Publicly Offered Research
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
本研究では、有機化学的な知見をもとに、酵素の反応レパートリーを拡張することをめざし、非生物学的なラジカル反応を促進する光駆動型ラジカル酵素の開発に着手する。具体的には、既存の酵素の反応機構をベースに、光励起電子移動のプロセスを組み込むことで、自然界には見られないラジカル的な反応様式を酵素に付与する。また、この光駆動型ラジカル酵素に対して、指向性進化法や機械学習による帰納的な改変と、量子力学計算や構造予測による演繹的な改変を実施することで、高難度な光ラジカル反応において高い触媒活性を発揮する酵素変異体を開発する。
本研究では、酵素の反応適用範囲を光化学的に拡張することをめざし、光励起によるラジカルカップリング反応を促進する新規生体触媒の開発に着手する。 具体的には、チアミン二リン酸/フラビンアデニンジヌクレオチド依存性酵素の反応機構をベースに、光増感剤からの一電子移動プロセスを組み込むことで、自然界には見られないラジカル的な反応プロセスを酵素に付与することをめざす。2023年度の研究成果として、種々のチアミン二リン酸/フラビンアデニンジヌクレオチド依存性酵素の遺伝子ライブラリをスクリーニングすることで、目的のラジカルカップリング反応を触媒する好熱性放線菌由来の酵素を同定することに成功した。本酵素は、ピルビン酸と2-ブロモプロピオン酸エチルのラジカルカップリング反応に対して有望な触媒活性を示し、目的の2-メチルアセト酢酸エチルを最大15％の収率で与えることが判明した。さらに、このチアミン二リン酸依存性酵素の活性中心に対して、チロシンやトリプトファン等のアミノ酸残基を変異導入することで、そのラジカルカップリング反応に対する触媒活性が向上することが判明した。活性中心に導入されたチロシンやトリプトファンは、電子受容体として機能し、補因子からの電子移動によるラジカル反応の進行を仲介しているものと考えられる。今後、同定したチアミン二リン酸依存性酵素のさらなる触媒活性と基質一般性の向上をめざし、酵素の活性中心に対する遺伝子工学的な改変を実施する。
1: Research has progressed more than it was originally planned.
本研究では、酵素の反応適用範囲を光化学的に拡張することをめざし、光励起によるラジカルカップリング反応を促進する新規生体触媒を開発することを目的とする。2023年度の研究成果として、既に、目的のラジカルカップリング反応を触媒する好熱性放線菌由来のチアミン二リン酸/フラビンアデニンジヌクレオチド依存性酵素同定することに成功した。さらに、このチアミン二リン酸/フラビンアデニンジヌクレオチド依存性酵素の活性中心に対して、ドッキングシミュレーションに基づく遺伝子工学的改変を実施することで、そのラジカルカップリング反応に対する触媒活性を大幅に向上させることに成功している。以上の成果から、おおむね順調に進展しているとの評価を行った。
今後、同定したチアミン二リン酸/フラビンアデニンジヌクレオチド依存性酵素のさらなる触媒活性と基質一般性の向上をめざし、酵素の活性中心に対する遺伝子工学的な改変を実施する。特に、基質であるハロゲン化アルキルと本酵素とのドッキングシミュレーション・分子動力学計算を実施し、チアミン二リン酸依存性酵素本来の高い基質特異性を緩和する有効な変異導入点を予測する。また、獲得された高活性酵素 変異体に対して、反応速度論的解析・X線結晶構造解析・EPR測定等の詳細な解析を実施し、酵素の反応機構に対する知見を得る。さらには、新しく開発した酵素反応系を、微生物が持つ代謝経路と組み合わせることで、バイオマス（再生可能資源）から医薬品合成中間体などの高付加価値な光学活性化合物を生産するプラットフォームを確立することをめざす。
All 2024 2023 Other
All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results, Peer Reviewed: 2 results, Open Access: 2 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results, Invited: 5 results) Book (1 results) Remarks (2 results)
Journal of the American Chemical Society
Volume: in press Issue: 15 Pages: 8285-8290
10.1021/jacs.3c00581
Angewandte Chemie International Edition
Volume: 62 Issue: 31
10.1002/anie.202303764
http://www.cfi.eng.osaka-u.ac.jp/seeds/seeds_list_1/kato_shunsuke_assist/
https://miraibook.jp/researcher/sa23009
