2017 Fiscal Year Annual Research Report
Novel Microbial Response for Rare Earth Elements: Dysprosium-Dependent Stimulation in Cell Proliferation and Poly-gamma-Glutamate Productivity of Bacillus megaterium.
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17J08400
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
白米 優一 愛媛大学, 連合農学研究科, 特別研究員(DC2)
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2017-04-26 – 2019-03-31
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| Keywords | 巨大菌 / レアメタル / ディスプロシウム / ポリγグルタミン酸 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
レアメタルは“先端産業のビタミン”と呼ばれるほど我々の生活に密接に関わり、現代社会を支えている。しかし一方、現在に至るまで生物とレアメタルの関係に対する理解は乏しく、理解不足からその関係の重要性には未だ十分な関心が向けられていない。そのためレアメタルのような重金属類と生物の関係についていえば、イタイイタイ病に代表されるような公害を引き起こす環境因子という特徴がクローズアップされてきた。ところが近年の研究成果はレアメタルと生物の関係に従来とは異なる着眼点が必要であるということを強く示唆している。実際、我々の体に不可欠なビタミンＢ１２はレアメタルのコバルトを必須因子として利用することが知られている。また、糖尿病の予防・改善にバナジウムが効果的とする研究論文が多数発表され、注目されている。
生物（微生物）とレアメタルの関係に対する理解が進めば、今後、新しい創薬の開発や新産業の開拓にも繋がると期待される。当該年度では、巨大菌にレアメタル依存性生体因子の存在を示唆するきっかけとなったポリγグルタミン酸（ＰＧＡ）に改めて着目した。結果として、ＰＧＡの金属イオン吸着挙動は温度依存的であることが示唆され、我々人間が困難としているレアメタルの選別について微生物は温度変化を利用することで巧みな生存戦略を構築している可能性が考えられる。また、ＰＧＡ合成遺伝子群にも着目したところ、広域転写制御因子として知られる“ＤｅｇＵ”が認識する配列を巨大菌ＰＧＡ合成遺伝子群上流に発見した。該合成遺伝子群上流ついてさらに精査した結果、リボスイッチ様モチーフの存在が示唆され、たった一塩基の増減でリボスイッチ様構造を生じる可能性のあるホットスポット領域を発見するまでに至っている。現在、該領域を中心として複製するプライマーを作製し、金属イオン吸着との関連性ついて重要なデータを得られつつある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでの研究からＰＧＡが三価金属イオン（試験対象金属イオン：ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、Ｄｙ）に対して協同吸着性を発揮し、金属回収に利用されているポリアクリル酸よりも優れた金属吸着能を持つことが明らかとなってきた。
化成ポリマーであるポリアクリル酸が金属イオン低濃度域から吸着能を発揮する双曲線型の吸着挙動を発揮する一方で、ＰＧＡは特定の濃度域から吸着するシグモイド型の吸着挙動を示した。このためＰＧＡには、低濃度域ではイオン化状態の維持・貯蔵と輸送に関与し代謝を助け、高濃度域では凝集・沈殿させることで細胞に対する無毒化を図る生理的作用機序があると考察した。ＰＧＡが環境適応因子としても活用されていることを新たに見いだしたが、代謝に関与している可能性を考慮すると金属種に対する選択性の有無を調査する必要に迫られた。
調査した結果、驚くべきことに同族のＧａとＩｎにおいて温度依存的な吸着挙動の存在が判明し、さらにその挙動は大きく異なることが示唆された。Ｉｎでは、協同吸着能を発揮する温度域は限定的であるがその温度域において安定して高い協同性を示し、またＧａは温度変化の上昇に伴って協同性が高まっていることが示された。一方、イオン親和性にも顕著な変化を確認できた。Ｉｎ、Ｇａともに温度が上昇するにつれて親和性が向上することまで突き止めている。
加えて、ＰＧＡの吸着性を利用することで機能性新素材の開発にも成功している。
具体的にはこれまで困難とされていたＰＧＡベースのプラスチック素材や自重量の数千倍もの水を吸収するヒドロゲル化材である。微生物の生産するＰＧＡの性質をより深く理解することで、新素材を生み出す技術戦略を獲得するまでに至った。学術的意義のみならず、産業的価値を秘めた技術戦略といえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により、ＰＧＡの性質をより深く理解し、ＰＧＡをベースとした高機能材料化を図ることで技術戦略の基盤を整えるまでに至った。次の段階として、当該年度でもＰＧＡの協同吸着能実験と並行して調査していた巨大菌のレアメタル依存性応答因子の存在についてより精査していく。具体的には、高次構造分析により示唆された巨大菌ＰＧＡ合成遺伝子群上流のリボスイッチ様モチーフを引き続き調査していくとともに、転写制御因子“ＤｅｇＵ”に焦点を当てていく。
ＤｅｇＵはプロテアーゼの分泌生産からＤＮＡの受入れ能まで多元的な生命現象を司ることからグローバルレギュレーターの中でも最上位に位置する機能性タンパク質だと考えられている。しかしレアメタルに対する応答性分析や分子微生物学的な先行研究例は非常に乏しい。さらに納豆菌とは異なり巨大菌だけに、ＰＧＡ合成オペロン上流に該タンパク質認識配列が複数カ所存在している点も興味深い。巨大菌ＤｅｇＵタンパク質についても精密機能分析を進める必要があると判断している。また、先の研究実績の概要で我々の体にも多くのレアメタルが必須因子として存在していることを紹介した。
加えて、遷移金属に属するような金属イオンはその価数を変化させることで物性を変化できることも知られている。突き詰めていけば、微生物であっても金属イオンを自身の代謝機能に適した形に酸化還元することが考えられる。そのため、巨大菌細胞内のＤｙが価数変化を起こすかどうかを知ることは生物とレアメタルの未だ限定的にしか理解されていない関係を前進させることに繋がると期待できる。具体的な価数変化の調査には生体ＸＡＦＳの利用を検討中であり、今後の実験計画に取り入れることを想定している。
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