Journal of Environmental Biotechnology（環境バイオテクノロジー学会誌）
Vol. 9, No. 1, 17–24, 2009

総

説（特集）

アーミング技術によるメタルバイオテクノロジー：
レアメタル資源の選別回収への展開
Metal-Biotechnology with Arming Technology: Development of
Selective Recovery of Rare Metal Resources
植田充美 *，黒田浩一

MITSUYOSHI UEDA and KOUICHI KURODA
京都大学大学院農学研究科応用生命科学専攻生体高分子化学分野〒 606–8502 京都市左京区北白川追分町* TEL: 075–753–6110 FAX: 075–753–6112* E-mail: miueda@kais.kyoto-u.ac.jp
Laboratory of Biomacromolecular Chemistry, Division of Applied Life Sciences, Graduate School of Agriculture, Kyoto
University, Kitashirakawa-Oiwake-cho, Sakyo-ku, Kyoto 606–8502, Japan
キーワード：メタルバイオテクノロジー，アーミング技術，細胞表層工学，レアメタル，バイオアドソーベント
Key words: metal-biotechnology, arming technology, cell surface engineering, rare metal, bioadsorbent（原稿受付 2009 年 5 月 19 日／原稿受理 2009 年 6 月 15 日）

1.

はじめに

近年のハイテク産業では，レアメタル（レアアースを含む）を中心とした無機金属元素の活用が必須となってきているが，一方で，これまでにない環境汚染や希少資源の枯渇による産業の不安定化などが懸念され，日本が，科学技術立国として，また，自然と共生した安心安全な
持続社会構築をリードしていくためには，環境適合技術
によってグローバルで適正な金属元素マネジメントが求められている1)。
世界の文化や文明が変化していくときのその契機は，少なからずも，生活に密接する金属の革命や主要金属の交代によるところがあることは歴史がよく物語っている。石器・土器から青銅器の時代をすごしてきた世界各地域の古代文明は，現トルコに位置するヒッタイト民族の開拓した鉄器によって一変することになった。この鉄を支柱とする文明は，現在も延々と続いている。このような鉄や銅は，亜鉛やアルミニウムなどとともにベース
メタルと言われ，生活と密着した金属である。金や銀など古来からの宝飾品としての貴金属も一種の生活と関連した金属である。周期表でも周知のように，その後，多くの金属の発見により，それらと鉄との融和による文化・文明の進歩が進み，近年大きく注目されている希少資源レアメタル（31 種，レアアース 17 種）などは，我々の健康・経済あるいは国家間外交にまで関わってきている非常に重要な物質となってきている。レアメタルは自動車，液晶テレビ，携帯電話など様々なハイテク進化の時代への変化に必要不可欠な素材であり，レアメタルの安定供給は世界の科学技術の発展にとってもはや死活問

題ともなってきており，レアメタルパニックや新しい元素戦略など最優先資源課題がひたひたと押し寄せてきている2–6)。しかし，一方では，皮肉にも，現代社会では，重金属による環境汚染が深刻さを増してきており，環境や水資源の浄化が声高に世界を席巻している。日本では，
足尾銅山に始まり，水俣や神通川での重金属汚染事件を契機に，要求されている環境排水基準はますます厳しくなっており，環境浄化や水資源の確保の重要性が浸透してきている。
2.

元素資源をめぐる世界情勢

科学技術立国日本を支える資源としてのレアメタル
は，BRICs などの経済発展による需要の大きな増加と特殊な機能を有する電子機器の開発に伴う急激な需要の増加，さらに，それにともなう更なる先進市場の要求により，国際価格が数倍から十倍程度まで跳ね上がっており，
日本の備蓄金属も底をつくリスクがあるなどハイテク産業への影響は計り知れず，日本だけでなく，世界の現代
社会や未来社会のアキレス腱とも言われている。このよ
うな状況の中，レアメタル類を自然界から効率よく集める技術や，廃棄された製品や排水中などから効率よく回収してリサイクルできるような技術の確立が急務となっており，物理化学的な手法と比べてより安価で有効であることから，生物機能を有効に利用して浄化を行う「バイオレメディエーション」が大きな可能性を秘めた技術として注目を集めている。これは，世界の人口の増加に伴う食糧・エネルギー問題が進めば，レアメタル枯渇問
題は，そのすぐ延長上で表面化し，また，最も恐れられ

