Redesign of biosynthetic machinery for prenylated polyphenols via integration of metabolic and transport engineering

• Project Area: Creation of Complex Functional Molecules by Rational Redesign of Biosynthetic Machineries
• Project/Area Number: 17H05441
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 矢崎 一史 京都大学, 生存圏研究所, 教授 (00191099)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000); Fiscal Year 2018: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2017: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: バイオテクノロジー / 生合成 / 代謝工学 / ポリフェノール / プレニル化酵素 / 合成生物学 / プレニル化フェノール / プレニル基転移酵素 / 出芽酵母

Outline of Annual Research Achievements

植物のプレニル化フェノール類は、抗腫瘍、抗酸化、抗菌活性など多様な生理活性を持ち、機能性食品や医薬品原料などとして極めて有望である。一方、自然界におけるこれらプレニル化フェノール類の含量は低く、しかも複雑な混合物で存在するため単離にコストがかかる。こうした背景のもと、高効率の生産系の確立は、基礎研究分野のみならず産業界においても望まれている。
本研究では、ブラジル産 Baccharis の生理活性成分 artepillin C の生産を、国産植物の遺伝子を用いた合成生物学で達成することを目指している。プレニル化酵素には、カワラヨモギ由来のユニークなジプレニル化酵素遺伝子 AcPT1 を用い、またその基質の p-クマル酸は、他植物の３遺伝子（PAL、4CL、CPR）をガラクトース誘導性プロモータの下流で発現させる生合成リデザインを行った。今年度は、artepillin C の抽出過程において、artepillin C が細胞から十分に溶媒抽出されていない現象が認められたため、Zymolyase 処理を行って、回収効率の改善を図った。また、培養容器の材質と形状の至適化を行うことで、artepillin C 生産の効率を改善できた。重要な知見として、基質である p-クマル酸のほとんどが細胞外に分泌されるという現象が認められ、目的物質の生産性向上にはこの生体内基質を細胞内に止める工夫が必要であることが明らかとなった。
一方、輸送工学アプローチに関しては、カワラヨモギから lipid transfer protein (LTP) のクローニングを行い、13 種類のLTPの発現を確認し、type 1、type 2、それ以外のサブグループから発現の高いLTP４種を選び、酵母発現系に導入した。その結果、１種のLTPで artepillin C の生産に対して負の影響が認められた。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ロレーヌ大学(フランス)
• [Journal Article] Uptake of adenine by purine permeases of Coffea canephora (2019)
  • Author(s): Kakegawa Hirofumi、Shitan Nobukazu、Kusano Hiroaki、Ogita Shinjiro、Yazaki Kazufumi、Sugiyama Akifumi
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 印刷中 Issue: 7 Pages: 1300-1305
  • DOI: 10.1080/09168451.2019.1606698
  • NAID: 120006796496
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Establishment of a modified CRISPR/Cas9 system with increased mutagenesis frequency using the translational enhancer dMac3 and multiple guide RNAs in potato (2018)
  • Author(s): Kusano Hiroaki、Ohnuma Mariko、Mutsuro-Aoki Hiromi、Asahi Takahiro、Ichinosawa Dai、Onodera Hitomi、Asano Kenji、Noda Takahiro、Horie Takaaki、Fukumoto Kou、Kihira Miho、Teramura Hiroshi、Yazaki Kazufumi、Umemoto Naoyuki、Muranaka Toshiya、Shimada Hiroaki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 13753-13753
  • DOI: 10.1038/s41598-018-32049-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparative Proteomic Analysis of Lithospermum erythrorhizon Reveals Regulation of a Variety of Metabolic Enzymes Leading to Comprehensive Understanding of the Shikonin Biosynthetic Pathway (2018)
  • Author(s): Takanashi Kojiro、Nakagawa Yukimi、Aburaya Shunsuke、Kaminade Kenta、Aoki Wataru、Saida-Munakata Yuka、Sugiyama Akifumi、Ueda Mitsuyoshi、Yazaki Kazufumi
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 60 Issue: 1 Pages: 19-28
  • DOI: 10.1093/pcp/pcy183
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An Aromatic Farnesyltransferase Functions in Biosynthesis of the Anti-HIV Meroterpenoid Daurichromenic Acid (2018)
  • Author(s): Saeki Haruna、Hara Ryota、Takahashi Hironobu、Iijima Miu、Munakata Ryosuke、Kenmoku Hiromichi、Fuku Kazuma、Sekihara Ai、Yasuno Yoko、Shinada Tetsuro、Ueda Daijiro、Nishi Tomoyuki、Sato Tsutomu、Asakawa Yoshinori、Kurosaki Fumiya、Yazaki Kazufumi、Taura Futoshi
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 178 Issue: 2 Pages: 535-551
  • DOI: 10.1104/pp.18.00655
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Crotalaria juncea metal transporter CjNRAMP1 has a high Fe uptake activity, even in an environment with high Cd contamination (2018)
  • Author(s): Tsugumi Nakanishi-Masuno, Nobukazu Shitan, Akifumi Sugiyama, Kojiro Takanashi, Shoko Inaba, Shuji Kaneko, Kazufumi Yazaki
