二次代謝酵素の機能制御と物質生産

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23241068
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 阿部 郁朗 東京大学, 薬学研究科(研究院), 教授 (40305496)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 脇本 敏幸 東京大学, 薬学研究科(研究院), 准教授 (70363900) ; 淡川 孝義 東京大学, 薬学研究科(研究院), 助教 (80609834)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 生合成 / 二次代謝酵素 / 機能制御 / 物質生産 / 酵素工学

Research Abstract

天然有機化合物の生合成に関わる二次代謝酵素の中には、極めて寛容な基質特異性と潜在的触媒能力を有するものがあり、人為的な機能制御と分子多様性創出の格好のモデルとなりうる。本研究では、植物フェニルプロパノイドの生合成において鍵酵素となるポリケタイド合成酵素（PKS）などをとりあげた。有機化学を基盤として、分子生物学や構造生物学、タンパク工学の技術などを駆使することにより、酵素触媒機能の制御と高機能性スーパー生体触媒の創製をめざす。X線結晶構造解析により、酵素反応の立体構造基盤を明らかにするとともに、結晶構造に基づく酵素触媒機能の拡張と最適化をめざす。一方、動的構造変化の解明により、酵素反応の化学を合理的に制御する。また、人工基質を作用させることで、さらなる物質生産と酵素触媒機能の拡張を実現する。
昨年度は、キノリノンやアクリドン・アルカロイドの骨格を構築する新規酵素、また長鎖アルキルゾルシノールの骨格を構築する新規酵素の結晶構造と機能解析について論文発表を行った。また、上海有機化学研究所のWen Liu教授との共同研究を進め、放線菌由来PKS/NRPSハイブリイド型抗生物質アンチマイシンのコンビナトリアル生合成などを報告した。現在、アンチマイシン生合成に関わる鍵酵素の結晶構造解析を進め、その構造基盤の解明をめざしている。
さらに、ポリケタイド合成酵素に加えて、新たに、各種有用二次代謝産物の生合成において重要な役割を演じる、プレニル転移酵素、メチル化酵素、酸化酵素等についても、同様に、その精密機能解析、Ｘ泉結晶構造解析による立体構造基盤の解明、酵素機能制御、物質生産系の構築に関する研究に着手した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

所期の目的をほぼ達成することができている。ポリケタイド合成酵素に加えて、各種二次代謝産物の生合成において鍵となる、プレニル転位酵素、メチル化酵素、Pictet-Spengler反応を触媒する酵素などについても、その結晶化、精密機能解析について、新たな展開がみられている。

Strategy for Future Research Activity

ポリケタイド合成酵素について、結晶構造解析に基づく酵素触媒機構の解明と閉環反応の化学の制御をめざす。新たに、アルキルパイロンの骨格を構築する糸状菌由来新規酵素、また長鎖アルキルレゾルシノールの骨格を構築する植物由来新規酵素の結晶構造解析を行う。これら酵素について精密機能解析を進める。野生型及び変異酵素のX線結晶構造解析により、酵素反応中間体の静的配置、及び、酵素反応の進行に伴う動的変化を解明し、閉環反応の化学を制御する。結晶構造に基づき、さらなる酵素媒機能の拡張と酵素触媒機能の最適化をはかる。酵素反応の立体構造基盤の解明、および、結晶構造に基づく合理的な酵素触媒機能の制御と最適化により、非天然型新規酵素活性に特化した生体触媒の創製をめざす。
さらに、ポリケタイド合成酵素に加えて、各種二次代謝産物の生合成において鍵となる、プレニル転位酵素、メチル化酵素、Pictet-Spengler反応を触媒する酵素などについても、同様に、酵素の精密機能解析、X線結晶構造解析による立体構造基盤を確立し、酵素機能の制御、物質生産系の構築をめざす。二次代謝産物構造多様性の起源を解明する。

