2022 Fiscal Year Annual Research Report
Biosynthesis of sequence-regulated polyesters and analysis of synthetic mechanism
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20H04368
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
松本 謙一郎 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80360642)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
冨田 宏矢 北海道大学, 工学研究院, 助教 (00814229)
大井 俊彦 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (40223713)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | バイオベースプラスチック / 酵素重合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、微生物産生ポリエステルであり生分解性プラスチックとして利用できるポリヒドロキシアルカン酸（PHA）の構造制御に関するものである。PHAの構造制御は、材料物性に直結する重要な技術課題である。申請者が独自に見出したPHA合成酵素により、非天然モノマーであるグリコール酸を含むブロック共重合体をポリマーを得ることができた。得られた共重合体は、同一分子内にランダム共重合体とホモポリマーセグメントを有する、特殊な配列構造を有していた。ランダム共重合体部分のグリコール酸分率は推定約70モル％に達し。本結果は、これまで全く例のない特殊な構造を持つPHAの合成を可能にするものであり、かつ、グリコール酸分率の高い構造を合成する新規な方法を与えた。これらの成果はFrontiers in Bioengineering and Biotechnology誌で発表した。さらに、ブロック共重合体の化学構造の拡張に取り組んだ。使用している配列制御型重合酵素は、3-hydroxyhexanoate (3HHx)モノマーに弱い活性を有する。3HHxは材料に柔軟性を付与する性質がある事が知られ、PHAの重要な構成成分の一つである。そこで、進化工学的手法を用いて3HHxモノマーに対する活性が向上した変異体を創出した。こうして得られた新たな重合酵素を用いることで、3HHxモノマーから構成される新規ブロック共重合体を合成することができた。本成果はBiomacromolecules誌で発表した。本特殊構造の合成機構を解明するため、独自に開発したNMR法およびreal-time NMR法を用いたin vitro解析を行った。その結果、２つのセグメントが合成される順序を明らかにした。本成果はBiophysical Chemistry誌で発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、新規ポリマーの合成とブロック共重合体が合成される機構を分子レベルで明らかにすることを主目的としている。ポリマー合成については、多数の新規ポリマーを合成、報告したことから、当初の目的を十分に達成できている。重合反応機構の解析については、課題であった生成物の構造解析を達成したことから、重要な進捗を得ることができた。反応機構の完全な解明にはまだ至っていないが、問題点の絞り込みと手法の開発が進んでいることから、概ね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き新規ポリマーの合成に取り組む。最初に使用していた重合酵素の基質特異性の探索はおおむね終了しているので、さらに新規な構造を合成するためには、重合酵素のエンジニアリングによる基質特異性の拡張が必須となる。そこで、重合酵素の定方向分子進化に取り組む。重合酵素をコードする遺伝子に人為的に変異を加えたライブラリーを作成し、ターゲットとするポリマーの合成条件で合成を行い、合成量に応じた選抜を実施する。反応機構解析については、精製酵素、合成基質を用いたインビトロ解析をさらに詳細に実施する。反応の過程を詳しく調べることにより、ブロック共重合体が合成される際の各セグメントが合成される要因を明らかにすることを目指す。
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