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2022 Fiscal Year Research-status Report

Development of a universal method for rationally improving enzymatic activity

Research Project

Project/Area Number 21K18841
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

新井 宗仁  東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (90302801)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 林 勇樹  東京大学, 環境安全研究センター, 准教授 (90444059)
Project Period (FY) 2021-07-09 – 2024-03-31
Keywordsタンパク質 / 酵素 / 活性 / タンパク質デザイン / 合理的設計
Outline of Annual Research Achievements

触媒反応を行うタンパク質(酵素)は、生命現象の維持に必要なだけでなく、有用物質の工業生産にも必要であり、産業や医療などの幅広い分野に応用されている。それゆえ、酵素活性を向上させる方法の開発は、産業や医療などにおいて極めて重要である。従来の設計法では大量の実験が必要であるが、このような状況を打破するために、本研究では酵素活性を合理的かつ効率的に向上させるための普遍的な手法を開発し、その妥当性と普遍性の検証を目指す。また、必要に応じて、理論的設計法の最適化を行う。2022年度は次の成果を得た。
(1) モデル酵素であるジヒドロ葉酸還元酵素(DHFR)に対して、我々が提唱する方法によって前年度までに設計した複数の変異体を実際に作製し、酵素活性を正確に測定した。その結果、これらの変異体は設計通りに高活性化していることが示され、本設計手法の妥当性の検証に向けて大きな前進が見られた。
(2) 酵素を高活性化させるためには、基質との結合を強める合理的手法の開発も重要である。そこで、標的分子との結合を強めうるタンパク質変異体を、Rosettaソフトウェア等を用いて合理的に設計した。それらを実際に作製した結果、設計通りに結合能を強化させたタンパク質を得ることに成功した。
(3) 設計の成功率を向上させるために、これまでの経験に基づき、Rosettaソフトウェアを用いたタンパク質設計のプロトコールを改良した。
(4) 統計力学理論を用いてタンパク質の構造ダイナミクスを包括的に予測する手法の開発を進めた。その結果、さまざまなタンパク質に普遍的に適用可能なダイナミクス予測法の構築に向けて大きな進歩が得られた。この手法は今後、タンパク質の構造ダイナミクスに基づいて酵素を高活性化させるという画期的設計法の開発につながると期待される。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実績の概要に記載した通り、本研究の妥当性の検証に向けて大きな前進が得られている。また、標的分子との結合を強化させる理論的手法の開発や、タンパク質の構造ダイナミクスの予測法の開発等においても大きな進歩が得られており、おおむね順調に進展していると判断される。

Strategy for Future Research Activity

今後も当初の予定通りに研究を進める。具体的には、妥当性の検証のために、DHFRについて理論的に設計した変異体をさらに多く作製し、実際に酵素活性が向上しているかどうかを実験で確認するとともに、高活性化した変異体について、生成物解離速度などの反応ステップが高速化しているかどうかを確認する。また、普遍性の検証のために、DHFR以外の酵素に対しても同様の研究を行う。必要に応じて、理論的設計法を最適化する。さらに、標的分子との結合を強化させたタンパク質変異体の理論的設計法や、タンパク質の構造ダイナミクスの理論的予測法などの開発も推し進めていく。

Causes of Carryover

2022年度に理論的に設計したタンパク質のうち、まだ実験が完了していないものがあり、それらについての実験を2023年度に行う予定のため、次年度使用額が生じた。これらは2023年度に全額を使用予定である。また、2023年度分として請求した助成金については、当初の計画通りの研究を実施するために使用する。

  • Research Products

    (14 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (9 results) (of which Invited: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Rational peptide design for inhibition of the KIX-MLL interaction.2023

    • Author(s)
      Sato, N., Suetaka, S., Hayashi, Y., Arai, M.
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Pages: 6330

    • DOI

      10.1038/s41598-023-32848-2

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] インフルエンザとCOVID-19の治療薬開発2023

    • Author(s)
      新井宗仁
    • Journal Title

      総合診療

      Volume: 33 Pages: 87-89

  • [Journal Article] The Wako-Saito-Munoz-Eaton model for predicting protein folding and dynamics.2022

    • Author(s)
      Ooka, K., Liu, R., Arai, M.
    • Journal Title

      Molecules

      Volume: 27 Pages: 4460

    • DOI

      10.3390/molecules27144460

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Recent advances in the improvement of cyanobacterial enzymes for bioalkane production.2022

    • Author(s)
      Hayashi, Y., Arai, M.
    • Journal Title

      Microbial Cell Factories

      Volume: 21 Pages: 256

    • DOI

      10.1186/s12934-022-01981-4

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 機能性タンパク質の理論的設計2022

    • Author(s)
      新井宗仁
    • Organizer
      物性研短期研究会「理論タンパク質物性科学の最前線:理論と実験との密な協働」
    • Invited
  • [Presentation] タンパク質の立体構造予測ツールAlphaFold 2を使って何ができるのか2022

    • Author(s)
      新井宗仁
    • Organizer
      ラン藻ゲノム交流会2022
    • Invited
  • [Presentation] Comparison and further improvement of the intracellular optogenetic tool Magnets variants2022

    • Author(s)
      吉村匡隆、青野侑基、林勇樹、河野風雲、佐藤守俊、新井宗仁
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] Development of neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 variants by rational design2022

    • Author(s)
      青山莉奈、松本彩里、佐藤那音、季高駿士、林勇樹、新井宗仁
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] Folding mechanisms of apomyoglobin predicted by an extended statistical mechanical model2022

    • Author(s)
      大岡紘治、新井宗仁
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] Predicting protein folding pathways using the statistical mechanical model modified with accurate contact calculation2022

    • Author(s)
      劉潤晶、大岡紘治、新井宗仁
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] Rational design of PD-1 binding proteins to develop PD-1 agonists2022

    • Author(s)
      島村博太郎、季高駿士、佐藤那音、林勇樹、新井宗仁
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] 理論的設計法による細胞内光遺伝学ツールMagnetの改良2022

    • Author(s)
      吉村匡隆、青野侑基、林勇樹、佐藤守俊、新井宗仁
    • Organizer
      第22回日本蛋白質科学会年会
  • [Presentation] 統計力学モデルの改良によるタンパク質のフォールディング反応経路の予測2022

    • Author(s)
      劉潤晶、大岡紘治、新井宗仁
    • Organizer
      第22回日本蛋白質科学会年会
  • [Remarks] 新井研究室のホームページ

    • URL

      https://folding.c.u-tokyo.ac.jp/

URL: 

Published: 2023-12-25  

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