Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

タンパク質 / 酵素 / 活性 / タンパク質デザイン / 合理的設計

触媒反応を行うタンパク質（酵素）は、生命現象の維持に必要なだけでなく、有用物質の工業生産にも必要であり、産業や医療などの幅広い分野に応用されている。それゆえ、酵素活性を向上させる方法の開発は、産業や医療などにおいて極めて重要である。従来は、大量の酵素変異体の中から高活性化した変異体をスクリーニングする進化分子工学的実験によって高活性化が試みられてきた。しかし、このような経験的設計法では大量の実験が必要であり、また、高活性化できる見通しも悪い。そこで、このような状況を打破するために、本研究では酵素活性を合理的に向上させるための普遍的な手法の開発を目的とする。そのために、我々が提唱する酵素の合理的高活性化法の妥当性と普遍性を検証する。2021年度は次の研究を行った。
(1)妥当性の検証に向けて：　モデル酵素であるジヒドロ葉酸還元酵素（DHFR）に対して多重アミノ酸置換変異を理論的に導入し、我々が提唱する方法により、高活性化すると期待されるDHFR多重変異体を合理的に設計した。
(2)普遍性の検証に向けて：　DHFR以外の酵素に対して、網羅的な1アミノ酸置換変異を理論的に導入し、我々が提唱する方法により、高活性化すると期待される変異体を多数、合理的に設計した。それらの一部について酵素活性の測定を行った。

以上の研究と並行して、NMR分光法などを用いてタンパク質の立体構造解析を行った。また、タンパク質間相互作用を強化する変異体を理論的に設計する方法の開発を行った。さらに、タンパク質の構造ダイナミクスを理論的に予測する手法の開発を進めた。

タンパク質 / 酵素 / バイオ燃料 / タンパク質デザイン / 進化分子工学 / 酵素デザイン / タンパク質工学 / 理論的設計

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。2021年度は次の研究を行った。
(1) 進化分子工学実験：　前年度までに得られたAARの高活性化変異体について、詳細な特徴づけを行った。特に、AARによって生成されたアルデヒドをアルコールに変換することで酵素活性の正確な定量を行った。その結果、野生型AARよりも大幅に活性が向上したAAR変異体や、炭素数の少ないアルデヒドを選択的に合成するAAR変異体が見出された。
(2) 網羅的変異解析：　AARについての様々なアミノ酸置換変異体のデータベースを構築するための準備を進めた。
(3) 理論的設計：　最先端のタンパク質設計用ソフトウェアRosettaを用いてADO単独での酵素活性を向上しうる変異体を理論的に設計した。それらの変異体の活性測定は現在進行中である。また、ADOの分子動力学シミュレーションを行うことにより、ADOの機能発現機構を解明するうえでの重要な手がかりが得られた。
(4) 上記の他に、次の研究成果も得た。①X線溶液散乱法やNMR分光法などを用いてタンパク質の構造ダイナミクスの解析を行った。②Rosetta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しうるタンパク質等の設計を行った。

【研究分担者】
林勇樹	東京大学	大学院総合文化研究科	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
林勇樹	東京大学	大学院総合文化研究科	助教	(Kakenデータベース)