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2021 年度 実績報告書

アミノグリコシド系抗生物質の生合成酵素構造解析を基盤とする新規物質生産系の開拓

研究課題

研究課題/領域番号 19H02895
研究機関東京工業大学

研究代表者

工藤 史貴  東京工業大学, 理学院, 准教授 (00361783)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2024-03-31
キーワードアミノグリコシド系抗生物質 / 生合成 / 酵素 / 構造機能解析
研究実績の概要

本研究は、アミノグリコシド系抗生物質生合成マシナリーの人為的改変による新規抗生物質創製を念頭におき、生合成に関わる酵素の構造機能解析を通じた生合成基盤を構築することを目的としている。2020年度までにカナマイシン生合成経路の全貌解明に成功したので、2021年度は他のアミノグリコシド系抗生物質の特徴ある構造の形成機構に関わると推定された酵素の機能解析を中心に進めた。
イスタマイシンは擬似二糖アミノグリコシドであり、カナマイシン等に見られるメジャーな1,3-ジアミノサイクリトールである2-デオキシストレプタミンとは異なる1,4-ジアミノサイクリトールを有している。さらに、特徴的な3,4-ジデオキシアミノ糖の構築機構に興味が持たれた。まず、これらアミノグリコシド抗生物質の共通的な生合成中間体である2-デオキシ-scyllo-イノサミンをD-グルコースから3つの酵素を用いて調製する方法を確立した。
次に、2-デオキシ-scyllo-イノサミンの6位アルコールが酸化され、さらにアミノ化されて1,4-ジアミノサイクリトールが形成される機構を想定して種々検討したが期待した酵素活性を見出すことができなかった。そこで、2-デオキシ-scyllo-イノサミンがまず配糖化される経路を検討した。その結果、低効率ながら2-デオキシ-scyllo-イノサミンが糖転移酵素IstMによって配糖化されることが分かった。しかしながら、再現性が低く配糖化物の構造決定には至らなかった。
そこで遺伝子登録情報を今一度見直し、イスタマイシン生合成遺伝子クラスターに類似するもので機能解析が手付かずのものが複数存在することに気付いた。そこで、それらホモログ酵素を活用することで、より高活性な酵素が存在することを期待して機能解析を行なった。結果としてIstMより高活性な酵素を見出すことができ酵素反応生成物の構造決定を進めている。

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

2021年度は、イスタマイシンの生合成酵素の機能解析を進めたが、期待した酵素活性をなかなか見出すことができず苦戦続きであった。そのような状況の中でも、共通的な生合成中間体である2-デオキシ-scyllo-イノサミンをD-グルコースから安定的に供給できる系を確立できたことは評価できる。
また、イスタマイシン生合成遺伝子に類似する遺伝子クラスターに着目することができたことも重要な進展であった。これにより、期待する活性を有する酵素の調製に成功し、2-デオキシ-scyllo-イノサミンの配糖化酵素の機能を解明することができた。2022年度の研究に向けて大きな研究基盤ができたと考えている。

今後の研究の推進方策

2022年もアミノグリコシド系抗生物質の生合成に関わる酵素の機能構造解析を継続的に進める。2021年度にイスタマイシン類の複数の生合成遺伝子クラスターを見出すことができたので、これらを利用して徹底的に機能解明を進める。
これまでに、イスタマイシン類の生合成においては、2-デオキシ-scyllo-イノサミンがIstMホモログによって配糖化されることが分かったので、まずは酵素反応生成物を単離して化学構造を確認する。ついで、1,4-ジアミノサイクリトール部位の構築機構に関わると推定している脱水素酵素とアミノ基転移酵素の機能解析を行う。
またこれまでに、カナマイシン、ネオマイシン、ブチロシン生合成機構の全貌解明に成功しているが、これら抗生物質の全ての生合成酵素の結晶構造解析に成功したわけではない。そこで、2022年度も引き続き、構造未決定の酵素の結晶化を検討し構造決定を試みる。

  • 研究成果

    (3件)

すべて 2021

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (1件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] One-pot enzymatic synthesis of 2-deoxy-scyllo-inosose from D-glucose and polyphosphate2021

    • 著者名/発表者名
      Fumitaka Kudo, Ayaka Mori, Mai Koide, Ryo Yajima, Ryohei Takeishi, Akimasa Miyanaga, Tadashi Eguchi
    • 雑誌名

      Biosci. Biotechnol. Biochem.

      巻: 85 ページ: 108_114

    • DOI

      10.1093/bbb/zbaa025

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Stepwise post-glycosylation modification of sugar moieties in kanamycin biosynthesis2021

    • 著者名/発表者名
      Fumitaka Kudo, Ykinobu Kitayama, Akimasa Miyanaga, Mario Numakura, Tadashi Eguchi
    • 雑誌名

      ChemBioChem

      巻: 22 ページ: 1668_1675

    • DOI

      10.1002/cbic.202000839

    • 査読あり
  • [学会発表] Kanamycin biosynthesis _ post-glycosylation modification of sugar moieties2021

    • 著者名/発表者名
      Fumitaka Kudo, Yukinobu Kitayama, Akimasa Miyanaga, Tadashi Eguchi
    • 学会等名
      Directing Biosynthesis online
    • 国際学会

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公開日: 2022-12-28  

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