計算科学にもとづく「最適」無細胞分子システムのボトムアップ構築

2021 年度 実績報告書

• 研究領域: 生物を陵駕する無細胞分子システムのボトムアップ構築学
• 研究課題/領域番号: 21H05230
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 油谷 幸代 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 研究部門付 (10361627)
• 研究分担者: 白井 智量 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, 上級研究員 (00639586) ; 本田 孝祐 大阪大学, 生物工学国際交流センター, 教授 (90403162)
• 研究期間 (年度): 2021-09-10 – 2026-03-31
• キーワード: ノネナール / 酵素反応 / 無細胞分子システム / 人工解糖経路

研究実績の概要

１．加齢臭の原因となるノネナール検出システムの開発
ノネナールは脂肪酸の一つであるパルミトオレイン酸が分解されることで発生する臭気成分であり、ヘルスケア分野での実用化のためにも簡易的検出システムの開発が期待されている。そこで、酵素の有する優れた基質特異性に着目し、ノネナールに対する高い特異性を有した酵素を創出・ 利用することで当該物質を高感度に検出可能なシステム構築にむけた基盤技術を開発する。 2021年度は、 白井が開発した人工代謝反応の設計ツールであるBioProVを改良し、該当反応を触媒しうる酵素反応パターンの選出を可能した。 また、 油谷が開発中の化合物の構造特徴量抽出技術を本課題に適用するため、構造特徴量の選定を実施し 来年度以降実施するノネナールを基質として最も認識し易い酵素反応の絞りこみに適するように特徴量抽出技術のパラメータチューニングを実施した。
２．解糖系を超えるATP合成能を有する分子システムの構築
2021年度は、本田グループがこれまで行ってきた無細胞分子システム構築技術を活用し、天然の解糖経路の一部をペントースリン酸経路等に特徴的な酵素群で置換することで、天然には存在しない人工解糖経路（Non-oxidative glycolysis, NOG）の構築に取り組んだ。同経路を構成する12種類の酵素を好熱菌から取得、これらを大腸菌内で共発現させることで得られた組換え株の菌体抽出液を熱処理に供するシンプルな操作のみで、目的の酵素カクテルを調製することを可能とした。油谷グループは本人工経路を対象に、酵素の量的バランスとATP生産速度の関係性を表すためのモデル構築にむけ、データ形式の整理とシミュレーションからの線形モデル構築技術を開発した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の実施計画書に記載した通り、「１．加齢臭の原因となるノネナール検出システムの開発」では、白井が開発した人工代謝反応の設計ツールであるBioProVを改良し、該当反応を触媒しうる酵素反応パターンの選出を可能にした。 また、 油谷が開発中の化合物の構造特徴量抽出技術を本課題に適用するため、構造特徴量の選定を実施し 来年度以降実施するノネナールを基質として最も認識し易い酵素反応の絞りこみに適するように特徴量抽出技術のパラメータチューニングを実施した。
また「２．解糖系を超えるATP合成能を有する分子システムの構築」でも当初予定通り、本田グループがこれまで行ってきた無細胞分子システム構築技術を活用し、天然の解糖経路の一部をペントースリン酸経路等に特徴的な酵素群で置換することで、天然には存在しない人工解糖経路（Non-oxidative glycolysis, NOG）の構築に取り組んだ。また、同経路を構成する12種類の酵素を好熱菌から取得、これらを大腸菌内で共発現させることで得られた組換え株の菌体抽出液を熱処理に供するシンプルな操作のみで、目的の酵素カクテルを調製することを可能とした。

今後の研究の推進方策

１．加齢臭の原因となるノネナール検出システムの開発
ノネナールを基質として認識し、他の化合物へ変換できる酵素を選定し、酵素活性測定のための評価系を構築する。その後、ドッキングシミュレーションおよび機械学習を用いたアプローチにより、ノネナールに対する基質親和性の向上を目指す。また、計画班のE01班（ナノ工学）と連携し、出口を見据えた上で安定的に使用できるデバイスの開発を目指す。
２．解糖系を超えるATP合成能を有する分子システムの構築
NOG構築の成果を論文化するとともに、本人工経路の最適化に向けたモデル化を進める。本田Gにて経路を構成する酵素の投入量とATP生産速度のデータを取得し、油谷グループに提供する。油谷グループでは、両者の関係性を表すモデルを構築し、構成酵素群のうちATP生産速度に特に顕著な影響を及ぼす酵素を決定する。

