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研究内容

低温適応酵素の分子メカニズム解明

好熱菌由来耐熱性酵素は産業用酵素などとして注目を浴び、基礎研究から応用研究が盛んになされています。これに対し低温適応酵素も幅広い分野での産業利用の可能性が謳われているにも関わらず、そこまで至っていません。これは低温菌や低温適応酵素の研究があまり進んでいないことが考えられます。
そこで私たちの研究グループでは低温適応酵素のタンパク質工学的利用を狙い、酵素の低温適応酵素のタンパク質工学的利用を狙い、酵素の低温適応機構を原子レベルで解明することを目指しています。

南極産好冷細菌Pseudoalteromonas sp.AS-131由来グルコキナーゼは低温適応酵素にも関わらず、高い熱安定性をもつことを明らかにしました。現在は、この分子メカニズムを静的・動的構造解析(X線結晶構造解析・部位特異的スピンラベル電子スピン共鳴法)により解き明かすことで、他の酵素を高熱安定化または低温適応化することで様々な分野で酵素の新しいタンパク質工学的利用を目指して研究を展開しています。

また同じく南極産好冷細菌Shewanella sp. AS-11由来無機ピロフォスファターゼは活性中心に2つのMnイオンを持っています。この酵素は活性中心の金属種を変えるだけで、酵素の至適温度や熱安定性が変化します。
これは他の酵素には見られない特徴です。私たちはこの特異な性質を分子レベルで解き明かすためX線結晶構造解析に取り組み、基質結合型・非結合型の双方で結晶構造解析に成功しました(PDB ID:6LL7, 6LL8)。
さらに溶液中での構造解析として電子スピン共鳴法を利用し、本酵素だけに見られる活性中心の特異性を見出しました。現在さらに酵素の金属要求性と南極海での金属元素獲得機構とを結び付けた研究を展開しています。

(佐賀大学農学部生命機能科学科・渡邉 啓一教授/理化学研究所播磨研究所・杉本 宏専任研究員との共同研究)


スサビノリにおける色落ちのメカニズム解明

活性中心にユニークな鉄‐硫黄クラスターを持つラジカルSAM酵素スーパーファミリーは、バクテリアからヒトを含む高等生物まで全生物種が保有しており、現在では110,000種類以上同定されている世界最大の酵素スーパーファミリーです。ところが、この酵素群の発見が最近であったことから、その機能や構造が明らかになっているものはわずか100種類ほどしかありません。
佐賀県は海苔養殖に有利な有明海を有しており、海苔の生産量は日本一です。ところが、海苔生産において色落ちにより商品価値が落ちることが生産者を悩ましています。
そこで私たちのグループでは佐賀産スサビノリの色落ちに関連する機能未知なラジカルSAM酵素の遺伝子を同定し、単離・精製、機能解明から色落ちしにくい品種開発を目指しています。

(佐賀大学農学部生命機能科学科・濱 洋一郎教授との共同研究)

先端電子スピン共鳴法による整数スピン系金属タンパク質研究

タンパク質には活性中心や構造変化を伴う機能発現に遷移金属イオン(鉄イオン、マンガンイオン等)が重要な働きを持つものが数多く存在しています。その代表例がヘムタンパク質です。ヘムタンパク質は活性中心に鉄ポルフィリンを持っていて、この鉄イオンの電子状態の変化がヘムタンパク質の機能に重要な役割を果たしています。電子状態を詳細に知る有力な手段として電子スピン共鳴法(別名:電子常磁性共鳴法、ESR、EPR)という磁気的測定法があり、これまでESRが金属タンパク質の電子状態研究の中心を担ってきました。
ところが、市販されているESR装置では検出限界があり、すべてのヘムタンパク質、特に整数スピンを持つヘムタンパク質の電子状態研究はあまり進んでいません。
そこで、私たちは市販されているものより強磁場、高周波数ESR装置(神戸大学分子フォトサイエンス研究センターにて開発)を用いて、先端磁気共鳴法による金属タンパク質研究を展開しています。

(神戸大学分子フォトサイエンス研究センター・太田 仁教授、奈良女子大学理学部化学科・藤井 浩教授との共同研究)


高速混合凍結装置の改良・開発

自然界で酵素は人工的には難しい化学反応を”低コスト”で触媒しています。このカラクリを解き明かすことは、生命現象の解明につながるだけでなく、それを利用することで産業・創薬などの様々な分野へ貢献することが出来ます。
私たちのグループではタンパク質が基質と結合し、化学反応が最終的な生成物になるまでを”観る”ための技術として、図のような高速混合凍結装置(rapid mixing freeze quench:rfq)を開発しています。
この装置によりタンパク質がどのように構造を変えて上手く化学反応を触媒しているかを”コマ送りを見る”かのように、原子レベルで解き明かすことが出来ます。
現在の装置では200 µs以上の反応中間体の捕捉が可能です。今後さらにミキシング部の開発・改良を計画しています。
またさらにこの装置を用いて、タンパク質ダイナミクス研究も行っています。

この装置の一号機は大阪大学基礎工学部H研の堀 洋先生と大阪大学蛋白質科学研究所(当時)の高橋 聡先生(現、東北大学多元物質科学研究所教授)が作製されたものです。




他大学・研究機関との共同研究

北海道大学・先端生命科学研究院・X線構造生物学研究室(姚 閔教授)
東北大学・生命科学研究科・応用生命分子解析分野(田中 良和教授)
産業技術総合研究所・創薬基盤研究部門・最先端バイオ技術探求グループ(鴫 直樹主任研究員)
分子科学研究所生命・錯体分子科学研究領域・青野研究室(青野 重利教授)
理化学研究所・播磨研究所・生命系放射光利用システム開発チーム(杉本 宏専任研究員、當舎 武彦専任研究員)
兵庫県立大学・大学院生命理学研究科・細胞制御学II分野(城 宜嗣教授) 大阪大学・産業科学研究所・量子ビーム物質科学研究分野(小林 一雄特任教授)
(順不同)