セルラーゼの２分子相乗効果メカニズムの解明

纤维素酶两分子协同作用机制的阐明

• 批准号: 15J10657
• 负责人: 立岡 美夏子
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J10657/
• 关键词: セルラーゼ; 分子進化工学; スクリーニング; バイオマス糖化; 結晶構造解析; X線結晶構造解析

木質や草本などのセルロース系バイオマスは持続可能な資源であり量も豊富であることから、液体燃料や化成品の原料など石油の代替資源としての利用が期待されている。バイオマス酵素糖化プロセスにおいては結晶性セルロース分解が律速となることが知られている為、自然界の主な分解者であるカビやキノコ由来のセルラーゼによる分解メカニズムを理解することは重要な課題である。そこで本研究では、糸状菌由来の異なる2種類のセルラーゼ(Cel6とCel7)がセルロース表面上で協調的に働くメカニズムを解明するため、詳細な反応機構が分かっていないCel6に着目し、ランダム変異導入法を用いた機能改変によってその反応機構を考察した。本年度は、X線結晶構造解析によりCel6の立体構造を決定し、触媒中心のループのゆらぎを解析することによって、基質を認識して加水分解反応を行う仕組みを明らかにした。さらに、高分解能X線結晶構造解析を合わせて行い、基質複合体での構造変化とプロトン化の状態の変化から、水素結合ネットワークの組換えによる一般酸触媒によるプロトン供与の機構を提案した。また、ランダム変異導入法をPcCel6Aに適用することによって、結晶性セルロースに対する反応特性の異なるPcCel6A変異体を得ることに成功し、その変異が触媒中心の生成物側のサブサイトに位置していることを明らかにした。２分子の相乗効果においても本変異が活性向上に寄与するかについて今後より詳細な検討を合わせて行うことによって、酵素分解の更なる効率化につながる可能性がある。本酵素の加水分解反応効率には生成物と酵素の親和性が大きく影響していることを明らかとしたことで、結晶性セルロース分解に寄与する性質について新たな知見を示した。

木材和草药等纤维素生物质是一种可持续资源，且数量丰富，因此有望用作石油的替代资源，例如作为液体燃料和化工产品的原料。由于已知结晶纤维素分解在生物质酶促糖化过程中是限速的，因此了解来自霉菌和蘑菇的纤维素酶的分解机制非常重要，霉菌和蘑菇是自然界的主要分解者。因此，在本研究中，为了阐明源自丝状真菌的两种不同类型的纤维素酶（Cel6和Cel7）在纤维素表面协同作用的机制，我们重点关注其详细反应机制尚不清楚的Cel6，以及通过使用一种方法修改函数来研究反应机制。今年，我们利用X射线晶体学确定了Cel6的三维结构，并通过分析催化剂中心环的波动，阐明了识别底物并进行水解反应的机制。此外，我们进行了高分辨率X射线晶体结构分析，并根据底物配合物中的结构变化和质子化状态的变化，提出了一般酸催化剂通过氢键网络重组提供质子的机制。此外，通过对PcCel6A应用随机诱变方法，我们成功获得了对结晶纤维素具有不同反应特性的PcCel6A突变体，并发现突变位于催化中心产物侧的一个亚位点。未来进行更详细的研究以确定这种突变是否有助于提高两个分子协同效应的活性，可能会进一步提高酶促降解的效率。通过揭示该酶的水解反应的效率很大程度上受到产物与酶之间的亲和力的影响，我们提供了有关有助于结晶纤维素分解的特性的新知识。

项目成果

Phanerochaete chrysosporium由来セロビオヒドロラーゼIIの中性子結晶構造解析

黄孢原平革菌纤维二糖水解酶 II 的中子晶体结构分析

• 发表时间: 2017
• 作者: 立岡美夏子;中村彰彦;石田卓也;五十嵐圭日子;鮫島正浩
• 通讯作者: 鮫島正浩

Production of Large-volume Cellulase Crystals for Visualization of Hydrogen Atoms

用于氢原子可视化的大体积纤维素酶晶体的生产

• DOI: 10.15011//jasma.34.340108
• 发表时间: 2017
• 期刊: International journal of microgravity science and application
• 影响因子: 0.9
• 作者: 立岡美夏子;中村彰彦;石田卓也;高橋幸子;厳斌;田仲広明;古林直樹;伊中浩治;五十嵐圭日子;鮫島正浩
• 通讯作者: 鮫島正浩

Sub-Atomic Resolution X-Ray and Neutron Structure Analysis of the GH Family 6 Cellobiohydrolase

GH 家族 6 纤维二糖水解酶的亚原子分辨率 X 射线和中子结构分析

• 发表时间: 2017
• 作者: M Tachioka;A Nakamura;T Ishida;K Igarashi;M Samejima
• 通讯作者: M Samejima

担子菌 Phanerochaete chrysosporium 由来セロビオヒドロラーゼ PcCel6A の構造と機能の解析

担子菌黄孢原平革菌纤维二糖水解酶 PcCel6A 的结构和功能分析

• 发表时间: 2016
• 作者: 立岡 美夏子;石田卓也;内山拓;五十嵐圭日子;鮫島正浩
• 通讯作者: 鮫島正浩

Crystallization of GH6 cellobiohydrolase in microgravity and structure determination at 0.80 Å resolution

GH6 纤维二糖水解酶在微重力下的结晶和 0.80 下的结构测定

• 发表时间: 2015
• 作者: Mikako Tachioka;Akihiko Nakamura;Takuya Ishida;Koji Inaka;Yoshiki Higuchi;Masahiro Samejima and Kiyohiko Igarashi
• 通讯作者: Masahiro Samejima and Kiyohiko Igarashi