酵素機能改変による新規活性アルカロイド生産系の構築

• Project Area: Creation of Complex Functional Molecules by Rational Redesign of Biosynthetic Machineries
• Project/Area Number: 19H04641
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 淡川 孝義 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 准教授 (80609834)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2020: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: 二次代謝酵素 / 物質生産 / 遺伝子発現系 / 活性アルカロイド / 酵素機能改変 / 微生物アルカロイド / 生合成酵素 / 非天然型化合物 / アルカロイド / 反応改変

Outline of Research at the Start

放線菌より単離されるプロテインキナーゼ活性化インドールテルペノイドであるテレオシジン生合成酵素TleABCに注目する。TleABCの基質酵素との複合体構造をベースにして、テレオシジン生合成酵素を機能改変する。基質認識部位周辺の特定アミノ酸の飽和変異導入、基質認識部位周辺の、より広いアミノ酸に範囲におけるランダム変異導入の二つを行う。構築された改変酵素遺伝子ライブラリーを大腸菌で発現し、in vivoでの代謝物変化スクリーニングを行うことで、テレオシジン化合物ライブラリーの創出に取り組む。

Outline of Annual Research Achievements

テルペンインドール化合物は構造多様性に富み、有用な生理活性を持つ。微生物ホストを用いた物質生産によって更なる新規化合物を取得するために、テレオシジン化合物とそのホモログ遺伝子、化合物の物質生産系の構築を目指した。希少放線菌由来のテレオシジン遺伝子クラスターのホモログであるHin/Tenクラスターに注目し、TleBとそのホモログであるHinCDに対して、インドール２メチル化、6-クロロ化したN-methylphenylTrp基質をを合成し、それぞれ酵素に作用させることで、新たなテレオシジン前駆体の創出に取り組んだ。これらは、Hinクラスター中のradicalSAMメチル化酵素HinM、フラビン酵素HinIがトリプトファンを受け入れてできたと考えられるアナログであり、Hinクラスターの機能解明、さらなるインドールテルペノイド化合物生産に繋がる生合成的知見が得られることが期待された。その結果、HInDはそれぞれの基質を受け入れ、新規インドラクタム化合物を生産することを明らかにした。また、HinCは基質に対して、HinDとは異なる微量生成物を与えることを明らかにした。さらに、Tenクラスター中のP450酸化酵素TenIの機能解析を試み、N-phenyl-valyl-Trpを基質として用いた際に、TleBとは異なる生成物を与えることが明らかとなった。本結果によって、微生物二次代謝酵素の機能解明、それを用いた物質生産系の構築のための、新規方法論の構築の基盤となる知見が得られた。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Jinan University(中国)
• [Int'l Joint Research] ピッツバーグ大学(米国)
• [Int'l Joint Research] Jinan大学(中国)
• [Journal Article] Biosynthesis of sulfonamide and sulfamate antibiotics in Actinomycete (2021)
  • Author(s): Awakawa Takayoshi、Barra Lena、Abe Ikuro
  • Journal Title: Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology Volume: 48 Issue: 3-4 Pages: 001-001
  • DOI: 10.1093/jimb/kuab001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Novel cyclohexyl meroterpenes produced by combinatorial biosynthesis. (2021)
  • Author(s): Jiang, J., Li, X., Mori, T., Awakawa, T., Abe, I.
  • Journal Title: Chem. Pharm. Bull. Volume: -
  • NAID: 130008032774
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enzymatic reactions in teleocidin B biosynthesis (2021)
  • Author(s): Awakawa Takayoshi
  • Journal Title: Journal of Natural Medicines Volume: - Issue: 3 Pages: 467-474
  • DOI: 10.1007/s11418-021-01504-2
  • NAID: 40022591494
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Engineered Biosynthesis of Pharmaceutically Important Compounds (2021)
  • Author(s): Awakawa Takayoshi
  • Journal Title: Chem. Pharm. Bull. Volume: -
  • NAID: 130008032778
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Biosynthesis of biscognienyne B involving an unprecedented cytochrome P450‐dependent alkynylation (2020)
  • Author(s): Abe Ikuro、Lv Jian-Ming、Gao Yao-Hui、Zhao Huan、Awakawa Takayoshi、Liu Ling、Chen Guo-Dong、Yao Xin-Sheng、Hu Dan、Gao Hao
