ラン藻由来の炭化水素合成関連酵素の高活性化とバイオ燃料生産への応用

• 研究課題/領域番号: 18J14539
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 工藤 恒 東京大学, 総合文化研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2018-04-25 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円); 2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2018年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: ラン藻 / バイオ燃料 / 炭化水素 / 酵素 / タンパク質工学

研究実績の概要

ラン藻の炭化水素生産にはアシルACP還元酵素（AAR）とアルデヒド脱ホルミル化オキシゲナーゼ（ADO）の2つの酵素が関与している。酵素AAR、ADOは微生物の炭化水素生産における鍵となる酵素であるが活性が低い。このため、バイオ燃料生産への応用には両酵素の高活性化が必要不可欠である。
酵素AARについては、前年度にて低活性型AARの変異解析より、6つのアミノ酸変異が炭化水素生産量を大きく増加させることを見出した。そこで、これら6つの変異を組み合わせた多重変異導入を行ったところ、野生型に比べて炭化水素合成量が最大60倍以上増加した高機能化AAR変異体を創出でき、既存の高活性型AARでの炭化水素生産量と同等以上であった。これらAARに関する研究を論文として発表できた（1報目）。
酵素ADOについては、10種類のラン藻由来ADOについて活性を比較し、高活性型ADO（7942ADO）と低活性型ADO（7421ADO）を見出した。次に、7942ADOのアミノ酸配列に7421ADOのアミノ酸配列を近づけるような一アミノ酸置換変異を行った。7421ADO一アミノ酸置換変異体を40個作製し活性測定を行った結果、酵素活性を向上させることができた。さらに可溶性発現量も増大した変異体が得られた。得られた高活性化ADO変異体は高機能化AARと同様に炭化水素の大量生産に大きく貢献しうる。これらADOに関する研究を論文として発表できた（2報目）。
本研究で得られた高機能化AAR、ADOなどをラン藻内で発現させることによって、ラン藻での炭化水素生産量を大きく向上させることに成功した。以上の成果より、本研究で創出された高機能化AAR、ADOはラン藻でのバイオ燃料生産の実用化に大きく貢献できると期待される。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Improving hydrocarbon production by engineering cyanobacterial acyl-(acyl carrier protein) reductase. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kudo, H., Hayashi, Y., & Arai, M.
  • 雑誌名: Biotechnology for Biofuels 巻: 12 号: 1 ページ: 291-291
  • DOI: 10.1186/s13068-019-1623-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of non-conserved residues essential for improving the hydrocarbon-producing activity of cyanobacterial aldehyde-deformylating oxygenase (2019)
  • 著者名/発表者名: H Kudo, Y Hayashi, M Arai
  • 雑誌名: Biotechnology for Biofuels 巻: 12 号: 1 ページ: 89-89
  • DOI: 10.1186/s13068-019-1409-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Production and characterization of recombinant P1 adhesin essential for adhesion, gliding, and antigenic variation in the human pathogenic bacterium, Mycoplasma pneumoniae (2019)
  • 著者名/発表者名: Kenri Tsuyoshi、Kawakita Yoshito、Kudo Hisashi、Matsumoto U.、Mori Shigetarou、Furukawa Yukio、Tahara Yuhei O.、Shibayama Keigo、Hayashi Yuuki、Arai Munehito、Miyata Makoto
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 508 号: 4 ページ: 1050-1055
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2018.11.132
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cyanobacterial Enzymes for Bioalkane Production (2018)
  • 著者名/発表者名: Arai Munehito、Hayashi Yuuki、Kudo Hisashi
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine and Biology 巻: - ページ: 119-154
  • DOI: 10.1007/978-981-13-0854-3_6
  • ISBN: 9789811308536, 9789811308543
• [学会発表] Identification of the residues that are responsible for improving the activities of cyanobacterial enzymes for hydrocarbon biosynthesis (2019)
  • 著者名/発表者名: Kudo Hisashi、Hayashi Yuuki、Arai Munehito
  • 学会等名: Enzyme engineering XXV
  • 国際学会
• [学会発表] ラン藻由来アルカン合成関連酵素の高活性化に重要な非保存部位の探索 (2019)
  • 著者名/発表者名: 工藤恒、林勇樹、新井宗仁
  • 学会等名: 第19回日本タンパク質科学会年会
• [学会発表] ラン藻由来アルカン合成関連酵素の高活性化に重要な非保存部位の探索 (2019)
  • 著者名/発表者名: 工藤恒、林勇樹、新井宗仁
  • 学会等名: 第19回日本タンパク質科学会年会ワークショップ「天然物生合成の構造生物学と合成生物学の協奏」
  • 招待講演
• [学会発表] ラン藻由来アルカン合成関連酵素の活性向上に重要なアミノ酸残基の同定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 工藤恒、林勇樹、新井宗仁
  • 学会等名: 第8回日本生物物理学会関東支部会
• [学会発表] Identification of amino acid residues essential for hydrocarbon production in aldehyde deformylating oxygenase from cyanobacteria (2018)
  • 著者名/発表者名: Hisashi Kudo, Yuuki Hayashi, Munehito Arai
  • 学会等名: 第56回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 変異解析によるラン藻由来アルカン合成関連酵素の機能発現に重要な部位の同定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 工藤恒、林勇樹、新井宗仁
  • 学会等名: 第70回日本生物工学会大会
• [学会発表] ラン藻由来アルカン合成関連酵素群の活性に重要なアミノ酸部位の同定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 工藤恒
  • 学会等名: ラン藻ゲノム交流会2018
  • 招待講演
• [備考] 酵素の高機能化によりバイオ燃料の生産性を向上
  • URL: https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/press/z0109_00285.html
• [備考] バイオ燃料を生産する酵素が効率的に働く仕組みを解明
  • URL: https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/press/z0109_00146.html