デキストラナーゼ

デキストラナーゼ（EC 3.2.1.11；α-1,6-グルカン 6-グルカノヒドロラーゼ）は、デキストランポリマー中のα-1,6-グリコシド結合を加水分解する酵素である。本酵素は多様な真菌および細菌に広く分布している。酵素の主要ドメインは右巻き平行βヘリックスであり、N末端においてβサンドイッチドメインと連結している。デキストラナーゼはデキストラン分子内の結合を切断し、より短鎖のイソマルトオリゴ糖を遊離する。糖加工工程においてデキストラナーゼを使用することで、デキストラン汚染に起因する糖汁の粘度上昇を低減できる。

分類

デキストラナーゼは、2つのグリコシド加水分解酵素（GH）ファミリー、すなわちGH49およびGH66に見出されるが、両ファミリー間に配列相同性は認められない。Streptococcus属由来の細菌性デキストラナーゼはファミリー66に分類されている。Arthrobacter属由来の細菌性デキストラナーゼおよびPenicillium属由来の真菌性デキストラナーゼはいずれもファミリー49に分類されている。ファミリー49には、Brevibacterium fuscum var. dextranlyticum由来のデキストラン1,6-α-イソマルトトリオシダーゼおよびAspergillus niger由来のイソプルラナーゼも含まれる。

構造

• Penicillium minioluteum由来デキストラナーゼ（ファミリー49）

Penicillium minioluteum由来デキストラナーゼの構造は2つのドメインからなる。第1ドメインは200残基から構成され、13本のβストランドを形成する。そのうち9本はβサンドイッチを形成する。このβサンドイッチ内のストランドは、βストランド5と13の相互作用を除き、すべて逆平行である。βサンドイッチ内部には、GH49において完全に保存されている14個の疎水性残基が存在する。もう一方のドメインは右巻き平行βヘリックスフォールドを有し、PB1、PB2、PB3と命名された3つの平行βシートを含む。βヘリックスは10回の完全なコイルからなる。βヘリックスのN末端側にはPB2およびPB3のβストランドのみを含む不完全なコイルが2回存在し、C末端側では最終コイルがPB1およびPB2のみを含む。両ドメインは広い界面で相互作用する。βサンドイッチフォールドのC末端側に存在するβシートおよびループは、平行βヘリックスのPB3表面ならびにコイル1〜9のT3ループと相互作用する。この界面には、GH49において完全に保存されている29個のアミノ酸が含まれる。

図1．Penicillium minioluteum由来デキストラナーゼの構造。N末端を赤、C末端を青として連続的に着色している。（Larsson ほか、2003）

• Streptococcus mutans由来デキストラナーゼ（ファミリー66）

Streptococcus mutans由来デキストラナーゼは、N、A、Cの3ドメインからなるマルチドメイン構造を形成する。ドメインN（Asn100–Asp210）のトポロジーはC2型免疫グロブリンフォールドに類似し、7本の逆平行βストランドからなり、3本鎖および4本鎖のβシートを形成する。ドメインA（Asp211–Lys593）は主として（β/α）8バレルから構成され、多くのグリコシド加水分解酵素における触媒ドメインに相当する。本ドメインには、長さ23〜50残基の比較的大きなループ領域が5つ存在し、50残基長のループ3はループ2と会合して小さなサブドメイン構造を形成する。これはα-アミラーゼのドメインBと同様の位置関係にあり、触媒クレフトの側壁の一方を形成する。ドメインC（Val594–Ile732）は10本のβストランドからなる逆平行βサンドイッチ構造をとるが、基本的には多くのGHに認められる2つの4本鎖ギリシャキー（Greek key）モチーフに属する。

図2．Streptococcus mutans由来デキストラナーゼの構造。（Suzuki N ほか、2012）

用途

砂糖製造において、デキストランは望ましくない化合物であり、汚染微生物がスクロースから合成することで流動粘度を増大させ、工業的回収率を低下させ、重大な損失をもたらす。収穫前のサトウキビ中におけるこれら多糖の含量は極めて低いか、ほぼゼロである。これらは、植物の樹液に定着する、または外皮（rind）が損傷した際に侵入する汚染微生物が産生するデキストランスクラーゼ酵素の作用により生成される。

製糖工場においてデキストランを加水分解する最も効率的な方法は、デキストラナーゼ酵素の使用である。真菌性デキストラナーゼは、低Brix条件下で最も高い反応速度を示し、pHおよび温度はそれぞれ約5.0および50℃、すなわち搾汁工程に存在する条件に近い。酵素製剤として製剤化されたこれらデキストラナーゼの一部は、製糖工場の糖汁中デキストランの加水分解に有効に使用されている。工程が進行し、デキストランが既に損失を引き起こしている段階では、温度およびBrix条件が高い。しかし、処理対象量は小さいものの、シロップ中でこれら酵素を用いて処理する場合には投与量の増加が必要となり、デキストラナーゼ消費量が増大することが示された。これまでに同定された一部の耐熱性細菌性デキストラナーゼは比活性が大幅に低く、工業的使用は実用的ではない。Chaetomium sp.由来の真菌性デキストラナーゼは、糖汁およびシロップの双方におけるデキストラン処理で最良の結果を示している。

参考文献