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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

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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

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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。

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