天然を超えた効率的物質生産を可能にする人工特化メタボロンの創成

研究代表者

寺坂 尚紘　

東京科学大学　地球生命研究所　特任准教授

研究分担者

中野 祥吾　

静岡県立大学　食品栄養科学部 准教授

mRNAディスプレイやマイクロドロップレットソーティングなどの実験的進化工学技術と、バーチャル進化アルゴリズムなどの計算的タンパク質工学技術を融合します。

  1. ポリケタイド生合成に関与する酵素-酵素間相互作用のハイスループット進化
  2. メタボロンを安定化させる人工抗体の創出による人工特化メタボロンの創成
  3. 人工非膜型オルガネラを用いた動的特化メタボロン構築・進化を行う

研究概要

A04班では、領域目標である「天然を超えた効率的物質生産系の確立」を達成するために、代謝酵素の改変および酵素複合体を安定化する人工抗体の開発を行い、人工特化メタボロンの創成を目指します。

一部の特化代謝物の生合成においては、複数の代謝関連酵素が細胞内で超分子複合体を形成し、不安定な中間体を酵素間で受け渡す「基質チャネリング」によって、効率的な生合成が実現されています。しかしながら、このような特化メタボロンの解析例は未だに少なく、有用物質生産を目的として特化メタボロンを再構成・改変する試みは、これまで達成されておりません。

A04班では、班員の専門である分子進化工学および生物情報学を、特化代謝物の生合成研究に応用します。本領域の研究対象であるポリケタイド生合成系を標的とし、① 酵素の分子進化による複合体の安定化、② 人工抗体などを用いた特化メタボロンの安定化、③ 人工非膜型オルガネラへの特化メタボロンの局在化による生合成効率の向上、を目指します。

酵素の改変および人工抗体の開発には、10の13乗種類という高多様性ライブラリーを利用可能な試験管内分子進化法を用います。④ さらに、研究代表者が確立した無細胞微小液滴スクリーニングシステムに、A03班が開発する酵素複合体検出蛍光プローブを適用することにより、非膜型オルガネラおよび安定化人工メタボロンのハイスループットスクリーニングを実現します。

A01およびA02班で得られる構造データや、分子進化によって得られる大規模データを活用した深層学習やバーチャル進化により、効率的な特化メタボロンの改変を実現します。さらに、本計画で得られる変異体や人工抗体をA01およびA02班へフィードバックし、領域全体の研究を加速させます。

参考文献

  1. W. Lu, N. Terasaka, Y. Sakaguchi, T. Suzuki, T. Suzuki, H. Suga “An anticodon-sensing T-boxzyme generates the elongator nonproteinogenic aminoacyl-tRNA in situ of a custom-made translation system for incorporation” Nucleic Acids Res., 52, 3938-3949 (2024)
  2. N. Kawakami, H. Sato, N. Terasaka, K. Matsumoto & H. Suga “MET-Activating Ubiquitin Multimers” Angew. Chem. Int. Ed.,135, e202307157 (2023)
  3. S. Tetter#, N. Terasaka#, A. Steinauer#, R. J. Bingham, S. Clark, A. J. P. Scott, N. Patel, M. Leibundgut, E. Wroblewski, N. Ban, P. G. Stockley, R. Twarock, D. Hilvert “Evolution of a virus-like architecture and packaging mechanism in a repurposed bacterial protein” Science 372, 1220-1224 (2021).
  4. H. Ozawa, I. Unno, R. Sekine, T. Chisuga, S. Ito and S. Nakano* “Development of Evolutionary Algorithm-Based Protein Redesign Method” Cell Reports Physical Science, 5, 101758, (2024)
  5. A. Miyata, T. Chisuga, A. Kambe, R. Miyata, Y. Kawamura, H. Takeda, S. Ito and  S. Nakano* “Design of Ancestral Sortase E that is Applicable in Protein Biomaterial Synthesis” ACS Catalysis, 14, 3514-3523, (2024)