広報活動

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2013年9月11日

理化学研究所

ラン藻の水素生産量を2倍以上増加させることに成功

-水素とバイオプラスチックの生産は同じタンパク質「SigE」が制御-

ポイント

  • SigEタンパク質を細胞内で増やすと、水素生産量が増加
  • SigEタンパク質を増やした細胞は直径が約1.6倍に増大
  • ラン藻のエネルギー代謝の理解を深め、藻類による水素生産の基盤構築に貢献

要旨

理化学研究所(理研、野依良治理事長)は、光合成を行う微生物「ラン藻」を遺伝子改変することにより、水素生産量を2倍以上に増加させることに成功しました。これは、理研環境資源科学研究センター(篠崎一雄センター長)統合メタボロミクス研究グループ代謝システム研究チームの小山内崇客員研究員(JSTさきがけ専任研究者)、豊岡公徳上級研究員、平井優美チームリーダー、斉藤和季グループディレクターらの研究グループの成果です。

水素は二酸化炭素を排出しない再生可能エネルギーとして、広範な利用が期待されています。現在主流な水素製造法は、天然ガスや石炭を水蒸気と反応させる「水蒸気改質」ですが、資源の枯渇が問題とされており、それらを使用しない製造法が求められています。その中で、生物による水素生産が注目され、特に光をエネルギー源として水から水素を生産する能力を持つラン藻が盛んに研究されています。しかし、実用化にはラン藻の水素生産能力を高めることが必要です。

過去の知見から研究グループは、RNAポリメラーゼシグマ因子[1]の1つで、ラン藻の炭素とエネルギーのバランスを制御するタンパク質「SigE(シグイー)[2]」が、水素生産に関与する可能性を見いだしました。そして、遺伝子改変により細胞内でSigEのタンパク質量を増やすラン藻を作製、観察した結果、水素の生産量を2倍以上に増加させることに成功しました。また、SigEタンパク質の増加に伴って、光合成の活性が変化すること、細胞の直径が約1.6倍増大することなど、細胞にさまざまな変化が起こることも明らかになりました。

今回の成果は、藻類による水素生産の新しい基盤構築につながります。また、SigEはバイオプラスチックの生産を促進する因子でもあることが知られ、水素とバイオプラスチックの生産が同じ因子で制御されているという興味深い事実も明らかになりました。今後、ラン藻の水素生産メカニズムの理解を深め、光エネルギーを利用したさらなる水素やバイオプラスチックの増産へとつながることが期待できます。

本研究は、JST戦略的創造研究推進事業個人型研究さきがけ(藻類バイオエネルギー領域)の一環として行われ、英国の科学雑誌『The Plant Journal』のオンライン版(8月13日)に掲載されました。

背景

水素は、燃焼しても二酸化炭素を排出しないことから、化石燃料に替わる次世代のクリーンエネルギーとして期待されています。現在、主に使われている水素製造法は、天然ガスや石炭を水蒸気と反応させる「水蒸気改質」です。しかし、資源の枯渇問題、環境問題などから、太陽光などの自然エネルギーを利用した水素の生産が求められています。

近年、新しい水素製造法として生物を利用する研究が盛んに行われており、研究グループは、光合成をする微生物のラン藻に着目し研究しています。ラン藻は、光エネルギーを利用して嫌気発酵条件(低酸素・暗条件)で水素を生産しますが、実用化のためにはラン藻の水素生産能力を高めることが課題となります。そこで研究グループは、水素生産に関わる酵素「ヒドロゲナーゼ[3]」の量を増やすことで、ラン藻の水素生産能力を高める研究を進めました。研究には、ラン藻種の中で最も広く使われる「Synechocystis sp. PCC 6803(シネコシスティス[4])」を用いました。

研究手法と成果

研究グループのこれまでの研究により、ヒドロゲナーゼの転写を活性化する因子として「SigEタンパク質」が示唆されていました。SigEタンパク質は、RNAポリメラーゼシグマ因子の1つで、特に糖の分解やバイオプラスチックの生産に関与する遺伝子群の転写を制御することが知られています。そこで、遺伝子改変によりSigE過剰発現株(SigEタンパク質量が増加したラン藻)を作製し、嫌気発酵条件で24時間培養した後、蓄積した水素濃度をガスクロマトグラフィー[5]を用いて調べました(図1)。その結果、対照株(通常のラン藻株)の水素濃度が約0.7%であるのに対し、SigE過剰発現株では約1.5%であることが分かりました(図2)。このことから、細胞内のSigEタンパク質を増やすことにより、水素生産量が2倍以上に増加することが明らかになりました。

次に研究グループは、SigEタンパク質の増加がどのように影響して水素生産量の増加につながったのか検討しました。水素の生産は、光合成と密接な関係にあることから、SigEタンパク質の増加による光合成への影響を調べました。その結果、光が強い条件でSigEタンパク質を増やすと光合成の能力(酸素の発生量)が約2割低下することが分かりました。また、暗条件での呼吸活性(酸素の吸収量)も、約2割低下することが明らかになりました。後者は、呼吸で消費される電子の量が減ることを意味します。つまり、水素生産の増加の一因は、呼吸による電子の消費量の低下である可能性を示唆しています。

