2016 Fiscal Year Research-status Report
エコ炭素循環に向けた酵素潜在能力を最大限に活かす太陽光応答型酵素活性化デザイン
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16K18296
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
中澤 光 東北大学, 工学研究科, 助教 (40584991)
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2016-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 酵素 / 光応答デバイス / 星形ナノ粒子 / 触媒 / セルロソーム / セルラーゼ / 耐熱性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、化石資源から代替資源へ転換が急務となっている。難分解かつ難溶解性固形物であるセルロース系バイオマスを用いる場合、分解酵素コストが嵩むため、厳密にコスト管理された工程で行うことが必要であり、酵素反応にボイラー熱源を使わない酵素反応環境が求められる。本研究では、太陽光（自然光）を熱に変換する性質を持つ星形金ナノ粒子へ、この酵素クラスター化設計を反映させ、太陽光応答的に局所反応温度向上させることによる酵素活性化を利用したボイラーを必要としないエコ炭素循環システム指向酵素デザインを提案した。
1.太陽光-熱変換星型金ナノ粒子の合成。近年、報告された光-熱変換星型金ナノ粒子をHEPES bufferと金イオンを混ぜ合わせ静置するだけで、安価に合成する方法を参考にHEPES濃度と金イオン濃度および反応時間を検討することによって、より近赤外の領域の光を多く吸収する突起の長い粒子表面構造を見つけ、効率的な粒子表面の光応答的加温を達成した。
2.ポリHisタグを用いた金ナノ粒子への酵素クラスター化。本研究では既往技術をさらに進化させ、まずは球状金ナノ粒子を用いてコストのかかるストレプトアビジンの除去を達成しつつ6×Hisタグのナノ粒子への結合親和性を利用して酵素を金ナノ粒子表面へ高密度結合する設計を行った。
3.太陽光-熱変換星型金ナノ粒子を用いた酵素クラスター化。1.および2.の結果を踏まえて、実際に光応答星型金ナノ粒子へ100℃でも失活しない海底火山から単離された耐熱酵素であるP.horikosii由来のEGPHの提示を行い、セルラーゼ提示状態で近赤外光照射によってナノ粒子表面が温められて温度が上昇していること、および、それに伴って酵素活性が向上していることをセルロース分解における還元糖生産量の計測により証明した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
難易度が高い項目を初年度にあてていたにもかかわらず、当初予定していた計画のすべてを達成し、それぞれで、過去の性質を大きく上回ったことから順調に計画が進み、論文の執筆ができるまでに進展した。具体的に照らし合わせると、太陽光-熱変換星型金ナノ粒子の合成では過去の報告の達成にくわえて、HEPES濃度を変化させることによって自在にとげの長さを制御できることを確認し、その結果800nmのプラズモン吸収を安定して達成する粒子を作成でき、光応答を容易にできるようになった。またコストのかかるストレプトアビジンを除去できたため、コストの大幅な低下を達成し、容易な太陽光-熱変換星型金ナノ粒子の合成と合わせると実用化へ向けた開発も可能ではないかと期待させる。最後に心配していたセルラーゼ機能も加温の効果と粒子表面へのクラスター化の効果の両方を発揮できることが明確に示された、これですべての計画を達成し、かつそれらを超える成果が出ていることが証明された。
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| Strategy for Future Research Activity |
29年度は、まず、現在の結果で学術論文に投稿し、成果を公開する。
さらに複数の耐熱性酵素ドメインについて粒子にクラスター化し、その汎用性を検証する。
また、想定以上の成果ではあるが、金ナノ粒子では70℃程度までの活性の向上にとどまったことから耐熱性酵素(最適温度110℃)のポテンシャルは完全には引き出せていない。そこで、カーボンナノチューブや、金ナノロッドを用いてちょうどいい温度を達成できる粒子を開発する。しかしながら高温になりすぎる可能性があることから難易度はかなり高い上に、界面活性剤などの添加なしに合成する手法の新規開発に着手する必要がある。また学会での成果発表を行った際に、酵素付き粒子の再利用ができるかの検証実験を行った方が、なお説得力が出て良いとの指摘を受けたことから、若干計画を変更し、粒子を何らかの方法で再利用する方法の開発および実証を次に優先して行う。現在想定しているのは、超遠心法あるいは磁性粒子を混合することによる磁性回収である。最後に産業技術総合研究所石川一彦様の成果を参考に耐熱性を保ちつつ、酵素活性を高めた特殊設計を行うことにより酵素の高活性化を達成する。
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| Causes of Carryover |
初年度に実験遂行に必要な物品と遺伝子を購入した。機器が思っていたより安価なもので問題なかったため変更した。これらの機器の購入により、論文を作成できるまでの成果を得た。次年度使用額は、現在、本計画が順調に進んでいることからより進化させるために様々な土台材料および酵素を試す方向に注力した方が有効であると判断したため、酵素提示用の材料の購入、酵素の購入のために利用する。また、良い成果がえられたため論文作成に必要な費用および学会発表により成果を広く公表するためにも力を入れた方がよいと判断したため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額は現在計画通りに進行している本計画をより汎用性を持つレベルに進展させるための試薬、遺伝子、粒子の購入のため、さらには、論文作成に必要な費用および学会発表により成果を広く公表するために使用する。
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