世界初、代謝の謎「メタボロン」の部分構造と機能を解明 ―酵素を正しく導く新原理「GATEメカニズム」―

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2026-06-16 東北大学

東北大学を中心とする研究グループは、植物代謝において重要な役割を果たす酵素複合体「メタボロン」の部分構造と機能を世界で初めて原子レベルで解明した。メタボロンは複数の酵素が緩やかに集合して形成される代謝装置で、その不安定さから構造や制御機構の解明が困難だった。本研究では、フラボノイド生合成に関わるカルコン合成酵素(CHS)と補助タンパク質CHILの複合体を解析した結果、CHILがCHSの活性部位の構造を一時的に変化させ、反応経路を正しい方向へ導くことを明らかにした。研究チームは、このような一過的なタンパク質間相互作用によって酵素活性部位を最適化する仕組みを「GATE(Guided Active-site Tuning via transient Enzyme association)メカニズム」と命名した。CHILは単なる補助因子ではなく、「動的な導き手」として機能し、不安定な反応中間体の生成や副反応を抑制していた。本成果は、約40年来存在が提唱されながら実体解明が進まなかったメタボロン研究を大きく前進させるものであり、生命共通の代謝制御原理の理解や、合成生物学、代謝工学、機能性物質生産など幅広いバイオ技術への応用が期待される。

世界初、代謝の謎「メタボロン」の部分構造と機能を解明 ―酵素を正しく導く新原理「GATEメカニズム」―
図1. 細胞内におけるメタボロン(酵素複合体)形成による効率的なフラボノイド合成の概要図

<関連情報>

フラボノイド代謝物の過渡的な動態がカルコン合成酵素の特異性を調整する Transient dynamics of flavonoid metabolons tune chalcone synthase specificity

Riki Imaizumi,Toshiyuki Waki,Yoshikazu Hattori,Kohei Takeshita,Miru Sumita,Kazutomo Kawaguchi,Hiroyuki Kumeta,Kenichi Umeda,Kyohei Sato,Taro Yanai,Hiroaki Matsuura,Takeshi Yokoyama,Risa Omura,Kayo Nakatani,Naoki Sakai,Yukimura Kawagiwa,Yamato Doi,Aoi Yasuda,Takuya Nakano,Kaichi Uno,Kunihiro Yoshida,Misato Tsunashima,Tomohide Saio,Yoshikazu Tanaka,… Toru Nakayama
Nature Catalysis  Published:15 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41929-026-01551-6

Abstract

Cells achieve metabolic precision by assembling enzymes into dynamic complexes, but the regulatory mechanism of these metabolons is unclear. Here we characterize the chalcone synthase (CHS)–chalcone isomerase-like protein (CHIL) complex, a key component of flavonoid metabolons. While crystallography provides a static view, our analyses reveal that CHS undergoes rapid, reversible binding cycles with CHIL that regulate catalysis in real time. CHIL removes coenzyme A, an inhibitor of Claisen cyclization, transiently reshapes the CHS active site and guides the tetraketide intermediate towards productive cyclization, thereby suppressing derailment by-products. These findings demonstrate a previously unproven and generalizable regulatory effect in metabolons: guided active-site tuning via transient enzyme association. This concept enhances our understanding of metabolon function and opens avenues for synthetic biology and metabolic engineering.

生物化学工学
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