[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

アルカロイドの大量生産

アルカロイドには強い生理活性を示すものも多く、医薬品のシード化合物としても注目を集めています。しかし、実験室で安価原料から合成することが難しい場合も多いため、植物抽出物などを原料として半合成されている例も多くあります。

植物は成長が遅いことから、需要に供給が追いつかないなどの問題も起きてしまいます。そのため最近では、以前の記事「砂糖水からモルヒネ?」で紹介したように、成長の遅い植物の遺伝子を成長の早い微生物へと導入し有用化合物を迅速かつ安価に大量生産しようという研究が盛んです。

今回はインドールアルカロイドの例をご紹介したいと思います。植物科学の研究で有名なジョイネスセンターのサラ・オコナー教授らのグループから報告されました。

“De novo production of the plant-derived alkaloid strictosidine in yeast“
Proc. Natl Acad. Sci. USA 112, 3205–3210 (2015). DOI: 10.1073/pnas.1423555112
Stephanie Brown, Marc Clastre, Vincent Courdavault, and Sarah E. O’Connor

Monoterpene Indole Alkaloids (MIA)

de_novo_alkaloid_1

モノテルペンインドールアルカロイド (以下 MIA) は、C10 のモノテルペン部分とトリプトファン由来のインドール部分からなるアルカロイドであり、主にキョウチクトウ科 (Apocynaceae)、マチン科 (Loganiaceae)、アカネ科 (Rubiaceae )、クロタキカズラ科 (Icacinaceae)、ヌマミズキ科 (Nyssaceae)、ウリノキ科 (Alangiaceae) などから単離されます。MIA には強い生理活性を示すものも多く、vinblastine、vincristine、vinflunine など抗がん剤として認可されているものもあります。

MIA は、植物内にて共通の中間体 Strictosidine を共通の中間体として生合成されます。共通の中間体から多種多様な構造を生み出す分子多様性メカニズムは合成化学の面からも注目されています(上図)。先日紹介したヘテロヨヒンビンもその一つです。

一見してわかる通り、これら複雑骨格化合物を実験室で合成することは、現在の有機合成化学の技術をもってしても簡単ではありません。そのため、植物から抽出した中間体を用いた半合成による供給方法なども工業的には採用されています。しかし、植物は成長するのが遅い&場所をとるため、大量・安価・迅速な供給には問題があります。そのため、代替法の開発が求められているのが現状です。

GPP synthase

今回紹介する論文では 21 個の遺伝子の導入と 3 個の遺伝子の破壊により MIA の共通中間体である Strictosidine を 0.5 mg/l の収量で作り出すことに成功しています。培地と構築した酵母のみで Strictosidine がこれだけの量取れるというのは学術的にも工業的にも素晴らしい成果です。ちなみに Strictosidine の前駆体である secologanin は 10 mg で約 1 万円です。

また、以前紹介した酵母でのオピオイド化合物生産系では、培地に基質である砂糖を添加しなければいけませんでした。今回紹介する論文は、”De novo” とタイトルが付いていることからも分かる通り、基質の添加の必要がありません!!

de_novo_alkaloid_2

(図は論文より)

 

“21 個の遺伝子導入”と書くと簡単なように聞こえますが、論文を読むとそこにたどり着くまでにたくさんの壁があったことが分かります。
酵母では、メバロン酸経路によってGPP が合成され、MIA のテルペン部分はその GPP を基質として合成されます。つまり Strictosidine の収量を上げるためには GPP の収量を上げることが必須です!そこで著者らは (i)フィードバック阻害を受けない HMG還元酵素の遺伝子 tHMGR を導入、(ii) IPP の異性化酵素をコードしている遺伝子 IDI1 を導入 (iii) tRNA の合成を抑制する遺伝子 MAF1 を導入しました(IPP は GPP と tRNA の両方の合成に使われてしまうため、tRNA 合成を抑制しないと GPP の収量が上がらない)。また、遺伝子発現を安定させるために、導入する遺伝子はすべて相同組み替えにより酵母のゲノムへと入れられています。

しかし、思ったように GPP の収量は上がりませんでした。

そこで、注意深く酵母の経路を見直してみると FPP 合成酵素が関係しているのではないかとの考えに行き着きました。FPP 合成酵素は、C10 の GPP も合成しますが、 C15 のFPP の方を優先的に合成します。そこで、FPP 合成酵素をコードしている ERG20 を破壊し、代わりにアメリカオオモミ由来の AgGPPS とセキショウヤケイ由来の mFPS144 を導入しました。すると GPP の収量の増加が見られました。

