二次代謝酵素の機能制御と物質生産

2011 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23241068
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 阿部 郁朗 東京大学, 大学院・薬学系研究科, 教授 (40305496)
• 研究分担者: 脇本 敏幸 東京大学, 大学院・薬学系研究科, 講師 (70363900) ; 森田 洋行 東京大学, 大学院・薬学系研究科, 助教 (20416663) ; 淡川 孝義 東京大学, 大学院・薬学系研究科, 助教 (80609834)
• キーワード: 生合成 / 二次代謝酵素 / 機能制御 / 物質生産 / 酵素工学

研究概要

天然有機化合物の生合成に関わる二次代謝酵素の中には、極めて寛容な基質特異性と潜在的触媒能力を有するものがあり、人為的な機能制御と分子多様性創出の格好のモデルとなりうる。本研究では、植物フェニルプロパノイドの生合成において鍵酵素となる4-クマロイルCoAリガーゼとポリケタイド合成酵素(III型PKS)などの二次代謝酵素をとりあげる。有機化学を基盤として、分子生物学や構造生物学、タンパク工学の技術などを駆使することにより、酵素触媒機能の制御と高機能性スーパー生体触媒の創製をめざす。
既に我々は、Huperzia serrata由来PKS1に,カルバモイル基を有する安息香酸やピコリン酸などのCoAチオエステルを開始期質として作用させた場合、炭素鎖伸長の後、シッフ塩基の形成を介したC-N結合形成と閉環反応が進行して、非天然型新規アルカロイド骨格を生成することを報告した。今回我々は、X線結晶構造解析に基づく変異酵素との組合わせにより、さらなる酵素触媒機能の拡張と非天然型新規化合物の創出を試みた。その結果、S348G変異体において、2-カルバモイル安息香酸のCoAチオエステルを開始基質として3分子のマロニルCoAを縮合の後、シッフ塩基の形成を介したC-N結合形成とC-C結合形成が進行して、環拡大した6-7-6縮合環構造をもつ非天然型新規アルカロイドを新たに生成することを見出した。一方、光学活性アミノ酸誘導体をプローブとした新規酵素触媒機能の開拓にも取り組んだ。その結果、光学活性アミノ酸誘導体をプローブとして、非天然型新規化合物の創出と酵素触媒機能の拡張に成功した。

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

所期の目的をほぼ達成することができている。

今後の研究の推進方策

X線結晶構造解析により、酵素反応中間体の静的配置及び酵素反応の進行に伴う動的変化を解明し、閉環反応の化学を制御する。結晶構造に基づき、さらなる酵素触媒機能の拡張と酵素触媒機能の最適化をはかる。今年度は新たに、酵素活性部位に金属を配した人工金属酵素の開発に重点を置く。一方、4-クマロイルCoAリガーゼ、また、今年度は新たに、プレニル転位酵素について、野生型および変異型酵素のX線結晶構造解析に取り組む。X線結晶構造解析により、酵素反応の立体構造基盤を解明、および、結晶構造に基づく合理的な酵素触媒機能の制御と最適化により、非天然型新規酵素活性に特化した生体触媒の創製に着手する。

