Development of production process for sulfer containing amino acids using microbial enzymes

2024 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 24K08662
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 原 良太郎 京都大学, 農学研究科, 特定准教授 (70553535)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2027-03-31
• Keywords: S-allyl-L-cysteine / alliin / cysteine derivative / antioxidant / phytochemical / tryptophan synthase / dioxygenase / sulfoxidation

Outline of Annual Research Achievements

植物に由来する天然の化合物、すなわちファイトケミカルは、ヒトにとって有益な作用をもたらすものが多い。このうち、含硫アミノ酸誘導体には抗酸化作用をはじめとした様々な生物活性があるため、健康増進効果が期待されている。たとえば、食経験豊富なニンニクの鱗茎には含硫アミノ酸の一種であるアリインが高度に蓄積しており、アリインからの代謝を経て産生される化合物はユニークな生物活性を示す。このように、含硫アミノ酸を起点とした新たな生理機能の発見と開発には意義がある。しかし、現在は含硫アミノ酸の生産法が主に植物からの抽出法や化学合成法が中心であるため、持続可能な製法が求められている。さらに、天然には希少な含硫アミノ酸誘導体の合成法の確立は、新たな機能の開拓において重要となる。そこで本研究では、微生物酵素を用いた含硫アミノ酸誘導体生産基盤技術の開発を目指した。今年度は、生産プラットフォームに必要な3種類の酵素、すなわち合成酵素、酸化酵素、異性化酵素を見いだした。
合成酵素の探索においては、L-セリンとアリルメルカプタンを基質としてS-アリル-L-システインの合成活性を指標に研究室保存菌株を評価した。その結果、大腸菌由来の既知酵素よりも高活性な酵素を見いだした。
酸化酵素の探索においては、研究室保有の酸化酵素ライブラリーを活用した。その結果、Bacillus thuringienesis由来イソロイシン4-水酸化酵素が最も高い酸化活性（S-アリル-L-システインからアリインを合成）を示した一方で、選択性が異なる酸化酵素も見いだした。
異性化酵素の探索においては、S-アリル-L-システインを基質としてS-アリル-D-システインの合成活性を指標に研究室保有菌株を評価した。その結果、アミノ酸ラセマーゼの活性菌として報告のある細菌において、S-アリル-L-システインのラセミ化活性を見いだした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度は、含硫アミノ酸誘導体生産に必要な微生物酵素の探索を行った。具体的には、含硫アミノ酸合成酵素、酸化酵素、異性化酵素の3種類をそれぞれの特性を踏まえた機能レベルの探索を行った。その結果、生産プラットフォームに必要な酵素を見いだすことに成功した。

Strategy for Future Research Activity

今年度、含硫アミノ酸誘導体生産プラットフォームに必要な3種類の酵素を見いだした。今後は、見いだした酵素を組換え大腸菌において発現させ、精製酵素を用いて生化学的な特性を明らかにし、物質生産にとって最適な反応条件を検討する。また、より高活性な酵素の探索も継続する予定である。

Causes of Carryover

反応装置の導入を予定していたが、それらを用いた生産プロセスの検討については次年度以降を予定している。今年度は生産に必要な酵素の探索にリソースを割いたために、次年度使用額が生じた。計画全体において問題は生じていない。