中性子回折法によってタンパク質の多彩さ・巧妙さを可視化することに成功
―東京大学のグループ、茨城大学や茨城県などとの共同研究

東京大学大学院農学生命科学研究科の五十嵐圭日子(きよひこ)准教授のグループは、茨城大学(フロンティア応用原子科学研究センター)、宇宙航空研究開発機構(JAXA)、琉球大学、(株)コンフォーカルサイエンス、(株)丸和栄養食品、兵庫県立大学、茨城県との共同研究で、大強度陽子加速器施設(J-PARC)の物質・生命科学実験施設(MLF)内にある茨城県生命物質構造解析装置(iBIX)を用いて、きのこが生産する酵素セルラーゼ(PcCel45A)の中性子を用いた構造解析に成功しました。その結果、本酵素は酵素反応に重要なアミノ酸を「イミド酸型」という特殊な状態にすることで酵素反応を行っていることが分かりました。更にその重要なアミノ酸付近で水素原子が「かちかち玉」のように移動し、酵素反応が繰り返されるメカニズムを明らかにしました。
本研究から、中性子回折法によってタンパク質の多彩さ・巧妙さが可視化できることが明らかとなりました。化石資源の枯渇が危ぶまれる中、木や草のようなバイオマスを効率良く分解し様々な物質に変換する技術の開発につながることが期待されます。また、様々なタンパク質中で同様な現象が起こっている可能性があるため、この知見はバイオマス変換酵素の理解に留まらず、コンピュータによる医薬品デザイン技術にも波及する革新的な知見となります。

【プレスリリース】中性子回折法によってタンパク質の多彩さ・巧妙さを可視化することに成功ー立体反転型セルラーゼは「かちかち玉」のような反応機構だった(PDFリンク)

fig1.jpgきのこの一種であるPhanerochaete chrysosporiumがセルロースを分解するために生産するセルラーゼPcCel45Aの分子構造。図中で、紫色の部分が酵素(PcCel45A)、緑色の部分がセルロースの分子を表している。酵素がセルロースをきれいに取り込んでいる。

fig3.jpgPcCel45Aにおける活性残基周辺の水素イオンネットワーク。活性残基の一つ(一般塩基性触媒残基)である92番目アスパラギン(Asn92)から、96番目システイン(Cys96)と95番目フェニルアラニン(Phe95)、105番目アスパラギン(Asn105)、14番目セリン(Ser14)、112番目ヒスチジン(His112)、16番目スレオニンを経て(Thr16)、最後にもう一つの活性残基(一般酸性触媒残基)である114番目アスパラギン酸(Asp114)までが水素(図中緑色の編み目)が繋がって「Proton Relay Pathway」を形成している様子がわかる。

fig2.jpg
PcCel45Aがセルロースを分解するときの水素イオンの動きを模式的に表したもの。PcCel45Aはかちかち玉(ニュートンのゆりかご)のような動きを繰り返して反応すると考えられる。