電極を基質認識できる酵素の反応メカニズムを解明―次世代バイオセンシングにつながる基盤技術―

　鈴木洋平 農学研究科博士課程学生、宋和慶盛 同助教、北隅優希 同助教、白井理 同教授、加納健司 産官学連携本部特任教授、牧野文信 大阪大学招へい准教授、宮田知子 同特任准教授、難波啓一 同特任教授、田中秀明 同准教授らの研究グループは、Gluconobacter japonicusという酢酸菌由来のフルクトース脱水素酵素（FDH）に関する構造解析に成功し、本酵素が有するユニークな触媒反応において重要な役割を担うアミノ酸を特定するなど、酵素反応メカニズムの詳細を明らかにしました。

　FDHは酢酸菌の呼吸鎖電子伝達系を構成する膜結合型タンパク質で、電極を基質として認識することで「直接電子移動（DET）型反応」という非常に珍しい反応を実現できます。本反応は生体・環境への適合性が高く、生体物質の検出に適した理想的なバイオセンサ（第三世代型バイオセンサ）としての応用展開が期待されています。FDHはDET型モデル酵素として世界中で注目されてきた一方、そのDET型反応機構は未解明でした。今回、クライオ電子顕微鏡観察及び単粒子像解析を実施し、2.5 Å（オングストローム）の分解能でFDHの構造解析に成功しました。本結果と電気化学、遺伝子工学の手法を組み合わせることで、本酵素の電極反応部位を特定し、酵素内のトリプトファン（Trp）という芳香族アミノ酸がDET型反応を促進していることを明らかにしました。さらに、数理モデルでFDHのDET型反応を解析し、Trpによる電子移動促進効果を定量的に評価しました。本成果は、FDH及びその類似酵素における世界初の全体構造報告例であり、生体触媒を用いた新たなバイオデバイスを社会実装する上で、学術的かつ社会的な波及効果が期待されます。

　本研究成果は、2023年10月12日に、国際学術誌「ACS Catalysis」にオンライン掲載されました。