スポットライトリサーチ

緑膿菌が栄養を獲得する機構を活用して、緑膿菌選択的に抗菌薬を運搬する手法を開発し、高効率かつ高選択的な緑膿菌の殺菌を達成しました。
緑膿菌は、ヒトに感染する病原菌であり、増殖に必要な鉄分を得るために、HasAという蛋白質を分泌し、鉄分のヘムを宿主から奪い取ります（図1）。ヘムの代わりに光増感剤のガリウムフタロシアニンを取り込ませた人工HasA（図2）を緑膿菌に投与すると、緑膿菌はヘムと誤ってガリウムフタロシアニンを獲得します。これは、HasAからヘムを受け取る緑膿菌の受容体蛋白質HasRが、ヘムを内包したHasA（本物）とガリウムフタロシアニンHasA（偽物）を識別できないためです（図2）。近赤外光を照射すると、緑膿菌の細胞内に蓄積したガリウムフタロシアニンによって一重項酸素が発生し、99.99%以上の緑膿菌を選択的に死滅させることができます（図3）。本手法は、世界保健機関（WHO）が最も危険視する、既存の抗菌薬が効かない薬剤耐性緑膿菌にも有効です。また、特定の病原菌のみに作用する抗菌薬の開発例は非常に少なく、どれも煩雑な調製法を要したのに対し、今回開発した手法では、一段階合成で安価に入手できるガリウムフタロシアニンを、緑膿菌が分泌する天然蛋白質に混合するだけで調製可能です。

HasAからヘムを受け取る緑膿菌の外膜受容体、HasRには随分手を焼きました。今回の光殺菌システムや、HasAを用いて緑膿菌の増殖を抑制する手法1の作用機序を解明するために、人工的に大量のHasRを発現させることが、私の初めての研究テーマでした。HasRの発現に用いる宿主の菌種、導入する遺伝子配列、宿主細胞の培養方法など、最適な条件の組み合わせを片っ端から探しました。その中で、組み換え蛋白質の発現系としては一般的でない、緑膿菌そのものにHasRを発現させるシステムが、HasRを人工的に過剰発現できる唯一の方法でした。初めてHasRのUV/Visスペクトルを観測できた時は、鳥肌が立ったのを鮮明に覚えています。

殺菌メカニズムの検証に時間がかかりました。先行研究の成果も相まって1−3、新幹線や道路標識の塗料に用いられるような水に全く溶けないフタロシアニンが、緑膿菌の細胞内に取り込まれるとは、当初誰も予想していませんでした。しかし、緑膿菌のヘム獲得（図1）を調査する要領で、1) ガリウムフタロシアニンHasAとHasRの複合化、2) HasAからHasRへのガリウムフタロシアニンの受け渡し、3) ガリウムフタロシアニンの緑膿菌内への取り込みとHasAの解離、という3段階の検証を進めたところ、HasAに内包されたガリウムフタロシアニンを、緑膿菌がヘムと誤って取り込むことを突き止めました（図3）。ガリウムフタロシアニンまでも獲得する緑膿菌の強欲さを示すことができ、達成感を覚えました。

自分が楽しめて、たくさんの人々に面白いね、と言ってもらえるような自分の化学を探していきたいと思っています。唯一無二の異端化学を目指して、真摯な姿勢で化学と向き合っていきたいです。

このブログを最後まで読んでいただき、ありがとうございました。今回の研究では、生理的な条件において抗菌薬としての使い道は無いとされてきたフタロシアニンを、病原菌が分泌する蛋白質に内包することで、特定の病原菌に選択的な殺菌剤として活用することができました。この研究を通して、意外な分野の組み合わせが、化合物の秘めたる有用性の発見に繋がる面白さを知りました。 最後になりましたが、日頃ご指導いただいている荘司長三先生、昨年度までご指導いただいた渡辺芳人先生をはじめ、荘司研究室、旧渡辺研究室のみなさま、共同研究者のみなさま、そして研究を紹介する機会を与えてくださったChem-Stationのスタッフのみなさまに感謝申し上げます。

1. C. Shirataki, O. Shoji, M. Terada, S. Ozaki, H. Sugimoto, Y. Shiro, Y. Watanabe, Angew. Chem. Int. Ed., 53, 2862–2866 (2014). DOI: 10.1002/anie.201307889
2. H. Uehara, Y. Shisaka, T. Nishimura, H. Sugimoto, Y. Shiro, Y. Miyake, H. Shinokubo, Y. Watanabe, O. Shoji, Angew. Chem. Int. Ed., 56, 15279-15283 (2017). DOI: 10.1002/anie.201707212
3. E. Sakakibara, Y. Shisaka, H. Onoda, D. Koga, N. Xu, T. Ono, Y. Hisaeda, H. Sugimoto, Y. Shiro, Y. Watanabe, O. Shoji, RSC Advances, 9,18697-18702 (2019). DOI: 10.1039/C9RA02872B