Research on Mining, functional analysis, and modification of biosynthetic enzymes based on three-dimensional structure

• Project Area: Creation of Complex Functional Molecules by Rational Redesign of Biosynthetic Machineries
• Project/Area Number: 19H04652
• 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: 藤橋 雅宏 京都大学, 理学研究科, 助教 (10397581)
• 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: 結晶構造解析 / 酵素 / ピロリン酸 / テルペン / 立体構造

Outline of Research at the Start

酵素反応は環境に優しい条件下で進行しますが、狙った反応を進行させる酵素を設計するのは難しいのが実情です。本研究では、酵素の立体構造を基盤に反応の鍵となる部位を見いだし、その情報を基にして酵素のテーラーメード改良や未発見酵素の高効率な探索を行います。
具体的な対象酵素としては、炭素数25個以上の大型のテルペンをプレニル二リン酸から直接合成するLarge-terpene合成酵素、並びにATPの代わりに無機ピロリン酸をリン酸源として用いるリン酸化酵素を考えています。これらの酵素を題材に、目標の化合物を安価・自由に酵素合成で得られる系の確立を目指します。

Outline of Annual Research Achievements

2つの酵素を対象に、立体構造を基盤として酵素のテーラーメード改良と未発見酵素の探索を行い、天然に無い化合物を含む狙った化合物を合成する酵素の取得を目指した。具体的には、(i) ピロリン酸(PPi)依存性リン酸化酵素のリン酸基受容体の改変、(ii) データベース登録済みの立体構造情報を基にした未発見PPi利用酵素の効率的な探索、(iii) C25以上のテルペン類を合成する酵素の反応機構の詳細な解析と機能の改変、に挑戦した。
研究目標 (i)のPPi依存性リン酸化酵素 (PPi-kinase) のリン酸基受容体の改変については、PPi依存性でイノシトールの1位をリン酸化する酵素 (PPi-Ins1K) のイノシトール認識部位に、ATP依存性でイノシトールの3位をリン酸化する酵素 (ATP-Ins3K) のイノシトール認識残基を導入することで、PPi依存性でイノシトールの3位をリン酸化する酵素 (PPi-Ins3K) の構築に成功した。この成果は最近ACS Chem Biol誌に発表した。
研究目標 (ii)のデータベース登録済みの立体構造情報を基にした未発見PPi利用酵素の効率的な探索については、現在は機能未知酵素として登録されている2つの酵素が、PPiを用いて基質Xをリン酸化する酵素であることを確かめた。基質Xをリン酸化するPPi-kinaseは、これまでに発見されていない。
研究目標 (iii) のC25以上のテルペン類を合成する酵素の反応機構の詳細な解析と機能の改変については、Bacillus alcalophilus 由来のClass IB型Large-terpene synthase (Bal-TS)について、活性に必要な金属イオンを含む基質結合型の結晶構造を決定した。これにより基質prenyl二リン酸のリン酸基並びに疎水性鎖の認識機構が明らかになった。

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

• [Journal Article] Altering the phosphorylation position of pyrophosphate-dependent myo-inositol-1-kinase based on its crystal structure (2021)
  • Author(s): Tashiro, R., Sato, T., Atomi, H., Miki, K., Fujihashi, M.
  • Journal Title: ACS Chem. Biol. Volume: in press Issue: 5 Pages: 794-799
  • DOI: 10.1021/acschembio.0c00733
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of Class IB Terpene Synthase: The First Crystal Structure Bound with a Substrate Surrogate (2020)
  • Author(s): Stepanova Rafaella、Inagi Hayato、Sugawara Kei、Asada Kazuya、Nishi Tomoyuki、Ueda Daijiro、Yasuno Yoko、Shinada Tetsuro、Miki Kunio、Fujihashi Masahiro、Sato Tsutomu
  • Journal Title: ACS Chemical Biology Volume: - Issue: 6 Pages: 1517-1525
  • DOI: 10.1021/acschembio.0c00145
  • NAID: 120006892058
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Class IB大型テルペン合成酵素の基質-金属イオン複合体の結晶構造解析 (2021)
  • Author(s): 金本壮平, 佐藤努, 品田哲朗, 三木邦夫, 深井周也, 藤橋雅宏
  • Organizer: 2020年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] クラスIB大型テルペン合成酵素の基質複合体の結晶構造解析 (2020)
  • Author(s): 金本壮平, 佐藤努, 品田哲朗, 三木邦夫, 深井周也, 藤橋雅宏
  • Organizer: 第30回イソプレノイド研究会
• [Presentation] クラスⅠ Bテルペン合成酵素の諸性質解析、マイナー生物同定および環化に重要な残基の特定 (2020)
  • Author(s): 浅田和也, Rafaella Stepanova, 菅原啓, 西智之, 上田大次郎, 稲木隼人, 三木邦夫, 藤橋雅宏, 保野陽子, 品田哲郎, 佐藤 努
  • Organizer: 香料・テルペンおよび精油化学に関する討論会
• [Presentation] 全自動とリモートでのデータ収集を通したリン位置同定の試み (2020)
  • Author(s): 藤橋雅宏
  • Organizer: 第5回タンパク質結晶構造解析中級者向け講習会
  • Invited
• [Presentation] クラスIB大型テルペン合成酵素の基質複合体の結晶構造 (2020)
  • Author(s): 金本壮平, 佐藤努, 品田哲朗, 三木邦夫, 深井周也, 藤橋雅宏
  • Organizer: 日本結晶学会 令和2年度年会
• [Presentation] Finding and modifying pyrophosphate-dependent kinases based on crystal structures (2020)
  • Author(s): Masahiro Fujihashi
  • Organizer: KAIST‐Kyoto‐NTHU Junior Chemist Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Class IB terpene synthase: a minor product having new cyclic skeleton and site-directed mutagenesis of putative active site residue (2020)
  • Author(s): Rafaella Stepanova, Kazuya Asada, Daijiro Ueda, Hayato Inagi, Kunio Miki, Masahiro Fujihashi, Yoko Yasuno, Tetsuro Shinada, Tsutomu Sato
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会
• [Presentation] 結晶構造を基にした無機ピロリン酸依存性リン酸化酵素の探索 (2019)
  • Author(s): 藤橋雅宏
  • Organizer: 酵素・補酵素研究会2019
• [Presentation] 立体構造を基盤とした機能改変による新しいピロリン酸依存性キナーゼの創成 (2019)
  • Author(s): 田代崚、佐藤喬章、跡見晴幸、三木邦夫、藤橋雅宏
  • Organizer: 第92回日本生化学会大会
• [Presentation] Class IB 大型テルペン合成酵素の基質認識機構の解析 (2019)
  • Author(s): 藤橋雅宏, 稲木隼人, 西智之, 上田大次郎, 佐藤努, 品田哲朗, 三木邦夫
  • Organizer: 第29回イソプレノイド研究会
• [Presentation] Structural analysis on a new pyrophosphate-dependent kinase reveals its donor selectivity determinants (2019)
  • Author(s): Ryuhei Nagata, Masahiro Fujihashi, Takaaki Sato, Haruyuki Atomi, Kunio Miki
  • Organizer: 16th conference of the Asian Crystallographic Association
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characterization and mutation of class-IB terpene synthase (2019)
  • Author(s): Rafaella Stepanova, Tomoyuki Nishi, Kei Sugawara, Daijiro Ueda, Hayato Inagi, Kunio Miki, Masahiro Fujihashi, Yoko Yasuno, Tetsuro Shinada, Tsutomu Sato
  • Organizer: 3rd International Conference on Natural Products Discovery and Development in the Genomic Era