- 細胞機能工学部門は、生物生産工学研究センターの2期がスタートした2003年4月に開設されました。この私たちの研究室では、生物がもつ様々な有用な能力に着目し、背景にある生命活動に普遍的な原理をタンパク質や遺伝子などの分子レベルで解明することを目指しています。さらに、それらの成果を利用して有用な機能を人為的に更に強化し、より有用な酵素や化合物を創製する応用的な研究も行っています。そのため、アミノ酸や抗生物質のような生理活性低分子化合物を扱う天然物化学から、遺伝子の発現制御解析を行う分子生物学、さらにはタンパク質や酵素については、機能解析からタンパク質工学、Ｘ線結晶構造解析まで、最先端のテクノロジーを用いて多種多様なレベルで研究を行っています。以下に主な研究テーマを紹介します。
| 好熱菌におけるアミノ酸合成酵素群の基質認識機構と進化に関する研究 |
- 好熱菌のあるものは、図のように他の代謝、生合成系と類似した原始的なリジン生合成系を持っており、同合成系の酵素は他の代謝、生合成系の中間体を基質として反応することができます。これらを研究することにより、酵素の認識機構が解明されると同時に、酵素の進化についても明らかになることが期待されています。
- アミノ酸の生合成の多くは、生合成系の最初の酵素が最終産物であるアミノ酸（エフェクター）によって阻害されるフィードバック阻害によって活性調節を受けています。図で示したアスパラギン酸キナーゼは触媒ドメインと活性調節ドメインからなります。エフェクター結合による活性調節機構を構造生物学的に明らかにすると同時に、高機能酵素の創成や、新しいアミノ酸生産システムの構築を目指しています。
| タンパク質の安定化、高活性化に関する構造生物学的研究 |
- 好熱性酵素と常温性酵素は、三次元立体構造はほとんど同じにも関わらず、図で示したように、耐熱性や至適温度が大きく異なっています。進化分子工学、タンパク質工学等を駆使して、酵素の安定化機構の解明や改良酵素の創成を目指しています。
| 放線菌の生産する多様な生物活性物質の生合成マシナリーの解明 |
- 私たちは、これまでのテルペン系二次代謝産物を扱ってきた経験を生かし、テルペン生合成で律速となる重要基質であるメバロン酸の供給系を増強した宿主を新たに開発し、それを用いてテルペンの異種生産系を構築することを目指しています。また、この生産系を利用して、データベース中の未開拓なテルペン環化酵素および機能未知遺伝子クラスターを発現させることで、物質生産に繋げるゲノムマイニングも行います。放線菌からテルペンが単離された例は比較的少ないですが、近年公開された複数の放線菌のゲノム配列を精査することで、未同定テルペン類を合成すると推測されるテルペン環化酵素やプレニルトランスフェラーゼを見つけることができます。また、このプロジェクトで解析されるゲノム配列中にも、多くのテルペン環化酵素が埋もれていると予測しています。我々は、これらのテルペン生合成酵素遺伝子は発現していないか発現が弱い、または生産量がきわめて低いため代謝産物としてテルペンが検出されていない可能性が高いと考えています。そこで我々は、上記のテルペン合成系を強化した宿主でテルペン環化酵素遺伝子を強制的に発現させることで、またはin vitro解析することで未知化合物を同定できると考えています。さらには、より多くのテルペン環化酵素の結晶構造解析を進めることで、多様性一挙構築型テルペン環化酵素の構造多様性創出メカニズムの解明も目指しています。なお、これらの研究は、日本学術振興会科学研究費補助金新学術領域研究「生合成マシナリー」の計画研究となっています。
| 環境低付加型物質生産を目指す有用酵素の機能と構造解析 |
- 私たちはこれまでに、放線菌Streptomyces sp. CL190株の生産するユニークな構造を持つテルペン−ポリケタイド融合化合物、ナフテルピンの生合成研究を行ってきました。その過程で、ナフテルピンの生合成遺伝子クラスター中に見出したorf2のコードするタンパク質が、ゲラニル２リン酸（GPP, C10）をプレニル供与体とし様々な芳香族化合物にゲラニル基を付加することのできるゲラニル基転移酵素であることを明らかにしました。また、この酵素の立体構造を解明することにより、その反応機構にも迫ることができました。一方、植物においては、有用二次代謝産物としてフラボノイドやその他の芳香族化合物にジメチルアリル基（C5）のようなプレニル基を持つ化合物を生産する例が多数報告されています。しかも、これら天然化合物の示すエストロゲン様活性や抗癌活性、または抗菌活性は、ジメチルアリル基の有無により大きく変化することから、活性発現に関してジメチルアリル基の果たしている役割は大きいと考えられています。また、ジメチルアリルフラボノイドは植物から抽出、精製しなければならないのが現状であり、しかも微量成分であるため安定供給は困難です。さらには、C10のゲラニル基が付加したゲラニルフラボノイドは天然から単離された例はあまり知られていません。そこで、本研究テーマでは、上で述べたゲラニル基転移酵素遺伝子を利用して、天然からは単離されていないゲラニルフラボノイドを含む非天然型プレニル化芳香族化合物合成系を確立し、多くの非天然型生理活性物質を創製することを目的としています。図の下半分参照。
- また、経済産業省とNEDOによる「植物利用高付加価値物質製造基盤技術開発プロジェクト」（PFプロジェクト）に京都大学と共同で参加し、このorf2遺伝子をミヤコグサやミニトマトなどに導入して有用物質を生産させる研究開発も行っています。
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