合成生物学における大きな課題の一つは、自然界に存在しない酵素を構築し、それを生きた細胞内で機能させることである。人工酵素は、合成触媒補因子をタンパク質足場に組み込むことで構築され、試験管内で長年にわたって開発されてきた。しかし、生きた細胞の混雑した化学的に複雑な環境は、手ごわい障壁であることが証明されている。拡散は制限され、反応性副産物が豊富に存在し、条件は試験管内反応の注意深く制御された緩衝液とはかけ離れている。
中国の江南大学と厦门大学の研究者らが率いるチームは、今度こそその障壁を取り除いた。7月2日にNature Communicationsに掲載された研究で、彼らは生きた細胞内で直接人工酵素を組み立てる初の効率的な戦略を報告している。この酵素は優れた立体化学的制御で不斉炭素-炭素結合形成反応を触媒する。
「複雑な細胞環境は、人工酵素の設計に多くの課題をもたらします」と、江南大学生命科学健康工学部の責任著者であるZhi Zhou氏は述べた。「私たちのアプローチは、天然酵素が成熟する方法を模倣しています。細胞がタンパク質足場を発現し、その後、自分自身で固定される合成補因子とともにインキュベートします。」
仕組み
この戦略はそのシンプルさにおいて優雅である。研究者らは、戦略的に配置されたシステインアミノ酸を含む標的タンパク質を発現するように細菌細胞を操作した。そして、特定の化学変換を行うように設計された小分子である合成触媒補因子を細胞培養物に添加した。補因子は細胞膜を拡散して通過し、システイン残基と部位特異的ジスルフィド結合を形成し、補因子をタンパク質足場に固定した。
結果は、細胞質内で完全に組み立てられた機能的な人工酵素であり、不斉マンニッヒ反応（有機合成の基盤となる炭素-炭素結合形成変換であり、明確な三次元構造を持つ複雑な分子を構築するために使用される）を実行した。
この反応は優れたエナンチオ選択性を達成した。つまり、酵素は一貫して一方の鏡像異性体をもう一方よりも多く生成した。医薬品化学において、分子の二つの鏡像形態がまったく異なる生物学的効果を持つ可能性がある場合、エナンチオ選択性は薬物と毒物の違いを意味する。
結晶構造解析と計算研究（密度汎関数理論および量子力学/分子力学シミュレーションを含む）により、立体選択性の構造的基盤が明らかになった。タンパク質足場は補因子を精密な方向に配置し、一方の反応経路をその鏡像異性体的代替経路よりも優先するキラル環境を作り出した。
汎用化可能なプラットフォーム
この研究の重要な主張は、このアプローチが汎用化可能であることである。補因子が単純なジスルフィド結合（よく理解され広く使用されている生化学的連結）を介して固定されるため、同じ戦略を異なるタンパク質足場や異なる合成補因子に適用できる可能性がある。研究者らは特定のマンニッヒ反応触媒でシステムをテストしたが、根本的な原理（足場を発現し、補因子を追加し、自己組織化させる）はモジュール式である。
「この方法は、足場の適切な位置にシステインを配置する以外に、特別な試薬や遺伝子工学を必要としません」と、厦门大学の責任著者であるBinju Wang氏は述べた。「つまり、補因子またはタンパク質を交換するだけで、多くの異なる反応に適応できる可能性があります。」
このモジュール性は、それぞれが異なる反応を触媒する人工酵素のライブラリを細胞内に構築する道を開き、事前に組み立てられた酵素複合体を精製、再構成、または送達する必要がない。複数の酵素ステップが単一の細胞内で順次発生しなければならない代謝工学や生合成の応用にとって、オンデマンドで人工酵素を導入できる能力は重要な進歩である。
不斉マンニッヒ反応が重要な理由
マンニッヒ反応は、有機化学において最も重要な炭素-炭素結合形成反応の一つである。これはβ-アミノカルボニル化合物を生成し、多種多様な天然物や医薬品の構成要素となる。一つのエナンチオマーのみを生成する不斉バージョンは、生物系が分子を三次元形状で認識するため、特に価値が高い。
生きた細胞内でこの反応を天然酵素の立体化学的精度で実行する人工酵素は、生合成経路内で直接キラル中間体を生成するためのツールを提供する。化学工場でキラル分子を合成し、それを遺伝子改変微生物に与える代わりに、微生物自身がキラル中心を生成できる可能性がある。
限界と次のステップ
現在のシステムには限界がある。補因子を固定するジスルフィド結合は細胞質内で還元されやすく、酵素の寿命を制限し、継続的な補因子の補充が必要になる可能性がある。反応範囲は有望ではあるが、特定の基質クラスについて実証されている。研究者らは、このアプローチを他の反応タイプ（酸化、還元、環化）に拡張するには、異なる触媒特性を持つ補因子が必要になると指摘している。
しかし、人工酵素が細胞内で組み立てられるという実証は、細胞内生触媒作用の分野における段階的変化を表している。これにより、この分野は「人工酵素を構築できるか？」から「どこに展開できるか？」へと移行する。
出典： Zhu Z, Hu Q, Wu Y, Wang B, Zhou Z. Intracellular assembly of artificial enzymes for cytoplasmic enantioselective Mannich reactions. Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75059-9
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