希少微生物株のゲノムマイニングによる天然医薬品資源の探索

• 研究課題/領域番号: 21H02635
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分47050:環境および天然医薬資源学関連
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 脇本 敏幸 北海道大学, 薬学研究院, 教授 (70363900)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2023年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2022年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2021年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円)
• キーワード: 生合成遺伝子 / ゲノムマイニング / 天然医薬品資源 / 生合成 / 二次代謝産物 / ゲノム

研究開始時の研究の概要

本研究では従来の天然物探索事例の少ない微生物株についてゲノム情報を取得し、ゲノム情報を起点とした新規天然物の探索を実施する。塩基配列と天然物の構造情報は現時点では未だ完全には一致していないが、多くの代謝経路について経路を担う酵素や責任遺伝子が明らかになってきている。天然物の設計図である生合成遺伝子クラスターがゲノム上になければ、二次代謝産物が生産されることはないことを考えると、生合成遺伝子クラスターの有無は極めて重要な新規天然物探索の指標となる。本研究では新規微生物培養方法や次世代シークエンサーを駆使し、最先端の天然物探索手法を実践する。

研究成果の概要

本研究では原位置培養法などによって得られた希少菌株のゲノム配列を解析し、生合成遺伝子クラスターの情報をもとに選別した菌株について、生物活性とLC-MSプロファイルの双方を指標に新規天然物の探索を進めた。その結果、北海道大学キャンパス土壌より分離したVariovorax属の菌株より複数のペプチド関連化合物を見出した。さらに、Acidobacteria門の菌株のゲノム情報からカリクリン生合成遺伝子を見出し、海綿以外の生物から初めてカリクリン類を単離した。さらに新たな休眠遺伝子の活性化方法として、バクテリアが産生する細胞外膜小胞（MVs）を用いた休眠遺伝子活性化方法を開発した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では従来の天然物探索事例の少ない微生物株についてゲノム情報を取得し、ゲノム情報を起点とした新規天然物の探索を実施した。その結果、物質生産に秀でたグラム陰性菌から新規のシデロフォアを見出した。さらに北海道大学キャンパスより取得した菌株より銅をキレートすることによって抗菌活性を示す天然物を取得した。さらに難培養でありながら、物質生産に長けたAcidobacteria菌株よりカリクリン類を単離し、新たな休眠遺伝子活性化手法として細胞外膜小胞を利用した手法を確立した。今後はこれらの手法をさらに発展させ、より効果的で汎用性の高い手法を確立する。