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植田，黒田

ている水問題とも連携する水質保全問題への解決の突破
口が従来の技術を革新するバイオテクノロジーに期待されているからである。
ところで，レアメタルとは，リチウム（Li），ベリリ
ウム（Be），ホウ素（B），チタン（Ti），バナジウム（V），
クロム（Cr），マンガン（Mn），コバルト（Co），ニッ
ケル（Ni），ガリウム（Ga），ゲルマニウム（Ge），セレン（Se），ルビジウム（Rb），ストロンチウム（Sr），ジ
ル コ ニ ウ ム（Zr）， ニ オ ブ（Nb）， モ リ ブ デ ン（Mo），
パラジウム（Pd），インジウム（In），アンチモン（Sb），
テルル（Te），セシウム（Cs），バリウム（Ba），ハフニ
ウム（Hf），タンタル（Ta），タングステン（W），レニ，ビスマス（Bi）
ウム（Re），白金（Pt），タリウム（Tl）と希土類（いわゆるレアアースで，すべてで 1 種として数える）の 31 種の総称である（図 1）。一方，レアアー
スとは，希土類元素 17 種で，スカンジウム（Sc），イットリウム（Y），ランタン（La），セリウム（Ce），プラセオジム（Pr），ネオジム（Nd），プロメチウム（Pm），
サマリウム（Sm），ユーロピウム（Eu），ガドリニウム（Gd），テルビウム（Tb），ジスプロシウム（Dy），ホルミウム（Ho），エルビウム（Er），ツリウム（Tm），イッ
テルビウム（Yb），ルテチウム（Lu）の総称で，レアメタルの範疇に入る。これらのレアメタルは，ベースメタ
ルに添加して，性能強化した構造材料を作成したり，電子・磁性材料などに代表される機能性材料の作成に必須の要素となっており，身近な電子機器には，すべて含まれているといっても過言ではない。さらに，高度な機能を欲して要求が過度にエスカレートしているのも現状である。レアアースについては，これらの化学的性質が互いによく似ており，同じ鉱石中に相伴って産出し，単独で分離することが難しい。そのため混合物であるミッシュメタルとして利用されることも多い。一つ一つの元
素の分離精製が特に難しく，精錬による濃縮に煩雑な操作とコストがかかるため，「レア」なのである。しかし，

永 久 磁 石 に は，Nd，Sm，Dy， 光 磁 気 デ イ ス ク に は，Tb，Dy，蛍光体には，Y，Ce，Eu，Tb，レーザーには，Y，Ho，Yb，光ファイバー増幅器には，Er，Tm，コン
デンサーには，Y，La，Nd，水素吸蔵合金には，La が必須の元素となっている。レアメタルも含めて，これらは，鉱業において，銅，亜鉛，鉛などの主産物の副産物として産出されるものも多く，経済性から，混合物のま
ま，野積み放置されているのが現状でもある。
こういう現況のもと，世界の人口は増加の一途をたどっており，人口増加問題と食糧不足問題は一体化しており，さらに，発展の著しい新興国も含めたエネルギー
問題も地球温暖化問題と連帯化してきている。この問題のさらなるステージは資源，特に，鉱物資源の争奪問題となることは，世界的，あるいは，地球的規模で流布され始めている。レアメタルに関しては，日本では，海外からの供給が困難になった場合に備えて，Ni（23.3 日分備蓄），Cr（30.4 日分備蓄），W（21.2 日分備蓄），Mo（21.0
日分備蓄），Co（24.2 日分備蓄），Mn（31.8 日分備蓄），V（21.4 日分備蓄）の 7 種類が国家備蓄されてきている（ちなみに，石油は，91.0 日分備蓄）。しかし，アフリカ諸国，
中央アジアや南米諸国など政情不安定な国への偏在性が高く，価格は世界情勢に大きく影響されるなど，日本の経済活動において重要であるにも関わらず，その供給構造は極めて脆弱で輸入に完全依存している。そこで，安定供給のために，電子機器などの加工品を再生資源とするリサイクル技術が非常に重要な課題となってきている。
3.

