Enzymatic Cascade in Pseudomonas that Produces Pyrazine from Amino Acids

• Project/Area Number: 17K15257
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Applied biochemistry
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: MASUO Shunsuke 筑波大学, 生命環境系, 助教 (10767122)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2019: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2018: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2017: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: ピラジン / 生合成 / アミノ酸 / 生合成経路 / アミノケトン / 物質生産 / ピラジン生合成 / アセチル基転移酵素 / FAD依存型酸化酵素 / メチル基転移酵素 / ピラジン環 / ジヒドロビラジン酸化酵素 / ピラジン化合物 / 微生物

Outline of Final Research Achievements

Pyrazines are biologically active pheromones and odors distributed among biological systems while their biosynthesis mechanism are fairly understood. The function of bacterial pap gene cluster revealed unique pathway for 2,5-dimethyl-3,6-bis(4-aminobenzyl)-pyrazine (DMBAP) synthesis that novel family of α-oxoamine synthase initially converts an amino acid to aminoketone, which couples to be a dihydropyrazine and forms the pyrazine DMBAP by novel dihydropyrazine oxidase. This finding establishes the novel enzymic framework of pyrazine biosynthesis.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

自然界でピラジン類縁体が発見されてから半世紀以上経つが、本研究により初めてアミノ酸を原料としたピラジン環の生合成機構が明らかとなった。PapDおよびPapFをコードすると予想される遺伝子は細菌に広く保存されていたため、多くの細菌が同様の機構でピラジン類縁体を生合成している可能性がある。自然界にはアミノ酸を原料とすると予想されるピラジン類縁体が多く存在するため、本知見はこれら化合物の生合成経路を解明するための基礎的知見として重要である。また、本生合成経路を改変・利用することで、アミノ酸原料からのピラジン化合物の生産といった、合成生物学的な研究を行うことが可能になると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Symbiotic riboflavin degradation by Microbacterium and Nocardioides bacteria (2020)
  • Author(s): Kanazawa Hiroshi、Ozaki Sayoko、Doi Yuki、Masuo Shunsuke、Takaya Naoki
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 84 Issue: 5 Pages: 1056-1061
  • DOI: 10.1080/09168451.2020.1715783
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrahigh Thermoresistant Lightweight Bioplastics Developed from Fermentation Products of Cellulosic Feedstock (2020)
  • Author(s): Nag Aniruddha、Ali Mohammad Asif、Kawaguchi Hideo、Saito Shun、Kawasaki Yukie、Miyazaki Shoko、Kawamoto Hirotoshi、Adi Deddy Triyono Nugroho、Yoshihara Kumiko、Masuo Shunsuke、Katsuyama Yohei、Kondo Akihiko、Ogino Chiaki、Takaya Naoki、Kaneko Tatsuo、Ohnishi Yasuo
  • Journal Title: Advanced Sustainable Systems Volume: 5 Issue: 1 Pages: 2000193-2000193
  • DOI: 10.1002/adsu.202000193
  • NAID: 120007181476
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enzymatic Cascade in Pseudomonas that Produces Pyrazine from α‐Amino Acids (2019)
  • Author(s): Masuo Shunsuke、Tsuda Yusuke、Namai Tomohito、Minakawa Hajime、Shigemoto Ryosuke、Takaya Naoki
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 21 Issue: 3 Pages: 353-359
  • DOI: 10.1002/cbic.201900448
  • Peer Reviewed
• [Presentation] アミノ酸の新たな利用の可能性～有用ピラジン化合物の生合成と代謝工学～ (2021)
  • Author(s): 桝尾俊介、高谷直樹
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Mechanism of pyrazine biosynthesis in <i>Pseudmonas fluorescens</i>. (2018)
  • Author(s): Shunsuke Masuo , Yusuke Tsuda, Tomohito Namai, Hajime Minakawa, Naoki Takaya
  • Organizer: TGSW2018 Towards Microbial Control ver. 3.0
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pseudomonas fluorescens SBW25株のピラジン生合成経路 (2018)
  • Author(s): 桝尾俊介、生井智仁、津田祐介、高谷直樹
  • Organizer: 日本農芸化学会2018年度大会
• [Presentation] ピラジン化合物の生合成経路 (2017)
  • Author(s): 桝尾俊介
  • Organizer: 第5回糸状菌分子生物学研究会若手の会
  • Invited