自然界の限界を超えるエネルギー変換機能を持つ ATP合成酵素の開発に成功~細胞工学やバイオものづくりへの応用に期待~

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2025-07-04 東京大学

東京大学と千葉大学らの研究チームは、ATP合成酵素を設計・改変し、自然界の酵素を上回るエネルギー変換効率を実現しました。Foモーター内のプロトン通路を一つから最大三つへ増設し、これまで以上に高いH⁺/ATP比(5.8)を達成。低いプロトン駆動力下でもATPを合成できることを実証しました。これにより、微弱なエネルギー条件でも生命反応を駆動できる設計指針が明確化され、細胞工学や合成生物学、人工光合成などバイオものづくりへの応用が期待されます。改変酵素の構造はクライオ電子顕微鏡解析で確認され、Foモーター内の追加通路が設計通り構築されていることが証明されました。本成果はNature Communications誌に掲載。

自然界の限界を超えるエネルギー変換機能を持つ ATP合成酵素の開発に成功~細胞工学やバイオものづくりへの応用に期待~
低いプロトン駆動力環境下でもATP合成を実現する改変型ATP合成酵素

<関連情報>

プロトン対ATP比を高めるATP合成酵素のエンジニアリング Engineering of ATP synthase for enhancement of proton-to-ATP ratio

Hiroshi Ueno,Kiyoto Yasuda,Norie Hamaguchi-Suzuki,Riku Marui,Naruhiko Adachi,Toshiya Senda,Takeshi Murata & Hiroyuki Noji
Nature Communications  Published:03 July 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-61227-w

Abstract

FoF1-ATP synthase (FoF1) interconverts the energy of the proton motive force (pmf) and that of ATP through the mechanical rotation. The H+/ATP ratio, one of the most crucial parameters in bioenergetics, varies among species due to differences in the number of H+-binding c-subunits, resulting in H+/ATP ratios ranging from 2.7 to 5. In this study, we seek to significantly enhance the H+/ATP ratio by employing an alternative approach that differs from that of nature. We engineer FoF1 to form multiple peripheral stalks, each bound to a proton-conducting a-subunit. The engineered FoF1 exhibits an H+/ATP ratio of 5.8, surpassing the highest ratios found in naturally occurring FoF1s, enabling ATP synthesis under low pmf conditions where wild-type enzymes cannot synthesize ATP. Structural analysis reveals that the engineered FoF1 forms up to three peripheral stalks and a-subunits. This study not only provides valuable insights into the H+-transport mechanism of FoF1 but also opens up possibilities for engineering the foundation of cellular bioenergetics.

生物工学一般
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