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 59 Issue: 32 Pages: 13531-13536
  • DOI: 10.1002/anie.202004364
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Expansion of Gamma-Butyrolactone Signaling Molecule Biosynthesis to Phosphotriester Natural Products (2020)
  • Author(s): Kudo Yuta、Awakawa Takayoshi、Du Yi-Ling、Jordan Peter A.、Creamer Kaitlin E.、Jensen Paul R.、Linington Roger G.、Ryan Katherine S.、Moore Bradley S.
  • Journal Title: ACS Chemical Biology Volume: 15 Issue: 12 Pages: 3253-3261
  • DOI: 10.1021/acschembio.0c00824
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Beijinchromes A–D, Novel Aromatic Compounds Isolated from <i>Nocardia beijingensis</i> NBRC 16342 (2019)
  • Author(s): Hoshino Shotaro、Awakawa Takayoshi、Zhang Huiping、Hayashi Fumiaki、Abe Ikuro
  • Journal Title: Chemical and Pharmaceutical Bulletin Volume: 67 Issue: 8 Pages: 775-777
  • DOI: 10.1248/cpb.c19-00364
  • NAID: 130007686331
  • ISSN: 0009-2363, 1347-5223
  • Year and Date: 2019-08-01
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molecular basis for the P450-catalyzed C-N bond formation in indolactam biosynthesis (2019)
  • Author(s): He Fei、Mori Takahiro、Morita Iori、Nakamura Hitomi、Alblova Miroslava、Hoshino Shotaro、Awakawa Takayoshi、Abe Ikuro
  • Journal Title: Nature Chemical Biology Volume: 15 Issue: 12 Pages: 1206-1213
  • DOI: 10.1038/s41589-019-0380-9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural Elucidation of Tenebrathin: Cytotoxic C-5-Substituted γ-Pyrone with a Nitroaryl Side Chain from Streptoalloteichus tenebrarius (2019)
  • Author(s): Hoshino Shotaro、Mitsuhashi Takaaki、Kikuchi Takashi、Wong Chin Piow、Morita Hiroyuki、Awakawa Takayoshi、Fujita Makoto、Abe Ikuro
  • Journal Title: Organic Letters Volume: 21 Issue: 16 Pages: 6519-6522
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.9b02443
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Complete biosynthetic pathways of ascofuranone and ascochlorin in Acremonium egyptiacum (2019)
  • Author(s): Araki Yasuko、Awakawa Takayoshi、Matsuzaki Motomichi、Cho Rihe、Matsuda Yudai、Hoshino Shotaro、Shinohara Yasutomo、Yamamoto Masaichi、Kido Yasutoshi、Inaoka Daniel Ken、Nagamune Kisaburo、Ito Kotaro、Abe Ikuro、Kita Kiyoshi
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 未定 Issue: 17 Pages: 8269-8274
  • DOI: 10.1073/pnas.1819254116
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molecular basis for the plasticity of aromatic prenyltransferases in hapalindole biosynthesis (2019)
  • Author(s): Awakawa Takayoshi、Abe Ikuro
  • Journal Title: Beilstein Journal of Organic Chemistry Volume: 15 Pages: 1545-1551
  • DOI: 10.3762/bjoc.15.157
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exploitation and application of unique actinomycetical alkaloid biosynthetic enzymes (2019)
  • Author(s): Awakawa Takayoshi
  • Journal Title: Actinomycetologica Volume: 33
