| Project Area | Systems biosynthetics based on accumulation, prediction, and creation of biological reactions |
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| Project/Area Number |
22H05122
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Fukui Prefectural University |
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Principal Investigator |
丸山 千登勢 福井県立大学, 生物資源学部, 准教授 (20452120)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長谷部 文人 福井県立大学, 生物資源学部, 助教 (30781801)
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| Project Period (FY) |
2022-06-16 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥87,100,000 (Direct Cost: ¥67,000,000、Indirect Cost: ¥20,100,000)
Fiscal Year 2024: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
Fiscal Year 2022: ¥49,270,000 (Direct Cost: ¥37,900,000、Indirect Cost: ¥11,370,000)
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| Keywords | 中分子ペプチド / 非タンパク性アミノ酸 / 生合成 / 二次代謝 |
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| Outline of Research at the Start |
微生物由来ペプチド系化合物に含まれる非タンパク性アミノ酸（NPAA）は、ペプチド化合物のプロテアーゼ耐性に寄与し、さらに多様性拡張にも寄与している。そこで本研究課題では、NPAAを豊富に含むペプチド化合物の生合成遺伝子クラスターを中心に解析し、強制発現技術によって新規ペプチド化合物の創製を目指す。さらに細胞膜を透過しにくいペプチド化合物に、申請者らが確立した「細胞膜透過性が改善技術」を適用し、微生物由来ペプチド化合物の潜在機能を覚醒させる。本研究成果は、多様なNPAA生合成に関与する生体触媒情報を酵素機能予測AIへ付与することに貢献し、効率的なペプチド化合物の構造多様性創出を達成する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
微生物ゲノムが躍進的なスピードで解読されたことにより、微生物が予想以上に多種多様な低分子・中分子化合物を生産する可能性を示してきた。特筆すべきことに、微生物は予想以上に非タンパク性アミノ酸（NPAA）を利用してペプチド化合物を生産する。NPAAは、プロテアーゼ耐性に寄与している重要な構成単位であるとともに、ペプチド化合物の多様性の拡張にも寄与している。そこで本研究課題では、NPAAを豊富に含むペプチド化合物の生合成遺伝子クラスターを中心に解析し、新規NPAAの発掘とNPAA生合成に関わる生体触媒情報の集積を目指す。
またもう一つの新規NPAAの探索源として、NPAAが、一次代謝産物を出発物質として生合成され、最終産物のNPAAに至るまでに多数のNPAAを経由する点に着目した。一次代謝で生産されるタンパク性アミノ酸でさえもまた、その生合成経路では数多くのNPAAを経由する。加えて、タンパク性アミノ酸の生合成は微生物種によっても触媒する酵素や生合成経路、中間体に違いがあり、未知の新規経路も存在すると言われている。すなわち、微生物のアミノ酸代謝は、NPAAとその生合成を担う生体触媒の宝庫といえ、新規アミノ酸生合成機構の解明からも新たなNPAAの発掘と生体触媒情報の集積を目指す。
さらに既存の生理活性を指標とした生理活性ペプチド化合物の探索では見逃されてきたペプチド化合物の発掘にもチャレンジする。申請者らが有する基盤技術である細胞膜透過性改善手法を用いて、微生物由来ペプチド化合物の隠れた潜在機能を覚醒させ、ガン細胞に対する毒性試験を指標に、有効なNPAA含有ペプチド化合物の探索を試みる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
NPAAの一つであるβ-homolysine (β-hLys)は天然物では唯一、resormycin (RM)が含有するジアミノカルボン酸である。これまでに天然より見つかっているジアミノカルボン酸としては、炭素3つからなる2,3-diaminopropanoic acid、炭素4つの2,4-diaminobutylic acid、炭素5つの2,5-diaminopentanoic acid (ornithine)、炭素6つからなるL-lysineまでが見出されており、それぞれにその生合成経路も解明されている。しかし炭素7つからなるhLysについては全く知見がない。昨年度までの研究で我々は、β-hLysがArgを出発物質として生合成されることと、生合成中間体として、β-hLysの前駆体であるα-hLysの末端アミノ基がグアニジド化された化合物（2-amino-7-guanidino-heptanoic acid, AGH）を経由する生合成経路を明らかにした。またβ-hLys生合成に関わる7つの遺伝子を同定し、本年度はこれらの遺伝子群がArgからAGHへの変換にどのように関与するか、機能解析を進めた。AGHは、Argから炭素2つが伸長した類縁化合物であるが、炭素骨格を伸長するために、アミノ基転移酵素によりArgから2-oxo-Argを生成したのち、クエン酸性合成酵素のホモログ酵素群の触媒により炭素鎖伸長される新規生合成経路を明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
Argから2-oxo-Argを生成するPLP依存型アミノ基転移酵素は、Pseudomonas属でよく知られる酵素群であるが、放線菌で報告された例はない。また炭素鎖伸長に関わる酵素群は、一般的にTCA回路で見られる酵素群のホモログ酵素群であるが、本研究で見出した酵素群は、2つの炭素鎖を伸長するために、多様な基質を認識して同様の触媒反応を2回行う非常に興味深い生合成機構であることが判明した。本研究で見出した酵素群は、いずれも複数の基質を認識し、複数回の触媒反応を繰り返すことから、これら酵素群の基質認識機構の解明には大変興味が持たれる。今後は、本研究で見出した酵素群のモデリング解析から、基質認識に関わるアミノ酸部位の同定、及び、更なる機能拡張に向けた変異解析を実施する。また、これら生合成酵素群の情報をもとにゲノムマイニングを行い、更なるペプチド系化合物やNPAA生合成遺伝子群の探索・同定に繋げたい
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