[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

酵母菌に小さなソーラーパネル

[スポンサーリンク]

Harvard大学のNeel S. Joshi教授らは、光合成を行わない微生物に光増感剤を担持することで、細胞内の代謝反応を光で駆動することに成功しました(トップ画像出展・改変:Wyss Institute at Harvard University。)。

“Light-driven fine chemical production in yeast biohybrids”

Guo, J.; Suástegui, M.; Sakimoto, K. K.; Moody, V. M.; Xiao, G.; Nocera, D. G.; Joshi, N. S. Science 2018, 362, 813. (DOI: 10.1126/science.aat9777)

(本記事のタイトルは、Science Newsの記事をもとにしています。)

1. 生物は外からエネルギーを取り込み、有機物を合成する

図1.  (a) 光からエネルギーを得る植物。(b) 有機物からエネルギーを得る動物。

植物は、光のエネルギーを受け取って電子を生み、その電子を利用して有機物を合成しています(図1a)。一方で、ヒトや動物、微生物の多くには光を取り込む機能はありません。それなので、外部から取り込んだ有機物から電子を受け取り、その電子を利用して別の有機物を作っています(図1b)。

ところが今回、Harvard大学のNeel S. Joshi教授らは、インジウムリン(InP)のナノ粒子を用いて光エネルギーを捕集し、そのエネルギーを細胞に受け渡すことで、光合成を行わない酵母菌の代謝反応を、光で駆動できることを示しました (図2)。

図2.  InPナノ粒子による光の捕捉と酵母細胞内のNADPH合成反応。

2. シキミ酸合成には、NADPHが必要

Joshi教授らが用いた微生物は、パンやビールなどの発酵過程で用いられる酵母(Saccharomyces cerevisiae)です。近年では、酵母の遺伝子を改変して、薬などに有用な化合物を作らせるバイオトランスフォーメーションの研究も盛んになされています。例えば、シキミ酸という化合物(図3)は、インフルエンザ治療薬タミフルなどの原料となるため、酵母のシキミ酸合成経路を改良して大量合成させるといった取り組みがなされています。しかしながら、どんなに目的化合物の収量を上げようとしても、代謝に使えるエネルギー(電子)には限りがあるため、細胞を害することなく目的化合物を大量に作らせることは困難です。細胞内で、電子供与体のNADPHという分子が不足してしまい、反応が行えなくなります。

図3. シキミ酸の生合成反応の最終段階。NADPHからDHSに電子が与えられる。

3. 光増感剤を利用した光エネルギーの捕集

そこでJoshi教授らは、光増感剤(photosensitizerを利用して、細胞内に外部から電子を供給する方法を考えました。光増感剤というのは、光を吸収してエネルギーを得、そのエネルギーを他の物質へと与える物質のことです。彼らは、光増感剤のインジウムリン(InP)ナノ粒子を酵母の細胞表面に担持することで、InPナノ粒子が吸収したエネルギーが細胞内へと伝えられ、NADPHを再生産できるようにしました(図4)。

図4. 光増感剤の半導体InPナノ粒子。細胞上に担持するため、ポリフェノールで被覆されている。

4. 光エネルギーにより、シキミ酸の生産量が増大

彼らは、InPナノ粒子を担持した酵母細胞に光を当て、シキミ酸の生産量を調べました。図5aは、酵母細胞に光を当てた場合(light)と光を当てなかった場合(dark)における、シキミ酸とDHSの生産量を示しています。光照射がありかつInP粒子が担持されている細胞では、光照射やInPナノ粒子がない細胞と比べ、シキミ酸の生産量が大幅に増えていることが分かります。また、シキミ酸/DHS比を元に、細胞内のNADPH/NADP+比を求めることもできます。図5bに見られるように、光照射した場合には、NADPH/NADP+比が87%にもなっており、これは光を当てなかった場合の27です。このような実験から、外部から与えた光エネルギーがInP粒子を介して細胞内へと伝えられ、細胞内のNADPHの量を増大させることが示されました。

図5. (a) 光照射/非照射下におけるシキミ酸とDHSの生産量。(b) 光照射/非照射下におけるNADPH/NADP+比。用いられた酵母菌(Δzwf1)は、ペントースリン酸経路(pentose phosphate pathway)の遺伝子を欠損しているため、酵母自身によるNADPHの生産が抑えられている。(図は論文より)

5. 細胞の炭素利用の変化

それでは、InPナノ粒子の光捕捉は、細胞全体の炭素利用にどう影響を与えているのでしょうか。彼らは、細胞で作られる他の有機物の生産量を、シキミ酸の生産量と同時に計測しました。図6aは、エタノールとグリセロールの生産量を、光照射時と非照射の比で示しています。光を照射すると、シキミ酸の生産量は増える(青色)のに対し、エタノールやグリセロールの生産量は減少(赤色)していることが分かります。エタノールやグリセロールの生合成過程では、NADP+からNADPHが生産されますが、光照射下ではInPナノ粒子からのエネルギーがNADPHをNADP+に変えるため、エタノールやグリセロールの生産が抑えられているのだと考えられます(図6b)。