研究成果

• [国際共同研究] ETH Zurich(スイス)
• [国際共同研究] ETH Zurich(スイス)
• [国際共同研究] ETH(スイス)
• [雑誌論文] Five New Analogs of Streptogramin Antibiotic Viridogrisein Isolated from <i>Streptomyces niveoruber</i> (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshimura Aya、Honda Takumi、Wakimoto Toshiyuki
  • 雑誌名: ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＆ ＰＨＡＲＭＡＣＥＵＴＩＣＡＬ ＢＵＬＬＥＴＩＮ 巻: 72 号: 1 ページ: 80-85
  • DOI: 10.1248/cpb.c23-00776
  • ISSN: 0009-2363, 1347-5223
  • 年月日: 2024-01-18
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chemoenzymatic tandem cyclization for the facile synthesis of bicyclic peptides (2024)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Masakazu、Onozawa Naho、Matsuda Kenichi、Wakimoto Toshiyuki
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 7 号: 1 ページ: 67-67
  • DOI: 10.1038/s42004-024-01147-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] New variochelins from soil-isolated Variovorax sp. H002 (2024)
  • 著者名/発表者名: Haedar Jabal Rahmat、Yoshimura Aya、Wakimoto Toshiyuki
  • 雑誌名: Beilstein Journal of Organic Chemistry 巻: 20 ページ: 692-700
  • DOI: 10.3762/bjoc.20.63
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Bacterial Hydrazine Biosynthetic Pathways Featuring Cupin/Methionyl tRNA Synthetase‐like Enzymes (2024)
  • 著者名/発表者名: Matsuda Kenichi、Wakimoto Toshiyuki
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: - 号: 9
  • DOI: 10.1002/cbic.202300874
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phylogeny‐guided Characterization of Bacterial Hydrazine Biosynthesis Mediated by Cupin/methionyl tRNA Synthetase‐like Enzymes (2024)
  • 著者名/発表者名: Matsuda Kenichi、Nakahara Yuto、Choirunnisa Atina Rizkiya、Arima Kuga、Wakimoto Toshiyuki
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: 25 号: 7
  • DOI: 10.1002/cbic.202300838
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Actinobacterial chalkophores: the biosynthesis of hazimycins (2024)
  • 著者名/発表者名: Matsuda Kenichi、Maruyama Hiroto、Imachi Kumiko、Ikeda Haruo、Wakimoto Toshiyuki
  • 雑誌名: The Journal of Antibiotics 巻: - 号: 4 ページ: 228-237
  • DOI: 10.1038/s41429-024-00706-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] 細胞外膜小胞を介した異種細菌間相互作用による二次代謝産物の生産誘導 (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉村彩、脇本敏幸
  • 雑誌名: バイオサイエンスとインダストリー 巻: 82 ページ: 167-169
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biosynthesis of Bioactive Natural Products Derived from Theonellidae Family Marine Sponges (2023)
  • 著者名/発表者名: Wakimoto Toshiyuki
  • 雑誌名: ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＆ ＰＨＡＲＭＡＣＥＵＴＩＣＡＬ ＢＵＬＬＥＴＩＮ 巻: 71 号: 1 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1248/cpb.c22-00715
  • ISSN: 0009-2363, 1347-5223
  • 年月日: 2023-01-01
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Animal-associated marine Acidobacteria with a rich natural-product repertoire (2023)
  • 著者名/発表者名: Leopold-Messer Stefan、Chepkirui Clara、Mabesoone Mathijs F.J.、Meyer Joshua、Paoli Lucas、Sunagawa Shinichi、Uria Agustinus R.、Wakimoto Toshiyuki、Piel Joern
  • 雑誌名: Chem (Cell Press journal) 巻: 9 号: 12 ページ: 3696-3713
  • DOI: 10.1016/j.chempr.2023.11.003
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Membrane‐Vesicle‐Mediated Interbacterial Communication Activates Silent Secondary Metabolite Production (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshimura Aya、Saeki Rio、Nakada Ryusuke、Tomimoto Shota、Jomori Takahiro、Suganuma Keisuke、Wakimoto Toshiyuki
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 62 号: 42 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1002/anie.202307304
  • 査読あり
• [雑誌論文] Carrier Protein Mediated Formation of the Dihydropyridazinone Ring in Actinopyridazinone Biosynthesis (2023)
  • 著者名/発表者名: Arima Kuga、Akiyama Satoko、Shin‐ya Kazuo、Matsuda Kenichi、Wakimoto Toshiyuki
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 62 号: 29
  • DOI: 10.1002/anie.202305155
  • 査読あり
• [雑誌論文] ペニシリン結合タンパク質型チオエステラーゼを用いた環状ペプチドの効率的な化学-酵素合成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松田研一、脇本敏幸
  • 雑誌名: Peptide Newsletter Japan 巻: 129 ページ: 4-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Streamlined chemoenzymatic synthesis of cyclic peptides by non-ribosomal peptide cyclases (2023)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi, M., Fujita, K., Matsuda, K.*, Wakimoto, T.*
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 号: 6 ページ: 3270-3275
  • DOI: 10.1021/jacs.2c11082
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Natural Dihydropyridazinone Scaffold Generated from a Unique Substrate for a Hydrazine-Forming Enzyme (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsuda, K.*, Arima, K., Akiyama, S., Yamada, Y., Abe, Y., Suenaga, H., Hashimoto, J., Shin-ya, K., Nishiyama, M., Wakimoto, T.*
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 144 号: 28 ページ: 12954-12960
  • DOI: 10.1021/jacs.2c05269
  • 査読あり
• [雑誌論文] New Theonellapeptolides from Indonesian Marine Sponge Theonella swinhoei as Anti-Austerity Agents (2022)
  • 著者名/発表者名: Haedar Jabal Rahmat、Uria Agustinus Robert、Lallo Subehan、Dibwe Dya Fita、Wakimoto Toshiyuki
  • 雑誌名: Marine Drugs (MDPI) 巻: 20 号: 11 ページ: 661-661
  • DOI: 10.3390/md20110661
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] New azodyrecins identified by a genome mining-directed reactivity-based screening (2022)
