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機能を追求すると自然に形は同じになる 蛋白質レベルの収斂(しゅうれん)進化によって微生物は結晶性セルロースを壊せるようになった

掲載日:2020年8月19日

今回提案された自然界におけるプロセッシブセルラーゼの獲得戦略
© 2020 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准教授らの研究グループは、植物の体を形作っているセルロースを分解するための酵素「セルラーゼ」に関する研究成果について論文発表を行いました。

本研究チームは、これまでも高速原子間力顕微鏡という特殊な顕微鏡を用いて、きのこやカビなどの糸状菌が生産し、鉋(かんな)がけをするように結晶性セルロースを分解するプロセッシブセルラーゼを、分子レベルで観察することに成功していますが、内山拓農学特定研究員(当時)と五十嵐准教授らの研究チームは、名古屋大学、分子科学研究所、琉球大学との共同研究で、2種類の細菌(バクテリア)由来のプロセッシブセルラーゼが、きのこやカビの酵素と同様、結晶性セルロースの表面から外れる事なく分解している様子を観察する事に成功しました。

今回、分子レベルでの動態観察に成功したバクテリア由来のセルラーゼは、骨格になる蛋白質がきのこやカビの酵素とは全く異なっていますが、プロセッシブセルラーゼとしての機能を果たすための「基質結合部が活性残基を挟んで非対称である」と「基質を離さないためのループの数が多い」という特徴はきちんと有しており、基質であるセルロース分子鎖を握り締めながら引き込んで活性中心に導き、連続的に分解するような設計となっていることが分かりました。

つまり、骨格構造が全く異なっていて結晶性セルロースを分解できない酵素をもとにして、プロセッシブセルラーゼの要素となる部分を付け足すことでその機能を付与する「蛋白質レベルの収斂進化」が起きていることが提案されました。本研究成果は、総合学術誌として権威のある米国科学アカデミー紀要(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)に掲載されました。

「植物の体を形作っているセルロースは「繊維素」とも呼ばれ、自然界で最も安定な化合物なので、それを分解して生物のエネルギー源でもあるグルコース(ブドウ糖)を得ることは、すごく難しいんです」と五十嵐准教授は話します。「生態系で分解者に分類されるカビやきのこ、バクテリアなどの微生物は、セルラーゼと呼ばれる酵素によって、特に安定な結晶性セルロースを常温常圧下で分解して栄養を得ています。これまで私たちの研究グループでは、きのこやカビなどの糸状菌と呼ばれる生物が生産するセルラーゼの研究を行ってきましたが、今回バクテリアが生産するセルラーゼの性質を調べてみたところ、もともと骨格になる蛋白質は異なっているにもかかわらず、「セルロースを分解する部分(基質結合部位)を非対称にする」「(セルロースがずり落ちないように)基質結合部位をループでカバーする」という糸状菌と同じ戦略で結晶性セルロースを分解できる酵素を獲得してきたことが分かったのです」と続けます。

「例えば、哺乳類と魚類というまったく異なる生物種であるイルカとサメが、海の中で早く泳げるように流線形になり、体の同じような場所にヒレを持つようになったように、もともと異なる生物が同じ機能を求めて同じ形に進化してきたことを「収斂進化」と言います。今回の結果から、生物の個体レベルだけではなく、酵素のような極めて小さいものでも、ある機能を追求していくと全く違うところから最終的に同じような形に進化していくことがわかりました。進化のすごさに感動するとともに、自然界がいかに「自然な形」に帰結していくかに驚かされました」

タイトル画像コピーライト:ウチダヒロコ

論文情報

Taku Uchiyama, Takayuki Uchihashi, Akihiko Nakamura, Hiroki Watanabe, Satoshi Kaneko, Masahiro Samejima, and Kiyohiko Igarashi , "Convergent evolution of processivity in bacterial and fungal cellulases," Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America: 2020年8月3日, doi:10.1073/pnas.2011366117 .
論文へのリンク (掲載誌別ウィンドウで開く)

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