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工藤 恒先端バイオ工学研究センター助教
研究活動情報
■ 受賞■ 論文
- α-Keto acids are central metabolic intermediates that serve as precursors for a broad range of valuable compounds, including alcohols, organic acids, and alkanes. Therefore, efficient biosynthesis of α-keto acids from α-amino acids is essential for microbial production of α-keto acids-derived products. While transaminases have traditionally been employed for this conversion, their dependence on α-ketoglutarate and reversibility can impose metabolic burdens and limit yield. Recently, amino acid deaminases (AADs) have been used for conversion of amino acids to α-keto acids, because AADs catalyze irreversible oxidative deamination without any co-substrate and thus may offer advantages for α-keto acid production. Here, we experimentally demonstrated the superiority of AADs over transaminases in amino acid-to-α-keto acid conversion for the first time, using the production of indole-3-acetic acid from tryptophan as a case study. Escherichia coli cells expressing AAD genes from Proteus myxofaciens or P. mirabilis exhibited higher production of indole-3-acetic acid and indole-3-pyruvic acid, which is a direct product from tryptophan and an intermediate for indole-3-acetic acid production, than transaminases. Our kinetic analysis revealed that AADs exhibited higher affinity towards tryptophan than transaminases, contributing to higher production rate. This is the first report to demonstrate the superiority of AADs over transaminases for α-keto acids production. Furthermore, AADs showed better performance in the bioconversion of leucine, valine, and phenylalanine to their corresponding α-keto acids than transaminases. These findings establish AADs as promising biocatalysts for α-keto acid synthesis, supporting their use in pathway design for bioproduction of α-keto acid-derived compounds.2026年04月, Metabolic engineering, 96, 234 - 242, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- Protein engineering is a practical approach to providing enzymes with an "abiotic" catalytic activity. However, it remains difficult to explore the full diversity of natural sequence space through the engineering of a single specific protein. As an alternative to these protein engineering approaches, we here demonstrate a database mining approach using a principal component analysis (PCA)-based clustering method to facilitate the identification of promising enzyme candidates. As a proof of concept, we applied this method to the cyclopropanation of styrene, and the sequence space of bacterial globins in the database was extensively investigated. By screening 275 globins from 171 different organisms, we successfully discovered enzymes capable of catalyzing stereodivergent carbene transfer reactions. Furthermore, statistical analyses of sequence data allowed us to detect characteristic structural properties of these globins, which determine the unique stereoselectivity of cyclopropanation. While these bioinformatics tools have primarily been applied to predict enzymes' natural biological functions, this study demonstrates their applicability to exploring enzyme candidates for abiotic reactions unrelated to their native biological activity. Given the increasing interest in biocatalytic applications beyond natural reactivity, this PCA-based mining approach provides a promising direction for expanding the functional diversity of biocatalysts.2026年03月, Angewandte Chemie (International ed. in English), 65(10) (10), e26025, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- 2025年06月, ACS CATALYSIS, 15(14) (14), 11931 - 11943, 英語研究論文（学術雑誌）
