【研究分野】応用微生物学

【研究領域課題番号】17H06168 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

微生物 / 放線菌 / 生合成 / 二次代謝 / 構造生物学 / キャリアタンパク質 / 生物活性物質 / アミノ基キャリアタンパク質 / アミノ酸 / 二次代謝産物 / 構造解析 / マレイマイシン / 結晶構造解析

【研究成果の概要】

アミノ基キャリアタンパク質(AmCP)は、自身のC末端にアミノ基を介して結合した基質を生合成酵素に運ぶ新しいタンパク質である。本研究では、放線菌を主たる研究対象として各生合成酵素の立体構造及びAmCP認識機構を解明すると共に、AmCPを介して二次代謝産物を生合成するシステムによる天然化合物の構造多様性を創出・拡張機構を解明することを目指したものであり、いくつかの新規かつユニークな機構の発見・解明に成功した。

【研究の社会的意義】

AmCPは、微生物の塩基性アミノ酸生合成だけでなく、二次代謝産物の生合成においても重要な機能を果たす。本研究により、AmCPを介して生合成される化合物の多くは新規非タンパク質性アミノ酸であり、それらが様々な生物活性物質へと組み込まれることが分かった。これらは、これまでの生物活性物質の探索で見落とされてきた天然化合物群であり、新規反応を含む多様な生合成システムの解析により、天然化合物の多様性創出機構の解明に貢献した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2017-05-31 - 2022-03-31

【配分額】208,910千円 (直接経費: 160,700千円、間接経費: 48,210千円)

【研究分野】環境解析評価およびその関連分野

【研究領域課題番号】17H06294 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋物質循環 / プロリン / コロイド粒子 / アミノ酸 / 海洋微生物 / 微生物群集 / 海洋 / 物質循環 / 細菌 / 微生物 / 有機物 / サブミクロン粒子

【研究成果の概要】

アミノ酸は重要な生体構成成分であり、海洋物質循環において重要な役割を果たしている。これまで海洋環境中のアミノ酸動態については多くの研究がなされてきたが、たんぱく質を構成する２０種類のアミノ酸のうち唯一の環状２級アミンであるプロリンは、分析方法上の制約から、その分布や変動についての知見が限られてきた。本研究では、この方法的な制約を克服し、海洋試料のアミノ酸組成を、プロリンを含めて高感度に分析する手法を確立した。この手法を用い、海洋有機物のプロリン含有量の変動を明らかにするとともに、これまで未知であった、高プロリン含有成分の動態の影響要因の解明を大きく前進させた。

【研究の社会的意義】

従来用いられてきた誘導化法とは異なる原理に基づく分析手法を確立し、これを海洋試料に適用することで、これまで見逃されてきたプロリン動態を解析する為の技術的基盤を提供した。この方法が確立したことで、今後、海洋試料のアミノ酸動態の研究が高度化することが期待される。また、この手法を用い、これまで情報の乏しかったサブミクロンサイズ画分の海洋有機物のプロリン含有量とその変動を明らかにするなど、海洋物質循環の理解の深化に結び付く、重要な新知見を得ることができた。

【研究種目】挑戦的研究(開拓)

【研究期間】2017-06-30 - 2020-03-31

【配分額】25,610千円 (直接経費: 19,700千円、間接経費: 5,910千円)

【研究分野】応用微生物学

【研究領域課題番号】16380056 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

Thermus属細菌 / リジン生合成 / 基質特異性 / X線結晶構造解析 / 分子進化工学 / 転写調節 / 生合成 / アミノ酸 / 酵素 / 進化 / 微生物 / 気質特異性

