Development of basic technology for connecting inorganic materials and biomolecules via the biosilica-derived protein

• Project/Area Number: 19K05164
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 27040:Biofunction and bioprocess engineering-related
• Research Institution: Tottori University
• Principal Investigator: SHIMIZU Katsuhiko 鳥取大学, 地域価値創造研究教育機構, 教授 (90326877)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 美藤 友博 鳥取大学, 農学部, 助教 (20776421) ; 有馬 二朗 鳥取大学, 農学部, 教授 (80393411)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: バイオミネラリゼーション / 海綿動物 / シリカ / 酵素固定化 / 環境調和型 / 有機無機複合材料 / マリンバイオテクノロジー

Outline of Research at the Start

海綿動物カイロウドウケツのシリカ骨格タンパク質グラシンは，シリカナノ粒子表面に特異的に結合する．本研究では，グラシンのシリカナノ粒子への結合機構を解明するとともに，結合・溶出条件の最適化を行う．また，産業上有用な無機材料への結合能についても検討を行う．これらの結果を総合して，グラシンを介した組換えタンパク質とシリカ等無機材料との複合化についての基盤技術を確立することを目的とする．この技術は，酵素やセンサータンパク質のシリカ等無機材料への固定化，有機分子と無機材料の性質を融合した新規ナノ材料やバイオエレクトロニクス材料等の開発に道を拓くと期待される．

Outline of Final Research Achievements

The present study reveals that glassin, a protein occluded in the silica skeleton of the sponge Euplectella, binds to silica with high specificity at pH 8-9. Detailed analysis demonstrated that the histidine- and aspartic acid-rich region of glassin is responsible for the binding to silica, and that its dissociation constant is 40 nM. In addition to silica, glassin selectively bound to titanium oxide at pH 7-9 and to aluminum oxide at pH 7, but did not show specific binding to titanium oxide and zinc oxide.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の成果として，グラシンおよびその部分ペプチドは，温和な条件のもと，組換えタンパク質とシリカ，酸化ゲルマニウム，酸化アルミニウムといった無機材料との複合化に有用であることが示された．この技術は，酵素やセンサータンパク質などの工業的に有用なタンパク質のシリカや金属酸化物への固定化，有機分子と無機材料の性質を融合した新規ナノハイブリッド材料やバイオエレクトロニクス材料等の開発に道を拓くと期待される．

Research Products

• [Journal Article] Identification of the Domains Involved in Promotion of Silica Formation in Glassin, a Protein Occluded in Hexactinellid Sponge Biosilica, for Development of a Tag for Purification and Immobilization of Recombinant Proteins. (2020)
  • Author(s): Michika Nishi, Hiroki Kobayashi, Taro Amano, Yuto Sakate, Tomohiro Bito, Jiro Arima & Katsuhiko Shimizu
  • Journal Title: Marine Biotechnology Volume: 22 Issue: 6 Pages: 739-747
  • DOI: 10.1007/s10126-020-09967-2
  • Peer Reviewed
• [Presentation] シリカ粒子形成促進タンパク質“グラシン”のシリカ吸着におけるKinetics解析 (2021)
  • Author(s): 坂手勇斗・門田啓吾・美藤友博・清水克彦・有馬二朗
  • Organizer: 第73回日本生物工学会大会
• [Presentation] シリカ粒子形成タンパク質の配列に由来するシンプルな可用性タンパク質固定化タ グの構築 (2021)
  • Author(s): 坂手勇斗，美藤友博，清水克彦，有馬二朗
  • Organizer: 日本農芸化学会中四国支部会第58回講演会（例会）
• [Presentation] シリカ粒子形成促進タンパク質“グラシン”のシリカ／シリコーンに対する吸着特性 (2019)
  • Author(s): 坂手勇斗，西美智佳，美藤友博，有馬二朗，清水克彦
  • Organizer: 日本農芸化学会中四国支部会第56回講演会（例会）