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従来の波長領域とは異なる
光エネルギーが吸収可能な
バクテリオクロロフィル
久留米大学
医学部 医化学講座
講師 原田 二朗
教授 野口 正人 (現帝京大学教授)
立命館大学大学院 生命科学研究科
教授 民秋 均
1
本新技術の着想背景
緑色イオウ細菌がもつ光捕集アンテナ系クロロ
ソームは、光合成生物の中で最も光エネルギー
吸収効率が高く、簡便に生物体から抽出するこ
とが可能である。
本新技術は、これを利用した
①クリーンなエネルギー獲得技術としての応用
②光増感剤として医療分野への応用
が期待される。
2
背景１：緑色硫黄細菌が形成する巨大なアンテナ系クロロソーム
h
BChl: バクテリオクロロフィル
O
O
N
N
Mg
N
N
Mg
N
N
N
O H
X
クロロソーム
O H
X
N
O
N
N
Mg
N
N
X
BChl c, d, e の
色素の自己会合体
(色素分子: 1.4～2.1 x
O
N
N
O
N
N
Mg
N
N
N
O H
O H
O
N
X
X
O H
Mg
N
N
Mg
X
105)
N
N
O
N
N
Mg
N
N
X
O H
O H
ベースプレートタンパク(CsmA)
Cytoplasm
反応中心
n
緑色硫黄細菌の細胞
FMO
Periplasm
BChl a
緑色硫黄細菌の光合成器官の模式図
※緑色硫黄細菌はチャンピオン級の光エネルギー吸収システム、クロロソームをもつ!!
3
背景２：クロロソームの応用への期待
クロロソーム内の色素分子種
(1.4～2.1 x 105/クロロソーム)
緑色光合成細菌の細胞
脂質一重膜
クロロソーム
N
N
N
Mg
O H
O H
X
O
N
N
Mg
OH
R1
N
N
BChl c
Mg
750 nm
植物(ほうれん草)
の 約 10 倍 量 の 色
素が抽出可能
N
N
Mg
N
N
X
N
1
N
N
R2
O
O
最長吸収波長
(Qy帯)
3
O
N
O
N
N
Mg
N
N
N
N
Mg
N
N
O H
X
N
O H
X
O H
X
O
N
N
色素の自己会合体
Mg
O
N
N
O
O
farnesyl
3
1
O H
O H
OH
R1
N
N
Mg
N
N
X
X
O
N
735 nm
N
BChl d
Mg
N
N
R2
再構成
O
N
Mg
N
O
分解
O
N
O
farnesyl
3
1
OH
O
H
N
O
OH
X
N
N
N
N
X
Mg
R1
N
N
OH
X
O
Mg
N
N
720 nm
N
BChl e
Mg
N
N
N
OH
細胞から簡便に単離でき、分解
と再構成を繰り返し行える。
R2
O
O
O
farnesyl
4
従来技術とその問題点
応用価値の高いクロロソームの研究において、細菌を用いた分子
生物学的手法は有効である。
しかし、これまでに緑色イオウ細菌において、遺伝子改変法が安
定して行える菌種が乏しく、クロロソームの分子生物学的研究によ
る知見が乏しかった。
これまでの緑色イオウ細菌を用いた
エネルギーまたは医療分野への応用には限界があった。
問題点
①クリーンなエネルギー獲得技術としての応用
⇒従来の緑色イオウ細菌では、光エネルギーの吸収帯に限りがあり、
太陽光利用の最も適した波長の吸収効率が悪い。
②光増感剤として医療分野への応用
⇒従来の緑色イオウ細菌由来の色素化合物の利用を検討した場合、
多段階の修飾反応により、水溶性を持たせる必要があり煩雑である。
