専門分野ってなんだろう？

環境バイオテクノロジー研究室は農学部農芸化学科に所属している。シアノバクテリア（ラン藻）やユーグレナなどの微細藻類を用いて、転写や代謝、光合成の基礎メカニズムの解明やバイオプラスチック原料や色素の生産法の開発を行っている。

農学部であるので、理学部のように生命の仕組みの理解をすすめるという純粋な学問だけでなく、応用志向も含まれている。特に農芸化学科では、食品、微生物、環境、化学など、人のためになるサイエンスが大事である。

私自身は、そもそも大学が特殊で、国際基督教大学の教養学部を卒業している。当時は理学科があり、そこに所属していたので一応は理系なのであるが、教養学部なので文系の授業もいっぱい受けた。専門分野にとらわれず、幅広く学ぶバックグラウンドである。

教養学部とは異なり、さすがに文系の授業は少ないが、農芸化学もかなり幅広い分野を学ばなければならない。化学と生物学が基礎にはなるが、物理学や食品化学、微生物学、環境化学・分析化学などなど、大学から始まる新しい学問が目白押しである。

環境バイオテクノロジー研究室では、名前からして「環境」「バイオ」「テクノロジー」という３つのキーワードが含まれている。

大学院生の時は、「転写制御メカニズム」というこてこての分子生物学分野の研究を行っていた。ただし、その後、代謝や光合成といったキーワードが入るものの、「生物学」がメインであった。

しかし、学位を取った2007年くらいから、「生物工学」すなわち人の役に立つような学問をしたくなってきた。たまたまであるが、光合成生物であるシアノバクテリア（ラン藻）の炭素の流れを変える因子を見つけたので、「これは環境技術に使えるのではないか？」と思い、応用に目を向け始めたのである。

その後は、純粋な生物系の学会だけでなく、生物工学会や日本化学会関連、日本農芸化学会など、生物工学・化学などの境界領域・学際的な分野を扱う学会に参加することが多くなってきた。企業の方々との接点も飛躍的に増えた。

こればかりは好みによるので、何をするべきかは自分次第であるけれど、私としては大学関係者のみでなく、企業や知財関係者など幅広い分野の人と接する方が楽しいので、今の形に落ち着いてきた。

光合成をするシアノバクテリアの炭素代謝を扱っているので、生物学・工学のみならず、環境・生態など様々な分野に生かせると考えている。実際に実用化に到達するにはまだまだ発展させることが必要だし、いろいろなことを勉強しなければいけないので大変ではあるのだが、研究を進めれば進めだけ世界が広がることがわかってきた。

広い分野を扱う場所に所属するととても大変で、１つ勉強すると３つくらいさらに勉強しなければいけないことが増えて途方にくれたりもするけれど、１つ１つ進めていくと多様な人たちとの接点が生まれ、人生を豊かにしてくれると思うので、学生たちにはぜひ焦らずに頑張って進めてほしいと考えているし、自分も頑張って色んなチャレンジをしていかなければいけないと考えている。

窒素グローバルレギュレーターNtcAを用いた代謝の改変

"Metabolomic analysis reveals rewiring of Synechocystis sp. PCC 6803 primary metabolism by ntcA overexpression."

Osanai T, Oikawa A, Iijima H, Kuwahara A, Asayama M, Tanaka K, Ikeuchi M, Saito K, Hirai MY.

Environ Microbiol. 2014 Oct;16:3304-17. 

