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2017 年度 実施状況報告書

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

研究課題

研究課題/領域番号 16K18296
研究機関東北大学

研究代表者

中澤 光  東北大学, 工学研究科, 助教 (40584991)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワード酵素 / 光応答デバイス / 星形ナノ粒子 / セルラーゼ / セルロソーム / セルラーゼ / タンパク質の安定性 / 粒子合成の安定性
研究実績の概要

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、我々が開発した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。すでに前年度末までに目的の光応答デバイスが完成し、大幅な進展が見られたため、当該年度はさらなる進展を期待したが、結果として酵素の光応答活性化効果は安定して見られたものの、粒子への酵素提示による酵素活性化効果(クラスター化効果)に関しては、活性化が観察できない時もあり、安定した効果を示さなかった。そのため、当初計画に入れていた他の酵素への適用や酵素の耐熱化を取りやめ、不安定な活性化の原因究明と解決策の発見に焦点を絞った。実験を重ねるにつれて最適酵素提示量が存在するということが明らかとなった。星形金ナノ粒子を安定した表面積で合成することができてないことが一つの原因と考えられたため、混ぜ合わせの条件を変更し、最終的に金イオンを水に薄めたのちに攪拌しながらHEPES緩衝液に入れることで安定した表面積の星形金ナノ粒子を合成を成功させた。次に粒子当たりの提示酵素の量を評価したところ、酵素量が少ないと酵素が失活することが明らかとなった。酵素側面や触媒中心が粒子表面に吸着することによって失活することが想定されたことから、酵素提示量を最適化することあるいは牛血清アルブミンなどの吸着タンパク質をブロッキング剤として使うことを試みたところ解決できた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当初、星形金ナノ粒子の合成および粒子への酵素提示に関しても順調に進み想定通りの結果が得られたため論文化および作製した光応答デバイスのさらなる機能強化へ進む予定で考えていたが、何度も実験を重ねるにつれ、再現性が悪いということが分かった。稀ではあるが、全く活性が出ないこともあったため、このまま論文化をすることは間違った結果を世に出してしまう可能性があると考え、取りやめた。当該年度は、ほかの酵素への応用や酵素の耐熱化を当初計画に入れていたが、こちらも取りやめ、不安定な活性化の原因究明と解決策の発見に焦点を絞った。本年度を費やして再現実験を重ねたことから自信をもって論文化ができるようになった。

今後の研究の推進方策

今年こそ現在の結果で学術論文に投稿し成果を公開する。 また、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、さらに高波長を吸収できることから高温になることが期待されるカーボンナノチューブや、金ナノロッドを用いて耐熱酵素の最適な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ことから、様々な形状を試す必要がある。予算のある限りで検討する。また、本研究の意義からすると界面活性剤などの添加なしに粒子を合成する新規手法の開発に着手する必要がある。これに関しては文献調査から有望なものが見つかれば試みる。

次年度使用額が生じた理由

再実験の結果、星形粒子上で酵素活性が安定しない場合がたびたび見られた。予定を変更し、酵素及び粒子の物性を調査したところ、予想に反して粒子がわずかでも大きいと直ちに酵素を不活性化することが明らかとなった。研究遂行上、金属粒子表面での酵素の失活の本質を見極めることが不可欠であることから、少なくとも酵素活性と粒径の関連を調べる詳細な条件検討実験を追加実施する必要が生じた。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] High-throughput cytotoxicity and antigen-binding assay for screening small bispecific antibodies without purification2018

    • 著者名/発表者名
      Sugiyama Aruto、Umetsu Mitsuo、Nakazawa Hikaru、Niide Teppei、Asano Ryutaro、Hattori Takamitsu、Kumagai Izumi
    • 雑誌名

      JBB

      巻: - ページ: -

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2018.02.007

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Use of a Phage-Display Method to Identify Peptides that Bind to a Tin Oxide Nanosheets2018

    • 著者名/発表者名
      Nakazawa Hikaru、Seta Yasuko、Hirose Tatsuya、Masuda Yoshitake、Umetsu Mitsuo
    • 雑誌名

      Protein & Peptide Letters

      巻: 25 ページ: 68~75

    • DOI

      doi: 10.2174/0929866525666171206114429

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Generation of camelid VHH bispecific constructs via in-cell intein-mediated protein trans-splicing2017

    • 著者名/発表者名
      Yuki Shibuya、Natsuki Haga、Ryutaro Asano、Hikaru Nakazawa、Takamitsu Hattori、Daisuke Takeda、Aruto Sugiyama、Reiko Kurotani、Izumi Kumagai、Mitsuo Umetsu、Koki Makabe
    • 雑誌名

      peds

      巻: 30 ページ: 15-21

    • DOI

      https://doi.org/10.1093/protein/gzw057

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A semi high-throughput method for screening small bispecific antibodies with high cytotoxicity2017

    • 著者名/発表者名
      Sugiyama Aruto、Umetsu Mitsuo、Nakazawa Hikaru、Niide Teppei、Onodera Tomoko、Hosokawa Katsuhiro、Hattori Shuhei、Asano Ryutaro、Kumagai Izumi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 7 ページ: 2862-2873

    • DOI

      doi:10.1038/s41598-017-03101-4

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Artificial cellulosome designed from cellobiohydrolase module library2017

    • 著者名/発表者名
      Keisuke Murakami、Hikaru Nakazawa、Yuri Ishigaki、Eiko Kobayashi、Mitsuo Umetsu
    • 学会等名
      YABEC
    • 国際学会
  • [学会発表] CBHモジュールライブラリーから発想するハイブリッドナノセルロソーム2017

    • 著者名/発表者名
      中澤 光、村上 桂介、石垣 友理、梅津 光央
    • 学会等名
      化学工学会
  • [学会発表] 光熱変換デバイスを用いた光応答性活性増強型人工セルラーゼ設計2017

    • 著者名/発表者名
      中澤 光、石垣友理、二井手哲平、梅津光央
    • 学会等名
      生物工学会 北日本支部
  • [学会発表] 可逆的吸着架橋を持つ固相分解酵素ナノ集積体の設計2017

    • 著者名/発表者名
      塚崎裕二、村上桂介、中澤光、梅津光央
    • 学会等名
      生物工学会 北日本支部会
  • [学会発表] 結晶性セルロース分解の向上へ向けたセロビオハイドロラーゼの人工セルロソーム化設計2017

    • 著者名/発表者名
      中澤 光、村上 桂介、石垣 友理、梅津 光央
    • 学会等名
      蛋白質科学会

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公開日: 2018-12-17  

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