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従来の緑色イオウ細菌の利用の問題点
① BChl cを持つ緑色
イオウ細菌でのみ遺
伝子改変法が可能。
700 nm付近の太陽光
の吸収が理想。
3
1
OH
R1
N
N
深い
BChl c
Mg
N
水生圏内での
生息深度
N
R2
O
O
O
farnesyl
3
1
750 nm
OH
R1
N
N
BChl d
Mg
② 脂溶性であるため
血中に溶けず、光増
感剤として利用するた
めには煩雑な修飾反
応を必要とする。
N
N
R2
O
O
735 nm
O
farnesyl
3
1
OH
O
H
R1
N
N
BChl e
Mg
N
N
光エネルギー吸収
効率の高いBChl e
を利用したい。
R2
O
O
O
farnesyl
720 nm
もっと深い
6
新技術の特徴・従来技術との比較
• 本技術では、緑色イオウ細菌で新たに形質転換が可能となった
Chlorobaculum limnaeum RK-j-1株を単離した。
• これまではクロロソーム内色素としてバクテリオクロロフィル(BChl)
cをもつ細菌のみ形質転換が可能であったが、本株はそれよりも
効率の高いBChl eをもち、その遺伝子改変による研究が可能と
なった。
本技術による緑色イオウ細菌を用いることで
エネルギーまたは医療分野への応用が可能である！！
①クリーンなエネルギー獲得技術としての応用
⇒遺伝子改変によって、太陽光利用の最も適した波長(700 nm)に吸収帯
を持つBChl f (705 nm)を合成する変異体が作製できた。
②光増感剤として医療分野への応用
⇒遺伝子欠損体が、水溶性の色素を合成することを見出した。
7
緑色硫黄細菌Chlorobaculum (C.) limnaeum の遺伝子改変法の開発
C. limnaeum 1549株の継代培養
↓
コロニーの単離
↓
遺伝子改変法の検討
・自然形質転換法
・大腸菌を用いた接合遺伝子導入法
※凍結保存ができない
ため、液体培養にて菌
株を保持
約8年…
遺伝子改変法の適応が可能なRK-j-1株を単離
・従来の株よりも生育が早い
・従来の株よりも多くのコロニーを形成する
・凍結保存が可能
→ このRK-j-1株を用いて
bchU遺伝子欠損株の
作製を試みた。
8
緑色硫黄細菌C. limnaeumのbchU遺伝子欠損株の作製
C. limnaeumのgenome上のbchU遺伝子
PCRによる遺伝子破壊の確認
(アガロースゲル電気泳動)
M
aacC1
bchU
genome
(kbp)
500 bp
3.47
2.69
1
2
M: Marker
Lane1: wild type
Lane2: bchU mutant
1.88
1.49
0.93
→ bchU遺伝子の欠損が確認された
9
C. limnaeumのbchU遺伝子欠損株
3
1
OH
O
H
R1
N
CH 3
N
wild type
Mg
N
N
bchU
mutant
R2
O
O
O
farne syl
BChl e
BChl f
10
bchU遺伝子欠損株が形成するクロロソーム
抽出色素の可視吸収スペクトル測定
(monomer in EtO2)
449.6
bchU 欠損株の細胞の吸収スペクトル測定
wild type
458.4
bchU
mutant
450.2
633.2
508.2
645.8
719.0
523.8
704.8
M. Chen and R. E. Blankenship, Trends Plant Sci.,
16: 427-431.