都市鉱山：新しい鉱脈の魅力

リサイクル技術の対象である都市ごみとして大量に投棄・廃棄される家電製品を再生資源とみなす「都市鉱山」という概念は，1980 年代に，東北大学の南條道夫教授
によって提唱された。国内に蓄積されリサイクルの対象となる金属の量として「都市鉱山」を算定すると，日本

図 1．レアメタル・レアアースを区別した周期表

メタルバイオテクノロジー

は世界有数の資源大国に匹敵するとも言われている。都
市鉱山は天然鉱山よりも金属含有量が非常に高いという
リサイクルからみれば，大きな利点をもつ。金は 6800
トンと算出され，世界の天然埋蔵量の 16％に相当し，同じく 22％に相当する 6 万トンと算出される銀とともに世界のトップの資源量となる。これから需給不足が懸念されているインジウムは 61％，1700 トンが埋蔵されており，全世界の消費量の 4 年分を保有していることになる。電気自動車の電池材料として期待されているリチ
ウムも世界消費の 7 年分，排ガス除去触媒に重要なプラ
チナは 5 年分が埋蔵されている計算結果が報告されている。このように，レアメタルでは，世界トップの資源大国として，垂れ流しで無駄に使い放置するのではなく，リサイクルの重要性が認識されねばならない．
4. メタルバイオテクノロジー：
日本発信の新しい環境バイオテクノロジー
都市鉱山として世界トップの高濃度鉱脈を有するわが国としては，レアメタルを自然界から効率よく集める技
術だけでなく，廃棄された製品，排水中などから効率よ
く分離・選択的回収する技術を開発することが非常に重要な課題であるため，従来の技術では，特に手に負えな
い点，すなわち，濃縮回収と選択特異的な個別回収に，
新しい革新的な技術，微生物を吸着剤とする「バイオアドソーベント」の開発への期待が大きい。
生物は環境中の金属濃度に関わらず生体内の金属濃度をある一定の範囲に留めておくシステムを備えている。
このシステムの中で，金属イオンを認識して情報伝達を行ったり，無毒な形に封じ込めたりするタンパク質が働いており，バイオアドソープションではこのような生物の金属認識・結合能を用いるのである。また，微生物と金属イオンとのかかわりの中でも，吸着という相互作用に着目すると，（1）細胞表層における吸着と（2）細胞内に取り込まれた後の細胞内タンパク質への吸着（細胞内への蓄積）の 2 つの吸着が行われており，バイオアド
ソーベントの開発では細胞内への蓄積を強化する試みがなされてきた。ところが，吸着した後の金属イオンの回収を考えると，細胞を破砕しなければならず困難を伴う。一方，細胞表層における吸着は，吸着に要する時間も短く，回収の際にも細胞を破砕する必要が無いため，
1 度吸着に用いた細胞も再利用して吸着に用いることも可能であると考えられる。バイオ技術は従来の細胞内に金属イオンをより多くため込ませようとする試みが中心となっており，細胞内に蓄積させた重金属イオンをどのように取り出して有効利用していくかという，限りある
資源のリサイクルも考えていく必要が今後課題になってくる。そのため近年，細胞表層で吸着させようとする考え方が急速に広まるとともに，生物の細胞表層デザインを可能にしたアーミング技術（細胞表層工学技術）が確立されてきたことによって7–10)，バイオレメディエーショ
ンの新技術として細胞表層をデザインした新しいバイオ
アドソーベントが開発されつつある。細胞表層を使った新しい金属イオン吸着システムは，有害重金属の吸着・回収だけでなく，
レアメタルの回収にも威力を発揮し，「メ
タルバイオテクノロジー」隆起の発火点となり，未来型

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社会の先導的バイオ技術として期待されてきている1,11–13)。
5.

