P2O

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酵素について

ピラノースオキシダーゼ (P2O, EC 1.1.3.10) は、グルコース-メタノール-コリン (GMC) 超ファミリーのフラビン依存性酸化還元酵素です。これは、D-グルコースや他の単糖基質をC2位置で酸化し、分子酸素を過酸化水素に還元する役割を担っています。P2Oは木材を分解する真菌に見られます。P2Oによって生成される過酸化水素は、リグノセルロースを分解する他の酵素の燃料と見なされているため、補助活性ファミリー3 (AA3_4) のメンバーでもあります。この酵素は1968年にSpongipellis unicolorの菌糸体で発見されました。真菌由来のP2Oの結晶構造はPDBから取得できます。さらに、多くのP2O変異体の構造も解決されています。

GMCファミリーの他のメンバーと同様に、P2Oはフラビン結合ドメインと基質結合ドメインで構成されています。フラビン結合ドメインは、βαβモノヌクレオチド結合モチーフを含み、フラボプロテイン全体で高度に保存されています。基質結合ドメインはその逆で、より多くの配列変異を示し、異なる電子供与基質に対する好みを反映しています。真菌のP2Oタンパク質は、4つの同一のモノマーから形成されており、それぞれが活性部位のヒスチジン残基に共有結合したフラビン-アデニン二ヌクレオチド (FAD) を含んでいます。真菌のP2Oの四量体構造には大きな中央の空洞が観察され、これが4つの活性部位すべてに接続しています。この中央の空洞は、基質が活性部位に入るための必要なチャネルです。ホモ四量体を形成する個々のサブユニット間の相互作用は、隣接するサブユニットを囲むように伸びるオリゴマー化アームを含むオリゴマー化構造によって行われ、サブユニット間相互作用を提供するループと、ヘッドドメインと呼ばれる小さなドメインがあります。

図 1. Trametes ochracea (1TT0) からの四量体ピラノースオキシダーゼの2つのサブユニットが、外部から活性部位の入口を隔離する中央の空洞 (黒枠) を示しています (Abrera, A.T.; et al. 2020)

図 2. Trametes ochracea (1TT0) からのピラノースオキシダーゼの内部空洞に入るチャネルの入口のクローズアップ (Abrera, A.T.; et al. 2020)

バイオセンサーにおける以前と現在の使用

P2Oベースのバイオセンサーの開発は、常に関連研究の対象であり、新しい酵素の発見、変異体の生成、電子移動の強化などが含まれます。現在、P2Oベースの機器のさまざまなバイオ分子を検出する応用が増えており、食品産業、病気診断、生物プロセスのモニタリングやスクリーニングなどに応用されています。バイオセンサーの生物学的成分としてのP2Oは、ガラス状炭素、白金、金、スクリーン印刷電極など、さまざまなタイプの電極で実証されています。センサーの全体的な生物学的性能を向上させるために、他のプラットフォームでも評価が続けられています。P2Oが人気のあるバイオセンサーとして使用できる理由は、主にグルコースとの反応によるものです。しかし、P2Oは他の糖も検出できるため、P2Oベースのバイオセンサーの応用は他の炭水化物の検出にも拡大しています。

これらのバイオセンサー研究では、真菌由来の異なるP2Oが独占的に使用されました。Lidén et al. の研究では、P. chrysosporium からのP2O (PcP2O) とホースラディッシュペルオキシダーゼ (HRP) が炭素ペースト電極 (CPE) に共固定化され、H₂O₂ とグルコースがこの二酵素バイオセンサーを使用して検出されました。P2Oとグルコースの反応によって生成されたH₂O₂はHRPによって吸収され、その後HRPとグラファイト電極の間で電子が移動します。この二酵素バイオセンサーは、さまざまな炭水化物に対して良好な応答を示します。数年後、科学者たちは食品や飲料での使用のためにP2Oベースのバイオセンサーを開発し、さまざまな食品加工プロセスをモニタリングしました。Coriolus sp. からのP2O (CsP2O) が炭素ペースト電極に固定化され、最初にグルコース、ガラクトース、マンノース、キシロース、マルトースを検出するために適用されました。

酵素とバイオセンサーの最大の問題

P2Oの酸素回転率はGOxよりも低いですが、酸素に対してかなりの活性を示します。触媒プロセスにおける酸素の過酸化水素への還元は、その感度に干渉し、特に低い電位では問題となります。酸素との反応は、電子漏れを引き起こす可能性があるため、バイオセンサーやBFCアプリケーションに必要な特性ではありません。さらに、H2O2は酸化的損傷を引き起こし、酵素の不活性化を引き起こす可能性があります。この問題を解決するために、科学者たちは酵素工学を使用してP2Oの酸素反応性を修正することに成功しました。