基質特異性の理解に基づく酵素変異体の合理的な設計手法の確立

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K15371
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 森 裕太郎 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 研究員 (50758539)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: タンパク質工学 / 酵素変異体 / 合理的酵素設計

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、持続可能な環境調和型社会の実現に向けて、目的化合物の生産量を向上させることを目的として、高活性な酵素変異体を合理的に開発するための設計戦略の確立を目指す。具体的には、ピルビン酸脱炭酸酵素 (PDC) を鋳型酵素として選択した。PDCは様々な置換基を持つ基質からの脱炭酸が報告されていることから、様々なPDCを用いた基質スクリーニングから得られた酵素反応特性(脱炭酸反応が 進行するかどうか、また反応速度)と酵素-基質結合モデ ルとの比較を行うことで、基質特異性に関わる要素の抽出とそれに基づ いた高活性な変異体設計のためのルール構築を行う。
前年度の成果において、結晶構造を基に、変異体の構築とPDC変異体の活性測定を行った。その結果、特にフェニルピルビン酸を基質とした場合に、野生型のPDCと比較して約2.8倍活性の高いPDC変異体の獲得に成功した。また実際に、再生可能資源デ あるグ ルコースからの物質生産の検討として、上記PDC変異体を用いることで、香料にも使用される有用化合物フェニルエタノールの生産を試みた。その結果、野生型のPDCを用いた場合と比較して、1.2倍程度高い生産量を達成した。
本年度は前年度までの結果を踏まえて、多重変異体モデルの構築および設計、またその評価を行った。しかしながら、前年度までの一重変異体の活性と比較して、多少の活性向上は見られたものの、劇的な改良は見られなかった。これは基質として用いたフェニルピルビン酸自体が本来の基質であったことから、基質に対する親和力をより向上させる変異の導入は効果的に影響しなかったものと思われる。
本研究成果により設計指針の基礎はできたものと判断し、また他の基質に対しての評価を進めていく。