化学と生物 Vol. 50, No. 12, 2012 865
今日の話題
好熱性シアノバクテリア由来 Photosystem I の安定化技術の開発と太陽電池への応用
両親媒性ペプチドによる膜貫通タンパク質の機能制御
地球温暖化や原発リスクへの関心の高まりから，従来 の化石燃料や原子力に代わる再生可能な代替エネルギー の開発が求められている．代替エネルギーのなかでも，
太陽光のエネルギーを直接的に電力に変換する太陽電池 への注目は高く，太陽電池の提供は低炭素社会の成長産 業として期待されている．しかしながら，太陽電池の普 及には，ほかの電源と比較して割高な発電コストの低減 が必要であり，発電コストの低減のため，発電効率のさ らなる向上が試みられている．
一方，自然界には太陽電池をはるかに上回る効率で光 エネルギーを電力（還元力）に変換するタンパク質複合 体 と し て，Photosystem I （PS-I） や Photosystem II
（PS-II） が存在する．PS-Iは，光合成を行う細菌，シア ノバクテリア（藍藻），藻類，植物のすべてが保有する 反応中心のうちの一つである．PS-Iは，チラコイド膜上 に膜貫通タンパク質として存在し，光を捕捉し膜の表裏 での電荷分離を引き起こすことにより，電子をルーメン 側からストロマ側に移動させる．その光エネルギーの利 用効率はほぼ100%と非常に高いエネルギー変換効率を 有しており（1），太陽電池への応用が実現すると，現在主 流のシリコン系太陽電池（変換効率20%）を大幅に上回 る発電効率が期待できる．
PS-Iの太陽電池への応用のためには，その複雑なタン パク質複合体構造を で安定に保つ技術の開発が 不 可 欠 で あ る．好 熱 性 シ ア ノ バ ク テ リ ア
のPS-Iは，分子質量が1.07 MDa のホモ3量体からなる巨大なタンパク質複合体構造を とっている．その単量体は，127個のコファクターを含 む12個のポリペプチドの複合体であり，34個の膜貫通
α
へリックスをもち，脂質二重膜中に包埋されてい る（2）．このように，PS-Iが多数の膜貫通へリックスをも ち，チラコイドの脂質二重膜と複雑に相互作用している ことが，その応用開発を困難にしている．細胞や細胞小器官の脂質二重膜中に存在する膜貫通タ ンパク質の多くは，機能解析や応用開発のために水溶液 中に可溶化すると，立体構造が壊れ変性失活を伴う凝集 を引き起こす．これを防ぎ，安定化を図るために，一般 的にグリセロールやスクロースのような糖類，Triton
X-100のような界面活性剤，アルコール，ペプチド，合 成ポリマーなどの添加剤が利用されている．PS-Iの安定 化剤に関しても，これまでいろいろな安定化剤の検討が 行われてきたが，多分に経験的手法がとられ，安定化剤 とPS-Iとの相互作用の解析に基づく科学的な検索はほ とんど行われてこなかった．
両親媒性ペプチドは，膜貫通タンパク質との相互作用 を制御することを目的として開発されたペプチドであ る（3）．従来から一般的に利用されているTriton X-100の ような界面活性剤よりも，膜貫通タンパク質に対して穏 和な作用を示し，またその構成アミノ酸の種類やデザイ ンを変更することで膜貫通タンパク質とペプチド間の相 互作用の強度を調整できる利点がある．マサチューセッ ツ工科大学のZhangらのグループは，両親媒性ペプチ ドがウシロドプシンなどの膜貫通タンパク質を一般的な 界面活性剤より効果的に安定化できることを報告してい る（4）．
Matsumotoらはこの両親媒性ペプチドの特徴を生か し，アミノ酸の配列や組成の異なる9種類のペプチドを 合成し（図1）， 由来PS-Iの水溶液への可溶 化と安定化への効果を，光応答電子移動活性の測定から 評価している．その結果，acetyl-AAAAAAK-NH2 （ac- A6K-NH2） や acetyl-VVVVVVRR-NH2 （ac-V6R2-NH2）
図1■両親媒性ペプチドの構造と物理的性質
各ペプチド分子のアミノ酸配列および物理的性質を示す．下線は 負に荷電しているアミノ酸残基および解離基を示す．枠内は正に 荷電しているアミノ酸および分子基を示す．
化学と生物 Vol. 50, No. 12, 2012
866
