進化情報を構造シミュレーションに組み入れた合理的酵素設計とそのプロセス化

通过将进化信息纳入结构模拟来合理设计和加工酶

• 批准号: 22K04841
• 负责人: 二井手 哲平
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04841/
• 关键词: 酵素工学; タンパク質工学; 構造モデリング; ドッキングシミュレーション; 合理的酵素設計; 進化; 進化学; 酵素; シミュレーション; バイオインフォマティクス

本研究では、設計した酵素の代謝工学応用を目指し、ドライ実験(設計)とウェット実験(検証)を双方向的に実施することで汎用的かつ堅牢な酵素設計プロセスを目指すことを目標としている。なかでも、酵素の基質・補酵素特異性を司るアミノ酸残基の同定から変換までのプロセス開発と、酵素の耐熱化を指向したアミノ酸残基の選択からin silicoスクリーニングまでの耐熱化酵素のプロセス開発の2つに取り組んでいる。プロジェクト1年目はリンゴ酸酵素をモデル酵素として補酵素特異性に関わるアミノ酸残基の同定と特異性変換に取り組んだ。補酵素特異性決定残基の同定は、データベースから取得したアミノ酸配列を入力とした機械学習により実施した。その結果、作成した機械学習モデルは99.3%の精度でNADP依存型とNAD依存型のリンゴ酸酵素を分類することができ、さらにそのモデルの偏回帰係数を解析することでどの位置のアミノ酸残基が補酵素特異性に寄与しているかを推定することができた。次にこの結果を元に、未だ立体構造が明らかではない大腸菌由来NADP+依存型リンゴ酵素の補酵素特異性改変に取り組んだ。その結果、実用的なスクリーニング工程なしに、補酵素特異性をNAD+依存性に完全に転換することが示された。基質特異性を司るアミノ酸残基は基質ポケットの内部だけでなく、周囲の残基も補酵素特異性に大きく寄与することを示した。これらの残基は、結晶構造観察から同定することが困難であり、構造的に相同で機能的に異なる酵素のアミノ酸配列を入力データとして、高精度で推論可能な機械学習モデルを作ることができた。

在这项研究中，其目的是通过以两种方式进行干燥实验（设计）和湿实验（验证）来实现一般的使用酶设计过程，以应用设计酶的代谢工程。最重要的是，从控制酶的底物和保守特异性的氨基酸残基的过程发展，以及从选择氨基酸残基的抗热酶的过程发展，这打算是热 - 酶的抗性，对硅筛选。在项目的第一年，我们使用苹果酸酶作为模型酶来鉴定与保守特异性相关的氨基酸残基。通过从数据库获得的氨基酸序列作为输入获得的机器学习来实现合成特异性测定残基的识别。结果，创建的机器学习模型可以归类为依赖NADP的类型，而依赖NAD的苹果酸酶具有99.3％的精度，并分析了该模型的不均匀重复系数。保守派。接下来，基于此结果，我们对NADP+依赖性Apple酶进行了串联规范修改，该酶尚未清楚三维结构。结果，事实证明，它完全将其转换为NAD+依赖性的保守特异性，而无需实际筛选过程。控制底物特异性的氨基酸残基不仅表明底物袋的内部，而且周围的残基也有助于妥协特异性。这些残基很难从晶体结构观测中识别，并且可以用结构上不同且功能不同的酶的氨基酸序列创建高精油和提议的机器学习模型。

项目成果

異種生物由来酵素の発現量向上を目指した酵素設計プロセス開発

开发酶设计流程，旨在提高源自外源生物的酶的表达水平

• 发表时间: 2022
• 作者: 宮脇 佳汰;二井手 哲平;戸谷 吉博;清水 浩
• 通讯作者: 清水 浩

M13ファージのライフサイクルを活用したS-Allyl-L-cysteine生合成経路の最適化

利用M13噬菌体生命周期优化S-烯丙基-L-半胱氨酸生物合成途径

• 发表时间: 2022
• 作者: 松本 拓也;二井手 哲平;戸谷 吉博;清水 浩
• 通讯作者: 清水 浩

配列保存度情報を組み入れた酵素工学

结合序列保护信息的酶工程

• 发表时间: 2022
• 作者: 二井手哲平;杉木創;宮脇佳汰;戸谷吉博;清水浩
• 通讯作者: 清水浩

配列保存度情報と構造モデリングを活用した酵素の耐熱化戦略の提案

提出利用序列保守信息和结构建模提高酶热稳定性的策略

• 发表时间: 2022
• 作者: 二井手 哲平;戸谷 吉博;清水 浩
• 通讯作者: 清水 浩

大阪大学情報科学研究科清水研究室

大阪大学信息科学研究科清水实验室