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Exploration of stereochemical diversity of natural products by engineering of diastereoselective enzymes

Research Project

Project/Area Number 23K26843
Project/Area Number (Other) 23H02150 (2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023)
Section一般
Review Section Basic Section 38040:Bioorganic chemistry-related
Research InstitutionSetsunan University

Principal Investigator

加藤 直樹  摂南大学, 農学部, 教授 (90442946)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 永野 真吾  鳥取大学, 工学研究科, 教授 (60286440)
Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥19,110,000 (Direct Cost: ¥14,700,000、Indirect Cost: ¥4,410,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2023: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
KeywordsDiels-Alderase / デカリン合成酵素 / デカリン / 酵素機能改変 / 糸状菌二次代謝
Outline of Research at the Start

天然物は不斉炭素に富んだ複雑な構造とそれにより生じる構造多様性が特徴である。その生合成経路における多様性創出の鍵酵素のひとつが、Diels-Alderaseと呼ばれる環化酵素群である。近年発見が相次ぐ本酵素群の中で、高いジアステレオ選択性を示す点で特徴的であるFsa2ファミリーデカリン合成酵素に焦点を絞り、酵素の構造と機能(産物の立体化学)の相関を解き明かし、酵素の合理的なデザインによる反応の立体選択性の自在改変を目指す。さらには、改変酵素を本来の生合成経路に組み込むことで、非天然型骨格を有する天然物誘導体の創製に挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

天然物生合成経路における構造多様性創出の鍵酵素のひとつが、Diels-Alderaseと呼ばれる環化酵素群である。近年発見が相次ぐ本酵素群の中で、高いジアステレオ選択性を示す点で特徴的であるFsa2ファミリーデカリン合成酵素に焦点を絞り、酵素の構造と機能(産物の立体化学)の相関を解き明かし、酵素の合理的なデザインによる反応の立体選択性の自在改変を目指している。今年度の成果は以下の通りである。
(1)in vitroアッセイ系の拡張;in vitroアッセイ系において基質供給を担うPKS-NRPSハイブリッド遺伝子改変糸状菌の作製を行った。cisデカリン化合物の生合成経路より担当遺伝子を取得し、対応する遺伝子と置換した改変株を作製するとともに、より精密な基質供給を可能とするためのドメインスワッピング実験に着手した。また、化学合成基質による酵素機能評価を目指し、Fsa2本来の基質であるテトラエノイルテトラミン酸のジアステレオ選択的合成に取り組んだ。さらには、テトラミン酸部位の立体化学制御を目指し、フォマセチンおよびエキセチン生合成酵素Phm1、Fsa1の担当ドメインの機能解析にも着手した。
(2)新規に取得したFsa2ホモログ酵素についてAlphaFold2を用いた立体構造予測を行うとともに、これまでに取得したホモログ酵素との比較を行った。
(3)より精密な酵素・基質結合モデル構築に向け、Fsa2およびPhm7のプロダクト結合型結晶構造解析に取り組み、Fsa2について、その立体構造決定に成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

4つの立体化学の異なるデカリン骨格に対応する酵素の取得が完了し、その機能解析を行うための準備は順調に進展している。また、プロダクト結合型酵素の結晶構造決定に成功し、酵素機能改変に向けた、より精細な基質結合モデルの構築が可能となった。

Strategy for Future Research Activity

構築する機能評価基盤を活用し、立体構造に基づく機能予測とその検証、基質結合モデルに基づいた変異酵素作製のその機能評価に研究の重点を移すことで、さらなる研究推進を図りたい。

Report

(1 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Elucidation of the stereocontrol mechanisms of the chemical and biosynthetic intramolecular Diels?Alder cycloaddition for the formation of bioactive decalins2023

    • Author(s)
      Kariya Takumi、Hasegawa Hayato、Udagawa Taro、Inada Yusaku、Nishiyama Kyoko、Tsuji Mieko、Hirayama Tasuku、Suzutani Tatsuo、Kato Naoki、Nagano Shingo、Nagasawa Hideko
    • Journal Title

      RSC Advances

      Volume: 13 Issue: 40 Pages: 27828-27838

    • DOI

      10.1039/d3ra04406h

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] cis-Decalin-containing tetramic acids as inhibitors of insect steroidogenic glutathione S-transferase Noppera-bo2023

    • Author(s)
      Kato Naoki、Ebihara Kana、Nogawa Toshihiko、Futamura Yushi、Inaba Kazue、Okano Akiko、Aono Harumi、Fujikawa Yuuta、Inoue Hideshi、Matsuda Kazuhiko、Osada Hiroyuki、Niwa Ryusuke、Takahashi Shunji
    • Journal Title

      PLOS ONE

      Volume: 18 Issue: 8 Pages: e0290851-e0290851

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0290851

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Wakodecaline C, new tetrahydrofuran-fused decalin metabolite isolated from fungus Pyrenochaetopsis sp. RK10-F0582023

    • Author(s)
      Nogawa Toshihiko、Kato Naoki、Shimizu Takeshi、Okano Akiko、Futamura Yushi、Takahashi Shunji、Koshino Hiroyuki、Osada Hiroyuki
    • Journal Title

      The Journal of Antibiotics

      Volume: 76 Issue: 6 Pages: 346-350

    • DOI

      10.1038/s41429-023-00613-2

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 生理活性作用を有するデカリン生成のための化学的および酵素的分子内Diels-Alder環化付加反応の立体制御機構の解明2024

    • Author(s)
      狩谷 拓実, 長谷川 颯人, 宇田川 太郎, 辻 美恵子, 伊奈田 悠作, 永野 真吾, 加藤 直樹, 錫谷 達夫, 平山 祐, 永澤 秀子
    • Organizer
      日本薬学会第144年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 二次代謝物生合成酵素阻害剤を用いた新規化合物の探索系の構築2024

    • Author(s)
      髙村郁実, 野川俊彦, 岡野亜紀子, 越野広雪, 沼本穂, 和田大, 加藤直樹
    • Organizer
      日本農芸化学会2024年度大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] cis-デカリン含有テトラミン酸は昆虫エクジステロイド生合成に関わるグルタチオンS-転移酵素Noppera-boを阻害する2023

    • Author(s)
      加藤直樹,海老原佳奈,野川俊彦,二村友史,松田一彦,長田裕之,丹羽隆介,高橋俊二
    • Organizer
      第22回糸状菌分子生物学コンファレンス
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Structure-activity relationship of decalin-containing tetramic acids collected from genetically engineered fungi2023

    • Author(s)
      Naoki Kato
    • Organizer
      5th KRIBB-RIKEN Chemical Biology Joint Symposium
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 応用微生物学研究室・摂南大学農学部

    • URL

      https://www.setsunan.ac.jp/~amblab_k/index.html

    • Related Report
      2023 Annual Research Report

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Published: 2023-04-18   Modified: 2024-12-25  

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