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森 裕太郎大学院工学研究科 応用化学専攻助教
研究活動情報
■ 受賞- 2023年03月 化学工学会, 研究奨励賞（實吉雅郎記念賞）, 酵素基質特異性の合理的改変による有用化合物生産に関する研究
- 2022年03月 特定国立研究開発法人 理化学研究所, 2021年度理研産業連携奨励賞（桜舞賞）
- 2021年04月 酵素工学研究会, 酵素工学奨励賞, 有用物質生産に資する酵素変異体の合理的設計に関する研究
- 2013年12月 日本生物工学会 九州支部学生賞 (博士課程の部), 新規ビオチン化試薬を用いた酵素集合体の形態制御と機能化
- 2013年09月 IGER International Symposium on Cell Surface Structures and Function, Poster Awards, Fabrication of Higher-Order Protein Supramolecular Complexes
- 2010年11月 化学工学会 九州支部学生賞 (修士課程の部), Avidin-biotin相互作用と部位特異的酵素修飾を利用した高感度バイオセンサーの開発
- ABSTRACT The modularization of biosynthetic pathways is a promising approach for enhancing microbial chemical production. We have developed a co-utilization method with glucose and xylose substrates to divide metabolic pathways into distinct production and energy modules to enhance the biosynthesis of para -aminobenzoic acid (pABA) in Escherichia coli . Optimizing initial glucose/xylose concentrations and eliminating carbon leakage resulted in a pABA titer of 8.22 g/L (yield: 0.23 g/g glucose). This strategy was then applied to the biosynthesis of 4APhe, a compound synthesized from chorismate without pyruvate (PYR) release. Utilizing glucose and xylose as co-substrates resulted in the production of 4.90 g/L 4APhe. Although 4APhe production did not benefit from PYR-driven energy generation as pABA production did, high titer was still achieved. This study highlights the effectiveness of modular metabolic pathway division for enhancing the production of key aromatic compounds and provides valuable insight into microbial production of chemicals that require specific biosynthetic donors such as amino groups. IMPORTANCE Microbial biosynthesis of chemicals from renewable resources offers a sustainable alternative to fossil fuel-based production. However, inefficiencies due to substrate diversion into by-products and biomass hinder optimal yields. In this study, we employed a modular metabolic engineering approach, decoupling pathways for chemical production from cell growth. Using glucose and xylose as co-substrates, we achieved the enhancement of p -aminobenzoic acid production in Escherichia coli . Additionally, we demonstrated the versatility of this approach by applying it to the biosynthesis of 4-amino-phenylalanine production. This study highlights the potential of modular metabolic pathway division for increased production of target compounds and provides valuable insight into microbial production of chemicals that require specific biosynthetic donors such as amino groups.American Society for Microbiology, 2025年04月, Applied and Environmental Microbiology研究論文（学術雑誌）
- Cross-coupling reactions between short-lifetime radicals are challenging reactions in organic chemistry. Here, we report the development of an N-heterocyclic carbene (NHC)-mediated radical coupling reaction based on the catalytic machinery of thiamine- and flavin-dependent enzymes. Through a series of enzyme screenings, we found that acetolactate synthase from Thermobispora bispora (TbALS) and its engineered variants exhibit promising catalytic activity toward abiotic radical acylation reactions of α-bromo carbonyl compounds. Notably, the TbALS variant has higher catalytic activity for small nonaromatic substrates despite forming less stable radical intermediates. Furthermore, the catalytic system of TbALS can be applied to photocatalytic reactions utilizing the photoredox properties of FAD. Nonbenzylic alkyl radicals generated from N-acyloxyphthalimides are efficiently converted into the corresponding dialkyl ketones under irradiation of a blue LED. These findings highlight the utility of thiamine- and flavin-dependent enzymes