとして最も多く用いられている。

酸化還元酵素（Oxidoreductase）

酸化還元酵素は、ある分子から別の分子へ電子を移動させる酵素群である。電子を供与する分子は電子供与体（還元剤）と呼ばれ、電子を受容する分子は電子受容体（酸化剤）と呼ばれる。多くの酸化還元酵素が、重金属またはメタロイドの検出および定量に成功裏に利用されている。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る。

加水分解酵素（Hydrolase）

加水分解酵素は、化学結合を加水分解する酵素群である。重金属汚染の検出に用いられる加水分解酵素の例として、アルカリホスファターゼによるCu²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺およびAg²⁺の検出が挙げられる。

異性化酵素（Isomerase）

異性化酵素は、分子をある異性体から別の異性体へ変換し、分子内再配列を促進する酵素群である。異性化酵素は、Hg²⁺を検出するバイオセンサーとして成功裏に利用されている。

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として、無機化合物（重金属）、有機リン化合物、フェノール類に分類される。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を利用して検出できる。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）および西洋ワサビペルオキシダーゼは、Pb²⁺、Cd²⁺、Hg⁺、Hg²⁺の検出に使用できる。アルカリホスファターゼ・バイオセンサーは、Cd²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Co²⁺、Zn²⁺を良好に検出できる。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利用できる。ウレアーゼは、Ag⁺、Pb²⁺、Sb³⁺、Cu²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Ni²⁺などの検出に用いられる。チロシナーゼは、Cu²⁺イオンの検出に使用できる。

有機リン化合物（農薬、殺虫剤、除草剤）の使用は、環境、人の健康および生態系に深刻な脅威をもたらす。一般的に使用される有機リン化合物には、パラチオン、メチルパラチオン、マラチオン、ダイアジノン、クロルピリホス、フェニトロチオン、ジクロルボス、ホスメットが含まれる。これらの化合物はヒトおよび動物に対して重大な有害性を有するため、その検出および定量は極めて重要である。有機リン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、有機リン酸無水物分解酵素および加水分解酵素（OPAAおよびOPH）など、多様な酵素が用いられている。

フェノール類およびその誘導体は毒性化合物とみなされ、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・合成に関連する各種産業排水中に存在する。クロロフェノールおよびニトロフェノールは、有機リン系殺虫剤および塩素化フェノキシ酸の主要な分解生成物である。これらの化合物は植物および動物に対して強い毒性を示し、遺伝毒性および変異原性を引き起こすほか、低濃度でも光合成、呼吸、酵素触媒反応などの生命プロセスを低下させる。フェノール性化合物およびその分解生成物の検出に用いられる酵素には、ラッカーゼ、チロシナーゼ、ペルオキシダーゼ類が含まれる。

参考文献

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