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2020 年度 実績報告書

軽油相当のバイオ燃料を大量生産可能な高活性型アルカン合成関連酵素の創出

研究課題

研究課題/領域番号 19H02521
研究機関東京大学

研究代表者

新井 宗仁  東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (90302801)

研究分担者 林 勇樹  東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (90444059)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2024-03-31
キーワードバイオ燃料 / 酵素 / 酵素デザイン / タンパク質工学 / 進化分子工学 / 理論的設計
研究実績の概要

シアノバクテリアは、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)という2つの酵素を用い、光合成で軽油相当のアルカンを合成できることから、地球温暖化の防止に有効な再生可能バイオエネルギーの生産源として注目されている。しかし両酵素の活性は低いため、高活性化が必要である。そこで本研究では、3通りの方法でこれらの酵素活性の向上を目指している。2020年度は次の研究を行った。
(1) 進化分子工学実験: AARの生成物であるアルデヒドの量に応じて発光する大腸菌を用い、発光量が増加したAAR変異株を得た。これらのAAR変異体のアミノ酸配列、発現量、酵素活性を定量した結果、AARの高活性化変異体を得ることができた。
(2) 網羅的変異解析: これまでに得たADOの変異体データベースから、高活性化した変異を多重に組み合わせた結果、さらに高活性化した変異体が得られた。特に、発現量を向上させる変異を追加すると、大腸菌内でのアルカン合成量が向上した。
(3) 理論的設計: AARはADOと結合してアルデヒドを効率的に受け渡す。そこで両者の結合を強化しうるADO変異体を、最先端のタンパク質設計用ソフトウェアRosettaで設計した。その結果、両者を共発現した大腸菌内でアルカン合成量が大きく向上した。

上記の他に、次の研究成果も得た。①光合成細菌においては、硫化水素センサータンパク質SqrRにヘムが結合することによってその機能が制御されることを明らかにした。②NMR分光法を用いてタンパク質の構造ダイナミクスを解析する手法についての総説を執筆した。③Rosettaソフトウェアを用いることにより、アレルギーやがんなどに関わるタンパク質間相互作用を阻害するタンパク質を設計した。④タンパク質の立体構造形成機構を統計力学理論で解析する手法の開発を進めた。

現在までの達成度 (区分)
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

本研究では、AARとADOの高活性化に向けて3通りのアプローチで取り組んでいる。いずれのアプローチにおいても着実な進展がみられている。2つ目のアプローチである網羅的変異解析では、多重変異の導入によって高活性化したADO変異体が得られた。また、3つ目のアプローチである理論的設計では、AARとADOの結合を強化することを目指した変異体の設計によって、アルカン合成量の向上がみられている。

今後の研究の推進方策

今後も3通りのアプローチにより、当初の予定通りに研究を進めていく予定である。具体的には、進化分子工学実験では、ADOの高活性化変異体の設計を目指した実験を進めていく。

網羅的変異解析では、これまでにADOに対して実施したときと同様の方法で、AARに対する様々なアミノ酸置換変異体のデータベースを構築した後、それらを組み合わせて高活性化したAAR変異体を作製する。

理論的設計では、まずはAARとADOの結合を強化させた変異体の設計を引き続き行う。また、2019年度に開発した高活性化法などを用いて、ADOとAARの高活性化を行う。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件) 学会発表 (14件) (うち招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] The Scripps Research Institute(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      The Scripps Research Institute
  • [雑誌論文] Repressor Activity of SqrR, a Master Regulator of Persulfide-Responsive Genes, Is Regulated by Heme Coordination2020

    • 著者名/発表者名
      Shimizu Takayuki、Hayashi Yuuki、Arai Munehito、McGlynn Shawn E、Masuda Tatsuru、Masuda Shinji
    • 雑誌名

      Plant and Cell Physiology

      巻: 62 ページ: 100~110

    • DOI

      10.1093/pcp/pcaa144

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Determining Binding Kinetics of Intrinsically Disordered Proteins by NMR Spectroscopy2020

