生命金属動態を利用したバイオレメディエーション技術の開発

• Project Area: Integrated Biometal Science: Research to Explore Dynamics of Metals in Cellular System
• Project/Area Number: 19H05771
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 鈴木 道生 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (10647655)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 永田 宏次 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (30280788)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥64,090,000 (Direct Cost: ¥49,300,000、Indirect Cost: ¥14,790,000); Fiscal Year 2023: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000); Fiscal Year 2022: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000); Fiscal Year 2021: ¥11,570,000 (Direct Cost: ¥8,900,000、Indirect Cost: ¥2,670,000); Fiscal Year 2020: ¥11,960,000 (Direct Cost: ¥9,200,000、Indirect Cost: ¥2,760,000); Fiscal Year 2019: ¥20,020,000 (Direct Cost: ¥15,400,000、Indirect Cost: ¥4,620,000)
• Keywords: バイオミネラリゼーション / バイオレメディエーション / 金属濃集 / 炭酸カルシウム / 環境技術 / マガキ / ナノ粒子 / 重金属

Outline of Research at the Start

多量の金属は生物に対して様々な毒性を有するため、環境中に多くの金属イオンが残存する状況は好ましくない。多くの生物は生体の内外において金属の解毒作用を有しているが、この解毒作用を用いて環境中の金属鉱物を沈着、固化させ無毒化する手法を開発することが可能であると考えられる。近年では生物を用いたファイトレメディエーションが注目されているが、どのような分子が金属と相互作用し、沈着させるのか多くの分子メカニズムが不明である。本研究では、生物において金属鉱物と相互作用する有機分子を見出し、沈着、固化させるメカニズムを分子レベルで明らかにすることを目的としている。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では主に、微生物と無脊椎動物が有する金属、鉱物凝集機構に着目し、その形成メカニズムを明らかにすることで、環境改善などの技術開発に繋げるこ
とを目的としている。
マガキはカドミウム（Cd）などの重金属を蓄積しやすいことが知られている。無脊椎動物のマガキにおいてメタロチオネインを介し重金属を蓄積しているかどうかは未だに明らかになっていない。
まずマガキから内臓、エラ、外套膜、貝柱の組織ごとに分けて解剖し、各組織についてCd、Cu、Znの金属濃度測定を行った、その結果、内臓抽出物水溶性画分にCd結合物質が多く含まれていることが分かった。Cd結合物質の分子量を推定するために、TPPS(tetraphenylporphyrin tetrasulfonic acid)を用いたポストカラム法でのCd結合物質の探索を行った。結果として、30 kDa以上の高分子化合物がCd結合物質として推定された。さらに、アフィニティークロマトグラフィーを用いたカドミウム結合競合実験を行った。その結果、Cd結合物質としてマガキのProtein disulfide isomerase（cgPDI）を見出した。
cgPDIについて更なる機能解析や構造解析のために組換えcgPDIの作成を行った。作成した組換えcgPDIを利用して、ポストカラム溶液で用いたTPPSを利用して組換え体とCdとの結合実験を行った。結果として、吸収スペクトルの変化からCdと組換えcgPDIの結合を確認することができた。そこで、実際のマガキにおいてどの程度cgPDIが含まれているかについてITCと免疫学的手法を用いて調べた。その結果、マガキの内臓に含まれるCdの約20%は今回に同定したcgPDIに結合してる可能性が示唆された。cgPDIの寄与率は大きくはなかったため、マガキには未知の重金属結合成分が含まれている可能性が示唆された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

マガキにおいてCdに結合するタンパク質分子を新たに同定し、その寄与率を精密に算出する実験まで行うことができた。そのため順調に成果を出していると判断される。

Strategy for Future Research Activity

マガキ以外にもホタテの中腸線においてCdがよく濃縮されることが知られている。そこで、ホタテの中腸線を用いて、さらに特異的にCdに結合する因子を探す予定としている。手法としてはHPLCとICPを組み合わせた方法が新たに使えるようになったため、Cdに結合する因子をHPLCにより分離し、候補となるタンパク質を見出す予定である。候補タンパク質を見出した後に、マガキで使った手法と同様に進めることで、構造機能解析を進める。
さらにマガキだけではなく、様々な無脊椎動物が特殊な金属を特異的に沈着することが知られている。そのような様々な無脊椎動物の金属、鉱物濃縮作用についてと、微生物の金属濃集について研究を進める。

