大腸菌におけるポリヒドロキシアルカノエート合成系を用いたポリ(6-ヒドロキシヘキサノエート) [ポリ(ε-カプロラクトン)]の生合成

科学分野:

• バイオテクノロジー
• 高分子科学
• 合成生物学

背景:

• ポリ(ε-カプロラクトン)（PCL）は、望ましい特性を持つ生分解性ポリエステルですが、その化学合成には金属触媒が関与しており、環境への懸念があります。
• PCLの持続可能で無金属な生産方法の開発は、従来のプラスチックの代替としての広範な採用のために不可欠です。

研究 の 目的:

• ポリ(ε-カプロラクトン)（PCL）ホモポリマーおよびコポリマーの合成のための生物学的方法を確立すること。
• 新規ポリヒドロキシアルカノエート（PHA）合成酵素をエンジニアリングし、大腸菌におけるPCL生産に利用すること。
• エンジニアリングされた酵素を用いた無金属PCL合成の実現可能性を実証すること。

主な方法:

• 人工PHA合成酵素（FcPhaC4）を、安定性と基質特異性を向上させるために、フルコンセンサス設計アルゴリズムを使用してエンジニアリングしました。
• FcPhaC4を大腸菌で発現させ、PCL合成のために6-ヒドロキシヘキサノエート（6HHx）を補給して細菌を培養しました。
• ¹H/¹³C核磁気共鳴およびMALDI-TOF質量分析法を用いてPCL構造を確認しました。in vitroアッセイにより酵素活性を評価しました。

主要な成果:

• エンジニアリングされたFcPhaC4を発現させ、6HHxを補給した大腸菌を用いてPCLホモポリマーを合成しました。
• PCL収量をさらに向上させるFcPhaC4のF313Y変異体を確認しました。
• モノマー組成が制御されたP(3-ヒドロキシ酪酸-co-6HHx)のランダムコポリマーを生産しました。
• FcPhaC4およびその変異体が、PCLホモポリマー合成を可能にする唯一の基質として6HHx-CoAに対して活性を示すことを実証しました。

結論:

• FcPhaC4は、PCLホモポリマーを生物学的に合成できる最初の報告酵素です。
• このエンジニアリングされたPHA合成酵素システムは、PCL生産のための持続可能で無金属な代替手段を提供します。
• 開発された方法は、PCLホモポリマーおよびP(3-ヒドロキシ酪酸-co-6HHx)コポリマーの両方の合成を、調整可能な組成で可能にします。