Elucidation of mechanisms for transport and storage of hydrophobic metabolites in plant cells toward establishment of a polymer factory cell system

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02909
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 38030:Applied biochemistry-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Takahashi Seiji 東北大学, 工学研究科, 准教授 (90343061)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 脂肪顆粒 / ゴム粒子 / ポリイソプレン / 無細胞翻訳系 / プレニルトランスフェラーぜ / 天然ゴム

Outline of Final Research Achievements

In this study, we developed a method to introduce foreign proteins into lipid droplets (LDs), coupled with translation and folding, by adding LDs prepared from Chlamydomonas reinhardtii to a wheat germ cell-free protein expression system. Functional analysis using this method revealed the membrane binding domain of LD membrane proteins, which consists of some amphipathic helices. Furthermore, by fusing the membrane binding domain, we were able to introduce a trans-prenyltransferase, first identified as an ultra-long chain trans-1,4-polyisoprene (tPI) synthase, to the LD membrane. This resulted in a tenfold increase in the degree of polymerization of the products, tPI.

Free Research Field

植物分子細胞生物学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

代謝工学により植物細胞内で有用疎水性化合物を高生産・高蓄積させるためには、細胞への悪影響を回避することが必要となる。LDやRPなどの脂質一重層オルガネラは、疎水性化合物を隔離的に貯蔵することから、それらの膜上に種々の外来酵素を配置することで、反応生成物を膜内部へ効率よく蓄積させる系の構築が可能となる。本研究で解明されたLD膜結合配列は、外来酵素のLD膜上への配置を可能とすることから、その学術的・産業的なインパクトが非常に大きい。また、本研究で初めてtPI合成酵素が同定された。これらの発見の統合により、脂質一重層オルガネラをシンク器官としたポリマーファクトリーセル構築が可能となった。