Development of a universal method for rationally improving enzymatic activity

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K18841
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 27:Chemical engineering and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Arai Munehito 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 Final Research Achievements

Enzymes are proteins that perform catalytic reactions and are necessary for biological processes. They are also useful in the industrial production of valuable substances. Therefore, the development of methods to improve enzyme activity is extremely important, especially in industry and medicine. Conventional enzyme design methods require a large number of experiments, and there is an urgent need to develop a universal method that can rationally improve enzyme activity; however, this has been a scientifically difficult problem. In this study, we successfully improved enzyme activity using the method we proposed: "theoretical design of mutants to lower the free energy barrier in the rate-limiting step of the enzyme reaction cycle".

Free Research Field

タンパク質工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

従来、酵素活性を向上させるための方法としては進化分子工学的実験が主流であり、大量の実験が必要なため、時間とコストがかかるという問題があった。一方、理論的なタンパク質設計法は近年、急速に進歩しており、タンパク質の構造安定化や結合能強化などを理論的に行った例が複数報告されている。しかし、酵素活性を理論的に向上させた例はほとんどなく、酵素活性を合理的に向上できる手法の開発は、学術上困難な課題として残されていた。本研究は、この課題解決への道を切り拓くことに成功した。また、酵素は産業や医療などで幅広く応用されていることから、本研究の社会的意義は大きいと期待される。