Ingenious ‘Molecular Movie’ Finally Reveals How Penicillin Is Made(分子の動きを捉え、ペニシリンの生成過程を解明)

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2026-10-09 オックスフォード大学

英国オックスフォード大学を中心とする国際研究チームは、抗生物質ペニシリンの基本骨格が酵素によって形成される過程を、原子レベルで時間を追って可視化することに成功した。研究では、ペニシリン生合成酵素イソペニシリンN合成酵素(IPNS)を対象に、X線自由電子レーザー(XFEL)を用いた時間分解構造解析を実施し、反応中に一瞬だけ存在する中間体を捉えた。その結果、β-ラクタム環の形成直前に生じるチオアルデヒド中間体や、最初の環状構造となる単環性β-ラクタム中間体を観察し、ペニシリンの複雑な環構造が形成される反応機構を明らかにした。さらに、酵素内部の水分子が反応を導き、鉄を含む活性中心だけでなく、タンパク質全体の構造変化も反応制御に関与することを示した。これらの知見は、ペニシリンなどのβ-ラクタム系抗生物質の生合成機構の理解を深め、薬剤耐性菌に対抗する新規抗生物質の開発や、酵素の人工設計、触媒技術の高度化につながると期待される。

Ingenious ‘Molecular Movie’ Finally Reveals How Penicillin Is Made(分子の動きを捉え、ペニシリンの生成過程を解明)
Using X-ray free electron laser experiments, the researchers captured structural snapshots of key intermediates during the reaction that produces penicillin. Image credit: University of Oxford/Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory.

<関連情報>

時間分解X線自由電子レーザー研究により、イソペニシリンNシンターゼ触媒反応中に予期せぬ中間体が同定された Unanticipated intermediates during isopenicillin N synthase catalysis identified by time-resolved X-ray free-electron laser studies

Patrick Rabe, Hiroki Makita, Rebecca Southwart, Midhun George Thomas, Mihails Kazaks, Shyam Basak, Tiankun Zhou, William K. Myers, Margaret D. Doyle, Philipp S. Simon, Shusaku Hayama, J. Frederick W. Mosselmans, Alexander T. Stead, Abraham O. Oluwole, Malkit Sami, Ian Clifton, Pierre Aller, Asmit Bhowmick, Anthony Tumber, Jos J. A. G. Kamps, Karina Calvopiña, Agata Butryn, Robert Bosman, Arjun Cheema, … Christopher J. Schofield
Nature Catalysis  Published:09 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41929-026-01618-4

Abstract

Biosynthesis of penicillin and cephalosporin antibiotics involves the oxidation of the tripeptide δ-(l-α-aminoadipoyl)-l-cysteinyl-d-valine (ACV) to give the conformationally strained bicyclic penicillin ring system, as catalysed by the Fe(II)-dependent oxidase isopenicillin N synthase (IPNS). The structures of the precursors for the sequential β-lactam and thiazolidine ring forming steps in IPNS have remained elusive. Here we studied the reaction of anaerobic IPNS:Fe(II):ACV microcrystals with O2 using time-resolved serial femtosecond crystallography and X-ray emission spectroscopy. High-resolution structures reveal that ACV cysteinyl oxidation produces a thioaldehyde that unexpectedly does not coordinate the iron centre. The use of deuterium-labelled ACV enabled the observation of a monocyclic β-lactam with restoration of the Fe–S bond. Together with mutagenesis, spectroscopic and computational studies, the results support Fe(IV)-mediated penicillin formation involving active-site water molecules. These findings provide structural insight into IPNS catalysis, inform on the wider Fe(II) oxygenase superfamily and highlight the power of X-ray free-electron laser methods for resolving transient enzymatic intermediates.

生物化学工学
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