Wet-Dry融合アプローチを用いた産業応用酵素の遷移状態制御による新機能創製

通过使用湿干融合方法控制工业应用酶的过渡状态来创建新功能

• 批准号: 17KT0010
• 负责人: 常盤 広明
• 金额: $ 11.81万
• 依托单位: Rikkyo University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-07-18 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17KT0010/
• 关键词: 産業応用酵素; 人工酵素; 第一原理計算; 分子動力学シミュレーション; 高解像度X線構造解析; フラグメント分子軌道計算; 基質特異性; PyMOL plug-inアプリケーション; Wet-Dry融合; フラグメント分子軌道法; 高分解能構造; 遷移状態制御; X線結晶構造解析

高い選択能を有する酵素の特性を生かした産業応用酵素群の開発は、資源の乏しい我が国において世界を牽引する科学技術革新として極めて重要な課題である。そこで本研究では、高精度な第一原理計算を用いた『Dry (計算化学、バイオインフォマティクス) 』手法と熱化学測定やX線結晶構造解析などを用いた『wet(酵素化学、構造生物学)』実験とを融合した新たなアプローチにより、高い選択能を有する酵素の特性を生かした産業応用酵素群を合理的に設計・開発することを目的としている。実際の対象としては、血液サンプル中に含まれる特定のアミノ酸、L-Thr濃度の定量計測への応用が期待されている短鎖型L-スレオニン脱水素酵素(TDH)等の標的タンパク質を取り上げた。特に、酵素反応における遷移状態を明らかにするだけでなく、天然型酵素の機能を目的に合わせて改変し、反応そのものを分子レベルで制御することで、天然酵素の活性を凌駕し、適用範囲を拡大した人工タンパク質（人工酵素）の合理的設計開発を目指した。最終的には、各種標的酵素だけに留まらず、創薬標的の中心である核内受容体やウイルスタンパク質に対する理論的解析についても推進した。特に、ＦＭＯ計算に基づいて、標的タンパク質と基質・リガンドとの各種相互作用エネルギーを効率的に３Ｄ表示をする汎用化ツール群の開発に成功した。これらの結果は国内外の学会等で発表するとともに、専門誌（J.Chem.Info.Model）に公表した。このツール群の詳細な解説および酵素系への応用については、Springerより今年度発刊予定の書籍中に掲載することとなった。さらに、これまでの構造を基盤とした解析に加えて、配列解析に基づくバイオインフォマティックスを利用した新たなWet-Dry融合解析により、実際に応用可能なレベルに機能向上した標的タンパク質の合理的な創製への道を開くことができた。

利用酶的高选择性特性开发工业适用的酶，对于资源匮乏的日本来说，作为世界领先的科技创新，是极其重要的课题。因此，在本研究中，我们将使用“干法（计算化学、生物信息学）”方法和“湿法（酶化学、结构生物学）”方法，前者使用高精度的第一原理计算，后者使用我们的目标是利用酶的高选择性特性，采用与实验相结合的新方法，合理设计和开发一组工业适用的酶。实际目标包括血液样本中含有的特定氨基酸，以及短链L-苏氨酸脱氢酶（TDH）等目标蛋白，有望应用于L-Thr浓度的定量测量。特别是，我们不仅阐明了酶促反应中的过渡态，还根据目的修改了天然酶的功能，并在分子水平上控制反应本身，从而超越了天然酶的活性并扩大了应用范围。旨在合理设计和开发扩展的人工蛋白（人工酶）。最后，我们不仅对各种靶酶进行了理论分析，还对核受体和病毒蛋白进行了理论分析，这些都是药物发现的核心目标。特别是，我们成功开发了一组通用工具，基于 FMO 计算，可以有效地以 3D 形式显示目标蛋白与底物/配体之间的各种相互作用能量。这些成果在国内外学术会议上发表，并发表在专业期刊（J.Chem.Info.Model）上。该工具组的详细解释及其在酶系统中的应用将发表在 Springer 计划于今年出版的一本书中。此外，除了传统的基于结构的分析之外，基于序列分析的利用生物信息学的新型湿干融合分析可以对目标蛋白质进行合理分析，其功能已提高到可实际应用的水平，这为创新创造铺平了道路。 。

项目成果

Alkanoylation of quinazoline by nucleophilic aromatic substitution: Combined experimental and computational study

• DOI: 10.1016/j.tet.2017.11.071
• 发表时间: 2018-01
• 期刊: Tetrahedron
• 影响因子: 2.1
• 作者: Yumiko Suzuki;Naoto Iwata;Kohei Dobashi;R. Takashima;S. Arulmozhiraja;Erika Ishitsubo;N. Matsuo;H. Tokiwa

インフルエンザウイルスにおけるスルファチド結合部位の解析

流感病毒硫苷脂结合位点分析

• 发表时间: 2018
• 作者: 高橋忠伸;林野乃香;紅林佑希;大石健太;益田碧;川岸佐和子;藤田侑;常盤広明;鈴木隆
• 通讯作者: 鈴木隆

Role for the extreme N-terminus of SLAM in determination of the moribillivirus host range

SLAM 极端 N 末端在确定麻疹病毒宿主范围中的作用

• 发表时间: 2018
• 作者: Fumio Seki;Hideo Fukuhara;Yuta Yamamoto;Sundaram Alulmozhiraja;Shogo Nakano;Sohei Ito;Kazue Ohishi;Tadashi Maruyama;Shigeru Morikawa;Ryoji Yamaguchi;Hiroaki Tokiwa;Katsumi Maenaka;Makoto Takeda
• 通讯作者: Makoto Takeda

高精度第一原理計算を用いた構造未知たんぱく質を標的とした合理的創薬手法の開発と抗ウイルス薬への応用

利用高精度第一原理计算开发针对未知结构蛋白质的合理药物发现方法并将其应用于抗病毒药物

• 发表时间: 2017
• 作者: Takeru Kameda;Akinori Awazu;Yuichi Togashi;山本雄大・石川雄規・伊藤匡史・松尾直也・竹田誠・常盤広明
• 通讯作者: 山本雄大・石川雄規・伊藤匡史・松尾直也・竹田誠・常盤広明

第四次革新的手法を用いたウイルス糖タンパク質の理論的解析および完全人工抗体の設計開発

使用第四种创新方法对病毒糖蛋白进行理论分析并设计和开发完全人工抗体

• 发表时间: 2017
• 作者: S. Ojima;D. Katsube;H. Yamashita;Y. Miyato;S. Abo;and M. Abe;岡田全朗,小山時隆;松尾直也・中野祥吾・伊藤創平・竹田誠・Mark von Itzstein・常盤広明
• 通讯作者: 松尾直也・中野祥吾・伊藤創平・竹田誠・Mark von Itzstein・常盤広明