【研究成果の概要】

1)Thermus thermophilusにおいて、ホモアコニターゼの酵素学的諸性質を解析し、同酵素が第3番目の反応を触媒出来るものの、第2番目については触媒出来ないことを明らかにした。2)αアミノアジピン酸アミノ基転移酵素(AAA-AT)について、ピリドキサールリン酸(PLP)複合体構造、およびPLP+ロイシン複合体構造などをX線結晶構造解析により決定した。AAA-ATは、リジン生合成の基質である2-オキソカプロン酸だけでなく、ロイシン生合成、フェニルアラニン生合成の対応化合物に対しても高い活性を有している。その基質認識機構を、タンパク質の立体構造決定することにより解析した。稼働性が高いN末端のα1ヘリックスが基質側鎖の性質に応じて移動すると同時に、同ヘリックスに存在するArg残基が活性発現に重要な役割を持っていることを明らかにした。3)DNAシャッフリングにより、ロイシン生合成の対応基質2-イソプロピルリンゴ酸に対して高い活性を示す改変型ホモイソクエン酸脱水素酵素を作製した。得られた酵素、および導入された個々の置換の効果を解析し、それら何れの置換も基質特異性の変換に効果があることが明らかにした。4)AAAのαアミノ基の修飾を行う酵素LysXについて、T.thermophilus HB27株のもの、およびSulfolobus tokodaiiのLysXパラログについて、結晶化に成功した。5)主要リジン生合成酵素遺伝子クラスターの転写はリジンによって制御されていることを明らかにした。その様式は大腸菌のtrpオペロンに類似したattenuation機構であった。さらに、同クラスターの転写はアルギニン生合成転写調節因子ArgRおよびプロリン代謝転写調節因子PutRによっても制御されていることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】15,700千円 (直接経費: 15,700千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】10480125 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋 / 溶存有機物 / 炭素循環 / 食物網 / 微生物 / 生態モデル / アミノ酸 / 外洋生態系

【研究成果の概要】

1.海洋の炭素循環に大きな影響を及ぼす微生物群集と溶存有機物の空間分布を北部北太平洋亜寒帯海域において解析した。高感度溶存有機物分析装置を駆使し、表層から深層にいたるアミノ酸の鉛直分布を解析するとともに、これと、微生物群集の現存量、生産活性との関連を詳細に調べた。その結果、太平洋の東西での、細菌活性の勾配が検出され、生態炭素循環システムの構造が顕著な空間変動を示していることが明らかにされた。変動要因として、プランクトン群集構造の変化や微量金属元素の供給量が重要である可能性が示唆された。
2.海水中に多量に存在する炭水化物の高感度定量法の検討を行うとともに、糖の重合体であるペプチドグリカンの分解過程を調べた。その結果、海洋における微生物ー有機系の主要サイクルを律速する要因のひとつとして、有機重合体の複合化が大きな役割を果たしている可能性が示唆された。この結果は、外洋域の炭素循環を理解するうえで鍵になる、溶存有機物プールの蓄積メカニズムの解明にむけて、大きく寄与するものである。
3.上記の観測・実験データおよび、JGOFSデータの解析から、海洋における有機物ー微生物連鎖系の駆動機構に関するモデルを作成した。主要反応系のパラメータ化を行った結果、外洋域生態系においては、溶存有機物ー微生物連鎖系を通しての有機物リサイクルが活発に生じており、そのため、ネットワーク仮想増幅現象が普遍的にみられることが明らかにされた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】10,500千円 (直接経費: 10,500千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】08458142 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋 / 溶存有機物 / 細菌 / タンパク質 / 炭素低環 / 加水分解酵素 / 温室効果 / 分解 / 炭素循環 / 微生物 / アミノ酸 / 細胞外酵素

【研究成果の概要】

海洋中の溶存有機物は、陸上植生、土壌有機物と並んで、地球上の3大有機炭素リザバ-のひとつの数えられている。その変動は、グローバルな炭素フラックス、さらには、大気中最大の温室効果気体である二酸化炭素の年-100年スケールでの変動にも影響を及ぼしうる.本研究の目的は、海洋における溶存有機物の蓄積メカニズムを、微生物生態学と地球化学を融合させた学際的なアプローチを用いて実験的に解明することである。生体ポリマーとして最も重要な成分である、タンパク質を材料とし、海水中における、膜、可溶性タンパク質の分解過程に関する実験的な解析を行った。新たに開発した2重標識トレーサー法を用いて、微生物分解速度定数の違いを求めたけった、膜タンパク質の分解速度定数を溶存タンパク質のそれに比した著しく低いことが始めて実験的に証明された。また、膜の除去により、タンパク質の分解速度定数が高まることも示された。これらの結果は、膜・壁成分による立体障壁が、海水中のタンパク質の保存機構として重要であることを強く示唆している。また、近年、地球化学的な観測により見出された。海水中に膜たん白質が多量に蓄積しているという現象もよく説明できると考えられる。さらに、分解の時間変化の解析から、膜一タンパク複合体を破壊するために、海洋細菌が多様な加水分解酵素を合成することも示された。以上の知見は、海洋における溶存有機物の変動をモデル化するうえで重要な意義を有する。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】6,800千円 (直接経費: 6,800千円)