新たな金属吸着に向けたバイオ・アーミング技術（細胞表層工学）

細胞表層で吸着を行うという考え方に基づき，細胞表層での金属吸着能を強化あるいは新たに付与することができれば，これまでにない新たなバイオアドソーベントの創製が可能になると考えられる。このようなストラテ
ジーを実現させる技術はこれまで存在せず事実上困難であったが，近年，細胞表層に様々な機能性タンパク質・ペプチドをアンカリングさせることによって集積提示（分子ディスプレイ）を行い，細胞表層をデザインする「細胞表層工学」という新しいバイオ技術の確立によって実現可能となった7–10)。実際，細胞表層工学技術によって，
これまでにない新たな機能を付与したアーミング細胞が作製されてきている。この技術において，細胞表層に局在するタンパク質の分子情報を基に，これを提示させる
目的のタンパク質に融合させることによって，細胞表層への集積提示を行う。我々の開発してきた酵母ディスプ
レイ法では，酵母が元来持っている α-アグルチニンと呼ばれる性凝集に関わる細胞表層タンパク質の N 末端の分泌シグナルと C 末端の GPI アンカー付着シグナルを含む細胞壁アンカリングドメインを用いることによって，細胞表層提示に成功している。そこで，水圏中から金属イオンを吸着・回収リサイクルするための細胞表層デザインとして，金属イオン吸着能をもったタンパク質
やペプチドの細胞表層提示を行い，様々な金属イオンを
細胞表層上で吸着・回収することのできるバイオアド
ソーベントの分子育種が行われた14–17)（図 2）。細胞表層工学によるバイオアドソーベントの創製では，微生物を金属イオン吸着分子の生産者としてだけではなく吸着分子の担体として用いることによって，吸着分子の生産と担体への結合という二段階のプロセスを同時に行うことができる。しかも，微生物を培養するという簡便な操作だけでこれを自動的に行うことが可能である。したがって，一晩培養するだけで大量のバイオアドソーベントを用意することができ，これをそのまま金属イオン吸着に利用することができるのである。ここで，用いている酵
母は真核微生物であるため，タンパク質の品質管理機構を備えており，遺伝子配列が分かっている全ての金属イ
オン吸着タンパク質・ペプチドを細胞表層提示させることができるといった大きな利点をもつ。そのため，様々な種類の金属イオンに対するバイオアドソーベントの創製が期待できる。
2 価重金属イオンを吸着することのできるモデルペプ
チドとしてヒスチジン 6 量体（His）6 を，さらにそのモデルタンパク質として酵母由来のメタロチオネインをアーミング技術により細胞表層に提示に成功した14–17)。
生物にとって，金属は必須なものと非必須なものの 2 つに大別されるが，必須金属元素であっても過剰量を取り込むと毒性を示すようになる。そこで生物は生育に必要な必須金属元素を積極的に取り込むとともに，有害金属
元素や過剰に取り込んでしまった必須金属元素を細胞内タンパク質でキレートすることによって無毒化したり，必要時に備えて細胞内に貯蔵するといった，細胞内の金

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植田，黒田

属濃度をある一定範囲に保とうとする機構を有している。そのため，生物は様々な金属を認識・吸着するタン
パク質を生産しており，このようなタンパク質のもつ金属認識・吸着能を利用することが可能である。メタロチ
オネインもこのような細胞内金属イオンの恒常性維持において働くタンパク質の 1 つである。目的タンパク質のN 末端に分泌シグナル，C 末端に α-アグルチニンの細胞壁アンカリングドメインを融合させた形で発現させ，抗体を用いた蛍光染色によってその細胞表層提示を視覚的に確認することができる（図 3）。このようにして構