for achieving selective cross-coupling reactions of short-lifetime radicals.2025年04月, Journal of the American Chemical Society, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- The demand for the essential commodity chemical 1,2-propanediol (1,2-PDO) is on the rise, as its microbial production has emerged as a promising method for a sustainable chemical supply. However, the reliance of 1,2-PDO production in Escherichia coli on anaerobic conditions, as enhancing cell growth to augment precursor availability remains a substantial challenge. This study presents glucose-based aerobic production of 1,2-PDO, with xylose utilization facilitating cell growth. An engineered strain was constructed capable of exclusively producing 1,2-PDO from glucose while utilizing xylose to support cell growth. This was accomplished by deleting the gloA, eno, eda, sdaA, sdaB, and tdcG genes for 1,2-PDO production from glucose and introducing the Weimberg pathway for cell growth using xylose. Enhanced 1,2-PDO production was achieved via yagF overexpression and disruption of the ghrA gene involved in the 1,2-PDO-competing pathway. The resultant strain, PD72, produced 2.48 ± 0.15 g L-1 1,2-PDO with a 0.27 ± 0.02 g g-1-glucose yield after 72 h cultivation. Overall, this study demonstrates aerobic 1,2-PDO synthesis through the isolation of the 1,2-PDO synthetic pathway from the tricarboxylic acid cycle.2024年08月, Biotechnology journal, 19(8) (8), e2400210, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- Previously, we biosynthesized an evolved version of a bio-based polylactide (PLA) on microbial platforms using our engineered lactate-polymerizing enzyme (LPE). This lactate (LA)-based copolyester, LAHB, has advantages over PLA, including improved flexibility and biodegradability, and its properties can be regulated through the LA fraction. To expand the LA-incorporation capacity and improve polymer properties, in the state of in vivo LAHB production, propionyl-CoA transferases (PCTs) that exhibited enhanced production of LA-CoA than the conventional PCTs were selected. Here, the present study has demonstrated that the LA fraction of LAHB could be altered using various PCTs. Enhanced PCT performance was achieved by balancing polymer production and cell growth. Both events are governed by the use of acetyl-CoA, a commonly shared key metabolite. This could be attributed to the different reactivities of individual PCTs towards acetyl-CoA, which serves both as a CoA donor and a leading compound in the TCA cycle. Interestingly, we found complete sequence randomness in the LAHB copolymers, independent of the LA fraction. The mechanism of LA fraction-independent sequence randomness is discussed. This new PCT-based strategy synergistically combines with the evolution of LPE to advance the LAHB project, and enables us to perform advanced applications other than LAHB production utilizing CoA-linked substrates.2024年08月, International journal of biological macromolecules, 274(Pt 2) (Pt 2), 133055 - 133055, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- Elsevier BV, 2024年06月, Bioresource Technology, 130927 - 130927研究論文（学術雑誌）