  • Journal Title: International Journal of Phytoremediation Volume: 20 Issue: 14 Pages: 1427-1437
  • DOI: 10.1080/15226514.2018.1501333
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comparative multi-omics analysis reveals diverse latex-based defense strategies against pests among latex-producing organs of the fig tree (Ficus carica) (2018)
  • Author(s): Kitajima Sakihito、Aoki Wataru、Shibata Daisuke、Nakajima Daisuke、Sakurai Nozomu、Yazaki Kazufumi、Munakata Ryosuke、Taira Toki、Kobayashi Masaru、Aburaya Shunsuke、Savadogo Eric Hyrmeya、Hibino Susumu、Yano Haruna
  • Journal Title: Planta Volume: 印刷中 Issue: 6 Pages: 1423-1438
  • DOI: 10.1007/s00425-018-2880-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A multidrug and toxic compound extrusion transporter mediates berberine accumulation into vacuoles in Coptis japonica (2017)
  • Author(s): Takanashi K., Yamada Y., Sasaki T., Yamamoto Y., Sato F., Yazaki K.
  • Journal Title: Phytochemistry Volume: 138 Pages: 76-82
  • DOI: 10.1016/j.phytochem.2017.03.003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular Characterization of LjSWEET3, a Sugar Transporter in Nodules of Lotus japonicus (2017)
  • Author(s): Akifumi Sugiyama, Yuka Saida, Mayuko Yoshimizu, Kojiro Takanashi, Davide Sosso, Wolf B Frommer, Kazufumi Yazaki
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 58 Pages: 298-306
  • DOI: 10.1093/pcp/pcw190
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Identification and Characterization of Daurichromenic Acid Synthase Active in Anti-HIV Biosynthesis (2017)
  • Author(s): Iijima Miu、Munakata Ryosuke、Takahashi Hironobu、Kenmoku Hiromichi、Nakagawa Ryuichi、Kodama Takeshi、Asakawa Yoshinori、Abe Ikuro、Yazaki Kazufumi、Kurosaki Fumiya、Taura Futoshi
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 174 Issue: 4 Pages: 2213-2230
  • DOI: 10.1104/pp.17.00586
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Insights into Land Plant Evolution Garnered from the Marchantia polymorpha Genome. (2017)
  • Author(s): Bowman J, Kouchi T,..(106名）..Yokoyama R, ..(4名)
  • Journal Title: Cell Volume: 171 Issue: 2 Pages: 287-304
  • DOI: 10.1016/j.cell.2017.09.030
  • NAID: 120006353839
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 気候変動への適応に向けた植物・大気科学の展望 (2018)
  • Author(s): 矢崎一史
  • Organizer: 第52回植物バイテクシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 植物の特異的スマートセルとその制御戦略 (2018)
  • Author(s): 矢崎一史
  • Organizer: 関西スマートセルフォーラム2018、第2回セミナー
  • Invited
• [Presentation] スマートセルによる有用物質生産系開発の新たな展開 (2018)
  • Author(s): 矢崎一史
  • Organizer: 第36回日本植物細胞分子生物学会
  • Invited
• [Presentation] Shikonin production of Lithospermum erythrorhizon, a model system of secondary metabolic lipids in plants (2018)
  • Author(s): Kazufumi Yazaki
  • Organizer: The 23rd International Symposium on Plant Lipids (ISPL) 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] カワラヨモギのフェニルプロパン特異的プレニル化酵素は連続的プレニル化を触媒する (2017)
  • Author(s): 棟方涼介、竹村知陽、杉山暁史、鈴木秀幸、關 光、村中俊哉、河野典明、吉松嘉代、河原信雄、山浦高夫、Alain Hehn、矢崎一史
  • Organizer: 第59回日本植物生理学会
• [Presentation] Characterization of Geranyl Diphosphate Synthase (GPPS) in Lithospermum erythrorhizon (2017)
  • Author(s): Ueoka, H., Miyawaki, T., Sasaki, K., Ichino, T., Yamamoto, K., Ohara, K., Sakurai, N., Suzuki, H., Shitaba, D., Yazaki, K.
  • Organizer: JSBBA KANSAI 4th Student Forum
• [Presentation] Functional analysis of geranyl diphosphate synthase localized in cytosol in Lithospermum erythrorhizon (2017)
  • Author(s): Ueoka, H., Miyawaki, T., Sasaki, K., Ichino, T., Yamamoto, K., Ohara, K., Sakurai, N., Suzuki, H., Shitaba, D., Yazaki, K.
  • Organizer: The 2nd Asia Research Node Symposium on Humanosphere Science
• [Book] 基礎から学ぶ植物代謝生化学 (2018)
  • Author(s): （編集）水谷正治、士反伸和、杉山暁史
  • Total Pages: 328
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758120906
• [Remarks] 森林圏遺伝子統御分野 矢崎研究室
  • URL: http://www.rish.kyoto-u.ac.jp/lpge/