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25039649

NtcAは、Nitrogen controlという言葉に由来するタンパク質であり、窒素の栄養状態を感知して遺伝子発現を制御する転写制御因子である。正確に言うと転写因子であり、RNAポリメラーゼによる転写を正または負に制御する。

NtcAの制御下には、窒素源の取り込みに関するトランスポーター遺伝子や窒素同化を行うグルタミンシンセターゼ遺伝子がある。要するに、窒素に関連する遺伝子がNtcAの制御下にある。

また、炭素同化を担うルビスコ遺伝子や光合成遺伝子もNtcAの制御下にある。さらにこれまで研究してきたSigEやRre37もNtcAの制御下である。これらの遺伝子は、直接的または間接的にNtcAによって、窒素欠乏時に遺伝子発現が変化するのである。このことから、NtcAはシアノバクテリアにおける窒素のグローバルレギュレーターであると言われている。

NtcAタンパク質には直接2-オキソグルタル酸（α-ケトグルタル酸）が結合する。2-オキソグルタル酸は、シアノバクテリアでは窒素の栄養状態を示す代謝産物として知られている。窒素欠乏時に2-オキソグルタル酸が蓄積し、これがシグナルとなってNtcAなどを活性化し、細胞の遺伝子発現を変化させることが知られている。NtcAは転写因子としてだけでなく、シグナルのセンサーとしても働いているということである。

このように、窒素のシグナル伝達の上流に位置するNtcAを改変すれば、代謝も大きく変わるだろうというのがコンセプトである。特に糖異化酵素遺伝子の正の制御因子であるSigEやRre37の上流にあるので、糖異化が促進するはずであるということである。ということで、NtcA過剰発現株を構築し、トランスクリプトーム解析やメタボローム解析を行った。

ところが、予想とは少し異なり、グリコーゲン量は減ったが、糖異化酵素はあまり増えていなかった。マイクロアレイを行ったが、それほどはっきりとしたグループの酵素遺伝子が変化したわけではなかった。窒素同化酵素や繊毛の遺伝子、TCA回路の酵素などは変化していたRre37のmRNA量やタンパク質量は増加していた。

また、NtcA過剰発現株では増殖が促進することや、フェニルアラニンやリジンなどのアミノ酸が増加することがわかった。転写制御因子を変えると代謝が変わった例はこれで３つ目となり、やはり転写制御因子の遺伝子改変は代謝工学に有効であることがここでも示されたのである。

このように、NtcAという窒素のグローバルレギュレーターを過剰発現することで、糖代謝やアミノ酸代謝を改変することには成功した。ただし、予想とはだいぶ異なる変化であり、転写制御因子を改変すると、代謝は大きく変化するものの、まだまだオンデマンドの変化を起こさせるには程遠いことも明らかになった。

第一校舎1号館

明治大学生田キャンパス。我らが農学部はこのキャンパスにある。駿河台のリバティータワーに行っても農学部はないのである。

農学部の建物は第一校舎、理工学部の建物は第二校舎と名付けられている。農学部の校舎は第一校舎◯号館という命名法になっている。

その記念すべき第一校舎１号館。どんな建物かと聞かれたら多くの人がこう答えるだろう。

「古い」

この建物では、農芸化学科では化学実験などの実習を行ったり、大教室があるので必修の授業からガイダンスまで非常に重要な講義や会合が行われる。大事な場所である。次回の新3年生の研究室のガイダンス（特研ガイダンス）も１号館で行われる予定である。

それは良いのであるが、残念ながらエレベーターなどがないのでバリアフリーではない。また、冬に講義だと、大きい階段教室では低くなっている前の方の席が寒いという難点もある。講義で後ろの方に座るというのは、あまり良いことではないのに、頑張って講義で前の方に座る人の方が寒いとはよろしくない・・・改善してほしいが、教室が広いので難しいかもしれない。

先ほども言ったが、ガイダンスなどでは度々登場する。200人以上入れる教室がほかの校舎では少ないので、古い建物であるが大活躍なのである。

私の場合は、化学実験（農学科）の実験を行っている。金属の系統分離（金属元素を分けていくこと）や酸の滴定、分光光度計などを使用した実験を行っている。農芸化学科の学生は、１年生の最初から実習でも講義でもお世話になる校舎である。

教員側のネックとしては、PCの接続がIC管理されておらず、鍵を借りて来なければマイクやプロジェクタの利用ができないという点だろうか。逆に言うと、他の教室は教員のカードがあればプロジェクタなどを使えるので便利なのである。

古い１号館ではあるのだが、農芸化学科の学生には１年生の初めからお馴染みの場所である。

糖代謝をパスウェイレベルで制御する転写因子Rre37

Pathway-level acceleration of glycogen catabolism by a response regulator in the cyanobacterium Synechocystis species PCC 6803.