- Styrene is an important industrial chemical. Although several studies have reported microbial styrene production, the amount of styrene produced in batch cultures can be increased. In this study, styrene was produced using genetically engineered Escherichia coli. First, we evaluated five types of phenylalanine ammonia lyases (PALs) from Arabidopsis thaliana (AtPAL) and Brachypodium distachyon (BdPAL) for their ability to produce trans-cinnamic acid (Cin), a styrene precursor. AtPAL2-expressing E. coli produced approximately 700 mg/L of Cin and we found that BdPALs could convert Cin into styrene. To assess styrene production, we constructed an E. coli strain that co-expressed AtPAL2 and ferulic acid decarboxylase from Saccharomyces cerevisiae. After a biphasic culture with oleyl alcohol, styrene production and yield from glucose were 3.1 g/L and 26.7% (mol/mol), respectively, which, to the best of our knowledge, are the highest values obtained in batch cultivation. Thus, this strain can be applied to the large-scale industrial production of styrene.2024年01月, BioTech, 13(1) (1), 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- Nitroaromatic compounds are widely used in industry, but their production is associated with issues such as the hazardousness of the process and low regioselectivity. Here, we successfully demonstrated the production of p-nitrobenzoate (PNBA) from glucose by constructing p-aminobenzoate N-oxygenase AurF-expressing E. coli. We generated this strain, which we named PN-1 by disrupting four genes involved in PNBA degradation: nfsA, nfsB, nemA, and azoR. We then expressed AurF from Streptomyces thioluteus in this strain, which resulted in the production of 945 mg/L PNBA in the presence of 1 g/L p-aminobenzoate. Direct production of PNBA from glucose was achieved by co-expressing the pabA, pabB, and pabC, as well as aurF, resulting in the production of 393 mg/L PNBA from 20 g/L glucose. To improve the PNBA titer, we disrupted genes involved in competing pathways: pheA, tyrA, trpE, pykA, and pykF. The resultant strain PN-4Ap produced 975 mg/L PNBA after 72 h of cultivation. These results highlight the potential of using microorganisms to produce other nitroaromatic compounds.2023年12月, Enzyme and microbial technology, 171, 110321 - 110321, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- Sciscan Publishing Limited, 2023年, Synthetic Biology and Engineering, 1(1) (1), 1 - 9研究論文（学術雑誌）
- Springer Science and Business Media LLC, 2021年12月, Nature Communications, 12(1) (1), 2195 - 2195, 英語, 国際誌
Abstract The C4 unsaturated compound 1,3-butadiene is an important monomer in synthetic rubber and engineering plastic production. However, microorganisms cannot directly produce 1,3-butadiene when glucose is used as a renewable carbon source via biological processes. In this study, we construct an artificial metabolic pathway for 1,3-butadiene production from glucose inEscherichia coli by combining thecis,cis -muconic acid (cc MA)-producing pathway together with tailored ferulic acid decarboxylase mutations. The rational design of the substrate-binding site of the enzyme by computational simulations improvescc MA decarboxylation and thus 1,3-butadiene production. We find that changing dissolved oxygen (DO) levels and controlling the pH are important factors for 1,3-butadiene production. Using DO–stat fed-batch fermentation, we produce 2.13 ± 0.17 g L−1 1,3-butadiene. The results indicate that we can produce unnatural/nonbiological compounds from glucose as a renewable carbon source via a rational enzyme design strategy.研究論文（学術雑誌） - Microbial metabolic pathway engineering is a potent strategy used worldwide to produce aromatic compounds. We drastically rewired the primary metabolic pathway of Escherichia coli to produce aromatics and their derivatives. The metabolic pathway of E. coli was compartmentalized into the production and energy modules. We focused on the pyruvate-forming reaction in the biosynthesis pathway of some compounds as the reaction connecting those modules. E. coli strains were engineered to show no growth unless pyruvate was synthesized along with the compounds of interest production. Production of salicylate and maleate was demonstrated to confirm our