iro合成の課題を乗り越える

科学者たちは、複合鉄硫黄タンパク質の無細胞合成のための効率的なワンポットプロトコルを開発

東京工業大学

画像: この図は、提案された合成プロトコルに含まれる 2 つの主要なステップを示しています。 ステップ 1 は、「未成熟」 (apo) タンパク質の合成に使用される PURE システムと並んで、酸素のない環境を作り出すために使用される化学カスケードを示しています。 ステップ 2 では、[4Fe-4S] クラスターをアポタンパク質に追加し、機能的で成熟した [4Fe-4S] タンパク質を生成する SUF 機構の実装を示します。もっと見る

クレジット: Wang およびNishikawa et al. より転載。 2023 ACS 合成生物学

Fe-S タンパク質の一部である Fe-S クラスターは、あらゆる形態の生命体に存在します。 これらは、呼吸と代謝に関与する生物学的補因子（さまざまな生化学的変換においてこれらのタンパク質を助けるヘルパー分子）として重要な役割を果たします。 これらのクラスターは進化の重要な部分であると考えられているため、研究において非常に興味深いものとなっています。 それらは、前生物化学 (生命体の出現前に存在した化学プロセス) と、今日私たちが知っている複雑な分子および生物学的システムの間のリンクとして機能します。 簡単に言えば、それらは地球上に生命を誕生させる原始的な触媒の一つかもしれません。 したがって、Fe-Sタンパク質を合成する便利な方法があれば、若い地球の生物学についての理解が進み、生命の起源に関する究極の疑問に答えるのに役立つことが期待されます。

しかし、その普及にもかかわらず、細胞外での成熟Fe-Sタンパク質の合成は困難であることが判明しています。 これらは、合成に複雑な細胞機構を必要とするだけでなく、酸素と接触すると、Fe-S クラスターとの反応により容易に分解します。 したがって、科学者たちは、最初に不完全（または「アポ」）タンパク質を生成および抽出し、続いて厳密に酸素が欠乏した条件下でその成熟（Fe-S補因子の追加）を行うという複雑なルートをたどることを余儀なくされていました。 しかし、このプロセスをさらに困難にしているのは、最終抽出物中に汚染された鉄含有タンパク質が存在することです。

最近の研究では、東京工業大学地球生命科学研究所（ELSI）の藤島康介准教授とショーン・マクグリン准教授、国立中央大学のPo-Hsiang Wang助教授を含む研究者チームが、 Fe-S クラスターが立方体状構造内に配置された成熟 [4Fe-4S] タンパク質を生成します。 研究チームは、成熟Fe-Sタンパク質を送達するための酸素除去システムの存在により、無酸素環境でも機能する特殊なFe-S集合タンパク質システム経路を考案した。

研究者らはまず、硫黄形成（SUF）システムとして知られるシステムを構築しようとしました。 細菌では、この多タンパク質システムには、[4Fe-4S] クラスターを生成するために必要なすべての機構が含まれています。 同様の機能（窒素固定や鉄硫黄クラスターシステムなど）を持つ他の経路と比較すると、酸素に対する耐性が高くなります。 研究チームは、無細胞環境で機能する能力を持つ6つのタンパク質サブユニットで構成される組換えSUF経路を作成した。

試験管内を無酸素環境に維持するために、研究者らは酸素除去システムとして機能する 3 つの酵素カスケード (連続して起こる 3 つの酵素反応のセット) を導入しました。 この掃気システムは環境から酸素を除去しますが、システムの効率も向上します。 これは、SUF システムによる Fe-S クラスターの合成に必要な電子伝達体である還元型フラビン アデニン ジヌクレオチド (FADH2) を生成することによって実現されます。

最後に、アポタンパク質の合成のために、チームは、PURE システムとして知られる再構成された無細胞タンパク質合成を使用することにより、タンパク質の in vitro 生産を可能にする特殊な無細胞法を採用しました。 遺伝物質 (DNA または mRNA) と必要なエネルギー源を追加すると、PURE システムは基本的に人工タンパク質工場として機能します。