ケラチナーゼ

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ケラチナーゼは、ケラチンを特異的に分解し得るプロテアーゼである。ケラチナーゼは誘導酵素であり、環境中に誘導因子（ケラチン）が存在する場合にのみ合成される。ケラチナーゼは多様な微生物により産生され、飼料、皮革、医薬、食品等の各種産業分野ならびに環境対策の領域において、幅広い応用可能性を有する。 起源 19世紀初頭には、すでに一部の生物がケラチンを分解できることが見出されており、その後、当該菌株の分離が継続的に行われてきた。現在、ケラチン分解能を有する微生物は30種以上報告されており、細菌、放線菌、真菌が含まれる。例として、真菌では Dermatophyte や Cnadina albicans、放線菌では Streptomyces、細菌では Bacillus licheniformis および Bacillus subtilis などが挙げられる。異なる微生物が産生するケラチナーゼには一定の差異があり、主として酵素の存在様式、構造、組成、安定性、至適反応温度および至適pHなどにおいて相違が認められる。例えば、ケラチナーゼの一部は主として細胞内に存在し、別の一部は主として細胞外へ分泌される。真菌由来のケラチナーゼは、細胞内外の双方で検出される。 性状 分離・精製されたケラチナーゼの分子量は多様であり、数十kDaから数百kDaに及ぶ。小型のケラチナーゼは分子量18 kDaの単量体酵素である一方、大型のものは複合酵素であり、例えば好熱性嫌気性細菌が産生するケラチナーゼでは分子量が200 kDa以上に達することがある。多くのケラチナーゼの分子量は30～70 kDaに集中している。ケラチナーゼはケラチンに加え、可溶性および不溶性を含む多様なタンパク質基質を加水分解し得る。可溶性タンパク質としてはカゼイン、ゼラチン、ウシ血清アルブミンなどを分解し、不溶性タンパク質としては羽毛、羊毛、ケラチン、ヒト毛髪、爪などを分解する。ケラチナーゼの至適反応pHは概ね中性～アルカリ性で、通常7～10の範囲にある。中には至適pHが約12に達するものもある。酸性ケラチナーゼは比較的少なく、その多くは真菌由来である。至適反応温度は一般に40～60℃である。 触媒機構 微生物によるケラチン分解機構は多様であるため、分解過程で生成する産物も一様ではない。一部の真菌は、菌糸表面から分泌される亜硫酸塩および酸性環境によりジスルフィド結合を還元する一方、Streptomyces は細胞内還元酵素の産生を介して還元を行う。しかし、水不溶性のケラチンは粒子として細胞外にのみ存在し得る。したがって、ジスルフィド結合の還元は、強い代謝能を有する細胞全体の外側でのみ起こり得る。これは、不溶性ケラチンが細胞と密接に接触する必要があるため、細胞表面の細胞結合型酸化還元系で生じる可能性が高い。純白の高温性 actinomycetes の観察では、ジスルフィド結合の還元が細胞連結型の酸化還元系により実施されることが示された。S. freundii および B. licheniformis のケラチン分解過程ではスルフヒドリル基は検出されなかった。これは、シスチンのジスルフィド結合の還元により生成したシステイン（-SH）が速やかに他の産物へ変換されたためである可能性がある。 ケラチナーゼは、実質的にジスルフィド還元酵素活性およびポリペプチド加水分解酵素活性を有する。現在、ケラチナーゼによるケラチン分解過程は一般に、変性、加水分解、アミノ基転移の3段階に区分されると考えられている。まず、ジスルフィド還元酵素がケラチンのジスルフィド結合に作用し、シスチン（-S-S-）をシステイン（-SH）へ還元することで、ケラチンの高次構造が崩壊し、変性ケラチンタンパク質が形成される。次いで、変性ケラチンタンパク質はポリペプチド加水分解酵素の作用により、ポリペプチド、オリゴペプチドおよび遊離アミノ酸へ段階的に加水分解される。最後に、アミノ基転移によりアンモニアおよび硫化物が生成し、ケラチンが完全に加水分解される。 応用 農業分野では、微生物が産生するケラチナーゼによりケラチンをポリペプチドおよびアミノ酸へ分解し、有機肥料の製造に利用できる。当該有機肥料は、エネルギー不足の課題に対応するのみならず、汚染源の分解にも寄与し、環境改善効果が大きい。 飼料産業では、羽毛の主成分はケラチンであり、粗タンパク質含量は80%以上である。必須アミノ酸を網羅的に含むことから、魚粉を代替または部分代替し得る良質な飼料タンパク源となる。したがって、廃羽毛の開発・有効利用は重要な応用可能性を有する。これは、現行の飼料産業におけるタンパク資源不足の問題を緩和するとともに、環境汚染の課題解決にも資する。 ケラチナーゼは化粧品および医薬品産業においても利用可能である。ケラチナーゼは皮膚糸状菌の重要な侵襲因子である。したがって、ケラチナーゼ阻害剤またはケラチナーゼに対するモノクローナル抗体がケラチナーゼ作用を阻害し、皮膚糸状菌の侵襲性を低下させ、皮膚真菌感染症の治療目的を達成し得るかどうかは、ケラチナーゼおよび皮膚糸状菌感染に関する重要な研究方向である。ケラチナーゼは高効率なケラチン加水分解活性を有するため、ケラチンに対する薬物の透過性を改善する目的でケラチナーゼを利用することにより、外用皮膚薬の有効性向上が期待される。