汚染水を浄化する人工生体材料

バイオレメディエーション（Bioremediation）は、生物が持つ化学物質の分解能力や蓄積能力などを利用して環境の汚染浄化をする技術です。

この8月に、カリフォルニア大学サンディエゴ校のグループが、水から汚染物質を除去することができる持続可能で環境にやさしい新しいタイプの「人工生体材料（engineered living materials, ELM）」を開発したことを報告しています[1]。

Datta, D. et al. (2023) Phenotypically complex living materials containing engineered cyanobacteria. Nat Commun 14, 4742. https://doi.org/10.1038/s41467-023-40265-2

Phenotypically complex living materials containing engineered cyanobacteria - Nature Communications

Engineered living materials (ELMs) are emerging as a field at the intersection of materials science and synthetic biology. Here, the authors describe a photosynthetic ELM composed of genetically engineered cyanobacteria in a hydrogel matrix, capable of bioremediation and inducible cell death.

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この研究では、下図のように、海藻由来の天然多糖類であるアルギン酸（β-D-マンヌロン酸-α-L-グルロン酸のポリマー）を使用して、ゲルを作り、シアノバクテリアとして知られる水中に生息する光合成細菌の一種（藍藻、シネココックス目、Synechococcus elongatus PCC7942）を混ぜています。

シアノバクテリアは、低コストの培地で生存可能であり、光栄養細菌の炭素源であるCO2が自由に利用できます。最近は、酵母にも匹敵する速い増殖を示す株が得られており、利用可能な遺伝子工学ツールも多く開発され、合成生物学を適用するのに有望な微生物です。

グループは、アルギン酸とシアノバクテリアの混合物を3Dプリンターを用いて、格子状に配置しました。こうすることで、表面積の比率が高く、シアノバクテリアのほとんどが材料の表面近くに配置され、栄養、気体、光にアクセスできるようになります。表面積が増えるので、除染効果も高まります。

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40265-2 CC-BY 4.0

また、この材料に使うシアノバクテリアを遺伝子操作して、ラッカーゼ（laccase）と呼ばれるフェノール類を酸化する能力を持つ酸化酵素を作るようにしました。ラッカーゼは、ウルシ（Lacquer tree）由来のものが有名ですが、今回用いたのはBacillus subtilis由来のものです。この酵素は、ビスフェノール A（BPA）、抗生物質、医薬品、染料などのさまざまな有機汚染物質を酸化することで中和できることが示されています。

この研究では、特に、デニムを着色するために繊維産業で広く使用されている青色染料インジゴカーミンを除染するのに使用できることを実証しています（下のYouTubeビデオ参考）。

3D-printed 'living material' could clean up contaminated water

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更に、グループは、汚染物質を除去した後に生きたシアノバクテリアを除去する方法も開発しました。下図のように、このシステムでは、外部からのテオフィリンが存在することで、Riboswitch-Fを持つmRNAの構造を変化させ、リボソーム結合部位（RBS）を露出させます。その結果、mRNAがリボソームサブユニットに結合できるようになり、標的タンパク質が翻訳されます。標的タンパク質は、「Synpcc_0766」というもので、このタンパク質の作用によりシアノバクテリアに溶原化されていたファージが切り出され、溶菌、つまり、細胞を破壊します。

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40265-2 CC-BY 4.0

この方法を使うことで、環境中に遺伝子組み換え細菌が残ってしまうことに対する対策となるとしています。

バイオレメディエーション（Bioremediation）、人工生体材料（engineered living materials, ELM）、合成生物学ツールとしてのシアノバクテリア、3Dプリンター、ラッカーゼ、テオフィリンによるRiboswitch-Fといった様々な言葉やツールが登場しました。

材料科学と合成生物学の交差点といったところでもあり、汎用性がありそうです。

[1] Datta, D. et al. (2023) Phenotypically complex living materials containing engineered cyanobacteria. Nat Commun 14, 4742. https://doi.org/10.1038/s41467-023-40265-2

「合成生物学は新たな産業革命の鍵となるか？」担当：山形方人

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