Development of a universal method for rationally improving enzymatic activity
| Project/Area Number |
21K18841
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 27:Chemical engineering and related fields
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
新井 宗仁 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (90302801)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
林 勇樹 東京大学, 環境安全研究センター, 准教授 (90444059)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
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| Keywords | タンパク質 / 酵素 / 活性 / タンパク質デザイン / 合理的設計 |
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| Outline of Research at the Start |
酵素活性の向上は、産業や医療への応用において重要である。しかし、従来は進化分子工学的手法による大量の実験が必要であった。そこで、この状況を打破するために、本研究では酵素活性を合理的に向上させるための普遍的手法を開発する。これは学術上の難問であるが、我々は最近、課題解決のブレイクスルーとなる方法を考案して予備的な研究を行い、モデル酵素の活性を大きく向上させることに成功した。この技術を確立させるために、本研究では、この手法の妥当性の検証と、様々な酵素への適用による普遍性の検証を行う。さらに、機械学習等により理論計算法を最適化する。以上により、多くの酵素に適用可能な普遍的技術の確立を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
触媒反応を行うタンパク質（酵素）は、生命現象の維持に必要なだけでなく、有用物質の工業生産にも必要であり、産業や医療などの幅広い分野に応用されている。それゆえ、酵素活性を向上させる方法の開発は、産業や医療などにおいて極めて重要である。従来の設計法では大量の実験が必要であるが、このような状況を打破するために、本研究では酵素活性を合理的かつ効率的に向上させるための普遍的な手法を開発し、その妥当性と普遍性の検証を目指す。また、必要に応じて、理論的設計法の最適化を行う。2022年度は次の成果を得た。
(1) モデル酵素であるジヒドロ葉酸還元酵素（DHFR）に対して、我々が提唱する方法によって前年度までに設計した複数の変異体を実際に作製し、酵素活性を正確に測定した。その結果、これらの変異体は設計通りに高活性化していることが示され、本設計手法の妥当性の検証に向けて大きな前進が見られた。
(2) 酵素を高活性化させるためには、基質との結合を強める合理的手法の開発も重要である。そこで、標的分子との結合を強めうるタンパク質変異体を、Rosettaソフトウェア等を用いて合理的に設計した。それらを実際に作製した結果、設計通りに結合能を強化させたタンパク質を得ることに成功した。
(3) 設計の成功率を向上させるために、これまでの経験に基づき、Rosettaソフトウェアを用いたタンパク質設計のプロトコールを改良した。
(4) 統計力学理論を用いてタンパク質の構造ダイナミクスを包括的に予測する手法の開発を進めた。その結果、さまざまなタンパク質に普遍的に適用可能なダイナミクス予測法の構築に向けて大きな進歩が得られた。この手法は今後、タンパク質の構造ダイナミクスに基づいて酵素を高活性化させるという画期的設計法の開発につながると期待される。
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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
研究実績の概要に記載した通り、本研究の妥当性の検証に向けて大きな前進が得られている。また、標的分子との結合を強化させる理論的手法の開発や、タンパク質の構造ダイナミクスの予測法の開発等においても大きな進歩が得られており、おおむね順調に進展していると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も当初の予定通りに研究を進める。具体的には、妥当性の検証のために、DHFRについて理論的に設計した変異体をさらに多く作製し、実際に酵素活性が向上しているかどうかを実験で確認するとともに、高活性化した変異体について、生成物解離速度などの反応ステップが高速化しているかどうかを確認する。また、普遍性の検証のために、DHFR以外の酵素に対しても同様の研究を行う。必要に応じて、理論的設計法を最適化する。さらに、標的分子との結合を強化させたタンパク質変異体の理論的設計法や、タンパク質の構造ダイナミクスの理論的予測法などの開発も推し進めていく。
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Report
(2 results)
Research Products
(26 results)
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[Journal Article] Intron-encoded domain of herstatin, an autoinhibitor of human epidermal growth factor receptors, is intrinsically disordered.2022
Author(s)
Tashiro, D., Suetaka, S., Sato, N., Ooka, K., Kunihara, T., Kudo, H., Inatomi, J., Hayashi, Y., Arai, M.
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Journal Title
Frontiers in Molecular Biosciences
Volume: 9
Pages: 862910-862910
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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