strategy's versatility. In maleate production, the production, yield against the theoretical yield, and production rate reached 12.0 g L-1, 67%, and up to fourfold compared to that in previous reports, respectively; these are the highest values of maleate production in microbes to our knowledge. The results reveal that our strategy strongly promotes the production of aromatics and their derivatives.Elsevier BV, 2021年09月, Metabolic Engineering, 67, 1 - 10, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- BACKGROUND: The microbial production of useful fuels and chemicals has been widely studied. In several cases, glucose is used as the raw material, and almost all microbes adopt the Embden-Meyerhof (EM) pathway to degrade glucose into compounds of interest. Recently, the Entner-Doudoroff (ED) pathway has been gaining attention as an alternative strategy for microbial production. RESULTS: In the present study, we attempted to apply the ED pathway for isobutanol production in Escherichia coli because of the complete redox balance involved. First, we generated ED pathway-dependent isobutanol-producing E. coli. Thereafter, the inactivation of the genes concerning organic acids as the byproducts was performed to improve the carbon flux to isobutanol from glucose. Finally, the expression of the genes concerning the ED pathway was modified. CONCLUSIONS: The optimized isobutanol-producing E. coli produced 15.0 g/L of isobutanol as the final titer, and the yield from glucose was 0.37 g/g (g-glucose/g-isobutanol).Springer Science and Business Media LLC, 2019年12月, Microbial Cell Factories, 18(1) (1), 124 - 124, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- Artificial design of metabolic pathways is essential for the production of useful compounds using microbes. Based on this design, heterogeneous genes are introduced into the host, and then various analysis and evaluation methods are conducted to ensure that the target enzyme reactions are functionalized within the cell. In this chapter, we list successful examples of useful compounds produced by designing artificial metabolic pathways, and describe the methods involved in analyzing, evaluating, and optimizing the target enzyme reaction.Elsevier BV, 2018年12月, Current Opinion in Biotechnology, 54, 41 - 44, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- 2018年03月, Process Biochemistry, 66, 140 - 145, 英語[査読有り]研究論文（学術雑誌）
- Maleate is one of the most important dicarboxylic acids and is used to produce various polymer compounds and pharmaceuticals. Herein, microbial production of maleate is successfully achieved, to our knowledge for the first time, using genetically modified Escherichia coli. A synthetic pathway of maleate is constructed in E. coli by combining the polyketide biosynthesis pathway and benzene ring cleavage pathway. The metabolic engineering approach used to fine-tune the synthetic pathway drastically improves maleate production and demonstrates that one of the rate limiting steps exists in the conversion of chorismate to gentisate. In a batch culture of the optimised transformant, grown in a 1-L jar fermentor, the amount of produced maleate reaches 7.1 g L-1, and the yield is 0.221 mol mol(-1). Our results suggest that the construction of synthetic pathways by combining a secondary metabolite pathway and the benzene ring cleavage pathway is a powerful tool for producing various valuable chemicals.Nature Publishing Group, 2017年12月, Nature Communications, 8(1) (1), 1153 - 1153, 英語研究論文（学術雑誌）
- American Chemical Society (ACS), 2016年10月, Biomacromolecules, 17(10) (10), 3356 - 3362研究論文（学術雑誌）
- 2016年, Molecular Systems Design and Engineering, 1(1) (1), 66 - 73研究論文（学術雑誌）
