[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. 保護基のお話
  2. ワンチップ顕微鏡AminoMEを買ってみました
  3. スタチンのふるさとを訪ねて
  4. 生きた細胞内でケイ素と炭素がはじめて結合!
  5. TQ: TriQuinoline
  6. 【日産化学】画期的な生物活性を有する新規除草剤の開発  ~ジオキ…
  7. 荒木飛呂彦のイラストがCell誌の表紙を飾る
  8. ケムステ版・ノーベル化学賞候補者リスト【2018年版】

注目情報

ピックアップ記事

  1. トランス効果 Trans Effect
  2. 東レ、ナノ構造制御技術を駆使した半導体実装用接着シートを開発
  3. 製薬会社5年後の行方
  4. 2009年ロレアル・ユネスコ女性科学者 日本奨励賞発表
  5. 富士フイルムのインフルエンザ治療薬、エボラ治療に
  6. 完熟バナナはブラックライトで青く光る
  7. とある社長の提言について ~日本合成ゴムとJSR~
  8. サイエンスアゴラの魅力を聞く-「iCeMS」水町先生
  9. 2001年ノーベル化学賞『キラル触媒を用いる不斉水素化および酸化反応の開発』
  10. 池田 菊苗 Kikunae Ikeda

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

創薬懇話会2025 in 大津

日時2025年6月19日(木)~6月20日(金)宿泊型セミナー会場ホテル…

理研の研究者が考える未来のバイオ技術とは?

bergです。昨今、環境問題や資源問題の関心の高まりから人工酵素や微生物を利用した化学合成やバイオテ…

水を含み湿度に応答するラメラ構造ポリマー材料の開発

第651回のスポットライトリサーチは、京都大学大学院工学研究科(大内研究室)の堀池優貴 さんにお願い…

第57回有機金属若手の会 夏の学校

案内:今年度も、有機金属若手の会夏の学校を2泊3日の合宿形式で開催します。有機金…

高用量ビタミンB12がALSに治療効果を発揮する。しかし流通問題も。

2024年11月20日、エーザイ株式会社は、筋萎縮性側索硬化症用剤「ロゼバラミン…

第23回次世代を担う有機化学シンポジウム

「若手研究者が口頭発表する機会や自由闊達にディスカッションする場を増やし、若手の研究活動をエンカレッ…

ペロブスカイト太陽電池開発におけるマテリアルズ・インフォマティクスの活用

持続可能な社会の実現に向けて、太陽電池は太陽光発電における中心的な要素として注目…

有機合成化学協会誌2025年3月号:チェーンウォーキング・カルコゲン結合・有機電解反応・ロタキサン・配位重合

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2025年3月号がオンラインで公開されています!…

CIPイノベーション共創プログラム「未来の医療を支えるバイオベンチャーの新たな戦略」

日本化学会第105春季年会(2025)で開催されるシンポジウムの一つに、CIPセッション「未来の医療…

OIST Science Challenge 2025 に参加しました

2025年3月15日から22日にかけて沖縄科学技術大学院大学 (OIST) にて開催された Scie…

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