Research Products

• [Journal Article] An environmental bacterial taxon with a large and distinct metabolic repertoire (2014)
  • Author(s): Wilson, M. C., Mori, T., Ruckert, C., Uria, A. R., Helf, M. J., Takada, K., Gernert, C., Steffens, U. A. E., Heycke, N., Schmitt, S., Rinke, C., Helfrich, E. J. N., Brachmann, A. O., Gurgui, C., Wakimoto. T., Kracht, M., Crusemann, M., Hentschel, U., Abe, I., Matsunaga, S., Kalinowski, J., Takeyama, H., Piel, J.
  • Journal Title: Nature Volume: 506 Pages: 58-62
  • DOI: 10.1038/nature12959
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Cloning and structure-function analyses of quinolone- and acridone-producing novel type III polyketide synthases from Citrus microcar (2013)
  • Author(s): Mori, T., Shimokawa, Y., Matsui, T., Kinjo, K., Kato, R., Noguchi, H., Sugio, S., Morita, H., Abe, I.
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 288 Pages: 28845-28858
  • DOI: 10.1074/jbc.M113.493155
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multiplexing of combinatorial chemistry in antimycin biosynthesis expands the molecular diversity and utility (2013)
  • Author(s): Yan Y., Chen, J., Zhang, L., Zheng, Q., Han, Y., Zhang, H., Awakawa, T., Abe, I., Liu, W.
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. Volume: 52 Pages: 12308-12312
  • DOI: 10.1002/anie.201305569
• [Journal Article] Spiro-ring formation is catalyzed by a multifunctional dioxygenase in austinol biosynthesis (2013)
  • Author(s): Matsuda, Y., Awakawa, T., Wakimoto, T., Abe, I.
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 135 Pages: 10962-10965
  • DOI: 10.1021/ja405518u
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pyranonigrin E: a novel PKS-NRPS hybrid metabolite from Aspergillus niger identified by genome mining (2013)
  • Author(s): Awakawa, T., Yang, X.-L., Wakimoto, T., Abe, I.
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 14 Pages: 2095-2099
  • DOI: 10.1002/cbic.201300430
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reconstituted biosynthesis of fungal meroterpenoid andrastin A (2013)
  • Author(s): Matsuda, Y., Awakawa, T., Abe, I.
  • Journal Title: Tetrahedron Volume: 69 Pages: 8199-8204
  • DOI: 10.1016/j.tet.2013.07.029
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] FK506 maturation involves a cytochrome P450 protein-catalyzed four-electron C-9 oxidation in parallel with a C-31 O-methylation (2013)
  • Author(s): Chen, D., Zhang, L., Pang, B., Chen, J., Xu, Z., Abe, I., Liu, W.
  • Journal Title: J. Bacteriol. Volume: 195 Pages: 1931-1939
  • DOI: 10.1128/JB.00033-13
  • Peer Reviewed
• [Presentation] メロテルペノイド生合成アセンブリーラインの解明と制御 (2014)
  • Author(s): 阿部郁朗
  • Organizer: 日本薬学会 第134回年会（熊本）シンポジウム 「天然物化学の新潮流と将来への展望」
  • Place of Presentation: 熊本県熊本市
  • Year and Date: 20140327-20140330
  • Invited
• [Presentation] メロテルペノイド生合成アセンブリーラインの解明と制御 (2014)
  • Author(s): 阿部郁朗
  • Organizer: 日本化学会第94春期年会特別企画シンポジウム「バイオインフォマティクスを駆使した生物活性天然物の供給への挑戦」
  • Place of Presentation: 愛知県名古屋市
  • Year and Date: 20140327-20140330
  • Invited
• [Presentation] Engineered biosynthesis of medicinal natural products (2013)
  • Author(s): Abe, I.
  • Organizer: 8. International Conference on Medicinal Chemistry and Timmerman Award 2013
  • Place of Presentation: Jakarta, Indonesia
  • Year and Date: 20131029-20131030
  • Invited
• [Presentation] Expanding the catalytic repertoires of biosynthetic enzymes (2013)
  • Author(s): Abe, I.
  • Organizer: Enzyme Engineering XXII: Emerging topics in Enzyme Engineering
  • Place of Presentation: 富山県富山市
  • Year and Date: 20130922-20130926
  • Invited
• [Presentation] Engineered biosynthesis of plant polyphenols (2013)
  • Author(s): Abe, I.
  • Organizer: International Scientific Workshop on Plant Secondary Metabolism and Natural Product Biosynthesis
  • Place of Presentation: Wuhan, China
  • Year and Date: 20130705-20130707
  • Invited
• [Book] Natural Products: Discourse, Diversity and Design (分担執筆） (2014)
  • Author(s): Abe, I.
  • Total Pages: 300
  • Publisher: Wiley
• [Book] Biosynthesis and Molecular Genetics of Fungal Secondary Metabolites (分担執筆) (2014)
  • Author(s): Abe, I., Matsuda, Y.
  • Total Pages: 300
  • Publisher: Springer
• [Remarks] 東京大学大学院薬学系研究科天然物化学教室
  • URL: http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~tennen/head.htm