Geraniol 8-Hydroxylase (G8H)

植物内で GPP は 9 ステップの反応により secologanin へと変換されます。この反応のうちのいくつかは酸化酵素 P450 に触媒されており、酸化還元サイクルを効率良く回すためには還元酵素が必要です。そこで著者らは CYB5 と CPR も導入することにしました。

しかし、必要遺伝子をすべて導入した酵母の代謝物を調べてみると strictosidine はおろか secologanin さえも合成されていませんでした。そこで、一つずつ中間体を培地に添加して strictosidine が生産されるかを調べました。(地道な実験!)

すると 8 –hydroxygeraniol を添加した際にはsecologanin が生産されているのに、geraniol を添加した際には生産されませんでした。つまり、geraniol を基質とする酵素 G8H が機能していないことがわかりました。G8H を持つプラスミドを導入して実験すると酵母が strictosidine を生産していることがわかりました。

まとめ

以上紹介した本論文のごく一部であり、上記以外の細かいことも論文中には書かれており、非常に地道な検討の繰り返しによりすばらしい成果が出るということを改めて実感しました。
MIA では、Strictosidine 以降の酵素・遺伝子は未だに未解明なものが多く、アルカロイドの生合成研究はまだまだ謎がいっぱいです。しかし、今回の論文で構築した酵母を応用することにより、生合成候補遺伝子のアッセイが楽になったり、将来的なアルカロイドの大量生産につながったりすることが期待できます。このような手法が確立され、医薬品が世界中に行き届くようになることを願ってます。

The following two tabs change content below.
ゼロ

ゼロ

女の子。研究所勤務。趣味は読書とハイキング ♪ ハンドルネームは村上龍の「愛と幻想のファシズム」の登場人物にちなんでま〜す。5 分後の世界、ヒュウガ・ウイルスも好き!

関連記事

  1. 工業製品コストはどのように決まる?
  2. JSRとはどんな会社?-2
  3. 誤った科学論文は悪か?
  4. 留学せずに英語をマスターできるかやってみた(6年目)(留学後編)…
  5. 文具に凝るといふことを化学者もしてみむとてするなり④:「ブギーボ…
  6. ノーベル化学賞は化学者の手に
  7. 物凄く狭い場所での化学
  8. 荒木飛呂彦のイラストがCell誌の表紙を飾る

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 文具に凝るといふことを化学者もしてみむとてするなり⑪:どっちもクリップの巻
  2. 東海カーボンと三菱化学、カーボンブラックの共同会社を断念
  3. ノーベル化学賞:下村脩・米ボストン大名誉教授ら3博士に
  4. イライアス・コーリー E. J. Corey
  5. ノバルティス、米カイロンを5000億円で完全子会社に
  6. よくわかる最新元素の基本と仕組み
  7. 錯体と有機化合物、触媒はどっち?
  8. 自励振動ポリマーブラシ表面の創製
  9. REACH規則の最新動向と対応方法【終了】
  10. 魔法のカイロ アラジン

関連商品

注目情報

注目情報

最新記事

Nature 創刊150周年記念シンポジウム:ポスター発表 募集中!

本年、Nature 創刊150周年を迎えるそうです。150年といえば、明治時代が始まったばかり、北海…

アルケニルアミドに2つアリールを入れる

ニッケル触媒を用いたアルケニルアミドの1,2-ジアリール化反応が開発された。フマル酸エステルを配位子…

蛍光標識で定性的・定量的な解析を可能に:Dansyl-GSH

反応性代謝物の存在を調べたい。代謝化学の実験をしていれば、ほとんどの人がそう思うのではないでしょうか…

アメリカで医者にかかる

アメリカの大学院に進学する際、とても悩んだのが、医療保険についてです。アメリカでは医療費がとても高い…

MOF 結晶表面の敏感な応答をリアルタイム観察

第178回のスポットライトリサーチは、東京大学の細野暢彦講師にお願いしました。細野先生は高分…

有機合成化学協会誌2019年2月号:触媒的脱水素化・官能性第三級アルキル基導入・コンプラナジン・アライン化学・糖鎖クラスター・サリチルアルデヒド型イネいもち病菌毒素

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2019年2月号がオンライン公開されました。今…

Chem-Station Twitter

PAGE TOP