Osanai T, Oikawa A, Numata K, Kuwahara A, Iijima H, Doi Y, Saito K, Hirai MY.

Plant Physiol. 2014, 164:1831-41.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24521880

これまでの研究により、RNAポリメラーゼシグマ因子SigEが糖異化遺伝子群を制御することが分かった。このSigEを過剰発現で糖代謝を改変し、バイオプラスチックであるポリヒドロキシ酪酸（PHB）や水素の生産量を増やすことに成功した。

SigEという因子を見つけたことで、シアノバクテリアの糖代謝の制御メカニズムを解明し、それを有用物質生産に利用できるようになってきたのである。

しかし、研究を続けていくうちに分かってきたことは、「糖代謝を広く制御する転写制御因子は、SigEだけではない」ということである。

このうち、大学院生時代の所属である田中寛先生の研究室で研究を進めていた因子にレスポンスレギュレーターRre37があった。この因子は東京薬科大学での研究が進められているが、SigEと似て非なる糖異化の転写制御因子である。

先行研究により、Rre37はグリコーゲンの分解酵素や解糖系の酵素の遺伝子発現を正に制御することが分かっていた。

この論文では、SigEと同様にRre37を過剰発現させ、糖代謝の変化を調べた。その結果、Rre37過剰発現株ではグリコーゲン異化酵素や解糖系酵素の遺伝子発現が増加し、炭素の貯蔵源であるグリコーゲンが減少することがわかった。

また、マイクロアレイ解析の結果、アセチルCoAからPHBを合成するための最初の２つの反応の酵素であるPhaAとPhaBの遺伝子発現が、Rre37の制御下にあることがわかった。

すなわち、SigEとは異なった形で、Rre37はグリコーゲンからPHBまでを代謝パスウェイレベルで制御していたのである。

実際にRre37過剰発現株ではPHB量が２倍に増加した。また、SigEとの二重過剰発現株ではPHB量が約３倍に増加した。

このように、たった１つか２つの遺伝子を過剰発現させることで、代謝やバイオプラスチックの量が変化することがわかったのである。

さらにRre37過剰発現株のマイクロアレイやメタボロームデータを解析すると、TCA回路とオルニチン回路のハイブリッドサイクルのようなものが存在する可能性が示唆された。

実際にこのようなサイクルが存在するかは証明できていないが、このようなハイブリッドサイクルが回ると、窒素欠乏時の代謝の動きは非常によく説明できる。

当時理化学研究所の平井優美先生の研究室にいたので、「このサイクルを平井-小山内サイクルと名づけましょう！」と言っていて、植物科学シンポジウムという大きな会議でも冗談交じりで言ったことはあった。しかし、未だに一度たりとも使われたことはない（笑）。そもそも「そういうサイクルは自分で名づけるものではなく、後に呼ばれるものだ」という先輩の意見がおそらく正しいのであろう（笑）。

それはさておき、このようなRre37という転写制御因子を用いることで、代謝や転写の基礎研究を行うとともに、バイオプラスチック量の増加という代謝工学にも成功したのである。

写真の撮り方を学ぶ。

11月は明治大学生田キャンパスにおいて、学園祭である生明祭（いくめいさい）が開催された。それに合わせ、環境バイオテクノロジー研究室初のOG会が開催された。現在研究室を離れたのが女子だけであるため、「OG会」という名前になっている（ちなみに最近はだいぶ男子も増えた。来年は果たしてどういう男女比になっていることだろう・・）。

