2018 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular Mechanism and Applications of Rare Earth Elements-Dependent Stimulation in Microbial Production of Stereo-Regular (Homochiral) Poly-gamma-Glutamate as Novel Extremolyte-Like Materials
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17H03796
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| Research Institution | Kochi University |
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Principal Investigator |
芦内 誠 高知大学, 教育研究部総合科学系生命環境医学部門, 教授 (20271091)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 超広域環境微生物 / 環境適応因子 / ポリγグルタミン酸 / レアメタル（レアアース）バイオロジー / バイオツール化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
堆肥から深海底までの地球環境に高度の適応した土壌細菌“巨大菌”にレアアース（特にジスプロシウム(Ｄｙ)）を与えつつ培養すると、優位に増殖速度が増加することに加え、ポリγグルタミン酸（ＰＧＡ）と呼ばれる有用バイオポリマーの生細胞当たりの生産能まで増大するという画期的な応答現象を発見した。レアメタル（レアアース）は、いわゆる重金属であることから、生物応答に関しては毒性や代謝抑制ありきの解析に焦点が絞られる中、本件は生物と重金属の新たな接点に焦点を当てる千載一遇の機会と判断した。計算化学の手法を取り入れることで、推定転写開始点の約２００塩基対上流には金属応答性リボスイッチ様の特殊塩基配列が見つかった。次いで、阻害ＰＧＡ法の確立が技術面でのブレークスルーをもたらした。本来、想定される塩基配列内に巨大な結合エネルギーを持つ「二次構造（ループ）形成領域＝下流遺伝子量を減衰させるアテニュエータ型調節領域」の迅速確認（同定）に繋がるハイスループット法として提案されたものだが、今回、レアメタル・レアアースの添加によって調節領域内のループ構造の解除とこれに伴う下流遺伝子群の転写再開（遺伝子量の増大）等、極めて重要な事象が網羅的に観察できることが分かった。事実、これまでにＤｙによる顕著な減衰緩和効果を認める一方、マンガンやコバルトにはこのような回復効果はなかった（いずれもＤＮＡポリメラーゼの活性に影響しない低用量レベルでの試験によるもの）。Ｓｈｉらが提案する酵素合成ＲＮＡを基材とするフットプリント法が抱える時間的・コスト的な問題、また、これにより試行可能な回数・対象が著しく限定されるという弱点の克服に繋がった。外部刺激に応じて環境適応因子の代謝経路を転換する等、超広域環境微生物が備えるべき高度な適応戦略の一端を捉えることができる。また、環境微生物群の本格応用を見据えた理解深化にも繋がる。
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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
ＰＧＡ生産菌として最も有名な“納豆菌”にレアアース応答性が見つからないことが、当該研究の特殊性をさらに高めている。すなわち、もはや飼い慣らされた食品発酵微生物にとって環境の変化に対する鋭敏応答はそれほど必要ではないのであろう（育種という人為操作の中で脱落したと考えてもよい）。実際、納豆菌におけるＰＧＡの生理学的意義は全く分かっていない（納豆ＰＧＡの場合、菌の生存戦略ではなく食品嗜好の観点から残されただけの存在）。このような状況はＰＧＡを環境適応因子として捉えることを難しくしてきた。今回、超広域環境微生物“巨大菌”に焦点を当てたことがブレークスルーとなった。技術レベルでのブレークスルーもあった。阻害ＰＣＲ法の確立により、従来の計画では高コストかつ限定的な知見（それでも微生物学上の画期的なもの）に止まる恐れを解消し、レアアース（ランタノイド）１７種に関して一括・網羅的な機能分析が可能になる等、当初想定外の（顕著な）進展も少なくなかった。同時に、関連する特許出願や学術論文の公開等、学術レベルでの貢献も順調に進んでいる。以上の状況を鑑み、本件二年次に関しても初年次同様「当初の計画以上に進展している」との評価に値する成果を得ることができたとの結論としたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
二年次の成果は“起承転結”でいうところの「承（一部は「転」）」にあたる。地球土壌環境中にごく微量ながら広く存在しているとされる希土類（レアアース）のメタル（レアアース）バイオロジーの発展と充実に繋がる「承」の研究に取り組みながら、次年度以降の「転」に繋がる展開型研究も推進する。本件を“レアアースバイオエンジニアリング”とでもいうべき、産業応用を意識した新境界研究の幕開けにしたい。かかる目標を掲げ、先に設定した二つの中課題に関する方針を示す。
① ＰＧＡ合成機能発現を司るレアアース依存誘導機構の分子解析：推定調節ＤＮＡ配列(Ｃａｐ／5’-ＵＴＲ)に対するレアアースの効果（かかる減衰機能への干渉と軽減、重希土元素に対する選択性等）について網羅的に分析する。前年度に試行した予備実験の段階で、ランタノイド１７種のうち、Ｄｙ以外にも２種の元素で減衰緩和現象が確認された。ランタノイド間での応答差の原因を追究する一方、かかる制御機構においては、計３者間の共通性と特異性を明らかにするため、核酸構造モチーフ等を利用したさらに踏み込んだ分子解析を展開し、かかる新奇遺伝子発現調節機構の核心に迫る。
② ＰＧＡ合成機能発現を司るレアアース依存誘導機構の応用展開：該調節ＤＮＡ配列はグローバル調節因子「ＤｅｇＵ」の認識領域を含む。但し、ＤｅｇＵは応答するリン酸化（アニオン化）する。ＤＮＡはアニオン性ポリマーであるため、この現象は化学的に相反するものではないかとの疑問もあった。これまでの当方の研究は、仲介者としての金属イオン（特に見逃されるこの多かったレアアース類）の役割を強くしたするものである。そこで、リン酸化ＤｅｇＵ：Ｃａｐ／5’-ＵＴＲからなる複合系ポリマーモデルを開発するとともに、バイオツールとして利用する。“画期的なレアアース識別法の開発”に繋がる繋がりうるブレークスルーについて追求する。
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