研究紹介

生物無機化学 ~生物の中で働く金属イオン~

生物学は一般的に有機化学と関連した分野です。しかし、金属イオンも生体内の反応に必須です。例えば、呼吸・代謝・窒素固定・光合成・神経伝達など、多くの重要な生体反応で金属イオンが関わっています。生物無機化学は、このような生命過程にとって重要な金属イオンを対象とする研究分野であり、生物学と無機化学の境界領域の学問です。

例えば、人の血液中で酸素を運搬しているのは、赤血球中に含まれるヘモグロビンという鉄イオンを含む金属タンパク質です。鉄イオンはヘムと呼ばれる赤色を呈する色素をして含まれています。酸素分子は、このヘムの鉄イオンに結合することでヘモグロビンに結合し、血液中を運搬されます。貧血になったときに鉄イオンを多く含む食べ物を食べたり、鉄イオンを含む薬を服用するのはこのためです。

当研究室では金属タンパク質および金属化合物を対象として、微生物を用いたタンパク質・遺伝子工学実験、細胞内酸素濃度イメージング、新規ポルフィリン化合物の有機合成など、多岐に渡る研究を行っています。

・金属タンパク質を利用した有用物質生産

金属タンパク質には、生体内で起こる化学反応の触媒として機能するものが多く存在し、これらを酵素と呼びます。例えば、ヒドロゲナーゼというニッケルイオンと鉄イオンを含む酵素は、水から水素を生産することができます。また、メタンモノオキシゲナーゼという鉄イオンや銅イオンを含む酵素は、気体であるメタンを液体であるメタノールへ変換することができます。これらの酵素と光エネルギーを吸収する色素やタンパク質などを組み合わせることで、植物の光合成のように光エネルギーを用いた有用物質の生産が可能となります。また、これらの酵素を持つ微生物に遺伝子工学的な手法を用いることで、酵素の機能を向上させたり、改変させたりする研究にも取り組んでいます。


光エネルギーを用いたメタンからメタノール生産

・細胞内酸素濃度イメージング

好気呼吸を行う生物では、細胞内のミトコンドリアで酸素を消費しながら、生体内でのエネルギーであるATPを合成しています。細胞内では酸素濃度は均一ではなく分布があり、これを顕微鏡で直接イメージングする研究に取り組んでいます。酸素濃度イメージングは、白金イオンを含む色素を細胞内に取り込ませ、この色素からのリン光を検出して行います。この色素は酸素の量に応答してリン光の寿命が変化するため、イメージング画像では酸素濃度が高いと赤色、低いと青色となるような疑似カラーで表示しています。その結果、一細胞内で酸素濃度の分布が観測され、さらに外部の酸素濃度の変化に伴った細胞内酸素濃度変化も測定できました。現在は、白金イオンを含む新たな色素の開発や、薬剤などの様々な刺激を細胞に与えた時の酸素動態の解明に取組んでいます。


細胞内酸素濃度イメージング


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