ニトリラーゼ

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序論

ニトリラーゼ酵素（ニトリラーゼ）は、ニトリル（R-CN）化合物の加水分解を触媒し、カルボン酸およびアンモニアへと変換する。ニトリラーゼは広く分布しており、植物、細菌、真菌で同定・特性解析されているほか、酵母および動物のゲノムにもホモログが見出されている。酵素活性が1958年に植物で、1964年に細菌で初めて同定されて以降、30種類を超えるニトリラーゼ酵素が特性解析されてきた。

しかし、多くの細菌由来ニトリラーゼの同定目的は、自然界における機能の解明というよりも、新規な化学合成または分解機構の解明に置かれてきたため、当該酵素の生物学的作用の多くは依然として不明である。幸いにも、同定される酵素数は増加しており、基質および発現パターンも明らかになりつつあることから、その生物学的作用に関する手掛かりが徐々に得られている。ニトリル化合物はとりわけ植物環境に豊富に存在する。多数のエビデンスにより、微生物ニトリラーゼが植物への微生物定着を促進する機構の重要な構成要素であり、植物ホルモン合成、窒素利用、ならびにニトリルおよびシアン化物の解毒において重要な役割を果たし得ることが示されている。したがって、ニトリラーゼおよび植物—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、植物生育促進、バイオレメディエーション支援、病害防除など、幅広いバイオテクノロジー応用において大きな有用性をもたらし得る。

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、非ペプチド性の炭素—窒素結合の加水分解を触媒する酵素群から構成される。本スーパーファミリーのメンバーは、触媒活性および配列同一性に基づき、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、ニトリラーゼなどを含む13の分岐に分類される。これらの酵素は、ニトリル化合物中のCN基を加水分解し、対応するカルボン酸を生成するとともにアンモニアを遊離する。ニトリラーゼが触媒する反応を図1に示す。

図1. ニトリラーゼ反応。ニトリラーゼはニトリルの加水分解を触媒し、対応するカルボン酸およびアンモニアを生成する（Howden, A.J.M.; Preston, G.M. 2009）

ニトリラーゼ分岐には、近縁のシアン化物ジヒドラターゼおよびシアン化物ヒドラターゼ酵素も含まれる。ニトリラーゼ分岐は、触媒三残基のシステイン残基に位置する保存性の高いシステイン—トリプトファン—グルタミン酸モチーフにより、スーパーファミリーの他メンバーと識別できる。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、加水分解に先立って基質基が結合する部位である可能性がある。ニトリラーゼは一般に、基質特異性に基づき、脂肪族ニトリラーゼ、芳香族および複素環式ニトリラーゼ、ならびにアリールアセトニトリラーゼの3カテゴリーに分類される。各タイプのニトリル化合物の例を図2に示す。

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

一部のニトリラーゼ酵素は、Klebsiella pneumoniae sp. ozaenae のニトリラーゼのように、極めて高い基質特異性を示す。これに対し、Bacillus pallidus Dac521 のニトリラーゼのように、脂肪族、芳香族、複素環式ニトリルを加水分解できるなど、広範な基質スペクトルを有する酵素も存在する。同一の基質特異性を示すニトリラーゼは、通常アミノ酸配列の類似性を示し、系統解析において同一クレードに属する可能性がある（図3）。

図3. 特性解析済みニトリラーゼの厳密コンセンサス系統樹（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、産業上重要なカルボン酸の合成に利用できる。一方、他のカルボン酸は、極端な温度およびpH条件下での化学的方法により製造されている。ニトリラーゼはまた、有毒なニトリル化合物により汚染された土地および水資源のバイオレメディエーションにも利用可能である。ブロモキシニルなどのニトリル化合物は除草剤として使用され、シアン化物はプラスチック製造および貴金属抽出に用いられるほか、採鉱、金属仕上げ等の工程で環境中に放出される。優れたシアン化物分解特性と高濃度KCNに対する耐性を有することから、Pseudomonas stutzeri のシアン化物ジヒドラターゼは広範に研究されている。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高い特異性を示し、植物で発現させることで、形質転換系統に除草剤耐性を付与することが示されている。

ニトリラーゼは大きなポテンシャルを有する一方で、酵素の同定および特性解析は困難である。近年、細菌ニトリラーゼ同定のためのハイスループット戦略が開発された。環境由来のDNAサンプルを細菌発現ベクターに導入し、ニトリラーゼ活性に基づいてスクリーニングする。ゲノム配列データの利用可能性も、新規ニトリラーゼ酵素の発見に寄与している。例えば、ゲノム配列データを用いて、シアノバクテリア Synechocystis sp. から機能性ニトリラーゼが同定されている。