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Research News

セルラーゼは「かちかち玉」のような反応機構だった

中性子回折法によるタンパク質の多彩さ・巧妙さの可視化

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農学生命科学研究科・農学部
2015/09/15

© 2015 五十嵐 圭日子酵素反応に重要なアミノ酸の一つ(一般塩基性触媒残基)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)、最後にもう一つの一般酸性触媒残基114番目アスパラギン酸(Asp114)まで水素イオンが繋がって「かちかち玉」のように移動できるネットワーク(図中緑色の編み目)が形成されている。

セルラーゼ(PcCel45A)の酵素反応に重要なアミノ酸周辺の水素イオンが「かちかち玉」のように受け渡される様子
酵素反応に重要なアミノ酸の一つ(一般塩基性触媒残基)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)、最後にもう一つの一般酸性触媒残基114番目アスパラギン酸(Asp114)まで水素イオンが繋がって「かちかち玉」のように移動できるネットワーク(図中緑色の編み目)が形成されている。
© 2015 五十嵐 圭日子

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)准教授を中心とする研究グループは、キノコが生産するセルロース分解酵素(セルラーゼ)が、水素イオン(プロトン)を「かちかち玉」のようなメカニズムで転移させて、分解反応を起こすことを発見しました。本成果により、これまで見過ごされてきたタンパク質の多彩さ・巧妙さが中性子回折法によって可視化できることが明らかとなりました。

セルロースは植物細胞の細胞壁を構成する主な成分で、地球上に最も多く存在するバイオマスです。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が望まれています。

今回、研究グループは、きのこが生産するセルラーゼ(PcCel45A)の巨大結晶(6 mm3)に大強度陽子加速器施設(J-PARC)内物質・生命化学実験施設(MLF)の物質・生命科学実験施設内にある茨城県生命物質構造解析装置(iBIX)を用いて中性子を照射することによって、その構造を明らかにすることに成功しました。その結果、セルラーゼ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。さら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。

本成果によって、「同様な現象が様々なタンパク質の中で起こっている可能性が示唆されるため、この知見はバイオマスを分解する酵素の反応機構の理解を深めるものに留まらず、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ることが期待されます」と五十嵐准教授は話します。 なお、本研究は茨城大学、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、茨城県と共同で行われたものです。

プレスリリース

論文情報

Akihiko Nakamura,Takuya Ishida, Katsuhiro Kusaka, Taro Yamada, Shinya Fushinobu, Ichiro Tanaka, Satoshi Kaneko, Kazunori Ohta, Hiroaki Tanaka, Koji Inaka, Yoshiki Higuchi, Nobuo Niimura, Masahiro Samejima and Kiyohiko Igarashi, ""Newton's cradle" proton relay with amide-imidic acid tautomerization in inverting cellulase visualized by neutron crystallography", Science Advances Online Edition: 2015/8/22 (Japan time), doi:10.1126/sciadv.1500263.
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