今日の話題
などのC末端側に陽イオン性アミノ酸残基をもつ両親媒 性ペプチドが，一般的な界面活性剤であるTriton X-100 や -dodecyl-
β
-d-maltopyranoside （DDM） などの10倍 ものPS-I活性化効果を有することを見いだした．一方，acetyl-AAAAAAD-OH （ac-A6D-OH） などの陰イオン性 両親媒性ペプチドや，acetyl-AAAAAAK-OH （ac-A6K- OH） などの中性両親媒性ペプチド，およびN末端側に 陽イオン性残基をもつ NH3＋-KAAAAAA-NH2 （KA6- NH2） では活性の上昇は認められなかった（図2）．
この両親媒性ペプチドとPS-Iとの相互作用の機構を 明らかにするため，原子間力顕微鏡分析による両親媒性 ペプチド‒PS-I複合体の形態観察を行い，両親媒性ペプ チドがPS-Iを包埋した小胞を形成することを見いだし た．またそれぞれのペプチド小胞の安定性を評価するた め，蛍光色素が小胞内から漏出する速度の測定を行い，
PS-Iを活性化する両親媒性ペプチドによる小胞は構造強 度が著しく高いことを見いだした．これら結果からPS-I の安定化に伴う高活性の維持には，両親媒性ペプチドの 正電荷と強固な小胞を形成する能力が重要な役割を果た していることが明らかになった（5）．
さらに，PS-I活性化技術を応用した太陽電池が試作さ れている．試作品は次のような点に配慮して設計されて いる．①まずPS-Iの電極上への固定にあたり，PS-Iの 配向をペプチドタグにより制御している．具体的には，
無機半導体である酸化亜鉛表面に親和性を有するZnO ペプチドタグ（24アミノ酸残基タグ：RSNTRMTAR- QHRSANHKSTQRARS）（6） と，PS-Iのストロマ側に配
向する10 kDaのサブユニットであるPsaEとの融合タン パク質PsaE-ZnOを，遺伝子工学的に作製．このPsaE- ZnOタンパク質をPS-Iとインキュベートし，PS-I複合 体中の天然型PsaEと交換することで，ZnOペプチドタ グ化PS-Iを調製し，両親媒性ペプチドac-A6K-NH2と混 和後，酸化亜鉛電極，および酸化チタン電極に，ZnO ペプチドタグの親和力を用いて分子配向性を有する固定 化を行っている．②次にPS-Iが光応答電子を電極に受 け渡した後に，PS-Iが放出した電子を補って電気回路を 形成するために，メディエーターとしてコバルトイオン を含むZ813 electrolyte（7） を利用している（図3）．試作 図3■PS-I固定化太陽電池の概略図
負極：フッ素ドープ酸化スズ （FTO） 膜コーティングガラス上に 酸化チタンを積層，または，インジウムドープ酸化スズ （ITO） 膜 コーティングガラス上に酸化亜鉛を積層に，ZnOペプチドタグ化 PS-Iを固定化．正極：FTO膜コーティングガラス上にプラチナを 積層．メディエーターとしてZ813 electrolyteを利用．
図2■界面活性剤および両親媒性ペ プチドのPS-I活性への影響 PS-I量1 mgクロロフィル （Chl） の活 性値を比較．
化学と生物 Vol. 50, No. 12, 2012 867
今日の話題
したPS-I太陽電池は実際に光発電に成功し，起電力
（electrical power density） 81
μ
W/cm2, 起電密度 （pho- tocurrent density） 362μ
A/cm2の値を達成した．本結 果は，これまで報告されているPhotosystemベースの 太陽電池と比べ，4桁上回る高出力であった（8）．生体内において膜貫通タンパク質は，PS-Iに代表され るエネルギー変換，ホルモン受容体のような情報伝達，
イオンチャンネルなどの物質輸送を担う重要な高機能分 子である．本稿で紹介した各種ペプチドの利用により，
膜貫通タンパク質のバイオテクノロジー分野での応用が 広まるものと期待される．
1） R. A. Marcus & N. Sutin : , 811, 265 （1985）.
2） P. Jordan, P. Fromme, H. T. Witt, O. Klukas, W. Saenger
& N. Krauss : , 411, 909 （2001）.
