プレスリリース
(研究成果) バイオものづくりを効率化する機能性シルクを開発

近年、持続可能な社会の実現に向けて、環境に配慮したものづくりへの転換が強く求められています。中でも、特定の化学反応を効率よく進めることができる酵素は、従来の化学合成で必要とされてきた高温・高圧・強酸・有機溶媒などを用いずに反応を進められることから、環境負荷の低い生産技術として注目されています。

酵素は、医薬品合成、食品加工(甘味料・発酵製品)、バイオ燃料の生産など、すでに産業規模で広く利用されていますが、高価であることに加え、水や溶液中に溶けた状態で使用されるため、反応後に生成物とともに流出してしまい、回収や再利用が難しいという課題がありました。このため、酵素を担体に固定して繰り返し利用する「固定化酵素技術」が開発され、産業利用されてきました。しかし、従来の固定化酵素技術では、酵素が担体表面へランダムに結合することが多く、酵素の配向や分子間距離を精密に制御することは容易ではありませんでした。そのため、複数酵素を効率的に連携させる反応系の構築や、酵素本来の活性を最大限に引き出す設計には限界がありました。また、担体には合成ポリマー(プラスチック素材)が利用されていますが、近年では脱石油や持続可能材料への関心の高まりを背景に、天然由来材料を活用した固定化基材にも関心が高まっています。

そこで農研機構は、酵素の担体として天然素材であるシルクに着目し、酵素を単に固定するのではなく、「設計通りに配置できる」新たなシルク素材の開発に取り組みました(図1)。

本研究では、特定のアミノ酸配列を付加した酵素だけを、シルク上の特定の場所に選択的に固定できる機能性シルク「スキャフォルディンシルク」を開発しました。本技術は、セルロースを分解する細菌が自然界で進化させた「酵素をつなぎ留めて協調的に働かせる仕組み」を、まったく異なる生物であるカイコのシルク上に再構成するという、異分野・異生物を横断した発想から生まれたものです。

この発想のもとになったのが、セルロースを分解する細菌が持つ「酵素複合体(セルロソーム)」です。セルロソームでは、足場構造に複数の酵素が配置され、効率よくセルロースを分解しています。この中の「コヒーシン⁸⁾」と呼ばれる部位に、「ドッカリン⁸⁾」という特定のアミノ酸配列を持つ酵素が選択的に結合します。本研究では、このコヒーシンとドッカリンの特異的な相互作用を利用し、酵素を固定する仕組みをシルク上に再現しました。

はじめに、異なる2種類のセルロース分解細菌(Acetivibrio thermocellusと Clostridium cellulovorans)に由来するコヒーシンを組み合わせ、3種類の酵素を選択的に固定できる新たな足場構造を設計しました。次に、この足場構造とシルク繊維タンパク質であるフィブロインを融合した遺伝子を作製し、これをカイコに導入して、足場構造を持つ機能性シルク「スキャフォルディンシルク」を産生する遺伝子組換えカイコを作製しました(図2)。

この組換えカイコが産生する機能性シルクについて、3つのコヒーシンのうち、A. thermocellus 由来のコヒーシンIに対応するドッカリンIを融合したセルロース分解酵素を用いて検証を行いました。ドッカリンI融合セルロース分解酵素を大腸菌で合成し、これを機能性シルクに添加したところ、機能性シルク上で触媒機能を示すことが確認できました(図3)。

従来の酵素融合型シルクでは、酵素とシルクタンパク質を融合した遺伝子をカイコに導入し、両者が一体となったタンパク質として生産させる方法が用いられてきました。しかしこの方法では、熱に弱い酵素の失活を避ける必要があり、シルクの加工に必要な加熱処理を十分に行うことができず、成形や繊維化の自由度が低いという課題がありました。また、加工工程を制限せざるを得ないことから、不要なタンパク質が残存し、非特異的な吸着を引き起こすという問題もありました。

今回開発した機能性シルクでは、シルクを加工した後に酵素を固定する仕組みを採用しています。足場構造は約60°Cまで安定して機能するため、加熱処理を含む加工工程を経た後でも、目的の酵素だけをシルク上に安定して固定することが可能です。これにより、従来法と比べて加工の自由度が大きく向上するとともに、不要なタンパク質の吸着を抑えつつ、目的の酵素のみを安定して利用できるシルク材料を実現しました。

酵素を用いた工業的な物質生産において、複数の酵素反応を連続的に行う反応系の構築は、工程全体の効率化を図る上で有効とされています。まるで工場のオートメーション化された組立ラインのように、各酵素を特定の順序で配置し、中間体を次工程へダイレクトに受け渡す仕組みを構築することで、中間体の拡散によるロスや副反応を最小限に抑えることが可能になると考えられます。

今回開発したスキャフォルディンシルクは、異なる3種類のドッカリンを付加した酵素を、それぞれに対応するコヒーシンに選択的に固定できる足場構造を備えています。今後は、残る固定化部位への酵素導入を進めるとともに、複数の酵素を反応の順序に従って配置し、段階的に反応が進む仕組みの構築に取り組みます。

また、カイコは本来、タンパク質を可溶化⁹⁾した状態で合成できる特性を持っており、複雑なタンパク質構造の導入に適しています。この特性を活用することで、本研究で導入した足場構造にとどまらず、他の機能性タンパク質構造をシルクに組み込むことも可能になります。こうした展開を通じて、遺伝子組換えシルクの新たな用途開発や利用拡大につながることを期待しています。