[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

微生物の電気でリビングラジカル重合

[スポンサーリンク]

テキサス大学オースティン校のBenjamin K. Keitz教授らは、電気を発生する微生物によって金属触媒の活性をコントロールし、リビングラジカル重合(ATRP)を行うことに成功しました。

“Shewanella oneidensis as a living electrode for controlled radical polymerization”

Fan, G.; Dundas, C. M.; Graham, A. J.;  Lynd, N. A.; Keitz, B. K. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2018, 115, 4559. DOI: 10.1073/pnas.1800869115

1. 微生物を使った化合物合成

微生物を使って有用な化合物を作ることは、産業の様々な場面で行われています。乳酸菌を使ってチーズを作ったり、酵母を使ってバイオエタノールを作ったりなどがその例です。このような技術は基本的に、微生物がもともと行っている化学反応を利用しているのですが、近年では遺伝子操作によって微生物が本来作らない化合物を作らせるようにするという試みも盛んになされています。

しかし、生物の代謝経路を作り変えるためには、(1) 原料物質の細胞内への輸送、(2) 目的の反応を行うための酵素の導入や発現調節、(3) 元々ある代謝経路の抑制、(4) 生成物の細胞外輸送など、調整しなければならない点がたくさんあって困難です(図1)。そのため多くの場合、微生物に作らせることができる化合物は天然の代謝経路に沿ったものに限られてしまいます。

図1. 代謝経路の再構築における様々な問題点。

テキサス大学オースティン校のKeitz教授らは、代謝によって電流を発生するシュワネラ菌という微生物に着目し、この電流を化学反応に有効利用できないかと考えました。彼らは、シュワネラ菌が乳酸の代謝から生み出す電流を使って細胞外にある銅触媒の活性をコントロールし、リビングラジカル重合(ATRP)を行うことに成功しました。

2. 電気を生み出すシュワネラ菌

Keitz教授らが用いたシュワネラ菌という発電菌は、細胞膜のタンパクを使って電子を外に放出しています(図2)。外膜上にあるMtrCやOmcAは、比較的低い電位(-350mVから+50 mV程度)を保っているため、細胞外にある金属イオンや有機化合物を還元する(電子を与える)ことができます。

図2. シュワネラ菌の細胞膜における電子移動。(左の画像はmicrobewikiより)

3. シュワネラ菌によるラジカル重合

Keitz教授らは、シュワネラ菌の電流で金属触媒の活性をコントロールできるか調べるため、モデル反応として原子移動ラジカル重合(ATRPを行うことにしました。ATRPでは、還元型の金属触媒が、ハロゲン原子にキャップされた不活性型のポリマー末端(ドーマント種)と反応し、ラジカル性の活性種を生み出します。生まれた活性種は、モノマーと反応してポリマー鎖を伸長させます。彼らが行った反応の流れは以下の通りです。

  1. シュワネラ菌が乳酸の代謝により細胞外に電子を放出する。
  2. 細胞外に存在する金属が還元される。
  3. 還元型の金属がドーマント種と反応してポリマー末端を活性化する。
  4. ポリマー鎖が伸長する。

図3. シュワネラ菌の乳酸代謝とラジカル重合の流れ。

彼らは、モノマー・開始剤・金属触媒(Cu(II)またはFe(III), Co(III))を含む培地にて、嫌気性条件でシュワネラ菌を培養しました。24時間後に溶液を確認すると、粘性のあるポリマーが生じていることが分かりました。得られるポリマーは分子量分布が狭く(PDI ~1.1)、分子量がモノマー転化率に比例している、というリビング重合の特徴を示しています(図4a)。また、一定時間経った後にモノマーを追加しても、初期と同様の速度定数でポリマーが伸長する様子も確認されました(図4b)。

図4. (a) 各モノマー転化率におけるポリマーの分子量と分子量分布(PDI)。(b) モノマー濃度の対数値(初期値/残存量)の時間変化。(論文より)プロットが直線的で傾きが一定あることから、1次反応で反応定数が一定であることがわかる。

4. 反応速度は代謝にコントロールされる

それでは、このラジカル重合は、シュワネラ菌の代謝反応とどう関連しているのでしょうか。シュワネラ菌は、乳酸→ピルビン酸、ピルビン酸→…→酢酸の代謝過程でそれぞれ2つの電子を生み出すことが分かっています(図5a)。Keitz教授らは、シュワネラ菌に異なる炭素源(乳酸(Lactate)、ピルビン酸(Pyruvate)、酢酸(Acetate)、何も与えない(Starved))を与えた場合の重合反応速度を調べました。すると、代謝にて4電子を生み出す乳酸の存在下で一番早い反応速度が得られ、その次に2電子を生み出すピルビン酸、そして電子を生まない酢酸存在下で一番遅い反応速度が得られるということが分かりました。酢酸存在下での反応速度は、何も与えない場合(Starved)と同程度でした。これらの結果から、代謝によって生まれる電子と重合反応速度に相関があることが分かりました。

