酵素工学：著者名 デノボ申請 設計

Creative Enzymesは、計算機タンパク質設計、分子モデリング、ならびに生物物理学的解析を統合し、全く新規の構造および触媒機能を有する酵素を構築する包括的なde novo酵素設計サービスを提供しています。既存酵素を改変する従来のエンジニアリング手法とは異なり、de novo設計は第一原理に基づき、所望のアーキテクチャへとフォールディングし、特定の触媒役割を果たす配列を創出します。当社プラットフォームは、構造予測、フォールディングシミュレーション、エネルギー最適化アルゴリズムを統合し、産業用途、医薬品用途、研究用途に向けた安定かつ機能的なバイオ触媒の設計を可能にします。

背景：De Novo酵素設計の仕組み

De novo酵素設計は、現代のタンパク質工学における最先端領域の一つです。本アプローチは、化学反応性、熱力学、ならびにタンパク質フォールディング原理の理解に基づき、触媒タンパク質をゼロから創製することを目的とします。

天然のスキャフォールドを改変する合理的設計や指向性進化とは異なり、de novo設計では、自然界に存在しないカスタムタンパク質バックボーンおよび新規活性部位を構築します。配列―構造相関、統計的力場、量子力学シミュレーションから得られる知見を活用することで、アミノ酸配列がどのようにフォールディングし、相互作用して所望の反応を触媒するかを予測できるようになっています。

主なステップは以下のとおりです：

• Theozyme（理想化触媒部位）作成：反応の遷移状態を安定化するようにアミノ酸残基を配置し、最小限かつ理想化された活性部位（「theozyme」）を計算機上でモデル化します。
• スキャフォールドマッチング：設計したtheozymeを構造的に収容・支持できる「スキャフォールド」を見出すため、タンパク質フォールドのデータベースを検索します。
• 計算機最適化：Rosetta等の高性能ソフトウェアを用い、スキャフォールド周辺の残りの配列を設計し、安定性の最適化および触媒残基の精密配置を行います。
• 実験的検証：計算上の上位設計について遺伝子を合成し、タンパク質を発現させ、所望の触媒活性を評価します。初期設計の多くは機能しないため、反復的な改良が必要となります。

de novo酵素設計プロセスでは、実現可能な構造フレームワークを探索するバックボーンサンプリング、安定性および適合性を評価するスコアリング、アミノ酸組成を洗練する配列最適化、ならびに触媒能や特異性を調整する機能部位設計が主要要素となり、これらを統合することで所望特性を備えた新規酵素の創製が可能になります。

図1．de novoタンパク質設計の主要要素。（Pan and Kortemme, 2021）

Creative Enzymesは、これら最先端の計算・実験戦略を活用し、非天然反応を触媒する酵素、極限条件下で機能する酵素、あるいは天然酵素を上回る効率を達成する酵素の設計を行います。この画期的な能力により、グリーンケミストリー、治療薬開発、先端材料合成に向けた新たな可能性が開かれます。

提供内容：De Novo酵素設計

Creative Enzymesは、計算予測と実験的バリデーションを組み合わせたワンストップのde novo酵素設計サービスを提供します。構造生物学者および計算化学者からなる当社チームが、新規酵素スキャフォールド、最適化された活性部位、または新規触媒機構を要するプロジェクトに対し、カスタムソリューションを提供します。

De Novo設計サービスのワークフロー

# 保証パッケージでは必須ですが、カスタムサービスでは任意です。

De Novo酵素設計の手法

Creative Enzymesのde novo酵素設計サービスは、最先端の計算科学、生化学、ならびに分子ディスプレイ技術を統合し、全く新しい触媒機能を有する酵素を創製します。プロジェクト要件および目標に応じて、最適な構造・機能性能を確保するため、以下のアプローチのいずれか、または複数を組み合わせて適用します。

表1．de novo酵素創製手法の比較。（Golynskiy and Seelig, 2010）

サービスの特長

• 最先端の分子動力学およびAI支援モデリングを用いた酵素構造予測とフォールディングシミュレーション
• コンフォメーション安定性および反応実現性を評価するエネルギー学的・熱力学的解析
• 自然由来の統計的力場および量子力学／分子力学（QM/MM）モデルに基づくde novo配列生成
• 設計酵素が意図した触媒アウトカムを達成することを担保する実験的バリデーションおよび特性解析

この統合プラットフォームにより、Creative Enzymesは、最も要求の厳しい用途ニーズにも対応する革新的で安定性が高く、高性能な酵素を提供します。

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事例：De Novo酵素設計

De Novo酵素設計に関するよくある質問

• Q：de novo酵素設計と合理的設計の主な違いは何ですか？

  A：合理的設計は構造情報に基づいて既存の天然酵素を改変するのに対し、de novo設計は第一原理から全く新しいタンパク質を創製します。これにより、新規触媒機能および構造アーキテクチャの定義において、より高い自由度が得られます。

• Q：de novo酵素設計では、どのような反応をターゲットにできますか？

  A：de novo設計は、天然反応（加水分解、酸化、還元）に加え、非天然反応（炭素―炭素結合形成、重合、または合成化学変換）に対する酵素も創製可能です。

• Q：設計した酵素が想定どおりに機能することを、どのように担保しますか？

  A：計算機によるエネルギー計算、AIベースの構造予測、ならびに発現・活性アッセイによるin vitro検証を組み合わせます。これにより、各設計酵素が予測された触媒活性および安定性を達成することを確認します。

• Q：クライアントはどのようなデータ／入力を提供すべきですか？

  A：反応の詳細、標的基質または生成物、希望条件、ならびに具体的な触媒目標をご共有ください。当社サイエンティストはこれらの情報に基づき、適切な酵素スキャフォールドおよび触媒部位を設計します。

• Q：一般的なプロジェクト期間はどの程度ですか？

  A：反応の複雑性、モデリング深度、ならびに必要な実験的検証の範囲に依存しますが、de novo設計と検証を含む一連のプロジェクトは通常10～16週間です。

• Q：de novo設計は指向性進化や合理的設計と統合できますか？

  A：はい。Creative Enzymesでは、初期設計の検証後に、活性、選択性、または安定性をさらに最適化するため、de novoモデリングに指向性進化や合理的改良を組み合わせることが多くあります。