- Elsevier BV, 2015年06月, Bioresource Technology, 185, 158 - 164研究論文（学術雑誌）
- 2015年05月, ENZYME AND MICROBIAL TECHNOLOGY, 72, 16 - 24, 英語研究論文（学術雑誌）
- Springer Science and Business Media LLC, 2014年12月, Sustainable Chemical Processes, 2(1) (1)研究論文（学術雑誌）
- Royal Society of Chemistry (RSC), 2013年, Org. Biomol. Chem., 11(6) (6), 914 - 922研究論文（学術雑誌）
- 2013年, CHEMICAL COMMUNICATIONS, 49(62) (62), 6971 - 6973, 英語研究論文（学術雑誌）
- Elsevier BV, 2011年07月, Biochemical and Biophysical Research Communications, 410(4) (4), 829 - 833研究論文（学術雑誌）
- 2011年, ORGANIC & BIOMOLECULAR CHEMISTRY, 9(16) (16), 5641 - 5644, 英語研究論文（学術雑誌）
- 2021年12月, RIKEN Research
- 2021年08月, RIKEN ResearchBacteria-made chemical offers a renewable source of synthetic rubber
- 2021年04月, 酵素工学ニュース, (85) (85), 20 - 24Ferulic acid decarboxylase の合理的設計による人工代謝経路の構築
- 2018年02月, 生物工学会誌 / 日本生物工学会 編, 96(10) (10), 578代謝デザインに資する酵素創製と探索
- Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2018年01月05日, Emerging Areas in Bioengineering, 93 - 103
- 日本生物工学会, 2015年, 日本生物工学会大会講演要旨集, 67, 187 - 187, 日本語2P-051 セルロース結合性DNA アプタマーを利用した新規人工セルラーゼの創製(タンパク質工学,一般講演)
- Springer Japan, 2015年, Transglutaminases, 373 - 383
- 日本生物工学会, 2014年11月, 生物工学会誌, 92(11) (11), 624 - 624, 日本語「適材適所」―相手に応じたセルロソームの自己最適化―
- 日本生物工学会, 2014年, 日本生物工学会大会講演要旨集, 66, 38 - 38, 日本語1P-085 酵素反応を介したセルラーゼ-ポリマーハイブリッドの分子設計(酵素学,酵素工学,一般講演)
- 第5回 超越分子システム 計算科学を使う勉強会, 2024年01月計算科学を用いた酵素設計による機能の改良と改変[招待有り]
- MOEフォーラム2022, 2022年10月有用化合物生産に向けたin silico酵素設計[招待有り]
■ 共同研究・競争的資金等の研究課題
- 日本学術振興会, 科学研究費助成事業 若手研究, 若手研究, 国立研究開発法人理化学研究所, 2021年04月01日 - 2023年03月31日酵素触媒サイクルの高速化を可能とする酵素変異体の合理的設計戦略の創成本研究では、持続可能な環境調和型社会の実現に向けて、目的化合物の生産量を向上させることを目的として、高活性な酵素変異体を合理的に開発するための設計戦略の確立を目指す。具体的には、フェニルアラニン脱アンモニア酵素 (PAL) を鋳型酵素として活性測定を行い、分子動力学シミュレーションとの比較から酵素反応速度に関わる要素の抽出とそれに基づいた高活性な変異体設計のためのルール構築を行う。特に現在、酵素と基質の間の親和力を基準として酵素反応速度パラメーターKmを向上させるような研究例は多く行われているものの、反応速度Vmaxについて基準とできる計算値・指標が存在していない。そこで本研究ではVmaxを向上させうる酵素変異体の設計指針を確立させる。 本年度は鋳型酵素PALの酵素変異体モデルを構築し、基質入り口から活性中心に至るまでの時間を算出するためのメソッドの確立を試みた。しかしながら、基質入り口から活性中心に至るまでの途中の地点で最安定となりそれ以上動かなくなってしまう、そもそも計算に時間がかかる等の課題が明らかとなった。計算法に関してはもっと改善する必要性がある。 またそれと並行して、PALの酵素活性中心を除いた部分に変異を導入した酵素変異体群を作成し、活性評価を行った。その結果、野生型と比較して0倍から最大で1.4倍程度の活性を持つPAL変異体のバリエーション獲得に成功した。今度、順次上記計算値と比較する。
- 日本学術振興会, 科学研究費助成事業 若手研究, 若手研究, 国立研究開発法人理化学研究所, 2019年04月01日 - 2021年03月31日基質特異性の理解に基づく酵素変異体の合理的な設計手法の確立本研究では、持続可能な環境調和型社会の実現に向けて、目的化合物の生産量を向上させることを目的として、高活性な酵素変異体を合理的に開発するための設計戦略の確立を目指す。具体的には、ピルビン酸脱炭酸酵素 (PDC) を鋳型酵素として選択した。PDCは様々な置換基を持つ基質からの脱炭酸が報告されていることから、様々なPDCを用いた基質スクリーニングから得られた酵素反応特性（脱炭酸反応が進行するかどうか、また反応速度）と酵素－基質結合モデルとの比較を行うことで、基質特異性に関わる要素の抽出とそれに基づいた高活性な変異体設計のためのルール構築を行う。 本年度はまず、複数種類のPDCについて検討し、本来の基質を用いた活性測定を行うことで大腸菌での活性型での発現が可能かどうかを確認した。その結果、大腸菌以外を由来とするPDCについて、脱炭酸反応後の生成物であるアルデヒド化合物が検出されたことから、大腸菌を用いたタンパク質発現に成功したと判断した。 タンパク質の合理的設計（変異体の構築）により、目的のタンパク質機能を向上させる研究においては、変異箇所の絞り込みを行うためにタンパク質の3D情報が必須である。特に結晶構造が解析されていないタンパク質について、構築した3D結晶構造モデルを元にした変異体設計戦略を確立することは、学術的に重要である。そこで、次にそれら複数種類の中から1つPDCを選択し、3D結晶構造モデルの構築および変異体構築と活性測定を行うことで、構造モデルの妥当性について検討を行った。その結果、基質認識に重要なアミノ酸残基を潰す変異を導入した場合、活性の欠落を確認するとともに、いくつかの基質結合部位への変異導入により、天然の基質に対する脱炭酸能力の向上を達成した。 今後はすでに結晶構造が解明されている酵素との比較から妥当性を評価するとともに、他の由来のPDCについても検討する。
- 日本学術振興会, 科学研究費助成事業 研究活動スタート支援, 研究活動スタート支援, 国立研究開発法人理化学研究所, 2015年08月28日 - 2017年03月31日本研究では、大腸菌内で連続して反応を行う代謝酵素群を集積化させることにより、糖を炭素源とした目的の物質生産の効率を向上させるシステムの開発を行う。具体的には、まず大腸菌細胞内で十分な結合力を示す新規のタンパク質―タンパク質相互作用ペアを複数個探索・設計する。これまでの研究成果により、大腸菌内での安定的なタンパク質相互作用ペアの発現およびin vitroにおいて相互作用することを確認した。
- サッカロミケス由来フェルラ酸デカルボキシラーゼ変異体、及びそれを用いた不飽和炭化水素化合物の製造特願2019-172227, 2019年特許権
- デカルボキシラーゼ、及びそれを用いた不飽和炭化水素化合物の製造方法特願2017-142930, 2017年特許権
- ビオチン化合物、ビオチン標識化剤及びタンパク質集合体特願2014-118174, 2014年, 特開2015-229672, 特許6419460特許権
- ビオチン化合物、ビオチン標識化剤、タンパク質集合体特願JP2012065407, 2012年06月15日, 特許6226750特許権
- フェニルアラニンアンモニアリアーゼを用いた鎖状の不飽和カルボン酸化合物の製造方法特願 2020-219017特許権