図 2．酵母における金属イオン吸着タンパク質の細胞表層提示メカニズム（アーミング技術）

図 3．（His）6 やメタロチオネイン提示酵母による細胞表層での金属イオン吸着・回収例

メタルバイオテクノロジー

築した細胞表層提示酵母を用いて実際に金属イオンの吸着を行い，キレート剤 EDTA によって細胞表層から金属イオンを脱着・回収したところ，（His）6 提示酵母では
銅，ニッケルイオンの吸着・回収能が増大した。また，
メタロチオネイン提示酵母ではカドミウムイオン吸着・回収能の増大が見られた。さらに，細胞表層での金属イオン吸着能を細胞に与えることによって，野生型では生育できない濃度の銅イオン含有培地においても生育可能であるという興味深い知見が得られ，細胞への耐性付与という点においても細胞表層デザインによる細胞表層の改良が有効なストラテジーの 1 つであると言える。以上の結果から，酵母の細胞表層デザインによる金属イオンの吸着・回収システム構築の可能性が示された（図 4）。
有害重金属をターゲットとした細胞表層での吸着・回収システムは，レアメタルのような産業上価値の高い金属に対しても効果的であり，資源回収という意味で有用なレアメタル回収酵母の創製も可能であると考えられる。レアメタルの 1 つである，モリブデンをターゲットとしたバイオアドソーベントの創製を試みた11–13)。生体内のモリブデン吸着分子として，ヒトや植物をはじめ様々な生体分子中にモリブデンを補因子として機能する
モリブデン結合型タンパク質が存在するため，これらのタンパク質のもつモリブデン認識・結合能力に着目した。
大腸菌において外界中のモリブデンを取り込むためのト
ランスポーターの発現を制御する転写因子として ModEというタンパク質が存在しており，このタンパク質のモ
リブデン酸イオン（MoO42–）結合能を利用した。α-アグルチニンによる酵母ディスプレイ法によって ModE
タンパク質の細胞表層提示を行い，実際に水圏中のモリブデンの吸着を試みた。100 μM の MoO42– 水溶液に構築した酵母を添加したところ，野生型と比べて吸着量の増大が見られた。また，吸着時の pH を 7.8 から 10 に変化させると吸着量が大きく低下したため，細胞表層にて吸着したモリブデンを脱着・回収する簡便な化学的処理として，pH 変化が有効な処理法の 1 つとして期待できた。したがって，酵母の細胞表層デザインによる吸着・21

回収システムはレアメタルなどの有用金属資源の回収においても利用可能であることが分かった12,13)。
6.

多種多様なレアメタル・レアアースへの対応技術：
革新的バイオ素子創製基盤技術の展開

特異的かつ選択的に回収するバイオ素子としてのタン
パク質の素材の魅力はその改変の柔軟性にある。ゲノム
情報をタンパク質に変換する系（発現系）としては，おもに細胞内系と細胞外分泌系の二つが使われている。細
胞内発現の場合，発現産物であるタンパク質を細胞内に蓄積させると，細胞毒性を示したり不活性な封入体（凝集体）となることがある。封入体になってしまった場合には，立体構造の再生（リフォールディング）の操作が必要となる。一方，細胞外に分泌生産させた場合，濃縮操作の際に，タンパク質分解酵素を阻害する必要がある。
このように，どちらの発現系においても回収効率の低下が問題となるため，魅力あるバイオ素子としてのタン
パク質を網羅的に，最少量，かつ迅速に（ハイスループッ
トともよばれる）選択して作り出すとともに，改変できる技術が待望視されてきた。導入した DNA から発現した個々のタンパク質を，細胞表層や細胞膜上に安定な形で提示（分子ディスプレイ）できるアーミング技術を使えば，活性を保持したまま保存したり，必要に応じて増幅できるようになり，細胞表層で機能解析が格段に容易となる。さらに，PCR（遺伝子増幅）法などの併用により，導入された DNA の配列から分子ディスプレイされたタンパク質のアミノ酸配列が決定できるというメリットもある。この分子ディスプレイ法を駆使して，新しく，
簡易，迅速，しかも，多くの組み合わせの（コンビナトリアル）分子ライブラリーから適合するものをシステマ
ティックに選択して解析する研究領域は，「コンビナト
リアル・バイオエンジニアリング」と呼ばれ7–10)，いわゆる「コンビナトリアルケミストリー」とは違って，増産できる生細胞や酵素反応を「分子ツール」として利用
し，目的の分子を得るのである。すなわち，簡易で迅速

図 4．細胞表層での吸着を利用した金属イオン吸着・回収システム

22

植田，黒田

図 5．コンビナトリアルバイオエンジニアリングによる多様なレアメタル種に対応する新しいタンパク質分子の創製に多くの組み合わせの（コンビナトリアル）タンパク質分子ライブラリーが調製され，ハイスループットに目的のタンパク質を，ここでは，個々の金属イオンを識別して捕捉できるタンパク質分子を選択して獲得できる18)。
中核をなすアーミング技術によって，これまで様々な機能性タンパク質を細胞表層にディスプレイすることが可能になり，これまでにない各種金属イオンに特異的な吸着機能を付与したタンパク質分子をディスプレイした
アーミング細胞が作製されている。細胞表層に局在するタンパク質の分子情報を基にし，金属イオン吸着・回収のための細胞表層デザインとして，金属イオン吸着タン
パク質やペプチドをディスプレイすることによって様々な金属イオンを細胞表層上で吸着・回収することのできるバイオアドソーベントの多種多様な分子育種が可能になってきている。
7.

