酵素の”自己変換”によるブロック共重合メカニズムを発見~生分解性プラスチックPHAの高機能化に期待~

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2026-06-24 北海道大学,生命創成探究センター

北海道大学と自然科学研究機構生命創成探究センターの研究グループは、生分解性プラスチックであるポリヒドロキシアルカン酸(PHA)の合成酵素「PhaCAR」において、重合反応そのものが酵素機能を切り替える「自己誘導型機能スイッチング」を発見した。PhaCARは従来から、2種類のモノマー混合物から自発的にブロック共重合体を合成できることが知られていたが、その仕組みは不明だった。本研究では、重合反応の進行に伴い酵素自身の構造や機能が変化し、利用するモノマーを切り替えることで、規則的なブロック共重合体を形成することを明らかにした。これは「酵素が自ら生成した高分子によって機能を変化させ、モノマー配列を制御する」という新しい生体高分子合成原理を示す成果である。ブロック共重合体は耐久性や柔軟性などの物性制御に優れるため、本発見はPHAの高機能化や用途拡大に大きく貢献すると期待される。さらに、微生物を利用した高性能バイオプラスチックの持続可能な生産技術の発展にもつながる重要な知見である。

酵素の”自己変換”によるブロック共重合メカニズムを発見~生分解性プラスチックPHAの高機能化に期待~
酵素の機能変化に基づくブロック共重合体の合成

<関連情報>

重合反応によるPHA合成酵素の機能変化がブロック共重合を引き起こす Polymerization-Induced Functional Switching of Engineered Polyhydroxyalkanoate Synthase Directs Block Copolymerization

Kengo Yanagawa,Atsuji Kodama,Hiroya Tomita,Shunsuke Kita,Shin-ichi Hachisuka,Hiroshi Kikukawa,Susumu Uchiyama,Katsumi Maenaka,Ken’ichiro Matsumoto
Journal of the National Academy of Sciences  Published: June 14, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c04919

Abstract

Enhancing the physical properties and functionality of polyhydroxyalkanoates (PHA) is essential for expanding their applications, and controlling monomer sequence is central to this goal. Finding the first sequence-regulating PHA synthase, PhaCAR, previously enabled to biosynthesize PHA block copolymers, whereas the molecular mechanism underlying the spontaneous block copolymerization has remained unclear. In this study, we elucidated the mechanism using an in vitro assay system developed to monitor multisubstrate reactions. Poly(3-hydroxybutyrate)-block-poly(2-hydroxybutyrate) [P(3HB)-b-P(2HB)] was selected as a model block copolymer. Purified PhaCAR synthesized P(3HB)-b-P(2HB) from a mixture of substrates, 3HB-coenzyme A (CoA) and 2HB-CoA, indicating that the in vitro system closely reproduced in vivo polymer production. During the reaction, PhaCAR initially can polymerize only 3HB-CoA, forming the first P(3HB) segment. After this, P(3HB)-bound PhaCAR exhibited activity toward 2HB-CoA, indicating that the first-step reaction changed the function of PhaCAR. To create a state where polymerization proceeds uniformly, substrate analogs of oligomeric 3HB were prepared that can mimic the enzyme in the middle of the reaction. The oligomer-bound PhaCAR also exhibited activity toward 2HB-CoA, depending on oligomer length. The functional enhancement was associated with the PhaCAR’s conformational change, as revealed by cryo-electron microscopy. During the synthesis of the second segment, 2HB-CoA was found to inhibit 3HB-CoA polymerization, enabling the synthesis of the P(2HB) homopolymer segment in the presence of 3HB-CoA. Overall, the results demonstrated the novel sequence-regulating mechanism based on the polymerization-induced functional enhancement. The findings would be useful to further expand the structural variety of PHA for a wider range of applications.

生物化学工学
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