計算化学を駆使して地衣類が放射性セシウムを保持する謎に迫る

2021-06-082021-09-28

量子化学計算が明らかにする地衣類代謝物の放射性セシウム錯体形成力

量子化学計算が明らかにする地衣類代謝物の放射性セシウム錯体形成力

2021-06-07 日本原子力研究開発機構

【発表のポイント】

地衣類とは、藻類と共生している菌類の総称で、岩の表面、樹木の幹、家屋の壁、コンクリート等至る所に生育しています（図1左）。地衣類は放射性セシウムを長期間にわたり保持することが知られていますが、その詳細な機構は分かっていません。このような性質を持つ生物は少なく、その謎の解明は重要な研究対象となっています。
日本原子力研究開発機構と国立科学博物館は、地衣類が合成する代謝物の一部が放射性セシウムの保持に関係すると考え、福島県内で観察されるウメノキゴケやキウメノキゴケなどの地衣類が産する5つの代謝物とセシウムが作る錯体(※1)形成力を世界で初めて量子化学計算（※2）手法を駆使して求めることに成功しました。
その結果、セシウムとの錯体形成力は、体内で生成される代謝物ごとに異なることやpH環境によっても異なることが分かりました。この結果から、地衣類は性質の異なる代謝物を適材適所で分泌させ、その保持力を向上させていることが推定されます。
本研究により、放射性セシウムの保持には地衣類の代謝物が関与していること、さらに複数の代謝物が協調して関与していることが示唆されました。このような新しい生理学的知見が得られた鍵は、複雑な生体分子の錯体形成力を高精度に計算可能とする技術を開発したことにあります。開発した計算手法を活かせば、地衣類の持つ代謝物の他の機能（抗酸化や抗ウイルス機能）解明やその機能を活用する新しい薬剤候補の発見等への貢献も期待されます。

図1　地衣類（キウメノキゴケ：樹幹表面の緑色の着生物）が自生している様子と地衣類内部構造の模式図。ウメノキゴケやキウメノキゴケなどでは各層にて異なる代謝物を分泌します。計算によると、上皮層（※3）の代謝物はアルカリ性、髄層（※4）の代謝物は中性で、それぞれ、セシウムを含むアルカリ金属元素（※5）と強い錯体形成力を示します。

【概要】

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（理事長：児玉敏雄、以下「原子力機構」という）・システム計算科学センターの数納広哉研究員および町田昌彦副センター長は、原子力機構・福島研究開発部門・廃炉環境国際共同研究センターの土肥輝美技術副主幹及び独立行政法人国立科学博物館（館長：篠田謙一）・植物研究部・菌類・藻類研究グループの大村嘉人グループ長と連携し、地衣類が示す放射性セシウムを長期間にわたり保持する機構の解明を目的として、地衣類代謝物とセシウムの錯体形成力を調べる研究を、量子化学計算手法を用いて行いました。

地衣類とは、藻類と共生する菌類の総称で、岩の表面、樹木の幹表面（図１）、家屋の壁、コンクリートの表面等、比較的安定した場所でゆっくりと生育するユニークな生物です。地衣類には放射性セシウムを長期間にわたり保持する性質が知られており、その保持機構の解明は生物学および環境化学の一つの課題となっていました。本研究では、地衣類体内の菌類が生成する代謝物の一部が放射性セシウムを強く吸着し、錯体を形成することで長期の保持が可能になると考えました。そこで、福島で実際に放射性セシウムを保持していると確認されたウメノキゴケ類が産生する代謝物に対し、セシウム及びアルカリ金属元素との錯体形成力を世界で初めて量子化学計算手法を適用し評価する研究を行いました。その際、室温かつ水中では、錯体の構造は一意に決まらず揺らいでしまうという性質があり、出現する複数の構造を効率良くかつ高精度に求める必要性があります。この課題に対し、2段階に計算を分ける手法（1段目：低精度な計算で高速に、錯体が取り得る複数の構造を取得。2段目：1段目で得られた複数の構造に対し、高精度計算をスーパーコンピュータで並列に計算）を適用し計算を大幅に高速化することに成功しました。その結果、膨大な時間がかかる計算がわずか数日で終えられるようになりました。この開発された手法は、地衣類代謝物だけでなく生体内に投与した薬剤（有機分子）の反応の追跡等、幅広く応用が可能です。