アーミング技術による未来型環境適合レアメタル
資源リサイクルシステムの展望

真核細胞である酵母を用いることで，活性のあるタン
パク質がディスプレイできる。このシステムと，マイクロウエル（チャンバー）アレイチップなどのマイクロや
ナノテクノロジーとの組み合わせたプロテインライブラ
リーの作製と，それを用いたハイスループットシステムの構築が急速に進んでいる19,20)。全くランダムなライブ
ラリーのスクリーニングによって，これまで世の中に存在しなかった新しい個別レアメタル標的吸着タンパク質
分子を創造することも可能になった（図 5）。
実際にアーミング酵母を利用して金属イオンの吸着・回収を行う際，水圏中に目的の金属以外の様々な金属が混合している。そのため，目的の金属のみを特異的に吸着することが重要な課題である。アーミング技術を基盤技術とすると，細胞表層デザインによりバイオアドソー
ベントの分子育種が自在に可能となり，金属イオン吸着
タンパク質を改変して金属特異性を変えたり，特異的吸着を持ったペプチドやタンパク質を新たに創製し，これをディスプレイすることによって特異的吸着を示すバイ
オアドソーベントの分子育種が可能である。また，変異を導入したタンパク質がディスプレイされた細胞を 1 つの支持体として，タンパク質の精製・濃縮操作を必要とすることなく，ディスプレイされた変異タンパク質の選
択的金属結合機能解析を行うことができる革新的分子ツールでもあるので，金属イオン吸着タンパク質の設計
改変とバイオアドソーベントの分子育種が同時に達成できるのである（図 6）。そこで，金属イオン吸着タンパ
ク質の金属イオン認識に関わる領域にコンビナトリアル
な変異を導入したタンパク質ライブラリーや，全くランダムなアミノ酸配列を持ったランダムペプチドライブラリーを構築し，これを酵母にディスプレイした酵母ライ
ブラリーから特異性を示すものを選抜することによって，今後新しい分子とバイオアドソーベントの創製が期待される。
このように，多様なレアメタルやレアアースに対して，
アーミング技術の柔軟性はゲノムには存在しない，それぞれのレアメタルやレアアースに選択的に対応する新しいタンパク質分子素子の創製も可能であると考えられ，今後，分子認識システムの基礎解析と更に実用的で魅力的な未来型環境適合資源リサイクルバイオシステム（図メタルバイオテクノロジー

23

図 6．新しいレアメタル識別機能をもった改変タンパク質分子素子の創製

図 7．アーミング技術によるレアメタル選択リサイクルシステム

7）がアーミング技術を基に発展していくことが期待さ
れる。
文

献

1) 植 田 充 美， 池 道 彦（ 監 修 ）， 吉 田 和 哉（ 名 誉 監 修 ）．
2009．メタルバイオテクノロジーによる環境保全と資源回収―新元素戦略の新しいキーテクノロジー．シーエムシー
出版．
2) 植田充美，黒田浩一．2008．アーミング技術による細胞表層デザインの展開―環境浄化からレアメタル・レアアース
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6) 植 田 充 美．NHK 教 育 TV（ETV）， サ イ エ ン ス ゼ ロ（2008/03/15 放映）第 201 回「都市鉱山を生物パワーで掘りおこせ」出演解説
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オテクノロジ−のフロンテイア：コンビナトリアル・バイ
オエンジニアリング．未来材料．4: 44–50.

24

植田，黒田

8) 植田充美．2004．コンビナトリアル・バイオエンジニアリ
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9) 植田充美．2003．ナノバイオテクノロジーの最前線．シー
エムシー出版．
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ング．化学フロンティア 第 9 巻 化学同人．
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