2021 Fiscal Year Research-status Report
難分解性プラスチックの高速分解を志向したナノ空間精密配置酵素の創製
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21K05160
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
松浦 俊一 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (80443224)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三村 直樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (50358115)
佐藤 修 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (20357148)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 難分解性プラスチック / ポリエチレンテレフタレート分解酵素 / ナノ空間材料 / 固定化酵素 / バイオリサイクル法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）に代表される難分解性プラスチックのリサイクル技術の進展は急務である。本研究では、ＰＥＴ分解酵素の集積反応場の創出を目的としており、ナノ空間材料（メソポーラスシリカ）の規則性細孔への酵素の精密配置による「飛躍的な反応速度の向上」と、疎水的なシリカ細孔表面とＰＥＴとの近接作用による「接触頻度の向上」を実現することによって、高効率かつ低環境負荷型の難分解性プラスチック分解システムを開発する。
これまでにメソポーラスシリカの規則性細孔が酵素の安定性向上場として好適であることを見出しているが、反応性の向上に向けたシリカ細孔表面での酵素の配向制御が課題であった。この課題を克服する方法として、シリカ結合タンパク質（Ｓｉ－ｔａｇ）を２種類のＰＥＴ分解酵素に個別に融合し、Ｓｉ－ｔａｇをシリカ細孔表面と酵素の間の接着分子として利用することによって酵素の配向制御を試みる。
当年度は、ＰＥＴ分解酵素（Ｉｄｅｏｎｅｌｌａ ｓａｋａｉｅｎｓｉｓ由来）として、ＰＥＴを特異的に加水分解する「ＰＥＴａｓｅ」、および、ＰＥＴ分解中間産物であるモノヒドロキシエチルテレフタート（ＭＨＥＴ）を特異的に加水分解する「ＭＨＥＴａｓｅ」を適用し、これらの酵素のＮ末端側にＳｉ－ｔａｇを付加した遺伝子配列を挿入したタンパク質発現用ベクターを設計・作製した。組換え大腸菌によるタンパク質発現系を用いて上述のＳｉ－ｔａｇ融合ＰＥＴ分解酵素の発現を試みた結果、２種類の酵素ともに大量生産と高純度での精製に成功した。また、メソポーラスシリカ内包カートリッジを実装したフロー式酵素リアクターのプロトタイプを開発した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当年度は、ＰＥＴの高効率分解システムに用いる２種類のＳｉ－ｔａｇ融合ＰＥＴ分解酵素の遺伝子配列を挿入したタンパク質発現用ベクターの設計・作製などに時間を要したため、当初計画していた全ての実験項目について検討することはできなかった。一方、これまで未検証であった、メソポーラスシリカ粉末を内包した不織布製のディスク状カートリッジの作製とこれを実装したフロー式酵素リアクター（プロトタイプ）の開発に着手した。ここで開発したメソポーラスシリカ内包カートリッジがフロー式での連続的な酵素反応を実現するための十分な耐久性を有するなど、新たな知見を得ることができた。
以上のことより、当初の計画では予想できなかった新たな知見も踏まえて次年度の展開を検討していく計画である。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、当年度に実施できなかった実験項目を含め、交付申請書に記載の実施計画に沿って研究を推進する。
具体的な推進方策としては、当年度に作製した２種類のＳｉ－ｔａｇ融合ＰＥＴ分解酵素の各種ナノ空間材料（メソポーラスシリカ、メソポーラスアルミナ等）への固定化状態を評価し、Ｓｉ－ｔａｇ特異的な結合を可能にするためのナノ空間材料の表面組成等の最適化を図る。また、ここで得られたＰＥＴ分解酵素－ナノ空間材料複合体を高温高圧下での前処理によって部分分解させたＰＥＴ断片の分解反応に適用し、反応速度論解析について検証する。特に酵素反応に好適な固定化条件を明らかにすることを目標とする。
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| Causes of Carryover |
（理由）
初年度にプラスチック製品（マイクロチューブ、フィルター付きチップ等）や電気泳動関連製品などの購入を予定していたが、これら消耗品の中には、新型コロナウイルス感染症対策に関連し世界中での需要の高まりの影響を受け、納品に半年以上を要するものや納期不明のものが多々あり、実験の遂行に大きく影響した。また、世界的に高純度ヘリウムガスの入手が困難な状況であったことから、ガス吸着測定によるナノ空間材料の細孔構造の解析を実施することができなかった。以上より、当初計画で予定されていた各種の消耗品やヘリウムガスなどを入手できなかったため、研究費の未使用分が生じた。
（使用計画）
現段階では、初年度に合成を予定していた細孔径・表面親和性などの異なる各種ナノ空間材料（メソポーラスシリカ、メソポーラスアルミナ等）の合成と細孔構造の解析が遅れており、次年度は主に、ナノ空間材料の合成に関わる試薬、プラスチック製品等の消耗品費や細孔構造の解析に必要な高純度ガスなどに充当する計画である。また、これまでに得られた知見をまとめ、研究成果の発表（学術論文および学会発表）を行うための論文投稿費、学会登録費、国内旅費等に研究費を充てる予定である。
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