3） S. Vauthey, S. Santoso, H. Gong, N. Watson & S.
Zhang : , 99, 5355 （2002）.
4） X. Zhao, Y. Nagai, P. J. Reeves, P. J. Kiley, H. G. Khorana
& S. Zhang : , 103, 17707
（2006）.
5） K. Matsumoto, M. Vaughn, B. D. Bruce, S. Koutsopoulos
& S. Zhang : , 113, 75 （2009）.
6） K. Kjærgaard, J. K. Sorensen, M. A. Schembri & P.
Klemm : , 66, 10 （2000）.
7） M. Graetzel : , 414, 338 （2001）.
8） A. Mershin, K. Matsumoto, L. Kaiser, D. Yu, M. Vaughn, M. K. Nazeeruddin, B. D. Bruce, M. Graetzel & S.
Zhang : , 2, 234 （2012）.
（松本和也，三井化学株式会社触媒科学研究所）
川越 義則（Yoshinori KAWAGOE）
＜略歴＞1987年東京大学農学部農業工学 科卒業／ 1991年東京大学農学部助手（農 業工学科）／ 2007年東京大学大学院農学 生命科学研究科助教（生物・環境工学専 攻）／ 2012年日本大学生物資源科学部准 教授（生物環境工学科）＜研究テーマと抱 負＞農産物の呼吸特性，農産物の貯蔵と追 熟，農産物の非破壊品質評価
高 田 大 輔（Daisuke TAKATA） ＜略 歴＞2000年岡山大学総合農業科学部卒 業／岡山大学にて博士（農学）を取得後，
東京大学農学生命科学研究科附属農場に赴 任，2009年 よ り 現 職＜研 究 テ ー マ と 抱 負＞モモの生理障害（果肉障害）につい て，果樹の放射性セシウムの移行と分配
＜趣味＞造形からお菓子作りまで，ちまち ました作業全般
田 野 井 慶 太 朗（Keitaro TANOI） ＜略 歴＞2003年東京大学大学院農学生命科学 研究科応用生命化学専攻中途退学／同年6
月東京大学生物生産工学研究センター助 手／ 2007年東京大学生物生産工学研究セ ンター助教／ 2012年東京大学大学院農学 生命科学研究科准教授＜研究テーマと抱 負＞マグネシウム-28を利用した植物のマ グネシウム輸送機構の解析，放射性セシウ ムの測定＜趣味＞ソフトボール，バレー ボール，吹奏楽
寺 本 祐 司（Yuji TERAMOTO） ＜略 歴＞1981年九州大学農学部農芸化学科卒 業／1989年九州大学大学院農学研究科博 士課程農芸化学専攻修了．農学博士（九州 大学）／1989年熊本工業大学助手（2000年 熊本工業大学は崇城大学に改称）／2007年 崇城大学教授＜研究テーマと抱負＞世界の 希少酒の調査研究とその微生物資源の開発
＜趣味＞ロックミュージック
東 原 和 成（Kazushige TOUHARA）
Vol. 49, No. 7, p. 508参照
西増 弘志（Hiroshi NISHIMASU） ＜略
歴＞2007年東京大学大学院農学生命科学 研究科応用生命工学専攻博士課程修了／
2007年日本学術振興会特別研究員PD，東 京工業大学生命理工学研究科生命情報専攻 COE特任助教，東京大学医科学研究所基 礎医科学部門染色体制御分野助教を経て，
現在，東京大学大学院理学系研究科生物化 学専攻特任助教／2007年農博（東京大学）
＜研究テーマと抱負＞RNAサイレンシン グ，疾患関連タンパク質＜趣味＞ボクシン グ
野 崎 浩（Hiroshi NOZAKI） ＜略 歴＞1974年広島大学理学部化学科卒業／
1979年同大学大学院理学研究科博士課程 修了（理博）／同年日本学術振興会特別研 究員／1981年米国ノースカロライナ大学 薬学部博士研究員／1982年岡山理科大学 理学部化学科助手／1984年同講師／1988 年同助教授／1992年同生物化学科教授，
現在に至る＜研究テーマと抱負＞天然生理 活性物質の構造と機能の解析＜趣味＞ドラ イブと健康のためのゴルフ
