診断酵素の実用新規進化デザインプラットフォーム

• 研究課題/領域番号: 22K20485
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0401:材料工学、化学工学およびその関連分野
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 関 貴洋 早稲田大学, 理工学術院総合研究所(理工学研究所), 次席研究員 (20836530)
• 研究期間 (年度): 2022-08-31 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 進化分子工学 / 合成生物学 / 酵素工学 / 膜タンパク質 / ペリプラズム空間 / 進化工学 / 大腸菌 / 金属酵素 / ペリプラズム

研究開始時の研究の概要

タンパク質の機能改良は，微生物細胞の細胞質(細胞内)空間で実施されてきたが，細胞内環境では機能発現が困難なタンパク質モチーフや，細胞内では実施困難な機能選抜も多い．化学的に外環境に近い大腸菌ペリプラズム空間に任意のタンパク質を提示するDisplay技術を開発した．本研究では，本技術を最大限発展させ，細胞質(細胞内)では発現・機能選抜困難であった診断酵素を改良するための新たな進化分子工学プラットフォームの創出に挑戦する．

研究成果の概要

タンパク質の進化分子工学は，遺伝子レベルの多様化と機能選抜の繰り返しによって，新規なタンパク質機能を創出する技術である．その発現と機能選抜は，生細胞で行われてきたが，細胞内環境では機能発現が困難なタンパク質モチーフも多い．最近，申請者は大腸菌ペリプラズム空間に任意のタンパク質を提示するDisplay技術を開発した．この技術は，提示したタンパク質の活性を非破砕に評価できるだけではなく，その基質との結合によるタンパク質の安定化を足場となる膜タンパク質の機能によって読み出すことができる．本研究では，本技術を利用して診断酵素の機能進化を試み，新規進化工学プラットフォームの確立に挑戦した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

診断に利用される酵素の多くは，細胞から分泌されるタンパク質であり，そのほとんどが生細胞内での発現が困難あるいは機能選抜不可である．本研究により，診断酵素の進化工学プラットフォームが確立されたことで，これまで機能改良が困難だった多くの診断酵素の改良がハイスループットに行えるようになる．また，ペリプラズムという化学的環境を自在操作可能な空間での酵素改良が行えるようになったことで，診断酵素以外についてもさまざまな新規機能を付与可能となり，タンパク質機能の再デザインの歩留りが大きく高まるものと期待される．