分子結晶の生合成に活用される微細藻類

渦鞭毛藻は、水溶液中の多くの含窒素複素環化合物を窒素貯蔵結晶として迅速に蓄積でき、溶存有機窒素の代謝に関する一般的な機構を明らかにした。この結晶化挙動は操作可能であり、複屈折性を示すキサンチン球晶を含む、形態および光学特性を調整した結晶を生成できるほか、常温常圧条件下で水溶液から分子結晶を生産する細胞工場として微細藻類を利用できる。

グアニンなどの高反射性生体結晶は、有毒な無機光学材料に代わる生体適合性のある代替材料となる可能性を持つ。高付加価値代謝産物の生産には微生物細胞の工学的利用が広く行われてきたが、機能性結晶材料の生合成はこれまで達成されていなかった。

海洋性の渦鞭毛藻では、グアニン結晶が高容量の窒素貯蔵庫として機能し、環境中の窒素が周期的に不足する状況を乗り切るために利用される。窒素飢餓状態のAmphidinium carterae細胞を、唯一の窒素源として約40 μMの溶存グアニンを含む培地に移すと、β型多形のグアニンから成る複屈折性の多結晶球状体の出現と同時に、培地中のグアニンは急速に枯渇した。これらの多結晶球状体は、細胞中央に位置する膜結合性液胞内に収容されている。

これらの液胞では、外因性グアニンへの曝露後わずか1–10分で結晶の蓄積が始まり、約1–5時間で完全に形成され、12–48時間後には崩壊し始める。渦鞭毛藻は多数の含窒素複素環化合物を直接取り込み、結晶化し、それらを利用して増殖できることから、結晶としての有機窒素の貯蔵と、そこからの有機窒素のその後の放出は、溶存有機窒素の代謝における一般的戦略であることが示唆される。

グアニンのような含窒素複素環化合物は、低分子量の溶存有機窒素の主要構成成分であり、これは海洋に豊富に存在し残存性の高い還元型窒素の一形態である。人為的影響により溶存有機窒素は増加しており、微細藻類が含窒素複素環化合物をどのように代謝するかを合理的に理解することは、海洋における溶存有機窒素循環の理解に不可欠である。渦鞭毛藻の窒素貯蔵戦略はサンゴとの共生においても重要であり、渦鞭毛藻から移送される有機窒素によって、栄養塩に乏しい海域でもサンゴ礁は繁栄できる。

渦鞭毛藻が水溶液から含窒素複素環化合物を急速に結晶化できる能力は、これらの難溶性分子がin vitroで再結晶するには極端なpH条件または有機溶媒を必要とすることを考えると、際立っている。この結果は、微細藻類を水溶液から分子結晶を生産する細胞工場として活用できることを示しており、医薬品の結晶化や有毒物質のバイオレメディエーションへのさらなる応用の可能性も示している。