タンパク質工学が提唱されて30年以上過ぎた現在では，大腸菌などの宿主細胞に目的遺伝子を導入することによって組換えタンパク質を大量産生することができ，一次構造レベルではあるが自分の好きなアミノ酸配列をもつタンパク質を合成することができるようになった．現在では，年間1万件程度の新しいタンパク質の機能や構造が報告されており，ほかの有機・無機材料と比較すると構造安定性は劣るものの，機能の多様性と特異性の面では他素材が真似のできない分子群（ライブラリー）をもつ素材である．筆者は，タンパク質の機能を発現させる構造（ドメイン）が数ナノレベルであることに着目し，このタンパク質のドメインとさまざまなナノ素材を「単位」として積木細工的にボトムアップに集積させることによって，新たな機能タンパク質を創り出す研究を行っている．

ナノ素材とタンパク質の融合は，筆者の研究だけでなくいくつか報告されている．粒子表面に抗体分子を集積させると，細胞などの固体表面が標的となる場合は多価効果によって結合力が増す⁽¹⁾1) R. Leggett, E. E. L. Smith, S. M. Jickells & D. A. Russell: Angew. Chem. Int. Ed., 46, 4100 (2007).．しかし，通常のIgG型の抗体はサイズが15 nmと大きく，10 nmより小さい現在のナノ粒子では1～2分子結合させるのが限界である．そこで，抗体中の標的分子と結合できるドメイン部分だけで組換え抗体を設計するとサイズが3 nmまで小さくできることに着目し，その組換え抗体をナノ粒子へ集積させることによって，抗体を効率よくマウス内のがん腫瘍へ集積させた報告がある⁽²⁾2) L. Yang, H. Mao, Y. A. Wang, Z. Cao, X. Peng, X. Wang, H. Duan, C. Ni, Q. Yuan, G. Adams et al.: Small, 5, 235 (2009).．また，ユニークな骨格構造を設計できるDNAオリガミを用いて一連の酵素群をナノ空間へ集積させ，反応中間体が自由拡散する前に逐次反応を進行させ全体の反応効率を上げる酵素ナノ複合体も提案されている⁽³⁾3) Y. Liu, J. Du, M. Yan, M. Y. Lau, J. Hu, H. Han, O. O. Yang, S. Liang, W. Wei, H. Wang et al.: Nat. Nanotechnol., 8, 187 (2013).．

その中で筆者は，水に不溶なセルロースを糖に分解する酵素セルラーゼに着目している．非食物系バイオマスであるセルロースは化石燃料と補完的に働く次世代の環境調和型エネルギー資源であり，セルラーゼを用いた糖化処理は環境低負荷な手法として研究されている．セルラーゼは，現在までに1,000種以上報告されており，そのうち60％はセルロール中のβ-1,4グルコシド結合を加水分解する触媒ドメインのみからなる．しかし，ほかの40％では，セルロースの分解をより効率的に行うために，セルロース表面に吸着できる結合ドメインを触媒ドメインに融合したモジュール構造や，セルロース結合ドメインをもつ巨大な骨格タンパク質に複数の触媒ドメインがタンパク質間相互作用で結合してセルロソームと呼ばれる巨大複合体を形成することによって，効率的に触媒ドメインをセルロース表面へ局在化させている．そのため，60％の標準構造セルラーゼにモジュール型やセルロソーム型の構造を適用することによって酵素活性を向上できることが予想される．筆者は，独立に発現調製した触媒ドメインとセルロース結合ドメインをナノ粒子の表面に3次元的にヘテロクラスター化してセルロソームを模倣することによって，飛躍的に糖化効率を向上させる研究を行っている．

