CDH

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序論

セロビオース脱水素酵素（Cellobiose dehydrogenase：CDH）は、バイオマス分解においてリグノセルロース分解酵素を補助するために真菌が分泌する細胞外ヘムフラボ酵素である。触媒活性を担うフラボ脱水素酵素（DH）ドメインは、グルコースオキシダーゼに類似するグルコース‐メタノール‐コリン酸化還元酵素（GMC oxidoreductase）ファミリーに属する。触媒ドメインは、酸化的セルロースおよびヘミセルロース脱重合において溶解性多糖モノオキシゲナーゼ（LPMO）と相互作用する、N末端の電子伝達型シトクロム（CYT）ドメインと連結している。

分類

CDHの配列解析に基づき、4つの系統分類クラスが定義されている。これらのクラスに属するCDHは、セルロース結合性、基質特異性、触媒反応の至適pH、ならびにDHドメインとCYTドメイン間のドメイン間電子移動に関して、構造的および触媒的特性が異なる。クラスIおよびクラスII由来CDHの構造、反応機構、ならびに反応速度論は詳細に解析されており、さらに組換え発現により、バイオセンサー、バイオ燃料電池、バイオマス加水分解、バイオ合成プロセス、ならびに表面の抗菌機能化など、多様な領域での応用が可能となっている。

生物学的機能

フラビン含有脱水素酵素ドメイン（DH）とヘムb含有シトクロム（CYT）からなる2ドメイン構造が、プロテアーゼ感受性リンカーで連結されていることから、CDHの生理的機能およびリグノセルロース脱重合における役割について様々な推測がなされてきた。CDHが鉄を二価鉄（Fe(II)）へ還元できること、ならびに過酸化水素を生成する低いオキシダーゼ活性を有することは、最も支持されている生理機能仮説の根拠となっており、CDHがフェントン反応の基質を供給してヒドロキシルラジカルを生成することでセルロース分解に関与することが示唆されている。反応性の高いヒドロキシルラジカルの生成はセルロース分解を引き起こし得ることが示されており、褐色腐朽菌によるバイオマス分解の主要機構であると考えられている。しかし、これら提唱された機構のいずれにおいても、単離されたDHドメインの活性のみで十分であり、CYTドメインの存在が必要である理由は説明されていない。

バイオ電気化学的応用

バイオセンサーやバイオ燃料電池など各種バイオ電気化学デバイスにおける触媒として酵素を利用する応用は、当該タンパク質群が有する特異な電気触媒特性により、CDHに焦点を当てた研究を促進してきた。触媒活性酵素と電極間の電子移動は、酵素反応回転（turnover）により生成され、その後電極と反応する電気化学活性化合物を用いることで達成でき、これは第1世代バイオセンサー構造と呼ばれる。第2世代バイオセンサーでは、自由拡散するレドックス活性種、または（通常はオスミウム修飾）ポリマーを用いたレドックスメディエーター（MET）を組み込むことで電子移動が達成される。第3世代の構成では、仲介体を介さず、酵素のレドックス中心から電極へ直接電子を輸送する直接電子移動（DET）により電子移動が達成される。

バイオ電気触媒としてのCDH

CDHは、バイオセンサーまたはバイオ燃料電池の電気触媒として適した多様な特性を示す。糖質変換に関与する他のGMC酸化還元酵素とは異なり、メディエーター介在電子移動（MET）および直接電子移動（DET）のいずれによっても電極との電子授受が可能である。CDHを基盤とする第2世代および第3世代バイオセンサーは、グルコースやラクトースなど、商業的または医療上重要な分子の定量を目的として開発されている。第2世代バイオセンサーの利点は高感度であり、第3世代バイオセンサーの利点は、埋込み型グルコースモニタリングシステムにおいてレドックスメディエーターを不要とできる点にある。CDHを基盤とする第3世代バイオセンサーは、CDHおよび可動性を有するCYT構造ドメインが良好な耐熱性と反応回転安定性を示し、多様な電極材料および表面修飾と相互作用でき、比較的高い電流密度を提供できることから、堅牢な性能を示す。