補酵素骨格を転移する生合成酵素の触媒機構を解明~酵素を使った抗生物質のカスタム化へつながる一歩~

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2025-09-12 理化学研究所

理化学研究所らの共同研究グループは、抗生物質生合成に関わる新規酵素「3-ACP転移酵素NAT」の触媒機構を解明した。補酵素S-アデノシルメチオニン(SAM)は通常メチル基供与体として働くが、本研究ではSAMの部分構造「3-アミノ-3-カルボキシプロピル(3-ACP)」を基質へ転移させる仕組みに注目。X線結晶構造解析、変異導入実験、分子動力学シミュレーション、QM/MM計算を組み合わせ、SAMのアミノ基がブレンステッド塩基として基質の求核性を高め、Cγメチレンへの求核置換反応を促進する新しい触媒原理を明らかにした。さらに、アミノ基やカルボキシ基を欠いたSAM誘導体では反応が進行しないことを実証し、反応に必須であることを確認した。今回の成果は、β-ラクタム系抗生物質の骨格修飾や新規抗生物質設計に応用可能であり、「酵素を使った抗生物質のカスタム化」への道を拓く一歩となる。成果は Journal of the American Chemical Society に掲載された。

補酵素骨格を転移する生合成酵素の触媒機構を解明~酵素を使った抗生物質のカスタム化へつながる一歩~
NATの触媒するSAM変換反応

<関連情報>

ノカルディシン生合成における3-アミノ-3-カルボキシプロピル転移の構造基盤 Structural Basis for 3-Amino-3-carboxypropyl Transfer in Nocardicin Biosynthesis

Yaojie Gao,Masayuki Karasawa,Zhiyang Quan,Takahiro Mori,Masahiro Kanaida,Craig A. Townsend,Tohru Terada,Ikuro Abe,and Takayoshi Awakawa
Journal of the American Chemical Society  Published: September 8, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c08367

Abstract

S-Adenosyl-l-methionine (SAM) is well-known as a methyl donor for methyltransferases but also functions as a 3-amino-3-carboxypropyl (3-ACP) donor for 3-ACP transferases. NAT is a 3-ACP transferase which accepts β-lactam antibiotic nocardicin G (1) and SAM to produce isonocardicin C. Due to the lack of structural information about this enzyme, its reaction mechanism has not been fully identified. In this study, we report two X-ray crystal structures of NAT, including its apo and complex structure with 1 and SAH. Examination of them identified the structural basis for substrate recognition. Comprehensive approach integrating site-directed mutagenesis, thermal shift assay, MD simulation, and QM/MM calculation revealed that the Cα-amino group of SAM functions as a Brønsted base to enhance the nucleophilicity of the C6′-OH of 1, with the assistance of E143, thereby facilitating SN2 attack on the Cγ of SAM. This study presents structural and computational analysis leading to more precise understanding of 3-ACP transfer.

有機化学・薬学
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