研究成果

• [雑誌論文] Metabolic engineering design to enhance (R,R)-2,3-butanediol production from glycerol in Bacillus subtilis based on flux balance analysis. (2021)
  • 著者名/発表者名: Vikromvarasiri Nunpathan, Tomokazu Shirai, Akihiko Kondo.
  • 雑誌名: Microb. Cell Fact. 巻: 20 ページ: 196
  • DOI: 10.1186/s12934-021-01688-y.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Direct 1,3-butadiene biosynthesis in Escherichia coli via a tailored ferulic acid decarboxylase mutant (2021)
  • 著者名/発表者名: Yutaro Mori, Shuhei Noda, Tomokazu Shirai, Akihiko Kondo
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 12 ページ: 2195
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22504-6.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improvement of production yield of l-cysteine through in vitro metabolic pathway with thermophilic enzymes (2021)
  • 著者名/発表者名: Makoto Imura, Shinichi Etoh, Ryo Iwakiri, Kenji Okano, Kohsuke Honda
  • 雑誌名: Journal of Bioscience and Bioengineering 巻: 132 ページ: 585-591
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2021.09.003.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Heterologous gene expression and characterization of two serine hydroxymethyltransferases from Thermoplasma acidophilum (2021)
  • 著者名/発表者名: Ilma Fauziah Ma'ruf, Yuka Sasaki, Anastasia Kerbs, Jochen Nieber, Yu Sato, Hironori Taniguchi, Kenji Okano, Shigeru Kitani, Elvi Restiawaty, Akhmaloka, Kohsuke Honda
  • 雑誌名: Extremophiles 巻: 25 ページ: 393-402
  • DOI: 10.1007/s00792-021-01238-9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] In vitro production of coenzyme A using thermophilic enzymes (2021)
  • 著者名/発表者名: Gladwin Suryatin Alim, Tomoka Iwatani, Kenji Okano, Shigeru Kitani, Kohsuke Honda
  • 雑誌名: Applied Environmental Microbiology 巻: 87 ページ: e0054121
  • DOI: 10.1128/AEM.00541-21.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multivariate statistical monitoring system for microbial population dynamics (2021)
  • 著者名/発表者名: Koji Ishiya, Sachiyo Aburatani
  • 雑誌名: Physical Biology 巻: 19 ページ: 016003
  • DOI: 10.1088/1478-3975/ac3ad6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Rapid reprogramming of tumour cells into cancer stem cells on double-network hydrogels (2021)
  • 著者名/発表者名: Jun Suzuka, Masumi Tsuda, Lei Wang, Shinji Kohsaka, Karin Kishida, Shingo Semba, Hirokazu Sugino, Sachiyo Aburatani, Martin Frauenlob, Takayuki Kurokawa, Shinya Kojima, Toshihide Ueno, Yoshihiro Ohmiya, Hiroyuki Mano, Kazunori Yasuda, Jian Ping Gong, Shinya Tanaka
  • 雑誌名: Nature biomedical engineering 巻: 5 ページ: 914-925
  • DOI: 10.1038/s41551-021-00692-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sachiyo Aburatani springer.com の [HTML] Full View Selection of the optimal tyrosine hydroxylation enzyme for (S)-reticuline production in Escherichia coli (2021)
  • 著者名/発表者名: Akira Nakagawa, Shinya Nakamura, Eitaro Matsumura, Yurino Yashima, Mizuki Takao, Sachiyo Aburatani, Katsuro Yaoi, Takane Katayama, Hiromichi Minami
  • 雑誌名: Applied Microbiology and Biotechnology 巻: 105 ページ: 5433-5447
  • DOI: 10.1007/s00253-021-11401-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of Free Fatty Acid Secretory Productivity in Aspergillus oryzae by Comprehensive Analysis on Time-Series Gene Expression (2021)
  • 著者名/発表者名: Pui Shan Wong, Koichi Tamano, Sachiyo Aburatani
  • 雑誌名: Frontiers in Microbiology 巻: 12 ページ: 605095
  • DOI: 10.3389/fmicb.2021.605095
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 人工代謝経路設計による有用化合物のバイオ生産に関する研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 白井智量
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 人工代謝経路のデザイナビリティを拡張するユニークな微生物酵素たち (2021)
  • 著者名/発表者名: 本田孝祐
  • 学会等名: 領域新学術領域「ポストコッホ生態」＆ACT-X「環境とバイオテクノロジー」合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞の外側で代謝反応を駆動する (2021)
  • 著者名/発表者名: 本田孝祐
  • 学会等名: 第15回メタボロームシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Type III Pantothenate Kinase from Thermus thermophilus and Its Application in Coenzyme A Production (2021)
  • 著者名/発表者名: Kohsuke HONDA
  • 学会等名: 2nd Japan-Switzerland-Germany Workshop on Biocatalysis and Bioprocess Development
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 好熱好酸性アーキア Thermoplasma acidophilum 由来の 2 種類のセリンヒドロキシメチルトランスフェラーゼの異種発現及び機能解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 悠, Maruf Ilma Fauziah, 佐々木由佳, Krebs Anastasia, Nieber Jochen, 谷口博範, 岡野憲司, 木谷 茂, Restiawaty Elvi, Akhmaloka, 本田孝祐
  • 学会等名: 第73回 日本生物工学会大会
• [学会発表] 発酵法・酵素法を組み合わせたハイブリッド型バイオ変換システムの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 上杉尚輝, 佐藤 悠, 岡野憲司, 木谷 茂, Kerb Anastasia, Wendisch Volker, 本田孝祐
  • 学会等名: 第73回 日本生物工学会大会