分子レベル制御による細胞膜タンパク質の生体電子移動過程高速化の研究

通过分子水平调控加速细胞膜蛋白生物电子传递过程的研究

基本信息

批准号：
09J08864
负责人：
岡本章玄
金额：
$ 1.79万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2011
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究課題の目的である、生体電子移動の高速化へ向けて、鉄還元細菌Shewanellaをモデル細胞として用い、その細胞外電子移動をその場観察するための分光、ならびに電気化学的手法の開拓を行った。これまでにも、微生物の界面電子移動機構については、精製タンパク質や遺伝子解析を用いた研究が盛んに行われている。一方で、in-vivo条件下において細胞膜上で機能するタンパク質の働きを直接捉えることは実験的に大きな困難を伴うため、多くの点でその機構は未解明のままであり、報告されている電子移動機構の多くは、推測の域を出ないものになっていた。以上の観点から、本研究員は微生物アノード電流密度の向上を目的として、該当分野のモデル微生物である鉄還元細菌Shewanellaを研究対象に、生体電気化学、ならびに分光学的手法の開拓を行うことで、in-vivo電子移動機構にこれまで3年間迫ってきた。その中で、in-vivo電子移動追跡法を開拓し、世界で初めて膜タンパク質の電気化学シグナルの帰属をタンパク質レベルで決定し、EET追跡法の確立を行った。これらの成果は総説執筆の依頼を受け、書籍Recent Trend in Electrochemical Science and Technologyの中の一章として掲載されている。本年度、これまでに開拓したin-vivo電子移動追跡法を基に本研究員は鉄還元細菌Shewanella自己分泌物であるフラビンのEETにおける役割を検討した。フラビン分子によってEETが10倍程度直ちに高速化することが既報において実験的に確かめられており、微生物と電極の間をフラビン分子が電子メディエーターとして拡散・往復する「シャトリングモデル」がそのEET高速化機構として考えられていた。しかし、この高速化モデルには膜タンパク質からフラビンへの間に大きなエネルギー障壁があり、電子移動が熱力学的にほとんど進まないという決定的な矛盾があった。そこで、本研究員がフラビン分子と膜タンパク質の相互作用に関して、in-vivo電気化学の手法を用いることで詳細に調べたところ、膜タンパク質のひとつMtrCとフラビン分子が特異的に相互作用していること、さらにそのMtrCと相互作用しているフラビン分子の量が微生物代謝電流値と正比例の関係にあることを実験的に確かめた。さらにこのような膜シトクロムとフラビン分子の相互作用は、既存のフラビン結合サイトを持っていない膜タンパク質を持つ他微生物においても普遍的な現象であることがその後の実験から明らかになっており、新たなフラビン分子結合サイトの発見に繋がる、生化学の分野において極めて学術的意義の高い成果となることが期待される。本研究員はこの他にも、微生物が集団内で長距離の電子移動過程を媒介する機構にin-vivo電子移動追跡法を基に迫り、微生物燃料電池など実用的な分野へ貢献する成果を世界的学術雑誌であるBioelectrochemistryにおいて発表した。また、EET機構の成果を基に鉄パイプライン防蝕技術の共同開発をJX日鉱日石エネルギー株式会社と行っている。

为了加快生物电子转移的速度，我们使用了还原的细菌Shewanella作为模型细胞，并开发了光谱和电化学方法，以观察其原位的细胞外电子转移。以前，使用纯化的蛋白质和遗传分析对微生物的界面电子转移机制进行了积极研究。另一方面，直接捕获在体内条件下在细胞膜上起作用的蛋白质的功能在实验上非常困难，并且在许多方面，机制尚不清楚，并且许多报道的电子传递机制变得不太奇怪。 From the above perspective, the researcher has been working to develop bioelectrochemical and spectroscopic methods with the aim of improving the microbial anode current density, and has been working on the iron-reducing bacteria Shewanella, a model microorganism in the relevant field, as a researcher, and has been working on bioelectrochemical and spectroscopic methods to improve the microbial anode current density.其中，我们已经开发了一种体内电子传递方法，并且在世界上首次确定了蛋白质水平上膜蛋白的电化学信号的分配，并建立了一种EET跟踪方法。这些结果被委托撰写评论，并作为电化学科学技术最近趋势的一章发表。今年，基于到目前为止开发的体内电子传递方法，研究人员研究了EET中还原铁细菌的自分泌的作用。过去已经通过实验证实，黄素分子可以加快Eets的速度约10倍，而“抚摸环模型”在该模型中，黄素分子分散并在微生物和电极之间作为电子媒介物在电子介体之间进行回报，这被认为是加速Eets的机制。然而，这种加速模型具有关键的矛盾，即膜蛋白与电子转移之间存在很大的能屏障。 Therefore, when we investigated the interaction between flavin molecules and membrane proteins in detail using in-vivo electrochemistry methods, we experimentally confirmed that one of the membrane proteins, MtrC and the flavin molecule interacts specifically, and that the amount of flavin molecule interacting with MtrC is directly proportional to the microbial metabolic current value.此外，随后的实验表明，即使在其他没有现有黄素结合位点的微生物中，膜细胞色素和黄素分子之间的相互作用也是一种普遍现象，即使在Bio Chemistion of Discovery of Discovie of Discovie of Discovie of Discovie of Discovie则是极为学术的。除此之外，研究人员还介绍了体内电子转移的结果，在微生物中介导组内的远程电子传递过程的机制，并为世界学术期刊的微生物燃料电池等实用领域做出了贡献。此外，根据EET组织的结果，JX Nippon Oil and Energy Co.，Ltd。正在共同开发铁管道腐蚀技术。