研究成果

• [雑誌論文] Novel applications of plant polyketide synthases (2012)
  • 著者名/発表者名: Abe, I.
  • 雑誌名: Current Opinion in Chemical Biology 巻: 16 ページ: 179-185
  • DOI: 10.1016/j.cbpa.2011.12.016
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biosynthesis: an HR-PKS stereo surprise (2012)
  • 著者名/発表者名: Abe, I.
  • 雑誌名: Nature Chemical Biology 巻: 8 ページ: 322-323
  • DOI: 10.1038/nchembio.924
  • 査読あり
• [雑誌論文] Expression, purification, and crystallization of an indole prenyltransferase from Aspergillus fumigatus (2012)
  • 著者名/発表者名: Chen, J., Morita, H., Kato, R., Noguchi, H., Sugio, S., Abe, I.
  • 雑誌名: Acta Crystallogr., Sect.F : Struct.Biol.Cryst.Commun. 巻: 68 ページ: 355-358
  • DOI: doi:10.1107/S1744309112004964
  • 査読あり
• [雑誌論文] Benzophenone synthase from Garcinia mangostana L.Pericarp (2012)
  • 著者名/発表者名: Nualkaew, N., Morita, H., Shimokawa, Y., Kinjo K., Kushiro, T., De-Eknamkul, W., Ebizuka, Y., Abe, I.
  • 雑誌名: Phytochemistry 巻: 77 ページ: 60-69
  • DOI: 10.1016/j.phytochem.2012.02.002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Benzalacetone synthase (2012)
  • 著者名/発表者名: Shimokawa, Y., Morita, H., Abe, I.
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 3 ページ: Article 57
  • DOI: doi:10.3389/fpls.2012.00057
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of a key prenyltransferase involved in biosynthesis of the most abundant fungal meroterpenoids derived from 3,5-dimethylorsellinic acid (2012)
  • 著者名/発表者名: Itoh, T., Tokunaga, K., Radhakrishnan, E.K., Fujii, I., Abe, I., Ebizuka, Y., Kushiro, T.
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: 13(in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of unnatural alkaloid scaffolds by exploiting plant polyketide synthase (2011)
  • 著者名/発表者名: Morita, H., Yamashita, M., Shi, S.-P., Wakimoto, T., Kondo, S., Kato, R., Sugio, S., Kohno, T., Abe, I.
  • 雑誌名: Proc.Natl.Acad.Sci.USA 巻: 108 ページ: 13504-13509
  • DOI: doi:10.1073/pnas.1107782108
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cytotoxic tetramic acid derivative produced by a plant type III polyketide synthase (2011)
  • 著者名/発表者名: Wakimoto, T., Mori, T., Morita, H., Abe, I.
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 巻: 133 ページ: 4746-4749
  • DOI: DOI:10.1021/ja2006737
  • 査読あり
• [雑誌論文] Furan fatty acid as an anti-inflammatory component from green-lipped mussel Perna canaliculus (2011)
  • 著者名/発表者名: Wakimoto, T., Kondo, H., Nii, H., Kimura, K., Egami, Y., Oka, Y., Yoshida, M., Kida, E., Ye, Y.-p., Akahoshi, S., Asakawa, T., Matsumura, K., Ishida, H., Nukaya, H., Tsuji, K., Kan, T., Abe, I.
  • 雑誌名: Proc.Natl.Acad.Sci.USA 巻: 108 ページ: 17533-17537
  • DOI: doi:10.1073/pnas.1110577108
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystallization and preliminary X-ray analysis of 4-coumarate : CoA ligase from Arabidopsis thaliana (2011)
  • 著者名/発表者名: Morita, H., Mori, T., Wanibuchi, K., Kato, R., Sugio, S., Abe, I.
  • 雑誌名: Acta Crystallogr., Sect.F : Struct.Biol.Cryst. Commun. 巻: 67 ページ: 409-411
  • DOI: doi:10.1107/S1744309111002181
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enzymatic formation of an aromatic dodecaketide by engineered plant polyketide synthase (2011)
  • 著者名/発表者名: Wanibuchi, K., Morita, H., Noguchi, H., Abe, I.
  • 雑誌名: Bioorg.Med.Chem.Lett. 巻: 21 ページ: 2083-2086
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2011.01.135
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular cloning, modeling and site-directed mutagenesis of type III polyketide synthase from Sargassutn binderi (2011)
  • 著者名/発表者名: Baharum, H., Morita, H., Tomitsuka, A., Lee, F.-C., Ng, K.-Y., Rahim, R.A., Abe, I., Ho, C.-L.
  • 雑誌名: Marine Biotech. 巻: 13 ページ: 845-856
  • DOI: DOI:10.1007/s10126-010-9344-5
  • 査読あり
• [学会発表] 二次代謝酵素の機能制御 (2012)
  • 著者名/発表者名: 阿部郁朗
  • 学会等名: 第132回日本薬学会年会 シンポジウム「酵素は何をしているのか? 最新科学が解き明かす新機構
  • 発表場所: 札幌(招待講演)
  • 年月日: 2012-03-30
• [学会発表] Engineering Plant Polykedite Synthases (2011)
  • 著者名/発表者名: Abe, I.
  • 学会等名: Phytochemical Society of North America 50^<th> Anniversary Symposium
  • 発表場所: Kohala Coast, Hawaii, USA(招待講演)
  • 年月日: 20111210-20111215
• [学会発表] Engineering Plant Polykedite Synthases (2011)
  • 著者名/発表者名: Abe, I.
  • 学会等名: Enzyme Engineering XXI
  • 発表場所: Veil, Colorado, USA(招待講演)
  • 年月日: 20110918-20110922
• [備考]
  • URL: http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~tennen/head.htm