A noncanonical PLP-dependent enzyme catalyzes β-serine biosynthesis in the edeine antibiotic pathway
本研究は、エデイン抗生物質の生合成のためにL-セリンの前例のない分子内転位を触媒して光学純度の高いD-β-セリンを生成する、非標準的なPLP依存性酵素であるEdeMを同定および特性評価し、それによって既知のPLP酵素の触媒レパートリーを拡張するものである。
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地球上の生命は、あらゆる生物学的プロセスを駆動するタンパク質を構築するために、20種類の標準的な構成要素に依存しています。これらはα-アミノ酸であり、中心となる炭素原子がアミノ基、カルボキシル基、そして側鎖を保持しています。しかし、自然界は時としてこの標準的なセットを超え、抗生物質のような特殊な分子の中に珍しい変異体を組み込むことがあります。そのような変異体の一つがβ-アミノ酸であり、そこではアミノ基が、最初の炭素ではなく、鎖の2番目の炭素に結合しています。この位置のわずかなずれが分子の形状と安定性を変化させ、タンパク質を通常分解する酵素に対する耐性を生み出します。科学者たちは、細菌がこれらのβ-アミノ酸のいくつかをどのように生成するかを以前から知っていましたが、D-β-セリンと呼ばれる特定の物質を生成する方法は謎のままであり、特定の強力な抗生物質がどのように組み立てられるかという理解における空白を残していました。
マクマスター大学とブロック大学の研究チームは、EdeMと呼ばれる特定の酵素を特定し、その特性を明らかにすることで、このパズルを解きました。この酵素は、土壌細菌であるBrevibacillus brevisが生成するペプチド抗生物質、エデイン（edeine）の経路において、D-β-セロンを作成する役割を担っています。この発見は、EdeMがこの種の酵素ファミリーの中でこれまで見られなかった化学的変換を行うため、重要な意味を持ちます。この種の酵素の多くは、2つの異なる分子間でパーツを交換することによって機能しますが、EdeMは一般的なアミノ酸であるL-セリンの単一の分子を取り込み、その内部構造を再編成してβ版を作り出します。EdeMは、パーツを受け取ったり提供したりするための第2の分子を必要とすることなく、完璧な精度でこれを行い、生成物として特定の1つの3D形状のみを生み出します。
研究者たちは、まずエデインを作るための遺伝的な指示を探ることから始めました。彼らは、アミノトランスフェラーゼス（アミノ基転移酵素）として知られる酵素の遺伝子と非常によく似た遺伝子、edeMを見つけました。これらの標準的な酵素は、通常、分子からアミノ基を切り取り、別の分子に付着させる「分子のハサミと糊」のように機能します。EdeMが実際に何を行ったかをテストするために、チームはラボでこの酵素を精製し、L-セリンと混合しました。その結果、EdeMは他の化学的なパートナーを加えることなく、L-セリンをD-β-セリンへと単独で変換したことが分かりました。これは、これらの酵素の標準的なモデルでは、2つの異なる基質が必要とされるため、予想外の結果でした。さらなる実験により、EdeMは極めて選り好みが多く、L-セリンには作用するものの、他の類似のアミノ酸は無視することが明らかになりました。
この単一基質反応がどのように起こるのかを理解するために、科学者たちは反応中に酵素の中で何が動いているのかを正確に把握する必要がありました。彼らはEdeMの結晶を成長させ、X線を用いてその原子構造をマッピングしました。酵素は典型的なアミノトランスフェラーゼのような外観をしており、反応が起こるポケットを形成する2つの同一の半分から構成されていました。このポケットの内部には、化学的なアンカーとして機能するPLPと呼ばれるヘルパー分子が見つかりました。構造は、酵素が基質を固定するために、ヒドロキシ基を持つ4つの特定のチロシン残基に大きく依存していることを示していました。研究者がこれらのチロシンを変異させると、酵素は機能しなくなり、これらがこのユニークな反応に不可欠であることが証明されました。
チームは、反応が進行する過程で原子の経路を追跡するために、一連の巧妙な実験を用いました。彼らは、重い酸素の同位体を含む水を使用し、酵素が分子を分解して水を用いて再組み立てを行うかどうかを確認しました（これは多くの化学反応で見られる一般的なステップです）。結果は、重い酸素の取り込みは見られず、分子が切断され加水分解されるという標準的なメカニズムは否定されました。また、彼らは重い同位体でラベル付けされた二酸化炭素を使用して、酵素が二酸化炭素を放出し、その後空気中から新しい二酸化炭素を掴み取るかどうかを確認しました。生成物には元の出発物質由来の炭素のみが含まれており、二酸化炭素が周囲の溶液中に放出されることはなかったことが証明されました。
最も示唆に富む手がかりは、炭素原子と水素原子の動きを追跡することから得られました。炭素原子をラベル化したL-セリンを使用することで、彼らは、もともと鎖の2番目の位置にあった炭素原子が、最終的な生成物の3番目の位置に移動したことを発見しました。同時に、1番目の炭素に付いていたカルボキシル基も、新しい3番目の位置へと移動しました。これは、分子の炭素骨格全体が自らを再編成したことを意味します。さらなるテストでは、重い水素を用いることで、2つの水素原子が新しい位置に添加されたことが判明し、反応がカルボキシル基の特定の移動を伴うものであることが確認されました。
この移動がどのように起こるのかを説明するために、研究者たちはコンピュータ・シミュレーションを活用しました。彼らは酵素の活性部位内での反応をモデル化し、2つの可能な経路をテストしました。一つの説は、分子が、ねじれた三角形のような、一時的に非常に歪んだ3員環を形成するというものでした。コンピュータはこの形状が存在し得ることは示しましたが、反応に至る明確な経路を見つけることはできませんでした。もう一つのモデルは、カルボキシル基が次の炭素へと直接滑らかに移動する、いわゆる「1,2-マイグレーション（1,2-転移）」というプロセスを含むものでした。シミュレーションの結果、この直接的な経路はエネルギー障壁が非常に低く、容易に起こり得ること、そして特定のチロシン残基が、移動中のパーツを支える足場（スキャフォールド）として機能していることが示されました。この1,2-マイグレーションのメカニズムはすべての実験データと一致しており、分子を分解したり二酸化炭素を放出したりすることなく、どのように酵素がカルボキシル基を移動させるのかを説明しています。
この発見は、自然がいかにアミノ酸を操作できるかという新たな方法を明らかにしています。EdeMは、PLP依存性酵素の既知の能力を拡張し、通常のパートナーやステップなしで複雑な内部再編成を実行できることを示しました。この酵素は、完璧な立体化学的制御をもってD-β-セリンを生成し、純粋な単一の形態を作り出します。興味深いことに、最終的なエデイン抗生物質にはL型のβ-セリンが含まれていることから、EdeMがこれを作った後に、分子の形状を反転させる別の酵素が存在することを示唆しています。このユニークな酵素経路を定義することで、本研究は、細菌がいかにして複雑な抗生物質を構築するかという設計図を提供するとともに、科学者が医学用途のために同様の分子を作成しようとする際の新たなツールを提供しています。この研究は、これまで不可能と考えられていた化学的偉業を遂行するために進化しうる、生物学的触媒の驚異的な多才さを浮き彫りにしています。
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