酵素の基質誤認識を誘起するペプチドの創製

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巨大菌由来のシトクロムP450BM3（P450BM3）は、長鎖脂肪酸の水酸化で極めて高い触媒活性を示す。その高い触媒活性からP450BM3はベンゼンなどの非天然基質の水酸化反応への応用が期待されるが、基質認識部位が長鎖脂肪酸の取り込みに最適化されているため、それ以外の基質に対する活性は低い。一方、当研究室は、長鎖脂肪酸と似た構造を有しながらも鎖長の短い分子、擬似基質を添加すると、野生型P450BM3が非天然基質を水酸化することを明らかにしている。本申請課題では、擬似基質の作用機序を解明し、擬似基質が引き出すP450BM3の非天然活性を極限まで高めることを目指した。分子間の相互作用を視覚的に明らかにするため、P450BM3、擬似基質、種々の非天然基質の共結晶を作製し解析した。それらの比較から、ヘム上部の空間は基質に合わせて大きさを変化させられることが分かった。擬似基質添加下において種々の非天然基質が水酸化されるのは、この空間の柔軟性によるものと推察される。また、等温滴定型カロリメトリーによる実験からは、長鎖脂肪酸と擬似基質のP450BM3への取り込みの駆動力が同じであり、既存の擬似基質は長鎖脂肪酸をよく模擬していることが分かった。以上より、ヘム上部には非天然基質を取り込むに十分な空間が存在し、擬似基質は長鎖脂肪酸を模擬していることが明らかにできた。一方、擬似基質存在下での非天然基質に対する活性は天然基質に対するものと比較すると大幅に低い。そこで、擬似基質ではなく反応条件に着目して活性の向上を狙ったところ、攪拌効率の向上により酵素活性が3倍以上となった。本研究では、シトクロムP450BM3の基質認識を構造生物学的観点と熱力学的観点の両面から明らかにし、酵素活性を高める反応条件を決定した。本研究で得られた成果は、P450の利用と応用の範囲の拡大に大きく貢献すると期待できる。