計算結果から、外界に近くアルカリ金属元素濃度が比較的高くなるため、アルカリ性となりやすい上皮層で産生されるアトラノリンとウスニン酸（図1右）は、アルカリ性条件でアルカリ金属元素と強い錯体形成力を示すことが分かりました。一方、髄層で産生される代謝物のレカノール酸とプロトセトラ-ル酸（図１右）は、アルカリ金属元素濃度が低下し中性となった条件で強い錯体形成力を示すことが分かりました。これらの結果より、地衣類の各層で産生される代謝物は、環境の違いに呼応しバランス良くセシウムを含むアルカリ金属元素を保持する能力を有し、体内で上皮層から髄層まで広く保持できる能力を有していることが示唆されます。これまで、実験・観察による研究が困難なため、地衣類体内のどこに放射性セシウムが保持されるのか、また、どの代謝物が放射性セシウムの保持に関与するのかという疑問が残されていました。しかし、本研究により、初めて複数の代謝物が環境の変化に応じて錯体形成に関与するというメカニズムが明らかにされたと考えています。

地衣類におけるセシウムを含むアルカリ金属元素の保持という生理現象を高精度かつ高効率な量子化学計算手法を用いて分析するというアプローチは世界初の試みです。本成果はネイチャー・リサーチ社（英語版）が刊行しているオンラインでオープンアクセスの学術雑誌「Scientific Reports」の2021年4月号に掲載されました（4月15日オンライン公開）。

【研究の背景】

2011年、福島第一原子力発電所から放出された放射性セシウム（134Csと137Cs：セシウムの放射性同位元素）の一部は福島県内そして東日本に降着しました。降着した放射性セシウムは、生態系内に取り込まれると、様々なルートを介して人に移行し内部被ばくをもたらす可能性が指摘されてきました。事実、福島事故以前、その一つとして地衣類を介したルートが知られ、高緯度地域においては、地衣類を食した動物の肉等が高い放射性セシウム濃度を示す（参考文献１）ことから、地衣類の放射性セシウムを長期にわたり保持するメカニズムの解明は、放射線による健康影響を研究する分野の重要な研究課題となっていました。また、放射性セシウムを長期間保持する生物は限られており、地衣類でのメカニズムが解明されれば、生態系内での放射性物質の動きを解明する大きなヒントになると考えられます。

地衣類は、共生する藻類が光合成を担い栄養を産出する一方、菌類は、その栄養を基に様々な代謝物を合成し、中でも二次代謝物（※6）に分類される代謝物が地衣類のユニークな性質を支えていると考えられています。現在、1,000種を超える二次代謝物が知られており、その役割は、極限環境に適応するため、紫外線の遮蔽や抗酸化性を始めとして、他の生物の攻撃から自らを保護する抗細菌や抗ウイルス機能まで様々な機能を有することが知られています。しかし、未だ十分な研究が行われておらず、今後の研究に多くの期待が寄せられています。

地衣類では、上記の代謝物を体内で合成し、菌糸体表面に析出させることが知られており、この析出物が大気中の重金属元素と錯体を形成することで、汚染大気に含まれた微量の重金属を保持する等、代謝物の化学的役割が注目されてきました。放射性セシウムの場合も、このように、代謝物が関与すると想定されますが、未だ十分な研究が行われていません。その理由として、地衣類の体が薄い膜状の形である（図１）ため、組織形状や生体機能を保持したままでの放射性セシウムの検出や分離が難しい他、培養が困難な生体であることから化学分析等の操作も難しいことが挙げられます。

そこで、原子力機構は国立科学博物館と連携することで、福島県内で放射性セシウムを実際に保持することが確認された地衣類（参考文献2）のうち、広く観察されるウメノキゴケやキウメノキゴケなどに着目し、それらが産生する代謝物の中から、産生量の多い５つの主要なものを選択し、セシウムおよび比較のためアルカリ金属元素全般に対する錯体形成力を、高精度な量子化学計算手法を用いて比較評価するという世界でも例のない研究に取り組みました。

しかし、生体内の代謝物である有機分子とセシウムは、水中かつ室温環境下にあるため、様々な安定および準安定構造を取り、それらの構造の間を時間と共に揺れ動くことが知られています。そのため、高精度で長時間の計算が必要とされ、計算化学の中でも困難な問題の一つと考えられていました。この難題に対し、原子力機構は、エネルギーの最も低い安定な構造から複数の準安定な構造を高速に求め、最終的に、それらの構造間の揺らぎを高精度に計算可能とする手法（参考文献3）を採用することで、問題解決に挑みました。

【研究の内容・成果】

原子力機構および国立科学博物館の研究者らは、福島事故に関連し、実際に放射性セシウムを保持することが確認された地衣類のうちのウメノキゴケとキウメノキゴケが産出する代謝物として、地衣類の各層（図１）にて見いだされる主要な5種（シュウ酸、ウスニン酸、アトラノリン、レカノール酸、プロトセトラ-ル酸）を選択し、それらのセシウムおよびアルカリ金属元素全般の錯体形成力を量子計算化学手法により計算しました。地衣類の選定そしてその代謝物の選定は国立科学博物館と原子力機構の福島研究開発部門が行い、原子力機構のシステム計算科学センターが計算を担当しました。このような計算によるアプローチで、代謝物による放射性セシウム保持機構の解明を試みたのは、世界でも初めての例となります。計算化学の研究者、放射性セシウムの生体蓄積を調査する研究者、そして地衣類の専門家が分野を超えて連携することで初めて実現した学際的な研究と位置づけられます。

