2022年6⽉30⽇

第34シーズンサイエンスカフェ in 静岡

微⽣物の作るナノマシーン~セルラーゼとキチナーゼ~
静岡⼤学農学部 応⽤⽣命科学科
准教授 中村 彰彦

ナノマシーン
December 29th 1959 at the annual meeting of the American Physical Society

Richard Feynman
The Nobel Prize in Physics 1965

ナノってどのくらいの大きさ?

https://www.dnp.co.jp/media/detail/1188833_1563.html

1m
1 mm = 10-3 m
1 µm = 10-6 m
1 nm = 10-9 m
1 Å = 10-10 m

⾦原⼦ 約 3 Å

炭素原⼦ 約 1.5 Å

4つで1.2 nm

7つで1.05 nm

最先端人工ナノマシン

ナノカーレース

物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点チームが優勝

⾛査型トンネル顕微鏡

https://www.youtube.com/watch?v=2R_cTpaOn3U&t=929s

生体ナノマシン (= タンパク質) はすごいインスリン(PDB: 2HIU)
51アミノ酸
炭素 257窒素 65
酸素 76
硫⻩ 6⽔素 387

3 nm

https://www.dnp.co.jp/media/detail/1188833_1563.html

今までの研究内容例①セルロース分解酵素の構造機能相関解析②セルロース分解酵素の中性⼦/X線共構造解析(A. Nakamura et al. JACS 2014)(A. Nakamura Sci Adv. 2015)③キチン加⽔分解酵素の散乱1分⼦計測(A. Nakamura et al., Nat. Commun. 2018)④PET分解酵素の開発(A. Nakamura et al., ACS Catal. 2021)

炭素・エネルギー循環

Fungi炭素・エネルギー循環

脂質

タンパク質プロ
テ
アーゼ

でんぷんゼーラミアゼーパ
リ

セルロース

ヘミセルロース

リグニン

セヘル
ミ
ラ
セール
ゼラー
リグ
ゼ
ニン
分解
酵素

きのこはどうやって木を食べるか?

酵素って?
酵素 = 化学反応を触媒するタンパク質酵素の形によって反応する物質が決まる

酵素の形を知るには。。。

酵素生産

酵素結晶
X線構造解析

X線照射

X線結晶構造解析
X線回折斑点計測

KEK (つくば)

Spring-8 (兵庫) など

X線結晶構造解析
電⼦密度の解析と酵素モデルの作成

作る生物によって形が違う

カビ由来

キノコ
由来

カビ由来

キノコがつくる酵素とカビが作る酵素はちょっと形が異なっている

酵素分子の動き観察
カビ由来

高速AFM

キノコ由来

形が違うと分解の仕方も異なっている!

酵素分子の動き観察
結晶セルロース分解

カビ由来“うさぎとかめ” みたい?

キノコ由来

⼀つの分⼦は遅くても全体では速く分解するなぜ?

セルロース分解酵素は超格差社会溶けている基質

割合

平均

吸着
活性
不溶性基質

脱着割合

プ(分 ⼦ ロ セ
鎖を ッシブ
掴め
運動た酵
素のみ平均)

0活性

酵素１つの速さだけではなく、働いている酵素の数も重要働いている時間が重要
カビ由来

キノコ由来

カビ由来酵素の⽅が⼀度動き出したら⻑く働いてくれるので、全体としては⾼活性みんなちがって、みんないい
カビ由来

障害物のないセルロース

キノコ由来

セルロース+リグニン+ヘミセルロース

⽣物の⽣育環境に合わせた酵素をもつ⽣物が⽣き残るので⾃然界においてはそれぞれがそれぞれに合わせた性質を持つ

セルロースとキチンは丈夫!

分⼦鎖が並び結晶化
セルロース結晶＊系統樹はhttp://www.timetree.orgを簡略化

⽣体の構造を⽀える構造多糖

キチン結晶

脱結晶化条件
320ºC 25 MPa

380ºC 25 MPa(Deguchi. et al., 2013, Chem. Comm.)(Deguchi. et al., 2015, Sci. rep.)キチン分解酵素

散乱1分⼦計測でもっと詳しく！
⾼速AFM x5 play

(Igarashi K. et. al. Nat. Comm. 2014)

なぜ動けるのか
なぜ壊せるのか(A. Nakamura, Nat. Comm., 2018)

知りたい！

全反射暗視野顕微鏡
標準偏差= 位置決定精度
重⼼解析

40 nm gold
7 µW/µm2(Ueno H. et al., Biophysical J., 2010)