さらに細胞の形態を観察したところ、SigEタンパク質を増やした細胞の直径は、通常の細胞に比べると約1.6倍に増大していることが明らかになりました(図3)。現時点では、細胞のサイズの増大と水素生産の関係は明らかではありませんが、このようなさまざまな変化が起こるにも関わらず、SigE過剰発現株は通常のラン藻と同様に増殖しました。本研究のような、目的物質を生物により生産させる「代謝工学」では、遺伝子改変に伴って細胞の増殖が阻害されることがしばしば問題になります。今回のSigE過剰発現株では、水素生産、光合成、細胞の大きさといった多面的な変化が起こるにも関わらず、細胞の増殖には影響を与えないため、SigE過剰発現株を詳細に解析することにより、遺伝子改変に伴う増殖阻害の回避に新しい手法が見いだされる可能性もあります。

今後の期待

本成果により、SigEタンパク質を使ったヒドロゲナーゼの転写制御機構の人為的操作が、水素増産につながることが明らかになりました。今回の実験では、24時間の嫌気発酵条件で、水素濃度が約1.5%だったため、さらなる生産量の増加を目指した研究が必要です。実用化に向けては、低コストでのラン藻培養法や水素の回収、あるいは貯蔵方法など、多面的な技術開発が必要です。

また、光エネルギーを利用して水素生産を行っていることから、この水素生産法をさらに発展させることにより、低炭素でクリーンな水素エネルギー生産の基盤構築につながります。研究グループは過去に、SigEタンパク質がバイオプラスチックの生産を増大させることを報告)しています。本成果により、バイオプラスチックと水素の生産が同じ因子によってコントロールされているという興味深い事実も明らかになりました。本成果により、ラン藻の基礎研究を進めることで、有用物質の意外な生産方法が発見できることも示されました。

注)2013年7月16日プレスリリース

原論文情報

  • Takashi Osanai, Ayuko Kuwahara, Hiroko Iijima, Kiminori Toyooka, Mayuko Sato, Kan Tanaka, Masahiko Ikeuchi, Kazuki Saito, Masami Yokota Hirai.
    "Pleiotropic effect of sigE overexpression on cell morphology, photosynthesis, and hydrogen production in Synechocystis sp. PCC 6803.".
    The Plant Journal , 2013,doi: 0.1111/tpj.12310.

発表者

理化学研究所
環境資源科学研究センター 統合メタボロミクス研究グループ 代謝システム研究チーム
チームリーダー 平井 優美 (ひらい まさみ)
客員研究員 小山内 崇 (おさない たかし)

お問い合わせ先

環境資源科学研究推進室
  Tel: 048-467-9449 / Fax: 048-465-8048

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当
Tel: 048-467-9272 / Fax: 048-462-4715
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産業利用に関するお問い合わせ

理化学研究所 社会知創成事業 連携推進部
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補足説明

  1. RNAポリメラーゼシグマ因子
    DNAからRNAを合成するプロセスである「転写」を担うタンパク質。DNAと直接結合し、遺伝子の転写を選択的に開始する役割を担う。
  2. SigE(シグイー)
    ラン藻の一種であるシネコシスティスが有する9つのシグマ因子の内の1つ。糖代謝の制御因子であるほか、バイオプラスチックの生産にも関与する。
  3. ヒドロゲナーゼ
    水素分子H2の可逆的な酸化還元反応を触媒する酵素。2H+ + 2NAPDH ←→ H2 + 2NADP+の反応を担う。複数種のタンパク質から構成される酵素で酸素に感受性がある。
  4. シネコシスティス
    淡水性のラン藻。単細胞性の球菌で、直径が約1.5~2.5μm(マイクロメートル)。窒素固定を行わないラン藻である。ラン藻種の中で、最初に全ゲノム配列が決定された。相同組換えによる遺伝子改変が可能であることからモデルラン藻として広く研究されている。
  5. ガスクロマトグラフィー
    サンプルとそのサンプル表面あるいは内部を通過する物質(移動相)が気体からなる物質の分離・精製手法。水素の測定には、窒素やアルゴンなどの気体を移動相として用いる。水素の検出は、熱伝導度検出器(TCD)で行う。

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ラン藻培養→嫌気発酵→ガスクロマトグラフィーによる測定

図1 嫌気発酵条件でのラン藻培養

光と二酸化炭素をエネルギー源として24時間培養したラン藻を濃縮し、注射針で窒素ガスを導入して嫌気状態(無酸素状態)にした。注射針を抜いて密閉状態にした後、アルミホイルで巻いて暗条件にし、24時間培養し、蓄積した水素を測定した。

嫌気発酵条件で1日間培養した後の水素濃度の比較図。SigEタンパク質を増やすことにより、水素濃度が2倍以上に増加。

図2 SigEタンパク質量増加による水素増産

嫌気発酵条件で24時間培養した後、蓄積した水素濃度を測定した。その結果、対照株の水素濃度が約0.7%であるのに対し、SigE過剰発現株では約1.5%と2倍以上に増加した。

電子顕微鏡による観察と走査型プローブ顕微鏡による観察

図3 SigEタンパク質量増加による対照株(上)とSigE過剰発現株(下)の細胞の比較

電子顕微鏡(左)および走査型プローブ顕微鏡(右)で細胞を観察。SigEタンパク質が増加することにより、細胞の直径が1.6倍に増大した。

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