一般に、生体内で産生される代謝物の場合、室温という温度を考慮しつつ、水中での錯体形成という生体内環境条件の下での計算が必須となりますが、その条件下では、代謝物は、様々な安定及び準安定構造を取りうるため、錯体形成の自由エネルギー（※7）の計算は困難となります。この状況を克服するため、私たちは、GRRM（※8）とMOPAC（※9）を連携させ、最初に精度を抑えることで、多数の安定及び準安定構造の候補を迅速に決定した後、複数の取得した構造に対し、高精度な量子化学計算を、スーパーコンピュータを用いて並列計算することで、複数のセシウム及びアルカリ金属元素錯体構造（図2）を効率的に取得することに成功しました。

図2　計算により得られた地衣類代謝物（ウスニン酸とプロトセトラ-ル酸）とセシウム（Cs）の安定な錯体構造の例。（図中の紫色の球はセシウム原子）

その結果、室温および水中でのセシウムの錯体形成の自由エネルギーの計算が可能となり、5種全てのアルカリ金属元素との錯体形成の自由エネルギーをpH（水溶液が酸性かアルカリ性を示す指標）が変化した場合も含めて高速に計算することに成功しました。その結果、代謝物が存在する水溶液が中性の場合は、プロトセトラ-ル酸が全てのアルカリ金属元素と強く錯体を形成する一方、アルカリ性の場合は、ウスニン酸が極めて強い形成エネルギーを示し、全てのアルカリ金属元素と安定な錯体を形成できることが分かりました。これらの計算結果から分かることは、第一に、アルカリ金属イオン濃度が高くアルカリ性となりやすい地衣体の上皮層（※4）では、そこで産生されるウスニン酸やアトラノリンがセシウムを含むアルカリ金属元素との錯体を形成し保持できることです。第二に、アルカリ金属元素を上皮層で十分に吸収した後、中性へと調整された髄層（※5）で、プロトセトラ-ル酸が二段階目の吸着体として、アルカリ金属元素全般と錯体を形成できることです。そして、この２つの結果から、地衣類は各層の環境の条件に併せて異なる代謝物を分泌させ錯体を保持できることが分かります。

このように、量子化学計算手法による研究は、地衣体内に分布する代謝物のセシウムやアルカリ金属元素全般との錯体形成力の違いの他、その錯体形成力が、どのような条件で強く働くかといった詳細な知見を提供することを可能とします。以上、セシウムだけでなく、アルカリ金属元素全般との錯体形成力の評価を通して、それらの元素の保持という、地衣類の生理学的な理解を深める知見が得られたことは、本研究の大きな成果と位置付けられます。

【今後の展開】

本研究により、地衣類は産生する代謝物を活用することで、放射性セシウムと錯体を形成し、体内で安定に保持できることが示されました。また、異なる層ごとに適切な代謝物を分泌することで、保持能力を最大としている可能性が示唆されました。今後は、生体試料での観察や実験により、この結果が検証されることが期待されます。生態系内での放射性物質の挙動を解明し、放射線による健康影響を研究する分野では、放射性セシウムを保持する生物の保持機構解明が求められており、地衣類での検証は、その分野へ大きなインパクトを与えることができます。その一方、本計算手法を他の代謝物の研究にも適用することで、それらの未解明な機能を明らかにしていくことも考えられます。例えば、地衣類の代謝物の中には、抗ウイルス機能や紫外線遮蔽機能、抗酸化機能を有するものが多数存在することが知られています。これらの機能はどれ一つとっても、人類にとって有用な役割を果たすことから、薬剤の開発にとって極めて魅力的な対象となっています。しかし、その機能が発現するメカニズムについては十分に解明されておらず、豊かな薬剤候補物質が未解明のまま残されていると考えられています。私たちは、本計算手法を活用し、地衣類代謝物の有効活用の道が新たに拓かれることも目標に研究を進めて行きます。

【書籍情報】（発表論文情報）

雑誌名：Scientific Reports

論文題目：Quantum chemical calculation studies toward microscopic understanding of retention mechanism of Cs radioisotopes and other alkali metals in lichens

著者：Hiroya Suno1, Masahiko Machida1, Terumi Dohi1, Yoshihito Ohmura2

所属：¹日本原子力研究開発機構、²国立科学博物館

DOI：http://doi.org/10.1038/s41598-021-87617-w

公表：2021年4月15日オンライン公開