0.5 msの時間分解能で0.3 nmの位置決定精度

運動解析結果
前進: 83.5%
後退: 16.5%

2AcChitobiose

x5 speed

⼤体1 nm間隔で動いたり⽌まったりを繰り返している

運動解析結果
前進運動前停⽌時間

復帰運動
ミカエリス複合体
後退運動

2.9 ms 加水分解

23.9 - 17.1 ms

前進運動前の停⽌時間分布

HO
2
Forward stepin H2O

N = 637bin = 5 ms

前進運動=

τ1 = 23.9 ± 2.1 ms
τ2 = 2.9 ± 1.0 ms

復帰運動

運動している時にどのくらいの時間がかかっているのか判明なぜ１方向に運動できるのか?
Competitive reaction
ミカエリス複合体

後退運動

2.9 ms
加水分解

加水分解: 86.3%
後退運動: 13.7%

前進運動: 83.5%
後退運動: 16.5%
加⽔分解により前進運動を⾏っている

運動機構モデル

熱運動

加水分解
生成物解離

運動機構モデル

熱運動

加水分解
生成物解離

運動機構モデル

熱運動

加水分解
生成物解離

運動機構モデル

熱運動

加水分解
生成物解離

運動機構モデル

熱運動

加水分解
生成物解離

運動機構モデル

熱運動

加水分解
生成物解離

Michaelis-complex

運動機構まとめ熱運動 (運動のエネルギー源)
脱結晶化

ミカエリス複合体
再結晶化

加水分解(⽅向を決める)
生成物解離
ミカエリス複合体

SmChiAは”Burnt-bridge”ブラウニアンラチェット酵素

ナノの世界は忙しない(x - x0)2 =2RT
NA 6πμat = 2Dt(x - x0)2 : 初期位置からのずれの２乗 (m2)

ポリスチレンビーズ
a= 500 nm, 25℃, ⽔中

R : 気体定数 (J K-1 mol-1)
T : 温度 (K)NA: アボガドロ定数 (mol-1)
μ : 溶媒粘度 (mPa s)a : 粒⼦半径 (m)単位変換
t : 時間 (s)J=Nm2
D: 拡散係数 (m /s)
mPa = mN m-2

例えば⽔中 25℃だと
D=25 x 10-20a(m2/s)

タンパク質を5 nmの球体とすると1秒で10 µm動くと計算できる

つまり動くということは難しくないが、その⽅向を制御することが難しい世界
キチナーゼはエネルギーを使って向きの制御をし１⽅向に運動する

安定な結晶はどう壊しているのか?

自由エネルギー

キチン結晶

キチン結晶

キチン分子鎖

380ºC
25 MPa相当

活性化
エネルギー(すべて同時に脱結晶化)

キチン分子鎖安定な結晶はどう壊しているのか?
キチナーゼは脱結晶化単位を制御している！
SmChiA
キチン結晶

水溶性2糖

自由エネルギー

2糖(1 nm)単位で脱結晶化することにより反応一回辺りの活性化エネルギーを低減
ジアセチルキトビオース単位の脱結晶化エネルギー (α-chitin)

5.6
キチン結晶

0.22 kcal/mol
Beckham GT. et al.
J. Phys. Chem. B (2011)

水溶性2糖

ナノの世界はメートルの世界と常識が違う
25℃における⽔分⼦の運動エネルギー分布(並進+回転, 簡略化のため相互作⽤なしと仮定)
平均 1.7 kcal/mol

因みに2 nm分だと11.2 kcal/mol0.02%以下-> 2 nmは無理!!

割合 (%)



約2%
5.6 kcal/mol 以上





















運動エネルギー (kcal/mol)

観測される2 nm運動はアセチル基の⽋落由来の結晶の⽋陥に起因する



平均では脱結晶化に十分ではないが、1nm分は反応可能!

→室温でも反応可能

おまけ

私たちはプラスチックを纏っているポリエチレンテレフタレート (PET)H2O+H2O

内外の化学繊維生産動向 - 2017年 (⽇本化学繊維協会 )テレフタル酸(TPA)

エチレングリコール(EG)500 µm
服1着の洗濯1回で約2000本⽣成するBrowne M.A. et al., Environ. Sci. Technol., 45, 9175–9179 (2011)

洗濯するだけで多量のプラスチックを排出している

プラスチックも酵素で壊れる+1 µM PETase

50 mM Na-phos pH 7.2 at 25 ºC

without PETase0 min -> 7min

おまけ

酵素でプラスチックリサイクル⽬指すのは海で働くバイオマイクロルンバ*＜研究概要＞

マイクロプラスチックによる海洋汚染が深刻化していますが、そのサイズゆえ物理的に除去するコストが⾼く解決策がありません。⼀⽅で海洋中では微細甲殻類が⽣産する⼤量のキチンが分解代謝されています。そこで微⽣物のキチン探索分解システムのキチン分解酵素をプラスチック分解酵素に置き換え、またキチン分解物検出酵素をプラスチック分解物が結合するように改変することで⾃律的にプラスチック⽚を探索し、集まって分解する微⽣物を作成します。

*ルンバは、アイロボットの登録商標です。