熱安定性炭酸脱水酵素の植物系での高レベル生産とその固定化のための微結晶セルロースビーズへの固定化

High-level production in a plant system of a thermostable carbonic anhydrase and its immobilization on microcrystalline cellulose beads for CO capture.

• Madhu Kumari
• Junho Lee
• Dong Wook Lee
• Inhwan Hwang

抄録

キーメッセージ:

植物由来のSazCAとそのCO捕捉への応用工業用排ガスからCOを回収し、貯蔵場所に隔離するために、化学吸着や物理吸着を利用した技術が開発されています。近年、COの可逆的な水和を触媒する金属酵素である炭酸無水物（CA）は、排ガスからのCO回収のための生体触媒として注目されているが、そのコストが産業規模での利用には大きな障害となっている。しかし、このコストは、CO回収に適した長寿命の酵素を製造するか、製造コストを下げることで低減することが可能である。本研究では、スルフリヒドロゲニビウムアゾレンセ(SazCA)由来のCAを植物系で高レベルに発現させ、容易に精製し、固定化することを検討した。ヒト受容体型チロシンプロテインホスファターゼCの60-アミノ酸長のエクトドメイン（Mドメイン）との融合により、SazCAの蓄積量が増加した。Clostridium thermocellum由来のセルロース結合モジュール（CBM3）の融合により、組換えタンパク質は微結晶セルロースビーズに強固に結合し、容易に精製することができた。MドメインとCBM3ドメインを持つSazCAからなるキメラ融合タンパク質BMC-SazCAをタバコ（Nicotiana benthamiana）で発現させたところ、葉抽出物中の組換えタンパク質収量は350mg/kg新鮮重量であった。プランタで生産されたBMC-SazCAは、CO捕捉に使用される様々な化学物質の存在下で活性を示した。微結晶セルロースビーズの表面にBMC-SazCAを固定化することで、その熱安定性が向上し、CO水和反応の複数のラウンドでの再利用が可能となった。これらの結果は、植物におけるSazCAの生産は、CAベースのCOの貯留と鉱物化のための大きな可能性を持っていることを示唆している。

KEY MESSAGE: Plant-produced SazCA and its application to COcapture. Technologies that rely on chemical absorption or physical adsorption have been developed to capture CO from industrial flue gases and sequester it at storage sites. Carbonic anhydrases (CAs), metalloenzymes, that catalyze the reversible hydration of CO have recently received attention as biocatalysts in the capture of CO from flue gases, but their cost presents a major obstacle for use at an industrial scale. This cost, however, can be reduced either by producing a long-lasting enzyme suitable for CO capture or by lowering production costs. High-level expression, easy purification, and immobilization of CAs from Sulfurihydrogenibium azorense (SazCA) were investigated in a plant system. Fusion of the 60-amino acid-long ectodomain (M-domain) of the human receptor-type tyrosine-protein phosphatase C increased the levels of SazCA accumulation. Fusion of the cellulose-binding module (CBM3) from Clostridium thermocellum resulted in tight binding of recombinant protein to microcrystalline cellulose beads, enabling easy purification. The chimeric fusion protein, BMC-SazCA, which consisted of SazCA with the M and CBM3 domains, was expressed in tobacco (Nicotiana benthamiana), giving a recombinant protein yield in leaf extracts of 350 mg/kg fresh weight. BMC-SazCA produced in planta was active in the presence of various chemicals used in CO capture. Immobilization of BMC-SazCA on the surface of microcrystalline cellulose beads extended its heat stability, allowing its reuse in multiple rounds of the CO hydration reaction. These results suggest that production of SazCA in plants has great potential for CA-based CO sequestration and mineralization.