※太陽光でフォトン(光子量)が最も多
e from wild type
いのは700BChl
nm付近であり、BChl
f-ク
BChl f from bchU mutant
ロロソームの吸収ピークと重なる。
wild type
bchU mutant
804.2
11
想定される用途
① クリーンなエネルギー獲得技術
多様な色素をもつクロロソームを用いた人工アンテ
ナ系デバイスの開発など。
② 光増感剤として医療分野への応用
癌治療における光増感剤としての開発や癌のマー
カーとしての利用など。
③ 新規色素材料の提供
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①クリーンなエネルギー獲得技術への応用
Light
O
O
N
N
Zn
N
N
N
N
O H
O H
R
N
Zn
N
O
NH
O
N
N
O
HN
Bacteriochlorin
N
O H
R
O H
N
O
Energy N N
N
N
Zn
R
migration
N
N
R
N
N
R
N
O
Zn
O
O
O
N
O
N
Zn
N
N
Zn
N
O
O H
N
Zn
N
N
N
O H
R
O H
Energy transfer R = CH CH CO Me
O
2
2
2
13
クロロソームを用いた色素増感太陽電池の開発
単離クロロソーム
O
O
N
N
Mg
N
N
N
O H
O H
X
N
N
X
Mg
N
N
ベースプレートタンパク: CsmA
• クロロソームの基底部を構成
• BChl aを結合
• 自己会合体色素のエネルギー
電子伝達受容体
N
N
X
N
O
Mg
O
O
N
N
Mg
N
N
BChl c, d, e, f の
色素の自己会合体
O H
X
O H
X
O H
N
N
Mg
N
N
O
N
N
X
Mg
N
N
O
N
N
Mg
N
N
X
O H
O H
ベースプレートタンパク
(CsmA)
BChl a
CsmAの構造
HisタグつきCsmA発現型変異体を作製
• クロロソームの単離の簡便化
• 板金上への固定化・組織化
HisHisHisHisHisHis
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クロロソームを用いた色素増感太陽電池の開発
光
クロロソーム
カソード
電流
HH
HH
HH
HH
HH
HH
HH
HH
HH
HH
HH
HH
Ni
Ni
Ni
Hisx6-CsmA
Ni
Ni-NTA
電子
Au電極
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②光増感剤として医療分野への応用
光線力学療法(PDT: Photodynamic Therapy)の光感受性物質の開発
PDTとは、生体内に光感受性物質（増感剤、主にポルフィリン関連化
合物）を投与し、標的となる生体組織（癌細胞）に集積させた後に、特
定の波長のレーザー光を照射することにより、レーザー光と光感受性
物質の光化学反応で生じる活性酸素によって、標的細胞を死に至らし
める治療である。肺癌、食道癌、胃癌、子宮頚癌、表在性上皮皮膚悪
性腫瘍の治療に実用化されている。
タラポルフィリンナトリウム
(レザフィリン)
合成: 植物から抽出され数段階の反応
過程により水溶性を持たせている。
16
②光増感剤として医療分野への応用
本新技術により作製し
た変異体は、生育過程
において水溶性の色素
を合成し、細胞外(培地
中)に放出する。
遠心
エーテル層
水層
BChl d
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実用化に向けた課題
① クリーンなエネルギー獲得技術
多様な色素をもつクロロソームを用いた人工
アンテナ系デバイスの開発。
☆板金上での固定化等、実用化に向けた実験はこれから。
② 光増感剤として医療分野への応用
癌治療における光増感剤としての開発および
癌のマーカーとしての利用。
☆動物実験を今後行っていく必要がある。
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企業への期待
• 太陽電池などのシステムの確立や電気、光セ
ンサーを用いた末端製品化に向けた共同開
発を希望。
• 医療分野において、色素関係のマーカー、バ
イオイメージングやライフサイエンス診断キッ
ト等を開発している企業との共同研究を希望。
• また、新規色素材料を開発中の企業、生物を
用いたエネルギー分野や医療分野への展開
を考えている企業には、本技術の導入が有効
と思われる。
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称：緑色硫黄細菌変異体およびバクテリオクロロ
フィル
• 出願番号：特願2012-028919, PCT出願2013-53295,
国際公開WO2013/122064
• 出願人：久留米大学、立命館大学
• 発明者：原田二朗、野口正人、民秋 均
• 発明の名称：緑色硫黄細菌変異株及びそれを用いたバクテ
リオクロロフィルc同族体の製造方法
• 出願番号：特願2012-260321
• 出願人：久留米大学、立命館大学
• 発明者：原田二朗、野口正人、民秋 均
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問い合わせ先
久留米大学 産学官連携戦略本部
担当者：井上 薫、松尾 綾、日下 千賀子
ＴＥＬ 0942 － 31 － 7916
ＦＡＸ 0942 － 31 － 7918
e-mail chikan＠kurume-u.ac.jp
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