ニトリラーゼ

関連する読書

はじめに

ニトリラーゼ酵素（ニトリラーゼ）は、ニトリル（R-CN）化合物をカルボン酸とアンモニアに加水分解する触媒反応を担っています。ニトリラーゼは広く分布しており、植物、細菌、真菌において同定され、特徴付けられています。また、酵母や動物のゲノムにもホモログが見つかっています。酵素活性は1958年に植物で、1964年に細菌で初めて同定されて以来、30以上のニトリラーゼ酵素が特徴付けられています。

しかし、ほとんどの細菌ニトリラーゼを同定する目的は、自然における機能を研究するのではなく、新しい化学合成または分解のメカニズムを解明することです。そのため、酵素の生物学的効果の多くはまだ不明です。幸いなことに、ますます多くの酵素が同定され、基質や発現パターンも決定されてきたため、これらの生物学的効果に関する手がかりが徐々に明らかになっています。ニトリル化合物は特に植物環境に豊富です。微生物ニトリラーゼが植物の微生物コロニー形成を促進するメカニズムの重要な部分であることを示す証拠が多数あり、植物ホルモンの合成、窒素利用、ニトリルやシアンの解毒において重要な役割を果たす可能性があります。したがって、ニトリラーゼと植物-微生物相互作用におけるその役割をより深く理解することは、植物の成長促進、バイオレメディエーション、病気制御など、さまざまなバイオテクノロジー応用に大きな利益をもたらす可能性があります。

ニトリラーゼスーパーファミリー

ニトリラーゼスーパーファミリー（CN-ヒドロラーゼとも呼ばれる）は、非ペプチドの炭素-窒素結合の加水分解を触媒する酵素で構成されています。このスーパーファミリーのメンバーは、触媒活性と配列同一性に基づいて、脂肪族アミダーゼ、N末端アミダーゼ、カルバミラーゼ、ビオチニダーゼ、ニトリラーゼなど、13の系統に分けられます。これらの酵素は、ニトリル化合物のCN基を加水分解し、対応するカルボン酸を合成し、アンモニアを放出する役割を担っています。ニトリラーゼによって触媒される反応は、図1に示されています。

図1. ニトリラーゼ反応。ニトリラーゼはニトリルを対応するカルボン酸とアンモニアに加水分解します（Howden, A.J.M.; Preston, G.M. 2009）

ニトリラーゼ系統には、密接に関連するシアン化物ジヒドラターゼおよびシアン化物ハイドラーゼ酵素も含まれています。ニトリラーゼ系統は、触媒三量体のシステイン残基に位置する保存されたシステイン-トリプトファン-グルタミン酸モチーフによって、スーパーファミリーの他のメンバーと区別されます。このシステイン残基は酵素の活性部位と考えられており、加水分解前に基質群が付着する部位である可能性があります。ニトリラーゼは一般的に、基質特異性に基づいて3つのカテゴリに分けることができます：脂肪族ニトリラーゼ、芳香族およびヘテロ環ニトリラーゼ、アリルアセトニトリラーゼです。各タイプのニトリル化合物の例は、図2に示されています。

図2. ニトリル化合物の例（Howden, A.J.M.; Preston, G.M. 2009）

いくつかのニトリラーゼ酵素は、Klebsiella pneumoniae sp. ozaenaeニトリラーゼのように、非常に高い基質特異性を持っています。他のいくつかの酵素は、脂肪族、芳香族、ヘテロ環ニトリルを加水分解できるBacillus pallidus Dac521のニトリラーゼのように、広範な基質を持っています。同じ基質特異性を持つニトリラーゼは、通常、アミノ酸配列の類似性を示し、系統解析において同じクレードに属する可能性があります（図3）。

図3. 特徴付けられたニトリラーゼの厳密な合意樹（Howden, A.J.M.; Preston, G.M. 2009）

ニトリラーゼの産業応用

ニトリラーゼは、工業的に重要なカルボン酸を合成するために使用できます。他のカルボン酸は、極端な温度とpH条件下で化学的手法によって生成されます。ニトリラーゼは、毒性のあるニトリル化合物で汚染された土地や水資源のバイオレメディエーションにも使用できます。ブロモキシニルのようなニトリル化合物は除草剤として使用され、シアンはプラスチック製造や貴金属抽出に使用され、採掘、金属仕上げ、その他のプロセス中に環境に放出されます。優れたシアン分解特性と高濃度のKCNに耐える能力のために、Pseudomonas stutzeriのシアン化物ジヒドラターゼは広く研究されています。K. pneumoniae sp. ozaenaeのニトリラーゼは、除草剤ブロモキシニルに対して非常に特異的であり、植物に発現させることで、遺伝子組換え系統に除草剤耐性を付与します。

ニトリラーゼは大きな可能性を秘めていますが、酵素を同定し特徴付けることは難しいです。最近、科学者たちは細菌ニトリラーゼの同定のための高スループット戦略を開発しました。環境からのDNAサンプルは細菌発現ベクターに変換され、ニトリラーゼ活性のスクリーニングが行われます。ゲノム配列データの入手可能性も、新しいニトリラーゼ酵素の発見に役立っています。例えば、ゲノム配列データは、シアノバクテリアSynechocystis sp.から機能的なニトリラーゼを同定するために使用されています。