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遺伝子発現変動解析によるCytochrome P450およびレドックスパートナー遺伝子の同定に関する研究

大久保, 真哉 筑波大学 DOI:10.15068/0002005498

2022.11.18

概要

微生物あるいは微生物が保有する酵素を用いた生体触媒反応は食品、化学、ライフサイエンス分野で幅広く活用されている重要な産業ツールである。本技術は温和な条件下で化合物の不活性結合部位を位置および立体選択的に修飾可能なため、有機合成技術と相補的な化学反応ツールとして本日まで発展してきた。特に製薬業界においては新規合成経路の開発に貢献しており、医薬品候補化合物の探索、医薬品原料の製造、あるいは医薬品の薬物代謝物研究に利用されている。また2000年から2010年にかけて、不斉点を持つ医薬品は全体の35%から70%まで増加しており、これらの合成には高度な立体制御を可能とする化学反応が不可欠である。この点からも製薬業界における酵素反応の重要性はより増していくと考えられる。さらに酵素反応は官能基の保護・脱保護処理を行うことなく目的とする化学反応を達成できるため、異性化反応が生じてしまう有機合成反応の回避や合成ステップ数の削減などに貢献可能である。これは医薬品原料の製造コスト低下に寄与し、結果として人々が医薬品にアクセスする機会を向上させる効果も期待できる。

 さらに酵素反応の積極的活用は2015年に国際連合で定められた持続可能な開発目標(以下、SDGsとする)の指針とも合致する。グリーンケミストリーの代表的技術である酵素反応技術は人体および環境への負荷を軽減するツールとして有用である。有機合成では希少金属を用いた触媒反応が広く普及しているが、これらは資源が限られており、その廃棄物は環境への影響も考慮すると適切に処する必要がある。代表的な例を挙げると、白金族金属触媒である四酸化オスミウムはアルケン類をジオールへ変換する重要な酸化ツールであるが、希少金属を用いていること、また生物に悪影響があることから、安全に廃棄物を処理するといった配慮が求められる。さらに取り扱える製造施設も限られてくることに加え、オスミウム廃液の処理には多大な費用がかかる。こうした金属触媒を生体触媒、つまり酵素反応に置き換えていくことはSDGsへの貢献に寄与し、これを積極的に導入する研究機関、企業の長期的な成長にも繋がる。

 一方、酵素反応に関わる周辺技術の進歩も目覚ましい。次世代シーケンサーの普及や遺伝子合成技術の進展は酵素反応技術の革新に大きな影響を与えている。例えば酵素を含む微生物の遺伝子情報は日々蓄積され続けており、アメリカ国立生物工学情報センター(GenBank)、国立遺伝学研究所(DDBJ)、欧州バイオインフォマティクス研究所(ENA)の3研究機関ではこれらのデータの相互交換を行うなど、国際的な塩基配列データベース構築が進んでいる。現在では、これらのデータベースから目的とする酵素を検索・抽出し、遺伝子合成によって迅速に入手することができる。また遺伝子合成なら網羅的なアミノ酸変異を導入することも容易であり、酵素の最適化研究にも有用である。さらに大腸菌、酵母などの各種異種発現ツールも充実しており、目的の酵素を用途に合わせて即座に検証することも可能となっている。

 一方で、新規かつ有用な酵素を発見するためには多くの労力を要するため、新たな酵素を探索し、最適化していくための効果的なアプローチが求められている。その1つとして、土壌、水圏、生体試料などから得られたメタゲノムを有用酵素の探索源として利用する試みが報告されている8,15。本法は培養困難な微生物由来の酵素であっても探索対象となること、遺伝子情報を起点とするために新規酵素を獲得できる機会が増加するなどの強みがある。しかしながら、今日利用されている産業酵素の多くは、実際に環境試料から分離され、培養可能な微生物由来のものである。これらの微生物は酵素活性を指標としたスクリーニングによって選抜されているため、本法は新たな酵素を探索する上でいまだ有用な手法だと言える。しかし、見出した有用な微生物から目的の酵素をコードする遺伝子を特定するためには、ゲノムウォーキング法などを活用し、地道に微生物ゲノムから探索していかなければならない。ただしゲノムウォーキング法は対象の遺伝子情報がなければ適用できないという短所もあるため、新規性の高い酵素の遺伝子を同定するためには、ショットガンクローニングやそれに類する技術を用いる必要がある。またショットガンクローニングの場合は、微生物ゲノム中の各遺伝子を網羅的に評価する方法を合わせて構築することも重要である。さらに酵素によっては、その機能を発現するために各種補酵素および補欠分子族が要求される場合もあるため、機能性の評価方法が煩雑になり、多大な労力が発生する可能性がある。つまり、ゲノムウォーキング法やショットガンクローニング法に代わる微生物のゲノムから目的の酵素をコードする遺伝子を効率的に同定できるアプローチがあれば、微生物酵素の産業利用をさらに加速させることに繋がるはずである。

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