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Spotlight Research 制药研究的新技术——多种肽化合物的简易合成

本文来自日文版 原帖 翻译投稿  张寻

欢迎来到研究特别关注,这次让我们来关注东京大学研究生院农学生命科学研究科·尾仲宏康研究室的山下湖奈女士和尾崎太郎助教的研究。

尾仲研究室发现了微生物的隐藏特性,致力于把对人类有益的技术投入应用。他们与伙伴实验室东京大学研究生院理学系研究科·菅裕明实验室和北里大学北里生命研究所·池田治生老师的团队一起,通过使用人造基因,使土壤中的放线菌产生天然肽化合物Goadsporin、并且确立了高效率合成此类似物的新技术。本成果业已刊载在新闻以及论文中。

Dissection of goadsporin biosynthesis by in vitro reconstitution leading to designer analogues expressed in vivo

Ozaki, K. Yamashita, Y. Goto, M. Shimomura, S. Hayashi, S. Asamizu, Y. Sugai, H. Ikeda, H. Suga, H. Onaka

Nat. Commun. 2017, 8, 14207. DOI: 10.1038/ncomms14207

尾崎助教和山下湖奈女士的导师尾仲老师对他们有如下的评价:

“我们的实验室很小,包括教师一共只有七个人。正是尾崎助教和山下小姐两个人长达两年‘两人三足’式地努力研究,才有了今天的成果。在尾崎助教的指导下,山下小姐怀着永不言弃的信念,不知疲倦地一次次反复做实验。她努力的身影给我留下了很深的印象。”

 

接下来,让我们赶快来看看研究背后的故事吧!

Q1本次的研究对象是什么呢?请简要说明一下

本次的研究对象是放线菌合成的天然钛化合物Goadsporin,它是具有促进放线菌形态分化以及二次代谢的生物活性分子,其肽链的骨架受到吡咯等众多物质的高度修饰。研究着眼于该物质的合成研究方面。虽然目前已经掌握了使用翻译后修饰的生物合成方法来使核糖体合成前驱体的肽结构。但是各个修饰酶是以怎样的特异性来产生作用的,这一点仍然没有明确的答案。

一直以来,制备具有大约50多个残基的前驱体肽结构一直是研究的瓶颈,用于分析各个酶功能的前驱体以及该种类似物的准备是十分困难的。在本研究中,因为使用无细胞翻译系统,我们成功解决了前驱体的制备问题,所以成功地在试管内合成了Goadsporin。通过使用这种合成体系,我们也成功的破解了修饰酶的底物特异性的谜题。同时因为重视了对吡咯形成酶的底物识别十分重要的序列基元,我们因此能够合理地设计出来新型的Goadsporin类似体。值得一提的是,目前以放线菌为宿主的物质生产有很大可能投入实际应用,新型的Goadsporin类似体也成功投入生产了。

图1 Goadsporin合成体系一概图从模板DNA开始,经过转运、翻译,通过重组蛋白和翻译后修饰反应,从而得以在试管内合成Goadsporin

Q2关于本次的研究,有没有什么花费了很多工夫和心思的地方呢,请和我们谈谈。

(山下)活性蛋白质是与脱氢丙氨酸(图中绿色的部分)的形成相关的众多酶之一,可我们却无法获得它。虽然我们在数个月的时间内不断地探讨蛋白质提纯、表达宿主的变更等问题的解决方案,但还是怎么也找不到合适的方案。最终,当我们发现某些特殊的放线菌所携带的相关酶可以弥补活性蛋白的功能,实验才得以继续进行下去。

(尾崎)我们的思考一直拘泥于在试管内使放线菌生产我们所设计的肽。无论化合物有多特别,只要能够分析出修饰酶的底物特异性,就没什么值得犯愁的。因为原本尾仲教授的课题组就是致力于构筑作为放线菌宿主的Goadsporin类似体的生产体系,我才得以理解这种生产体系是可以投入应用的,从而推进研究进展。最后我们把尾仲教授课题组所设计的Goadsporin生产体系与菅教授等人的特殊肽翻译合成技术天衣无缝地组合起来应用于研究,我认为这是很有创意的想法。

Q3研究课题中最困难的是什么呢?最后是怎样克服的呢?

(山下)在调查翻译后修饰酶的底物特征性的过程中,底物突变体的设计是最让我们头疼的。因底物序列的不同,出现了与预想不同的修饰,对于实验结果的解释也因此变得异常困难。经过多方讨论,我们才得以明白修饰的规律性。

(尾崎)要说比较困难的,那就应该是为了分析吡咯合成酶的底物特异性而设计类似体的序列这件事了。虽然使用无细胞翻译系统来制备前驱体肽看似很容易,但却要因此将各种各样的变异导入Goadsporin的序列中,这就需要数百种以上的肽。当我们发现即使是链长很短的肽,吡咯形成酶也可以进行修饰时,我们便以此为契机锁定了要用来解析的突变体。因为此方法被应用于四十多种突变体的解析中,实验的效率也就大大增加了。

Q4将来想要从事哪个化学相关领域的研究呢?

(山下)我现在在从事食品生产的研究。不过无论什么研究方向,我都会去搜集最新的资料并进行研究。我希望可以给这个世界带来既好吃又有营养的食物。

(尾崎)我被酶催化的多姿多彩的反应所吸引,所以仍然想继续从事现在的研究。通过研究天然物质的生物合成,来不断发现那些不为人知、拥有新特性的酶。虽然我的研究以微生物与酶为中心,但我也在想在研究中引入酶反应的化学观点。

Q5最后,有什么想要对各位读者说的吗?

(山下)我之前一直在研究怎样将放线菌产生的有用物质应用在制药领域。在这期间,我在尾崎助教、尾仲教授以及研究室的各位同僚的论文中学到了很多东西。同时,能遇到一直在研究特殊肽制药应用的后藤副教授以及菅教授,对我来说是非常难能可贵的。如果能在研究中遇到各种不同背景的人,我认为会让我的将来有更多的机会。

(尾崎)多亏了尾仲教授和研究室的同僚们以及菅教授从研究开始以来就给予我各种帮助。要不然我的研究必定无法展开。在研究进行过程中,我接触了大家各种各样的想法,这对我来说真的是无可比拟的宝贵经验。在科研工作中,学科间的交流越来越凸显出其重要性,所以对研究方向以外的东西我也很感兴趣。我认为跨学科的交流可以使研究有进一步的突破。

 

研究人员履历

山下湖奈

所属单位:東京大学大学院农学生命科学研究科 微生物潜在机能探索研究室(进行研究时)

研究经历:

2014年3月 毕业于福井县立大学生物资源学部生物资源学科
2016年3月 东京大学大学院农学生命科学研究科修士毕业

 

尾崎太郎

所属单位 东京大学大学院农学生命科学研究科 微生物潜在机能探索研究室(进行研究时)
研究方向:具有生物活性的天然物质的生物合成研究

研究经历:

2013年3月 东京大学大学院农学生命科学研究科博士毕业
2013年3月 被授予东京大学农学博士学位
2010年4月—2013年3月 日本学术振兴会特别研究员(DC1)
2013年4月—2016年3月 东京大学大学院农学生命科学研究科 微生物潜在机能探索研究室 特任助教
2016年4月— 北海道大学大学院理学研究院 化学系 助教

 

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