開催場所は最寄りの小田急線生田駅の近くにある「駅」という居酒屋。明大生にはお馴染みなのだけれど、「駅」という名前は、ブラウザで検索しにくい（笑）。

飲み会はやはり学生と話をする大事な機会であると実感。この間のブログにも書いたのだけど、最近インスタグラムを始めている。最初はインスタグラムを始めて、単に写真を載せていたのだけれど、ただスマホで写真をとって載せるのではないらしい。「綺麗に加工してから写真を載せる」らしい。

てっきり上手な人は良いカメラを持っていたり、自然光を使うなどの撮影法に工夫をするのだと思っていた。ところが、写真を撮る・加工するアプリを使うのが当然とのことを教えてもらった。そうなんだ・・・

教えてもらったものは、Foodie（フーディー）という食べ物を撮影して加工するアプリだった。
Foodieとは
写真を撮影することもできるし、すでに撮影した写真を加工することもできる。こうして撮影する写真の色彩・陰影などを変えることで劇的に綺麗になるらしい。知らなかった・・・世の中知らないことがたくさんある。その後調べてみたら、インスタをやるならばFoodieは常識のようであった。。

ということで、せっかくなので生明祭で食べた写真をいろいろと加工してみた。まずはバドミントン部のワッフル（生クリーム付き）の写真を使ってFoodieで加工してみた。

上がFoodieで加工したもの、下がスマホで撮影した元画像である。

うーん、上の方が綺麗。。なんかプロっぽい写真になる（いや、プロに失礼かもしれない）。淡い色がそれっぽい。知らなかった・・・こうやってインスタなどにアップしていたとは・・・メカラウロコ。

続いては吹奏楽部のフレンチトースト。。

上がFoodieで加工したもの、下が元の画像である。上の画像はやや淡くしすぎたかもしれない💦。しかし、色々と面白いなあと関心。無料アプリなのがすごい。というか、ソフトウェアは、すごいものがどんどん無料になっていく。ソフトウェアビジネスってどうするんだろう。ビジネスの側面も非常に気になる。

リンガフランカ（フットサルサークル）のベビーカステラもこんな感じ。上のFoodieの画像の方が明らかに綺麗に映っている。

ということで、学生からいっぱい教えてもらいながら、SNSを進めている次第である。。時代についていくのってとても大変。全部についていく必要はないのだろうけれど、面白いものはどんどん挑戦していきたいと思っている。

論文アクセプト記念で叙々苑へ

だいぶ遅れてしまったのだけれど、論文アクセプトのお祝いで焼肉を食べに叙々苑に行きました。筆頭著者３名とポスドク１名、テクスタ１名と私の合計６名で参加。なかなかスケジュールが合わずに、１２月になってしまいました。

焼肉の叙々苑といえば、全国的に有名な店。しかも、なぜか中目黒店に行ってきました。「叙々苑、中目黒」でブラウザで検索すると、予測変換で「芸能人」と出てくるらしい。月曜日の早い時間だったので、芸能人はいなかったけれど💧。

アクセプトの時はだいたいケーキでお祝いしていたのだけれど、今回はなぜか焼肉になりました。たまには贅沢をということなのかもしれない。

この間も韓国に国際会議に行ってきたけれど、韓国料理が好きなのである。叙々苑のキムチは美味しかった。さすがに辛さは日本人向けに抑えてあった。キムチだけでご飯がたくさん食べられそうな勢いだった。

そして、叙々苑の焼肉では焼く網が小さい！メニューを見ると「焼き過ぎないでお召し上がりください」と書いてあったので、おそらく焼き過ぎを防ぐためだと思う。この辺は肉の質にこだわりがあるだろうと推測。2回くらい肉を焼くと、「網を交換します」とすぐに網交換を行っていた。さすがである。。

上の写真は上カルビ、下の写真は上ロース。うん、噂に違わず、濃厚な味だった。何も言わないとタレ味になるらしい。今回はそのままタレ味で。塩味にもできるらしい。

個人的には焼肉にはマッコリ。韓国料理に合うのは当たり前だろうけれど、すっきりとした甘みと酸味がこってりした焼肉にぴったりです。飲んだことない人に説明するには・・・甘酒とカルピスサワーの中間くらいというわかるようなわからないような説明をしている。

