非鋳型型重合酵素 PHA シンターゼによる重合機構の解明

ポリヒドロキシアルカン酸（PHA）は、多くの微生物によって生産される生分解性ポリエステルであり、石油由来プラスチックの有望な代替材料として注目されています。PHAは、短鎖長型（scl-PHA）、中鎖長型（mcl-PHA）、およびscl–mcl共重合体に分類されます。scl-PHAは硬く脆い性質を持つ一方、mcl-PHAは柔軟で粘着性を示し、scl–mcl共重合体は弾性を有し、汎用プラスチックに匹敵する特性を持ちます。PHAシンターゼ（PhaC）は、生成されるPHAの種類や組成を決定する鍵酵素です。しかしながら、自然界に存在する多くのPhaCは主に脆いscl-PHAを合成します。そのため、poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) のような柔軟性を持つscl–mcl共重合体の生産を向上させることが、PHAの実用化範囲を拡大するうえで重要です。

このように中心的な役割を担う酵素であるにもかかわらず、PhaCの触媒機構は依然として十分に解明されていません。例えば、ping-pong型機構とプロセッシブ型機構のどちらで重合が進行するのか、ポリマー鎖の終結がどのように起こるのか、さらにモノマー取り込みがどのように制御されているのかといった重要な問題が未解明のまま残されています。これらの課題を解明することは、鋳型非依存型ポリマー合成の基本原理を理解する上で極めて重要です。

本研究では、生化学的および構造生物学的手法を用いてこれらの機構を明らかにし、高度な生分解性ポリマー生産を可能にするカスタム型PhaC酵素の合理的設計を目指します。 本研究では、分子クローニング、X線結晶構造解析、クライオ電子顕微鏡解析、計算構造予測、および包括的な生化学・生物物理学的解析を組み合わせたアプローチを採用します。これまでに、異なる生物種由来のPhaCの複数の三次元構造をすでに解明しており、今後は重合反応の重要な反応中間体の構造解析を進める予定です（図1）。

持続可能な社会の実現に向けた酵素のタンパク質工学

タンパク質は、産業プロセスおよび生体内の双方において重要な役割を担う分子です。しかしながら、自然界に存在する多くの酵素は、産業利用や医療応用に求められる性能を十分に満たしていません。これらの課題を克服するため、本研究室では構造情報に基づくタンパク質工学を用いて、酵素の熱安定性、触媒効率、および基質特異性の向上を目指しています。

本研究では、計算科学的解析と実験的検証を組み合わせたアプローチを採用しています。触媒反応や基質結合に関与する重要なアミノ酸残基を同定し、構造情報や配列アラインメントに基づいて標的変異を導入します。 その後、変異体タンパク質を発現・精製し、機能評価を行います。このような検証と改良を繰り返すことで、合理的設計および指向性進化を用いてタンパク質機能を最適化します。

現在の研究では、生分解性プラスチック合成酵素および石油由来プラスチックの分解酵素の開発に取り組んでおり、持続可能な社会の実現およびSDG14（海の豊かさを守ろう）への貢献を目指しています （図2）。 さらに、医療応用を視野に入れ、タンパク質–リガンド結合親和性の向上に関する研究も進めています。

本研究室には、分子相互作用を解析するための先端的な分析装置が整備されています。例えば、等温滴定型カロリメトリー（ITC）によるタンパク質–リガンド相互作用解析、バイオレイヤー干渉法（BLI）による タンパク質–タンパク質相互作用解析、さらにFRETおよびAlphaScreen機能を備えたVarioskan高スループット解析システムによる阻害剤探索などを行うことが可能です。

本研究室では、産学連携による共同研究や、学生による新しい研究アイデアを歓迎しています。