- 2024年11月, Biochemical and biophysical research communications, 734, 150642 - 150642, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- 2023年03月, Journal of bacteriology, 205(3) (3), e0034022, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- 2022年06月, Scientific reports, 12(1) (1), 9218 - 9218, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- 2022年, Frontiers in molecular biosciences, 9, 862910 - 862910, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- 2019年01月, Biochemical and biophysical research communications, 508(4) (4), 1050 - 1055, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- 2019年, Biotechnology for biofuels, 12, 89 - 89, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- 2019年, Biotechnology for biofuels, 12(1) (1), 291 - 291, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- 2018年, Advances in experimental medicine and biology, 1080, 119 - 154, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- 2016年, Biotechnology for biofuels, 9, 234 - 234, 英語, 国際誌研究論文（学術雑誌）
- 2024年, 日本生物工学会大会講演要旨集, 76th計算科学を利用した中鎖アルデヒド特化型アルカン合成酵素の開発
- 2022年, 日本生物工学会大会講演要旨集, 74th様々な炭素鎖長のアルデヒドに対応可能なアルカン合成酵素の開発
- 2022年, 日本生物工学会大会講演要旨集, 74thテーラーメイド・バイオ生産に向けたα-ケト酸脱炭酸酵素の開発
- 2021年, 生物工学会誌, 99(9) (9)藻類バイオマス利用のための新しい生物工学(後編)ラン藻が持つアルカン合成関連酵素の高活性化
- 2020年, バイオサイエンスとインダストリー, 78(4) (4)バイオ燃料生産に向けたラン藻由来アルカン合成酵素の高活性化
- 2020年, KEK Progress Report (Web), (2020-6) (2020-6)Mycoplasma mobileのモーターを構成するタンパク質MMOB1620の構造解析
- 2020年, クリーンエネルギー, 29(5) (5)酵素の高機能化によるバイオ燃料の生産性の向上
- 2019年, KEK Progress Report (Web), (2019-7) (2019-7)ラン藻由来アルカン合成関連酵素の複合体構造のSAXS解析
- 2019年, 日本細胞生物学会大会(Web), 71stアルカン合成関連酵素間の結合に必要な静電相互作用
- 2019年, 日本細胞生物学会大会(Web), 71stラン藻由来アルカン合成関連酵素の高活性化に重要な非保存部位の探索
- 2018年, 日本農芸化学会大会講演要旨集(Web), 2018ラン藻由来アシルACP還元酵素の変異解析による炭化水素合成量の向上
- 2018年, 日本生物工学会大会講演要旨集, 70th変異解析によるラン藻由来アルカン合成関連酵素の機能発現に重要な部位の同定
- 2018年, KEK Progress Report (Web), (2018-7) (2018-7)ラン藻由来アルカン合成関連酵素の立体構造解析
- 2018年, 日本蛋白質科学会年会プログラム・要旨集, 18th天然変性タンパク質HIV-1 Tatの構造特性と分子認識
- 2017年, KEK Progress Report (Web), (2017-10) (2017-10)X線溶液散乱法による天然変性タンパク質の立体構造解析
- 2017年, 日本蛋白質科学会年会プログラム・要旨集, 17thラン藻由来アルカン合成関連酵素群の機能解析
- 2017年, 月刊ファインケミカル, 46(2) (2)人工改変による機能性タンパク質の開発と応用 ラン藻由来アルカン合成関連酵素の高活性化と軽油生産性の向上
- 2017年, 日本蛋白質科学会年会プログラム・要旨集, 17th天然変性タンパク質HIV-1 Tatの亜鉛とpHに依存した構造多様性
- 2017年, 日本蛋白質科学会年会プログラム・要旨集, 17th合理的設計による新規抗体精製用アフィニティーリガンドの開発
- 2017年, 日本生化学会大会(Web), 90th中性に近いpHで抗体を精製可能な新規アフィニティーカラムの開発
- 2016年, 日本蛋白質科学会年会プログラム・要旨集, 16thラン藻由来アルカン合成関連酵素の構造機能解析
- 2016年, 日本蛋白質科学会年会プログラム・要旨集, 16th天然変性タンパク質HIV-1Tatの立体構造解析
- 2016年, 日本蛋白質科学会年会プログラム・要旨集, 16thマイコプラズマGli349タンパク質の立体構造解析
- 2016年, 酵素工学研究会講演会講演要旨集, 76thラン藻由来アルカン合成関連酵素を利用したバイオエネルギー生産
- 2015年, 日本蛋白質科学会年会プログラム・要旨集, 15thシアノバクテリア由来アルカン合成関連酵素の変異解析
- 2014年, 日本植物生理学会年会要旨集, 55thシアノバクテリアSynechocystis sp.PCC 6803におけるcpcオペロン近傍のncRNAの解析
■ 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, 神戸大学, 2025年04月01日 - 2028年03月31日機械学習支援による合理的設計法の確立とアルカン合成酵素複合体の機能改良
- 科学技術振興機構, 戦略的な研究開発の推進 革新的GX技術創出事業 GteX, 大阪大学, 2023年 - 2027年日本のバイオものづくりは中規模・多品種型生産で世界をけん引してきた。しかし、一連のプロセス開発研究が個社に委ねられてきたため、プロセス開発期間の長期化と高コスト化、スケールメリットの小ささがボトルネックとなっている。この課題を解決するためには、産業形態の垂直統合型から水平分業型への変革、実プロセスからバックキャストした設計思想に基づく新たな育種技術の開発が必要である。 これらを実現するために本研究では以下の課題に取り組む。 1) プロセス開発の共通言語となる標準的な細胞(ベーシックセル)の作出 2) 汎用微生物にはないユニークな機能を備えた微生物の探索と宿主化 3) Design-Build-Test-Learn (DBTL)サイクルの次世代化 これらの取り組みによりプロセス開発期間の短縮、新規事業者の参入拡大、プロダクトの多様化を加速し、持続的なバイオエコノミー拡大に貢献する。
- 日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 特別研究員奨励費, 東京大学, 2018年04月25日 - 2020年03月31日ラン藻由来の炭化水素合成関連酵素の高活性化とバイオ燃料生産への応用ラン藻の炭化水素生産にはアシルACP還元酵素（AAR）とアルデヒド脱ホルミル化オキシゲナーゼ（ADO）の2つの酵素が関与している。酵素AAR、ADOは微生物の炭化水素生産における鍵となる酵素であるが活性が低い。このため、バイオ燃料生産への応用には両酵素の高活性化が必要不可欠である。 酵素AARについては、前年度にて低活性型AARの変異解析より、6つのアミノ酸変異が炭化水素生産量を大きく増加させることを見出した。そこで、これら6つの変異を組み合わせた多重変異導入を行ったところ、野生型に比べて炭化水素合成量が最大60倍以上増加した高機能化AAR変異体を創出でき、既存の高活性型AARでの炭化水素生産量と同等以上であった。これらAARに関する研究を論文として発表できた（1報目）。 酵素ADOについては、10種類のラン藻由来ADOについて活性を比較し、高活性型ADO（7942ADO）と低活性型ADO（7421ADO）を見出した。次に、7942ADOのアミノ酸配列に7421ADOのアミノ酸配列を近づけるような一アミノ酸置換変異を行った。7421ADO一アミノ酸置換変異体を40個作製し活性測定を行った結果、酵素活性を向上させることができた。さらに可溶性発現量も増大した変異体が得られた。得られた高活性化ADO変異体は高機能化AARと同様に炭化水素の大量生産に大きく貢献しうる。これらADOに関する研究を論文として発表できた（2報目）。 本研究で得られた高機能化AAR、ADOなどをラン藻内で発現させることによって、ラン藻での炭化水素生産量を大きく向上させることに成功した。以上の成果より、本研究で創出された高機能化AAR、ADOはラン藻でのバイオ燃料生産の実用化に大きく貢献できると期待される。