壺漬けカルビなる料理には、肉だけでなく、とうもろこし、玉ねぎ、長ネギに加え、りんごやくりなども入っていた。これらも網で焼いて食べました。このほかにもコムタンスープなども注文。

デザートはデフォルトでついてくる抹茶アイス（アイスはバニラやゆずシャーベットも選べる）に加え、杏仁プリンも頼みました。アイスはハート型でおしゃれ。。周りが抹茶チョコでコーティングされているアイスで、抹茶の味が濃厚だった。

今回は僕も含め、体調不良者が多かったので残念だったけれど、十分にいつもと違う食事を楽しめました。

論文はアクセプトまでに信じられないくらい長い時間がかかる大変なもの。だから、通った時にはすごく嬉しいとともに、なんかすでに疲れているというのが定説。たまにはこういう食事で元気を出して、いつも行かない場所で気分転換して、また頑張って研究をするというのが大事だと思う今日この頃でした。

窒素欠乏時に炭素をどのように貯めるか？

"Capillary electrophoresis-mass spectrometry reveals the distribution of carbon metabolites during nitrogen starvation in Synechocystis sp. PCC 6803."

Osanai T, Oikawa A, Shirai T, Kuwahara A, Iijima H, Tanaka K, Ikeuchi M, Kondo A, Saito K, Hirai MY.

Environ. Microbiol. 2014, 16:512-24.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23796428

理化学研究所に移り、代謝システム研究チーム(平井優美チームリーダー)の研究室に所属した。2010年度は基礎科学特別研究員だったが、2011年度よりさきがけ専任研究者となった。さきがけについては別項で詳細に語る。

平井チームはさらに大きなくくりでメタボローム研究のグループに所属している。この縁で、理研および山形大学の及川先生とコラボできたことは非常に幸運である。

そして次から次へと幸運は巡ってくる。センターに新しく神戸大学近藤先生のチームができた。近藤先生は、日本の生物工学のトップに君臨するお方の一人である。チーム発足と同時にいらした上級研究員(現副チームリーダー)の白井先生ともコラボして研究を進めることになった。改めて振り返ると、共同研究を組ませて頂いている方々が豪華すぎる💦。恵まれているなあ・・。

この論文では、遺伝子発現とメタボローム解析により、窒素欠乏後4時間のシネコシスティスの代謝変化を調べたものである。

これまで糖異化関連遺伝子発現が窒素欠乏時に誘導されることを明らかにしてきたのだが、一方で、グリコーゲンは窒素欠乏時たまることが知られている。この矛盾を解決するためにメタボローム解析によって代謝の全体像を明らかにしたのである。

メタボローム解析の結果、窒素欠乏時にはTCA回路の有機酸が増加することがわかった。また、窒素を多く含むアミノ酸が減少し、反対に窒素の少ないアミノ酸が増加することも分かった。

窒素欠乏時にはグリコーゲンに炭素を貯蔵すると思われていたのだが、これらの結果より炭素源は有機酸などの形でも貯めておくことが示唆された。炭素源を分散させて貯蔵しておくのである。

分散させて貯蔵する理由はまだ明らかになっていないが、再度増殖を開始する際に、一箇所に炭素源があるよりも便利なのかもしれない。この辺りの疑問は今後解消していきたいと考えている。

また、この論文ではNADPHの比率が窒素欠乏時に低下することも示している。NADPHは光合成電子伝達系の最終産物であり、かつ、さまざまな代謝産物の生合成に使われる物質である。しかし、測定が難しい。白井先生の技術ではじめてきちんとNADPHを定量することができた。これは非常に大きな出来事だったと思う。

この論文はトムソン・ロイターの高引用論文にも選ばれ、メタボロームのすごさを知った論文でもある。共著者の方々には頭が上がらない。共著者の皆様ありがとうございました。