    • 著者名/発表者名
      Yang Ke、Arai Munehito、Wright Peter E.
    • 雑誌名

      Methods in Molecular Biology

      巻: 2141 ページ: 663~681

    • DOI

      10.1007/978-1-0716-0524-0_34

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] タンパク質分子機能の合理的設計2021

    • 著者名/発表者名
      新井宗仁
    • 学会等名
      日本化学会 第101春季年会 中長期テーマシンポジウム「次世代分子システムが拓く未来の化学―協奏的機能連動」
    • 招待講演
  • [学会発表] NMRによるタンパク質間相互作用の解析2021

    • 著者名/発表者名
      新井宗仁
    • 学会等名
      次世代NMRワークショップ
    • 招待講演
  • [学会発表] 実験的手法と理論的手法によるc-Myb-KIX間相互作用に重要なアミノ酸残基の特定同定2021

    • 著者名/発表者名
      季高駿士、林勇樹、新井宗仁
    • 学会等名
      第10回日本生物物理学会関東支部会
  • [学会発表] 転写コアクチベーターCBPのKIXドメインと転写アクチベーターとの相互作用を標的としたPPI阻害剤の合理的設計2021

    • 著者名/発表者名
      佐藤那音、季高駿士、林勇樹、新井宗仁
    • 学会等名
      第10回日本生物物理学会関東支部会
  • [学会発表] IL33-ST2のPPI阻害剤の論理的設計と実験的検証2021

    • 著者名/発表者名
      寺西美月、林勇樹、新井宗仁
    • 学会等名
      第10回日本生物物理学会関東支部会
  • [学会発表] 統計力学モデルの拡張によるタンパク質のフォールディング機構の解析2021

    • 著者名/発表者名
      大岡紘治、新井宗仁
    • 学会等名
      第10回日本生物物理学会関東支部会
  • [学会発表] Theoretical approaches to protein folding and design2020

    • 著者名/発表者名
      新井宗仁
    • 学会等名
      第58回日本生物物理学会年会シンポジウム "Biophysical studies on protein folding-misfolding and aggregation with regard to life sciences"
    • 招待講演
  • [学会発表] Rational design of an alpha-helical peptide to inhibit c-Myb-KIX interaction2020

    • 著者名/発表者名
      季高駿士、岡芳樹、椢原朋子、林勇樹、新井宗仁
    • 学会等名
      第58回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Rational design of the peptide inhibitor targeting the KIX domain of CBP and transcriptional activators interaction2020

    • 著者名/発表者名
      佐藤那音、季高駿士、林勇樹、新井宗仁
    • 学会等名
      第58回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Protein folding mechanisms predicted by an extended statistical mechanical model2020

    • 著者名/発表者名
      大岡紘治、新井宗仁
    • 学会等名
      第58回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Structural analysis of MMOB1620 which composes Mycoplasma mobile's motor2020

    • 著者名/発表者名
      佐藤宏樹、児玉彩、工藤恒、大岡紘治、季高駿士、林勇樹、新井宗仁、宮田真人
    • 学会等名
      第58回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Rational design of small proteins that inhibit a transcriptional activator-coactivator interaction2020

    • 著者名/発表者名
      季高駿士、岡芳樹、椢原朋子、林勇樹、新井宗仁
    • 学会等名
      第20回日本蛋白質科学会年会
  • [学会発表] Rational design of an inhibitor for the interaction of the KIX domain of CBP with transcriptional activators2020

    • 著者名/発表者名
      佐藤那音、季高駿士、林勇樹、新井宗仁
    • 学会等名
      第20回日本蛋白質科学会年会
  • [学会発表] Prediction of folding pathways of multi-domain proteins by an extended statistical mechanical model2020

    • 著者名/発表者名
      大岡紘治、新井宗仁
    • 学会等名
      第20回日本蛋白質科学会年会
  • [備考] 新井研究室のホームページ

    • URL

      http://folding.c.u-tokyo.ac.jp/

URL: 

公開日: 2021-12-27  

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