研究項目及び実施体制(◎は研究代表者)
- ダイオキシン・ジベンゾフラン分解系酵素群の機能構造解析と遺伝子伝播機構の解明
(野尻秀昭/東京大学生物生産工学研究センター) - ダイオキシン分解系酵素の改変体の作成と機能解析
(◎大森俊雄/芝浦工業大学大学院工学研究科) - コプラナーポリ塩化ビフェニル分解への応用を目指したクメン分解酵素群の機能構造解析とダイオキシン類分解系酵素の分子モデリング
(若木高善/東京大学大学院農学生命科学研究科)
研究の目的
自然界に広く拡散してしまったダイオキシン類の処理方法として、ダイオキシン分解性細菌を利用した浄化法の確立が急務である。本研究では、細菌のダイオキシン分解酵素の機能解明と改良型酵素の創製、自然界でのダイオキシン分解系遺伝子の伝播の機構解明を行い、分解力増強への応用をはかることを目的とした。
研究の内容
分解酵素がダイオキシン類をどの様に認識するのか・どの様に分解するのかを、X線結晶構造解析と分子モデリング手法により明らかにするとともに、変異酵素のデザインを行って高分解能酵素を創製する。また、分解酵素遺伝子群を他の細菌に伝播させる可動遺伝因子の同定と伝播機構の解明、伝播頻度の解明を行う。
主要な成果
- ダイオキシン・PCB分解の初期反応に関与するCar酵素群(5種)、Cum酵素群(6種)のうち、8種の酵素の構造を明らかにし、基質特異性決定機構・反応触媒機構を解析した(右ページ参照)。
- ダイオキシン分子に対する初発酸化酵素の酸化酵素コンポーネント (CarAa)が酸化反応を行うには、フェレドキシン(CarAc)から電子を受け取ることが必須だが、本研究では、各単体の構造解明に成功したのに加え、共結晶構造の解明にも成功し、両タンパク質間の相互作用と電子伝達機構を明らかにした。3ダイオキシン分解系car遺伝子群は、2つの巨大プラスミド(pCAR1, pCAR3)とトランスポゾンの働きでグラム陰性細菌間を伝播することを明らかにし、両プラスミドゲノムの全塩基配列も決定した。
- 分解酵素と基質の複合体をモデリングし酵素機能の解析を行うと共に、適切なテンプレートがない部分の構造予測のためのフラグメントアセンブリ法に基づくab initioタンパク質構造予測手法を開発した。
見込まれる波及効果
さらなる改良型酵素を創製するとともに、それを用いた汚染除去手法の最適化を行うことで、耕作地を含む土壌や河川底土等で広範にみられるダイオキシン汚染を実際に浄化できるバイオ技術を確立することができる。
主な発表論文
- Maeda K., et al. Complete nucleotide sequence of carbazole/dioxin-degrading plasmid pCAR1 in Pseudomonas resinovoransstrain CA10 indicates its mosaicity and the presence of large catabolic transposon Tn4676. J. Mol. Biol. 326:21-33 (2003)
- Habe H., et al. Crystal structure of a histidine-tagged serine hydrolase involved in the carbazole degradation (CarC enzyme): Biochem. Biophys. Res. Commun. 303: 631-639 (2003)
- Ishida T., et al. Development of an ab initio protein structure prediction system ABLE. Proceedings of the 14th International Conference on Genome Informatics (GIW 2003): 228-237 (2003)
- Nam J. ?W., et al. Purification and characterization of carbazole 1,9a-dioxygenase, a three-component dioxygenase system of Pseudomonas resinovorans strain CA10. Appl. Environ. Microbiol. 68: 5882-5890 (2002)
- Fushinobu S., et al. Crystal structure of a meta-cleavage product hydrolase from Pseudomonas fluorescens IP01 (CumD) complexed with cleavage products. Protein Sci. 11: 2184-2195 (2002)
研究のイメージ