• [Presentation] Investigation of the α-ketoglutarate-dependent oxygenase reaction in the orthoester-containing fungal meroterpenoid biosynthesis (2021)
  • Author(s): 劉 薇、白 桐暄、淡川孝義、阿部郁朗
  • Organizer: 日本薬学会第141年会
• [Presentation] PKS-NRPSシステムにおけるポリケタイド合成酵素の精密機能解析 (2021)
  • Author(s): 文野伶音、森貴裕、淡川孝義、阿部郁朗
  • Organizer: 日本薬学会第141年会
• [Presentation] 放線菌由来抗腫瘍活性化合物アルテミシジンの生合成機構の解明 (2021)
  • Author(s): 白井孝平、バラレナ、淡川孝義、森貴裕、阿部郁朗
  • Organizer: 日本薬学会第141年会
• [Presentation] 微生物由来医薬品骨格生合成酵素の発掘とその利用 (2021)
  • Author(s): 淡川孝義
  • Organizer: 日本薬学会第141年会シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 天然由来スルホンアミド抗生物質の生合成研究 (2020)
  • Author(s): 淡川 孝義、バラ レナ、胡 志娟、何 海兵、Zhai Rui、森 貴裕、阿部 郁朗
  • Organizer: 第62回天然有機化合物討論会
• [Presentation] 微生物二次代謝酵素の精密機能解析と物質生産に関する酵素工学研究 (2020)
  • Author(s): 淡川 孝義
  • Organizer: 2020年度酵素工学研究会
  • Invited
• [Presentation] Biosynthetic study of sulfonamide natural product antibiotics (2020)
  • Author(s): Takayoshi Awakawa, Zhijuan Hu, Haibing He, Takahiro Mori, Ikuro Abe
  • Organizer: 3rd International Conference on Natural Product Discovery and Development in the Genomic Era
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 微生物からの医薬品骨格生合成酵素の発掘と利用 (2020)
  • Author(s): 淡川 孝義
  • Organizer: 日本薬学会第140年会
  • Invited
• [Presentation] 非リボソーマルペプチド-ポリケタイド合成酵素モジュール相互作用の精密解析 (2020)
  • Author(s): 文野 伶音、森 貴裕、淡川 孝義、阿部 郁朗
  • Organizer: 日本薬学会第140年会
• [Presentation] Penicillium arizonense由来メロテルペノイドAustalideの生合成研究 (2020)
  • Author(s): 劉 薇、白 桐暄、淡川 孝義、阿部 郁朗
  • Organizer: 日本薬学会第140年会
• [Presentation] Function and structure analysis of a multifunctional cupin dioxygenase in sulfonamide biosynthesis (2019)
  • Author(s): Takayoshi Awakawa, Zhijuan Hu, Haibing He, Takahiro Mori, Ikuro Abe
  • Organizer: Gordon Conference Enzyme
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 放線菌アルカロイド生合成酵素の発掘および物質生産 (2019)
  • Author(s): 淡川 孝義
  • Organizer: 第３４回放線菌学会
  • Invited
• [Presentation] 微生物医薬品骨格生合成酵素の発掘とその利用 (2019)
  • Author(s): 淡川 孝義
  • Organizer: 日本薬学会関東支部会
  • Invited
• [Presentation] スルホンアミド抗生物質の生合成研究 (2019)
  • Author(s): 淡川 孝義、胡 志娟、何 海兵、森 貴裕、阿部 郁朗
  • Organizer: 第八回食品薬学シンポジウム
• [Presentation] アスコフラノン生合成の天然物化学 糸状菌メロテルペノイドの生合成反応の多様性 (2019)
  • Author(s): 淡川 孝義
  • Organizer: KISTECセミナー(神奈川)
  • Invited
• [Book] パートナー天然物化学、アルカロイドおよびそのほかの含窒素化合物 (2021)
  • Author(s): 淡川 孝義
  • Total Pages: 24
  • Publisher: 南江堂
• [Book] Comprehensive Natural Products III: Chemistry and Biology, Chapter18 - Hapalindole-Type Alkaloid Biosynthesis (2020)
  • Author(s): Awakawa, T., Liu, X.
  • Total Pages: 14
  • Publisher: Elsevier
• [Book] Comprehensive Natural Products III: Chemistry and Biology (2020)
  • Author(s): Awakawa Takayoshi、Liu Xinyu
  • Total Pages: 20
  • Publisher: Elsevier
• [Book] バイオサイエンスとインダストリー (2019)
  • Author(s): 荒木康子、淡川孝義、松崎素道、阿部郁朗
  • Total Pages: 3
  • Publisher: バイオインダストリー協会
• [Remarks] 東京大学大学院薬学系研究科天然物化学教室ホームページ
  • URL: http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~tennen/head.htm