図5. (a) シュワネラ菌の代謝経路。(b) 各炭素源存在下におけるラジカル重合速度(論文より)。

5. おわりに

今回の論文では、微生物が生み出す電気を利用すれば、生体反応に限らず産業に有用な様々な化学反応が行えるという可能性が示されました。特に有機電気化学合成の分野では、従来型のフラスコでの反応よりも収率・選択性・環境負荷の面で優れた反応が行えるよう研究が進められているので、今後、ATRPに限らず様々な反応に発電菌が応用されることが期待されます。

参考文献

  1. Magenau, A. J.; Strandwitz, N. C.; Gennaro, A.; Matyjaszewski, K. Science 2011, 332, 81. DOI: 10.1126/science.1202357
  2. Sakimoto, K. K.; Wong, A. B.; Yang, P. Science 2016, 351, 74.
DOI: 10.1126/science.aad3317

関連リンク

関連書籍

[amazonjs asin=”4864690774″ locale=”JP” title=”微生物燃料電池による廃水処理システム最前線”] [amazonjs asin=”4501619104″ locale=”JP” title=”代謝工学―原理と方法論”]
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. 5配位ケイ素間の結合
  2. 【書籍】アリエナイ化学実験の世界へ―『Mad Science―炎…
  3. 鉄の新たな可能性!?鉄を用いたWacker型酸化
  4. 製薬系企業研究者との懇談会
  5. 2024年ノーベル化学賞は、「タンパク質の計算による設計・構造予…
  6. 化学者に役立つWord辞書
  7. ケムステ版・ノーベル化学賞候補者リスト【2018年版】
  8. マクマリーを超えてゆけ!”カルボニルクロスメタセシス反応”

注目情報

ピックアップ記事

  1. マテリアルズ・インフォマティクスの基礎から実践技術まで学ぶワンストップセミナー
  2. 投票!2017年ノーベル化学賞は誰の手に!?
  3. キセノン (xenon; Xe)
  4. ビス(アセトニトリル)パラジウム(II)ジクロリド : Dichlorobis(acetonitrile)palladium(II)
  5. CFDで移動現象論111例題 – Ansys Fluentによる計算解法 –
  6. Cyclopropanes in Organic Synthesis
  7. 酵素を照らす新たな光!アミノ酸の酸化的クロスカップリング
  8. 研究費総額100万円!30年後のミライをつくる若手研究者を募集します【academist】
  9. オンライン講演会に参加してみた~学部生の挑戦記録~
  10. 米化学大手デュポン、EPAと和解か=新生児への汚染めぐり

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2018年7月
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031  

注目情報

最新記事

7th Compound Challengeが開催されます!【エントリー〆切:2026年03月02日】 集え、”腕に覚えあり”の合成化学者!!

メルク株式会社より全世界の合成化学者と競い合うイベント、7th Compound Challenge…

乙卯研究所【急募】 有機合成化学分野(研究テーマは自由)の研究員募集

乙卯研究所とは乙卯研究所は、1915年の設立以来、広く薬学の研究を行うことを主要事業とし、その研…

大森 建 Ken OHMORI

大森 建(おおもり けん, 1969年 02月 12日–)は、日本の有機合成化学者。東京科学大学(I…

西川俊夫 Toshio NISHIKAWA

西川俊夫(にしかわ としお、1962年6月1日-)は、日本の有機化学者である。名古屋大学大学院生命農…

市川聡 Satoshi ICHIKAWA

市川 聡(Satoshi Ichikawa, 1971年9月28日-)は、日本の有機化学者・創薬化学…

非侵襲で使えるpH計で水溶液中のpHを測ってみた!

今回は、知っているようで知らない、なんとなく分かっているようで実は測定が難しい pH計(pHセンサー…

有馬温泉で鉄イオン水溶液について学んできた【化学者が行く温泉巡りの旅】

有馬温泉の金泉は、塩化物濃度と鉄濃度が日本の温泉の中で最も高い温泉で、黄褐色を呈する温泉です。この記…

HPLCをPATツールに変換!オンラインHPLCシステム:DirectInject-LC

これまでの自動サンプリング技術多くの製薬・化学メーカーはその生産性向上のため、有…

MEDCHEM NEWS 34-4 号「新しいモダリティとして注目を浴びる分解創薬」

日本薬学会 医薬化学部会の部会誌 MEDCHEM NEWS より、新たにオープン…

圧力に依存して還元反応が進行!~シクロファン構造を活用した新機能~

第686回のスポットライトリサーチは、北海道大学大学院理学研究院化学部門 有機化学第一研究室(鈴木孝…

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