| 研究領域 | 生体反応の集積・予知・創出を基盤としたシステム生物合成科学 |
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| 研究課題/領域番号 |
22H05123
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅱ)
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
淡川 孝義 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, チームリーダー (80609834)
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| 研究分担者 |
牛丸 理一郎 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 助教 (10873648)
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| 研究期間 (年度) |
2022-06-16 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
83,200千円 (直接経費: 64,000千円、間接経費: 19,200千円)
2024年度: 15,990千円 (直接経費: 12,300千円、間接経費: 3,690千円)
2023年度: 15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円)
2022年度: 19,240千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 4,440千円)
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| キーワード | 予知生合成科学 / 酵素工学 / 合成生物学 / 予知生合成化学 / 生合成工学 / 酵素化学 / 構造生物学 / 酵素の精密構造機能解析 / 遷移状態 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
AI を用いたゲノム情報からの酵素探索のための情報を集積し、有用酵素探索、変異酵素創出のために重要な知見を提供する。特にαKG依存性酸化酵素、Cupin酸化酵素、PLP依存性酵素、膜結合型P450酸化酵素に注目して、その精密反応解析を行う。また、ラジカルSAM酸化酵素など、嫌気性であるため、反応解析、構造解析が進んでいない酵素群の解析も候補に入れる。それぞれの反応過程での反応中間体にリガンドや変異を加えることで新規反応性の付与を行い、新規生合成酵素反応の発掘および創出を目指す。また、これらを微生物など醗酵生産の宿主に導入することで、反応スケールの向上、産業レベルでの物質生産へとつなげる。
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| 研究実績の概要 |
ゲノムデータベースから目的の酵素機能を予知、探索する人工機能AIの基盤構築のために、特異な反応を触媒する天然物生合成酵素の精密構造機能解析を行い、そこで得られた酵素反応の知見を集積する。A2予知班と共働して、遷移状態、中間体の計算化学による構造計算によって、酵素の構造解析で得られた酵素反応のスナップショットを連続した反応の理解へとつなげる。中間体に非天然型反応のためのリガンドやアミノ酸変異を加えた酵素構造を計算し、予想通りの反応が進行するか精査し、A3創出班の物質生産のために必要となる酵素反応制御のための知見を供給する。
天然由来抗がん化合物アルテミシジンの骨格合成に関わる鍵酵素SbzPは、補酵素NADを基質として受け入れる、世界初の酵素であり、その触媒メカニズム、基質特異性は、極めて興味深い。また、そのホモログは100を超える微生物に保存されており、それぞれ異なる二次代謝酵素と遺伝子クラスターを組んでおり、その二次代謝生産ポテンシャルは極めて高いと。SbzPのクライオ電子顕微鏡解析による構造解析を最適化し、その基質複合体構造を取得し、その構造基盤を明
らかにした。また、スルホンアミド転移、アミノアシル結合形成に関わるわるGNAT型アシル基転移酵素SbzIのキャリアープロテインとの複合体X線結晶構造解析に成功し、その機能解明を行った。さらに、放線菌に存在するacyl-tRNA synthetase様アシル基転移酵素SbzAホモログの活性試験に成功し、本酵素について構造解析の条件検討を行っている。現在、他のゲノム中に存在する、SbzP、SbzI、SbzAホモログをコードする遺伝子クラスター異種発現系の構築を進めている。その他に糸状菌由来アジリジン合成酸化酵素TqaLの精密機能解析、アイソトポログ、計算化学を用いた反応解析について取り組み、その詳細な酵素反応を明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
それぞれの酵素の構造解析、反応解析は進んでおり、順調と言えるが、酵素ホモログの異種発現は思うように進行しておらず、活性化合物の構造多様化、新規活性化合物の取得には至っていないため。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでとは異なり、より広い遺伝子領域をクローニングできるBACやcosmidベクターを用いて、SbzPとそのホモログ、修飾酵素遺伝子の異種発現のための遺伝子クローニング、形質転換を行う。遺伝子の異種発現だけでなく、野生型細菌の遺伝子操作、人工基質、酵素への変異導入によって、遺伝子発現を行い、新たな物質生産系の構築を進める。そのために、CRISPR等ゲノム編集手法を整える。活性型酵素の取得、基質予測のために、スクリーニング系を整える。
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