Synthesis of Artificial Terpenoids Using Terpene Cyclase

• Project Area: Systems biosynthetics based on accumulation, prediction, and creation of biological reactions
• Project/Area Number: 23H04560
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Osaka Metropolitan University
• Principal Investigator: 品田 哲郎 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (30271513)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000); Fiscal Year 2024: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2023: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
• Keywords: テルペン合成酵素 / 非天然型基質 / ハイブリッド合成 / テルペノイド / 生合成 / テルペン環化酵素 / ドッキング計算 / 酵素 / 人工基質

Outline of Research at the Start

本研究では、ジテルペン合成酵素を用いた人工テルペン類の創製の可能性を探る。ドッキングシミュレーション（予測）・酵素反応（実証）・生成物解析（検証）・集積と改善の循環に加え、A01, A02班との連携を果たすことにより、人工テルペン類を予知生合成するための基盤を構築する。

Outline of Annual Research Achievements

放線菌の一種から見出されたジテルペン合成酵素、CotB2を用い、アミドやケトンを有する非天然型基質との反応から、新規人工テルペン類を創出するハイブリッド複雑分子合成に取り組んだ。思考実験によりデザインした非天然型基質について、ドッキング計算を行い、環化が進行しうるかどうかを予測した。その結果、ケトンやアミドを含む基質が環化する可能性が示された。予測をもとに、ゲラニオールから設計基質を合成した。それらを酵素とCotB2と反応させたところ、新規二環性の環状ラクタムおよび炭素環化合物が得られることを見出した。本結果は、ジテルペン合成酵素を用いて、アミドやケトンなどのカルボニル基を有する化合物を合成した初の例である。また、酵素反応生成物を化学修飾することによって、計13種類の複雑分子を創出することに成功した。酵素反応生成物の立体化学は天然物への誘導、及び、3環性化合物への化学変換とＸ－線結晶構造解析により明らかにした。新規化合物の一部について抗ガン活性試験を行い、中程度の活性を示す化合物を見出すことにも成功した。
領域内外の生合成化学研究者と活発な共同研究をした。具体的には、還元型プレニル側鎖を有するテルペン類の構造決定、アンブレイン誘導体の創製とそのビタミンＤ様活性、シラチオマイシンを構成する非天然型アミノ酸の生合成経路の解明、変形メンバロン酸経路の生合成機構の解析などの共同研究の成果を論文にまとめ報告した。多くの共同研究を展開したことで、領域の活性化に貢献できた。

