2022 Fiscal Year Final Research Report

Control of polymer structure by enzyme: structure-function relationship of cellulose synthase

Research Project

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Project/Area Number	19H00950
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 40:Forestry and forest products science, applied aquatic science, and related fields
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	Imai Tomoya 京都大学, 生存圏研究所, 教授 (90509142)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	田島健次北海道大学, 工学研究院, 准教授 (00271643) 姚閔北海道大学, 先端生命科学研究院, 名誉教授 (40311518) 藤原孝彰東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (70712751) 近藤辰哉国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 果樹茶業研究部門, 研究員 (40965969)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	セルロース / セルロース合成酵素 / 高分子構造制御 / タンパク質構造-機能相関 / 生物素材構造-機能相関
Outline of Final Research Achievements	Bacterial cellulose synthase (Bcs) is a multi-subunit enzyme. We aimed to solve the structure of this Bcs-complex as well as reconstitute the activity to synthesize the cellulose I microfibril. Using biochemical analyses, we demonstrated that the interaction between BcsAB and BcsD subunit is dynamic rather than static depending on the state of Bcs: activated or resting. This is a new aspect of the Bcs-complex and an important feature reflecting the function of the Bcs-complex in vivo. Also the X-ray structural analysis was successfully done for some of the Bcs subunits. We also achieved the in vitro reconstitution of the enzymatic activity with the purified Bcs-complex. Unfortunately, the synthesized cellulose was crystallized into cellulose II, an unnatural crystallographic structure of cellulose. Nonetheless, this is an important achievement for future studies to clarify the action of cellulose synthase to produce cellulose I, the strongest crystallographic structure of cellulose.
Free Research Field	材料生物学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	セルロースは複数の分子鎖が集合してできた結晶性繊維だが、複数ある結晶構造の中で、天然のセルロースは例外なく最も結晶弾性率の高い「セルロースI型」結晶であることが経験的に知られている。このことは、セルロース合成酵素は能動的にセルロースの集合構造を制御して、その物性を最も高めた構造を作っていると言える。しかも常温常圧水系溶媒の中でである。本研究はこのセルロース合成酵素のもつ驚愕の高分子構造制御機構を構造的・機能的に解明するために、セルロース合成酵素タンパク質に正面から取り組んだ課題であり、本研究により多くの実験資源の整備など大きな進捗を得ることができた。