乳酸菌が金ナノ粒子を生成する分子機構を解明

金ナノ粒子は直径数ナノメートルの金の粒子で、電子顕微鏡のプローブやインフルエンザ診断キットなど様々な場面で利用されています。しかし、金ナノ粒子を生成するには高温高圧の環境が必要で、毒性のある副産物が生じます。微生物を用いた金ナノ粒子生成法は、温和な条件で安全に行えるため注目されています。しかし反応している生体分子が不明な場合が多く、よりよい生成法を確立するためには分子機構を明らかにする必要があるといえます。

今回、東京大学大学院農学生命科学研究科の鈴木道生講師のグループは、乳酸菌Lactobacillus caseiを用いた金ナノ粒子生成法を確立し、その反応に乳酸菌の膜脂質成分であるジグリコシルジアシルグリセロール（DGDG）が関与していることを突き止めました。この成分は乳酸菌に比較的多量に含まれ、また乳酸菌自体の培養も容易です。そのため本研究成果は、金ナノ粒子を安価に生成する手法の確立に貢献できるものと期待されます。

図１　金ナノ粒子生成の様子（拡大画像↗）

図２　金ナノ粒子生成に関与する分子の探索（拡大画像↗）

金ナノ粒子は表面プラズモン共鳴（SPR）により特異的な光学特性を有し、多くの応用が期待されています。金ナノ粒子は金イオンを還元剤により還元し、粒子間の凝集を抑える分散剤と付加させて生産されます。工業的には、クエン酸などを用いてテトラクロリド金(III)酸カリウム溶液を還元し、生じた粒子の表面へクエン酸を吸着させることにより、凝集を防いで安定に存在する金ナノ粒子を生成しています。しかしこういった化学的な金ナノ粒子の合成では、高温条件であることや反応副産物の生成などの問題による環境への負荷が懸念されており、近年では微生物を用いた生産方法が注目されています。微生物を用いた生産方法はいくつか報告されておりますが、どのような分子がどのように生成しているのかについてはほとんど明らかになっていませんでした。本研究では、乳酸菌Lactobacillus caseiを用いて金ナノ粒子を生成し、その還元剤および分散剤の探索を行うことにより、微生物における金ナノ粒子生成機構の解明を目指しました。

まず、乳酸菌を用いた金ナノ粒子生成条件を決定しました。金ナノ粒子の原料であるテトラクロリド金(III)酸カリウム溶液（金酸）は図１(a)のような黄色をしており、乳酸菌の懸濁液は図１(b)のようは白濁液です。終濃度0.25 mMの金酸溶液と、2.0 g/Lの濃度の乳酸菌懸濁液を混合し、37°Cで24時間インキュベートを行うと、SPRにより強い紫色を呈する金ナノ粒子のコロイド溶液が得られました（図１(c)）。この溶液の吸光スペクトルを見ても、550 nm付近に強い吸収があることが確認できました。このことから、乳酸菌が金ナノ粒子の還元および分散に関わる生体分子を生産していることがわかりました。次に、この生体分子の探索を行いました。

金ナノ粒子の生成を行う前と行った後の乳酸菌をそれぞれ回収し、(ヘキサン：酢酸エチル) = (1：1)の有機溶媒を用いて脂質成分を抽出しました。これを順相薄層クロマトグラフィーで展開し、ヨウ素を用いて有機物を染色した結果を図２(a),(b)に示しました。金ナノ粒子生成後は全体的に脂質が減少していましたが、特に生成前に量の多かったスポット１に着目しました。この領域を掻きとり、質量分析(MS)や核磁気共鳴(NMR)などの手法により構造解析を試みました。図２(c)に示した通り、このスポットはMSの結果、14質量単位ごとにピークが見られました。このことからこの分子は脂肪鎖を有する分子であることが考えられました。NMRやMS/MSを用いた更なる分析の結果、この分子は2つの糖と2つの脂肪鎖がグリセロールを介して結合しているジグリコシルジアシルグリセロール(DGDG)であることがわかりました（図２(d)）。

DGDGは乳酸菌の細胞膜成分として比較的多量に存在している分子です。また、乳酸菌は培養が比較的容易な細菌です。微生物を用いて安価に金ナノ粒子を生成することを目指した場合、このような生体由来分子が金ナノ粒子生成に関わっているということは大きなアドバンテージとなると考えられます。今後の研究として、DGDGを効率的に生産する乳酸菌を遺伝子工学手法により作製し、より効果的に金ナノ粒子を生成できる系を確立することを目指します。