図6. (a) エタノールやグリセロールの生産量変化。光照射時と光非照射時の比を示す。(論文より) (b) 光照射/非照射下における炭素の流れ。

6. おわりに

本研究は、光合成ができない酵母菌に対してでも、外から光エネルギーを供給できる画期的な技術です。InPナノ粒子で生じた励起電子が、どうやって細胞壁を通り抜け、細胞質内のNADPHに受け渡されるのかについては、まだ未解明とのことですが、酵母以外の生物でも同様に電子の受け取りができるのか、NADPH以外の電子受容体の量には影響があるのかどうかなど、今後さらに研究が進められることが期待されます。

参考文献

  1. Sakimoto, K. K.; Wong, A. B.; Yang, P. Science 2016, 351, 74. DOI: 10.1126/science.aad3317
  2. Suástegui. M.; Yu, N. C.; Chowdhury, A.; Sun, W.; Cao, M.; House, E.; Maranas, C. D.; Shao, Z. Metab. Eng. 2017, 42, 134. DOI: 10.1016/j.ymben.2017.06.008.

関連リンク

関連書籍

[amazonjs asin=”4320055403″ locale=”JP” title=”電子と生命―新しいバイオエナジェティックスの展開 (シリーズ・ニューバイオフィジックスII 1)”] [amazonjs asin=”4758120838″ locale=”JP” title=”基礎から学ぶ遺伝子工学 第2版”]
Avatar photo

kanako

投稿者の記事一覧

アメリカの製薬企業の研究員。抗体をベースにした薬の開発を行なっている。
就職前は、アメリカの大学院にて化学のPhDを取得。専門はタンパク工学・ケミカルバイオロジー・高分子化学。

関連記事

  1. 近赤外吸収色素が持つ特殊な電子構造を発見―長波長の近赤外光を吸収…
  2. つぶれにくく元にも戻せる多孔性結晶の開発
  3. その化合物、信じて大丈夫ですか? 〜創薬におけるワルいヤツら〜
  4. 免疫の生化学 (1) 2018年ノーベル医学賞解説
  5. E-mail Alertを活用しよう!
  6. 米国版・歯痛の応急薬
  7. 夏休みの自由研究に最適!~家庭でできる化学実験7選~
  8. 光化学と私たちの生活そして未来技術へ

注目情報

ピックアップ記事

  1. アリルオキシカルボニル保護基 Alloc Protecting Group
  2. スワーン酸化 Swern Oxidation
  3. ケイ素置換gem-二クロムメタン錯体の反応性と触媒作用
  4. 新規色素設計指針を開発 -世界最高の太陽光エネルギー変換効率の実現に向けて-
  5. 広範な反応性代謝物を検出する蛍光トラッピング剤 〜毒性の黒幕を捕まえろ〜
  6. マイクロ波とイオン性液体で単層グラフェン大量迅速合成
  7. TEtraQuinoline (TEQ)
  8. ジョンソン オレフィン合成 Johnson Olefination
  9. 細胞を模倣したコンピューター制御可能なリアクター
  10. 2,9-ジブチル-1,10-フェナントロリン:2,9-Dibutyl-1,10-phenanthroline

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2018年12月
 12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31  

注目情報

最新記事

植物繊維を叩いてアンモニアをつくろう ~メカノケミカル窒素固定新合成法~

Tshozoです。今回また興味深い、農業や資源問題の解決の突破口になり得る窒素固定方法がNatu…

自己実現を模索した50代のキャリア選択。「やりたいこと」が年収を上回った瞬間

50歳前後は、会社員にとってキャリアの大きな節目となります。定年までの道筋を見据えて、現職に留まるべ…

イグノーベル賞2024振り返り

ノーベル賞も発表されており、イグノーベル賞の紹介は今更かもしれませんが紹介記事を作成しました。 …

亜鉛–ヒドリド種を持つ金属–有機構造体による高温での二酸化炭素回収

亜鉛–ヒドリド部位を持つ金属–有機構造体 (metal–organic frameworks; MO…

求人は増えているのになぜ?「転職先が決まらない人」に共通する行動パターンとは?

転職市場が活発に動いている中でも、なかなか転職先が決まらない人がいるのはなぜでしょう…

三脚型トリプチセン超分子足場を用いて一重項分裂を促進する配置へとペンタセンクロモフォアを集合化させることに成功

第634回のスポットライトリサーチは、 東京科学大学 物質理工学院(福島研究室)博士課程後期3年の福…

2024年の化学企業グローバル・トップ50

グローバル・トップ50をケムステニュースで取り上げるのは定番になっておりましたが、今年は忙しくて発表…

早稲田大学各務記念材料技術研究所「材研オープンセミナー」

早稲田大学各務記念材料技術研究所(以下材研)では、12月13日(金)に材研オープンセミナーを実施しま…

カーボンナノベルトを結晶溶媒で一直線に整列! – 超分子2層カーボンナノチューブの新しいボトムアップ合成へ –

第633回のスポットライトリサーチは、名古屋大学理学研究科有機化学グループで行われた成果で、井本 大…

第67回「1分子レベルの酵素活性を網羅的に解析し,疾患と関わる異常を見つける」小松徹 准教授

第67回目の研究者インタビューです! 今回は第49回ケムステVシンポ「触媒との掛け算で拡張・多様化す…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP