研究内容

                                                                                                                                                               

 


1.　抗性物質生産酵素の変異体設計

　微生物が生産する抗生物質原体の多くは、そのままでは患者が服用する薬剤として利用出来ない。したがって微生物由来の薬剤は、酵素的な手法や有機化学的な手法を用いて、様々な化学修飾を施し製品化される。βラクタムやエキノキャンディン系抗生物質原体には、生産菌に特有のアシル側鎖が付加しており、これらを一度酵素的に脱アシル化し、それぞれの基本骨格を取り出す工程が必要となる。本研究では、蛋白質の立体構造に基づいた計算科学的な手法を用いて、アシラーゼ酵素の基質認識の機構を解明し、酵素の有用変異体の作成により生産工程の改良を行う（図１）。

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図1．エキノキャンディンアシラーゼAACのモデリングとドッキング。(A) クオラムクエンチングアシラーゼPvdqをテンプレートとして作成したホモロジーモデル。幅広リボンがPvdq、細いリボンがAAC. (B) AACと抗生物質原体アクレアシンAのドッキングモデル。


・ Y. Isogai, K. Nakayama, Alteration of substrate selection of antibiotic acylase from β-lactam to echinocandin, Prot. Engi. Des. Sel. 29, 49-56 + front cover page, 2016.


・ Y. Isogai, Y. Sunakawa, M. Yamada, S. Hashimoto, Modeling and docking of cephalosporin acylase for evaluation of the computational methods. Bulletin Toyama Pref. Univ., Vol. 22, 28-33, 2012.




  1. 2.祖先型タンパク質の復元と利用

　今から200年前にダーウィンが見つけた生物進化の背後には、多数の遺伝子変化、すなわちタンパク質の構造や機能の変化が隠されている。私たちは、クジラやアザラシなどの海洋動物の祖先が陸生動物から進化してきたことに着目し、この生態変化の鍵になるミオグロビン（Mb）というタンパク質の分子進化の過程を追跡した。Mbは筋肉中で呼吸に必要な酸素を貯蔵する色素タンパク質で、海洋に適応した動物由来のものほど安定で溶解度が高い。イルカを含むクジラ類は、ブタやウシなどの偶蹄類の仲間であることが知られており、現存する陸生の最も近縁な動物はカバである（図2）。カバとクジラの共有祖先は、5千万年くらい前に現在のパキスタンの山岳地帯に棲んでいたパキケタスと呼ばれる四つ足動物である。筆者らは、パキケタスと現存マッコウクジラ、その中間の祖先クジラ由来のMbを分子生物学的手法により復元し、詳細な構造・物性解析を行った。その結果、現存クジラのMbが、陸生動物由来Mbと比較して優れた安定性と溶解度を獲得した化学的な仕組みを明らかにした。




図2.　古代クジラミオグロビン（Mb）の復元と立体構造解析.

・ Y. Isogai, H. Imamura, S. Nakae, T. Sumi, K. Takahashi, T. Nakagawa, A. Tsuneshige and T. Shirai, Tracing whale myoglobin evolution by resurrecting ancient proteins.  Sci. Rep.8, 16883, 2018.



  1. 3.人工蛋白質を利用した超分子複合体の創製



図3.二核ヘム化合物とデノボヘム蛋白質を利用した超分子ポリマーの作成.

・ Y. Isogai, E. Takao, R. Nakamura, M. Kato, and S. Kawabata,  Supramolecular polymer formation by a de novo hemoprotein with a synthetic diheme compound.  FEBS Open Bio 8, 940-946, 2018.




  1. 4.医薬品として利用出来るペプチドやタンパク質の設計と合成


図4. 天然抗菌ペプチド（AMP）と人工AMPの微生物による合成.


・ Y. Isogai, M. Ishida, Design of a novel heme protein with a non-heme globin scaffold. Biochemistry 48, 8136–8142, 2009.


・ Y. Isogai,, Y. Ito, T. Ikeya, Y. Shiro, and M. Ota , Design of λ-Cro fold: solution structure of a monomeric variant of the de novo protein. J. Mol. Biol. 354, 801-814, 2005.


・ Y. Ishida, M. Dohmae, Y. Shiro, T. Oku, T. Iizuka and Y. Isogai, Design and

synthesis of de novo cytochromes c. Biochemistry 43, 9823-9833, 2004.