  • 著者名/発表者名: Choirunnisa, A. R.#, Arima, K.#, Abe, Y., Kagaya, N., Kudo, K., Suenaga, H., Hashimoto, J., Fujie, M., Satoh, N., Shin-ya, N., Matsuda, K.*, Wakimoto, T.*
  • 雑誌名: Beilstein Journal of Organic Chemistry 巻: 18 ページ: 1017-1025
  • DOI: 10.3762/bjoc.18.102
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Characterization of the surugamide biosynthetic gene cluster of TUA-NKU25, a Streptomyces diastaticus strain isolated from Kusaya and its effects on salt-dependent growth (2022)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi, A., Hirata, A., Teshima, A., Ueki, M., Satoh, T., Matsuda, K., Wakimoto, T., Arakawa, K., Ishikawa, M., Suzuki, T.
  • 雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: 87 号: 3 ページ: 320-329
  • DOI: 10.1093/bbb/zbac201
  • 査読あり
• [雑誌論文] 海綿共生微生物による細胞毒性物質の活性化機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 城森啓宏、脇本敏幸
  • 雑誌名: 化学と生物 巻: 60 ページ: 621-623
  • 査読あり
• [雑誌論文] Insights into phosphatase-activated chemical defense in a marine sponge holobiont (2021)
  • 著者名/発表者名: Jomori Takahiro、Matsuda Kenichi、Egami Yoko、Abe Ikuro、Takai Akira、Wakimoto Toshiyuki
  • 雑誌名: RSC Chemical Biology 巻: 2 号: 6 ページ: 1600-1607
  • DOI: 10.1039/d1cb00163a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Argicyclamides A?C Unveil Enzymatic Basis for Guanidine Bis-prenylation (2021)
  • 著者名/発表者名: Phan Chin-Soon、Matsuda Kenichi、Balloo Nandani、Fujita Kei、Wakimoto Toshiyuki、Okino Tatsufumi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 143 号: 27 ページ: 10083-10087
  • DOI: 10.1021/jacs.1c05732
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] PenA, a penicillin-binding protein-type thioesterase specialized for small peptide cyclization (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsuda Kenichi、Fujita Kei、Wakimoto Toshiyuki
  • 雑誌名: Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology 巻: kuab023 号: 3-4
  • DOI: 10.1093/jimb/kuab023
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ascidian-associated photosymbionts originated from Manado, Indonesia: Secondary metabolite identification, bioactivity simulation, and biosynthetic insight (2021)
  • 著者名/発表者名: Rumengan Inneke F.M.、 Roring Vera I.Y.、Haedar Jabal R.、 Siby Mayse S.、Luntungan Aldian H.、Kolondam Beivy J.、Uria Agustinus R.、Wakimoto Toshiyuki
  • 雑誌名: Symbiosis 巻: - 号: 1 ページ: 71-82
  • DOI: 10.1007/s13199-021-00766-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Geographical parthenogenesis in the brown alga Scytosiphon lomentaria (Scytosiphonaceae): Sexuals in warm waters and parthenogens in cold waters (2021)
  • 著者名/発表者名: Hoshino Masakazu, Hiruta Shimpei F., Croce Maria Emilia, Kamiya Mitsunobu, Jomori Takahiro, Wakimoto Toshiyuki & Kogame Kazuhiro
  • 雑誌名: Molecular Ecology 巻: 30 号: 22 ページ: 5814-5830
  • DOI: 10.1111/mec.16152
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 新規ペプチド環化酵素PBP-type TEの発見と機能解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松田研一、脇本敏幸
  • 雑誌名: 月刊ファインケミカル 巻: 50 ページ: 5-10
  • 査読あり
• [学会発表] 新規ペプチド修飾酵素の機能拡張による大環状複雑骨格の創成 (2024)
  • 著者名/発表者名: 脇本敏幸
  • 学会等名: 「予知生合成科学」第３回公開シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Marine Natural Product Biosynthesis (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshiyuki Wakimoto
  • 学会等名: International Virtual Course Marine Natural Product
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Biosynthetic Enzymes Modify Ribosomal and Non-ribosomal Peptides (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshiyuki Wakimoto
  • 学会等名: International Summer Course on Marine Natural Products
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Insights into Phosphatase-activated Chemical Defense in a Marine Sponge Holobiont (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshiyuki Wakimoto
  • 学会等名: Chemical Biology Luncheon Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A New Cyclase Family Catalyzing Head-to-tail Macrolactamization of Non-ribosomal Peptides (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshiyuki Wakimoto
  • 学会等名: Marine Ecosystem, Cradle of Biological Diversity, Natural Chemicals and Lead Pharmaceuticals
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Insights into Phosphatase-activated Chemical Defense in a Marine Sponge Holobiont (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshiyuki Wakimoto
  • 学会等名: Pacifichem2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 北海道大学大学院薬学研究院天然物化学研究室
  • URL: https://www.pharm.hokudai.ac.jp/tennen/
• [備考] 北海道大学大学院薬学研究院
  • URL: https://www.pharm.hokudai.ac.jp/tennen/
• [産業財産権] 環状ペプチドの効率的な化学－酵素合成方法 (2021)
  • 発明者名: 脇本敏幸、松田研一、小林雅和
  • 権利者名: 北海道大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2021-170218
  • 出願年月日: 2021
• [産業財産権] 新規プレニル化酵素 (2021)
  • 発明者名: 脇本敏幸、沖野龍文、松田研一、パンチンスン
  • 権利者名: 北海道大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2021
  • 外国
• [産業財産権] 酵素を用いたペプチドライゲーション (2021)
  • 発明者名: 脇本敏幸、松田研一、小林雅和
  • 権利者名: 北海道大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2021-157054
  • 出願年月日: 2021
• [産業財産権] 化合物、その製造方法、抗菌剤及び銅キレート剤医薬 (2021)
  • 発明者名: 高田雅親、砂原博文、脇本敏幸、松田研一
  • 権利者名: 北海道大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2021-109058
  • 出願年月日: 2021
• [産業財産権] 銅キレート剤、抗がん剤及びウィルソン病の予防又は治療剤 (2021)
  • 発明者名: 高田雅親、砂原博文、脇本敏幸、松田研一
  • 権利者名: 北海道大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2019-050797
  • 出願年月日: 2021