Research Products

• [Journal Article] Deposition of Lead Phosphate by Lead-Tolerant Bacteria Isolated from Fresh Water near an Abandoned Mine (2022)
  • Author(s): Kato Yugo、Kimura Satoshi、Kogure Toshihiro、Suzuki Michio
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 23 Issue: 5 Pages: 2483-2483
  • DOI: 10.3390/ijms23052483
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microstructure and mineral components of the outer dentin of <scp> <i>Chimaera phantasma</i> </scp> tooth plates (2021)
  • Author(s): Iijima Mayumi、Okumura Taiga、Kogure Toshihiro、Suzuki Michio
  • Journal Title: The Anatomical Record Volume: 304 Issue: 12 Pages: 2865-2878
  • DOI: 10.1002/ar.24606
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Iron Elution from Iron and Steel Slag Using Bacterial Complex Identified from the Seawater (2021)
  • Author(s): Tsukidate Hidenori、Otake Seika、Kato Yugo、Yoshimura Ko、Kitatsuji Masafumi、Yoshimura Etsuro、Suzuki Michio
  • Journal Title: Materials Volume: 14 Issue: 6 Pages: 1477-1477
  • DOI: 10.3390/ma14061477
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional analyses of chitinolytic enzymes in the formation of calcite prisms in Pinctada fucata (2021)
  • Author(s): Kintsu Hiroyuki、Perez-Huerta Alberto、Ohtsuka Shigeru、Okumura Taiga、Ifuku Shinsuke、Nagata Koji、Kogure Toshihiro、Suzuki Michio
  • Journal Title: Micron Volume: 145 Pages: 103063-103063
  • DOI: 10.1016/j.micron.2021.103063
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification and functional analysis of cadmium-binding protein in the visceral mass of Crassostrea gigas (2021)
  • Author(s): Zheng Zehua、Kawakami Kazuhiro、Zhang Dingkun、Negishi Lumi、Abomosallam Mohamed、Asakura Tomiko、Nagata Koji、Suzuki Michio
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 11306-11306
  • DOI: 10.1038/s41598-021-90882-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rosmarinic Acid and Sodium Citrate Have a Synergistic Bacteriostatic Effect against Vibrio Species by Inhibiting Iron Uptake (2021)
  • Author(s): Lu Peng、Sui Miaomiao、Zhang Mimin、Wang Mengyao、Kamiya Takehiro、Okamoto Ken、Itoh Hideaki、Okuda Suguru、Suzuki Michio、Asakura Tomiko、Fujiwara Toru、Nagata Koji
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 22 Issue: 23 Pages: 13010-13010
  • DOI: 10.3390/ijms222313010
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Adsorption kinetics and thermodynamics of toxic metal ions onto chitosan nanoparticles extracted from shrimp shells (2021)
  • Author(s): Abomosallam Mohamed、Elalfy Mahmoud、Zheng Zehua、Nagata Koji、Suzuki Michio
  • Journal Title: Nanotechnology for Environmental Engineering Volume: 7 Issue: 1 Pages: 35-47
  • DOI: 10.1007/s41204-021-00179-0
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 「微生物を用いた鉄鋼スラグの藻場造成資材として高度利用法の開発」 (2022)
  • Author(s): 鈴木道生
  • Organizer: 『鉄鋼環境基金 2021年度成果報告会』
  • Invited
• [Presentation] 「バイオミネラリゼーションの炭素循環」 (2022)
  • Author(s): 〇鈴木道生
  • Organizer: 『シンポジウム「生命×金属_金属を活用した生命の生存戦略&#12316;」｜立命館大学生物資源研究センター×立命館大学R-GIRO「気候変動に対応する生命圏科学の基盤創生」プロジェクト共催シンポジウム』
  • Invited
• [Presentation] Organic molecules in shell microstructures of Pinctada fucata. (2021)
  • Author(s): 〇Michio Suzuki.
  • Organizer: 16th International Symposium on Biomineralization
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 「キチンの合成と分解によるバイオミネラリゼーションのナノ構造制御」 (2021)
  • Author(s): 〇鈴木道生
  • Organizer: 『第35回日本キチン・キトサン学会大会』
  • Invited
• [Remarks] 東京大学農学部分析化学研究室
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/analchem/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 二酸化炭素の固定化方法及び固定化システム並びに炭酸塩の製造方法 (2022)
  • Inventor(s): 安元剛、廣瀬美奈、勝又聡、牟田（植田）直幸、森安賢司、鈴木道生
  • Industrial Property Rights Holder: 安元剛、廣瀬美奈、勝又聡、牟田（植田）直幸、森安賢司、鈴木道生
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-007350
  • Filing Date: 2022
• [Patent(Industrial Property Rights)] 複合体の製造方法および複合体 (2022)
  • Inventor(s): 鈴木道生、浪川勇人、安元剛、渡部終五、森安賢司、勝又聡、前山薫
  • Industrial Property Rights Holder: 鈴木道生、浪川勇人、安元剛、渡部終五、森安賢司、勝又聡、前山薫
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-025892
  • Filing Date: 2022