Research Progress Status

令和6年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和6年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Isolation and structural determination of natural products bearing tetrahydrogenated isoprenoid side-chains at their ω-termini (2025)
  • Author(s): Abe Tohru、Katano Miyu、Otsuka Ikiru、Wakamatsu Nozomi、Takahashi Saya、Ueda Daijiro、Fukuda Eigo、Endo Seiya、Nishikawa Keisuke、Yasuno Yoko、Nakayama Atsushi、Shinada Tetsuro、Sato Tsutomu
  • Journal Title: Organic & Biomolecular Chemistry Volume: 23 Issue: 14 Pages: 3423-3430
  • DOI: 10.1039/d5ob00160a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Archaeal mevalonate pathway in the uncultured bacterium <i>Candidatus</i> Promineifilum breve belonging to the phylum Chloroflexota (2024)
  • Author(s): Kanno Kosuke、Kuriki Riko、Yasuno Yoko、Shinada Tetsuro、Ito Tomokazu、Hemmi Hisashi
  • Journal Title: Applied and Environmental Microbiology Volume: 90 Issue: 8
  • DOI: 10.1128/aem.01106-24
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of the cirratiomycin biosynthesis gene cluster in Streptomyces cirratus: elucidation of the biosynthetic pathways for 2,3‐diaminobutyric acid and hydroxymethylserine (2024)
  • Author(s): Sakata Shunki、Li Jiafeng、Yasuno Yoko、Shinada Tetsuro、Shin‐ya Kazuo、Katsuyama Yohei、Ohnishi Yasuo
  • Journal Title: Chemistry - A European Journal Volume: - Issue: 28
  • DOI: 10.1002/chem.202400271
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Analysis of vitamin D receptor binding affinities of enzymatically synthesized triterpenes including ambrein and unnatural onoceroids (2024)
  • Author(s): Ueda Daijiro、Matsuda Natsu、Takaba Yuka、Hirai Nami、Inoue Mao、Kameya Taichi、Abe Tohru、Tagaya Nao、Isogai Yasuhiro、Kakihara Yoshito、Bartels Florian、Christmann Mathias、Shinada Tetsuro、Yasuda Kaori、Sato Tsutomu
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 14 Issue: 1 Pages: 1419-1419
  • DOI: 10.1038/s41598-024-52013-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Synthesis of Drimane-8α,11-diol Using Terpene Cyclase from <i>Bacillus Megaterium</i> (2023)
  • Author(s): Ozawa Keita、Yamamoto Yuki、Fukuda Eigo、Endo Seiya、Nakayama Atsushi、Yasuno Yoko、Ueda Daijiro、Sato Tsutomu、Shinada Tetsuro
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 52 Issue: 6 Pages: 520-523
  • DOI: 10.1246/cl.230151
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A [4Fe-4S] cluster resides at the active center of phosphomevalonate dehydratase, a key enzyme in the archaeal modified mevalonate pathway (2023)
  • Author(s): Komeyama Mutsumi、Kanno Kohsuke、Mino Hiroyuki、Yasuno Yoko、Shinada Tetsuro、Ito Tomokazu、Hemmi Hisashi
  • Journal Title: Frontiers in Microbiology Volume: 14 Pages: 1150353-1150353
  • DOI: 10.3389/fmicb.2023.1150353
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 含ハロゲンテルペンアナログの化学・酵素ハイブリッド合成 (2025)
  • Author(s): 福田瑛吾、黒崎飛優馬、前田尚輝、中山淳、葛山智久、品田 哲郎
  • Organizer: 日本化学会第105春季年会
• [Presentation] ジテルペン合成酵素を用いた3,7,18-ドラベラトリエンの化学－酵素ハイブリッド合成 (2025)
  • Author(s): 丸野翔輝、中山淳、上田大次郎、佐藤努、品田哲郎
  • Organizer: 日本化学会第105春季年会
• [Presentation] 枯草菌由来テルペン合成酵素を用いたFeselolの化学・酵素ハイブリッド合成 (2025)
  • Author(s): 2)遠藤聖也、中山淳、葛山智久、品田哲郎
  • Organizer: 日本化学会第105春季年会
• [Presentation] テルペン合成酵素を用いた人工テルペン類の創製 (2025)
  • Author(s): 品田哲郎
  • Organizer: 学術変革領域（A） 予知生合成科学 第5回公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] ジテルペン合成酵素CotB2を用いた非天然型化合物の合成 (2024)
  • Author(s): 11)遠藤聖也、福田瑛吾、堀建哉、葛山智久、品田哲郎
  • Organizer: 第34回イソプレノイド研究会例会
• [Presentation] ジテルペン合成酵素を用いた人工テルペンアナログの創製 (2024)
  • Author(s): 14)福田瑛吾、 遠藤聖也、 堀健哉、 藤原維吹、 丸野翔輝、 中山淳、 品田哲郎
  • Organizer: 第19回FMODD全体会議・FMODD 10周年記念シンポジウム
• [Presentation] Bacillus megaterium由来スクアレン環化酵素を用いたドリマン-8α,11-ジオール類の合成 (2023)
  • Author(s): 遠藤聖也, 小澤圭太, 福田瑛吾, 中山淳, 保野陽子, 上田大次郎, 佐藤努, 品田哲郎
  • Organizer: 第43回有機合成若手セミナー「明日の有機合成を担う人のために」
• [Presentation] Bacillus megaterium由来スクアレン環化酵素を用いたドリマン-8α,11-ジオール類の合成 (2023)
  • Author(s): 遠藤聖也, 小澤圭太, 福田瑛吾, 中山淳, 保野陽子, 上田大次郎, 佐藤努, 品田哲郎
  • Organizer: 第65回天然有機化合物討論会
• [Presentation] アンブレインと非天然型オノセロイドのビタミンD受容体結合能の解析 (2023)
  • Author(s): 松田夏, 平井奈実, 鷹羽優香, 井上真緒, 亀谷太一, 達谷窟奈緒, 安藤佳織, 磯貝泰弘, 柿原嘉人, 品田哲郎, 上田大次郎, 佐藤努
  • Organizer: 第67回香料・テルペンおよび精油化学に関する討論会（TEAC）
• [Presentation] ジテルペン合成酵素を用いた大環状複素環の合成 (2023)
  • Author(s): 遠藤聖也，堀建哉、中山淳，保野陽子, 葛山智久, 品田哲郎
  • Organizer: 日本化学会第104春季年会（2024）
• [Presentation] 有機合成化学が牽引するテルペン化学の新展開 (2023)
  • Author(s): 品田哲郎
  • Organizer: 2.九州大学理学部化学教室談話会 最新化学談話シリーズ
  • Invited
• [Presentation] Synthesis of Drimane-8α,11-diol Using Terpene Cyclase from Bacillus Megaterium (2023)
  • Author(s): Seiya Endo, Keita Ozawa, Yuki Yamamoto, Eigo Fukuda, Atsushi Nakayama, Yoko Yasuno, Daijiro Ueda, Tsutomu Sato, Tetsuro Shinada
  • Organizer: 1.The 15th International Kyoto Conference on New Aspects of Organic Chemistry (IKCOC-15)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 大阪公立大学 大学院理学研究科化学専攻 分子変換学研究室
  • URL: https://www.omu.ac.jp/sci/chem-henkan/
• [Remarks] 大阪公立大学大学院理学研究科物質分子系専攻分子変換学研究室
  • URL: https://www.sci.osaka-cu.ac.jp/chem/henkan/