このセルロソーム模倣体（ハイブリッドナノセルロソーム）では，触媒・結合ドメインのC末端にビオチン化ペプチドを融合した組換えタンパク質を調製する．そして，ストレプトアビジン単独やストレプトアビジンが表面に修飾しているナノ粒子（粒子経20 nm）に両ドメインを集積させる（図1図1■セルラーゼを分割調製しナノ粒子を核として再編成させたハイブリッドナノセルロソーム）．ハイブリッドナノセルロソームの利点は，各ドメインとナノ粒子の混合比を変えるだけで，触媒ドメインと結合ドメインの比率が異なるさまざまなナノセルロソームを作製することができることである．セルロース結合ドメインをもたないAspergillus niger由来エンドグルカナーゼA（EglA）の場合，ナノセルロソームは，可溶性セルロースであるカルボキシメチルセルロース（CMC）に対してはほとんど糖化活性に変化を示さないが，水に不溶な基質であるリン酸膨潤セルロース（PSC）に対してはナノセルロソーム中の結合ドメインの存在比が増加するにつれて還元糖生産量が向上し，ナノセルロソーム中の触媒ドメインと結合ドメインの比率が7 : 23のとき，遊離EglAと比較しEglA 1分子換算で約10倍の還元糖を生産するようになる^{(4, 5)}4) D.-M. Kim, M. Umetsu, K. Takai, T. Matsuyama, N. Ishida, H. Takahashi, R. Asano & I. Kumagai: Small, 7, 656 (2011).5) 梅津光央，金　渡明，中澤　光：“バイオマス分解関連酵素研究の最前線”，シーエムシー出版，2012, p. 208.（図2図2■ハイブリッドナノセルロソームを用いた還元糖生産）．

図1■セルラーゼを分割調製しナノ粒子を核として再編成させたハイブリッドナノセルロソーム

図2■ハイブリッドナノセルロソームを用いた還元糖生産

この活性向上は，ナノ粒子を使ってドメインの集積量を向上させることでより達成されている．ナノ粒子に固定化されていないストレプトアビジンを使って，触媒ドメインと結合ドメインをビオチン–アビジン相互作用で集積させても同様に酵素活性を向上させることはできる．しかし，その還元糖生産量は5倍程度までにとどまってしまう．ナノ粒子のようにドメインの足場となる構造体をある程度大きくし足場へ集積するドメイン数を増加させることが，固体の基質に対する反応性を向上させている．この原因を探るために，反応経過時間に対する還元糖生産量を追跡したところ，はじめはストレプトアビジンを核とした集積体がより多くの還元糖を生産していた．しかし，反応が5時間を過ぎるあたりから還元糖の生産量は頭打ちになり，ナノ粒子を核としたナノセルロソームが逆転する．ドメインの集積度を向上させることによって反応初速度は低くなるが，固体の基質を継続的に分解できるようになっている^{(6, 7)}6) D.-M. Kim, H. Nakazawa, M. Umetsu, T. Matsuyama, N. Ishida, A. Ikeuchi, H. Takahashi, R. Asano & I. Kumagai: Catal. Sci. Tech., 2, 499 (2012).7) H. Nakazawa, D.-M. Kim, T. Matsuyama, N. Ishida, A. Ikeuchi, Y. Ishigaki, I. Kumagai & M. Umetsu: ACS Catalysis, 3, 1342 (2013).．

ハイブリッドナノセルロソームフォーマットの利点は，触媒ドメイン，結合ドメイン，骨格要素の組み合わせと混合比率を変化させるだけで，簡便にさまざまな人工セルロソームを作製できることにある．そこで筆者は現在，CAZy, PDB, Pfamなどのタンパク質データベース上のセルラーゼ情報を「ライブラリー」として捉え，相同性の多様化，基質特異性，属性，大腸菌発現実績を考慮して，有望なセルラーゼのモジュールライブラリーを作製し，それらをさまざまな比率でクラスター化させ活性を網羅的に評価することによって最強のハイブリッドナノセルロソームの開発を始めている．そして，エンドグルカナーゼとセロビオハイドラーゼの両者において，この構造フォーマットは活性向上に有効であることがわかりつつある．

組換えタンパク質技術は，変異導入やドメインスワッピングを可能にした一方，それらがもつ非天然性が構造の不安定化や発現量の低下を招き，実験室レベルの研究で終わってしまう例も多い．その中で，タンパク質ドメインとナノ素材の融合は，足場構造などタンパク質が苦手な構造をほかの素材で補完する分子設計法であると考えている．今後，この設計法によってより多くの領域でタンパク質が活躍することを期待したい．