融合蛋白質を用いた微生物の水素発生効率の改変

点击翻译按钮获取中文摘要

近年、二酸化炭素濃度の増加に伴う温暖化や、石油資源の枯渇問題が深刻化しており、化石燃料に頼らないクリーンなエネルギーシステムの開発は研究者の責務となっている。環境負荷が少なく、コスト面においても最も優れたシステムの一つは、光合成能を有する微生物に太陽光を吸収させ水を光分解することで水素を生産し、その後水素を燃料電池によって電力へと変換するシステムである。天然の微生物では、吸収された太陽エネルギーのごく一部のみを水素発生に利用するために水素発生効率は低いが、蛋白質工学を応用して水素発生を優先的に行うように改良することが本研究の目的である。著者は、プロトン還元酵素であるヒドロゲナーゼを、光合成反応中心(PSI)に直接組み込むことで、PSIで生じた還元力のすべてを強制的にヒドロゲナーゼへと伝達する人工的な電子伝達経路を創製することで、水素発生効率を飛躍的に向上させることを考案した。そこで、PSIとヒドロゲナーゼのX線結晶構造を用いたコンピューターシミュレーションにより、ヒドロゲナーゼのSmall subunitのC末端を、PSIのサブユニットの一つであるPsaEのN末端に融合させることで、ヒドロゲナーゼをPSI複合体に組み込むことができ、さらにPSIとヒドロゲナーの電子伝達サイトを近接させて連結できることを見出した。そこで、PsaE融合ヒドロゲナーゼとPsaE欠損PSIを別々に調製し、細胞外にてヒドロゲナーゼ-PSI複合体を再構築し、水素発生能の評価や最適化を行った。まず、水素細菌Ralstonia eutropha内にヒドロゲナーゼの発現系を確立し、活性型のPsaE融合ヒドロゲナーゼを得た。次にPsaE欠損PSIは、シアノバクテリアのPsaE遺伝子破壊株から調製した。PsaE欠損PSIは、別に調整されたPsaEと容易に結合でき、その結果野生型と同様の活性を回復できることを確認した。さらに、PsaE融合ヒドロゲナーゼとPsaE欠損PSIを細胞外にて再構築し、Hy-PSI複合体の形成を確認し、Hy-PSIからの複合体光水素発生を確認した。現在も光水素発生能向上のための検討を続けている。