食品総合研究所

生物機能利用ユニット

役割

未利用バイオマス資源を高度に利用し、エネルギー原料や付加価値の高い素材を得るための生物機能を利用した技術開発が望まれています。当ユニットでは、バイオマスの有効利用に適した微生物や酵素を作出するため、代謝工学的・遺伝子工学的な改質を行い、得られた微生物や酵素を用いて食品廃棄物等の未利用資源の有効利用に関する研究を行っています。

 

主な研究テーマ

食品廃棄物の有効利用に関する研究

近年、未利用バイオマスの有効利用が注目されていますが、その中でも食品廃棄物は資源量の多さから、その有効利用の技術開発が求められています。そこで当ユニットでは、食品廃棄物等のリファイナリー利用を目指し、食物繊維、増粘剤、オリゴ糖等や、エタノールなどのエネルギー原料の生産を目指した技術開発を行っています。

糖質関連酵素の機能相関の解析

植物の細胞を包む細胞壁の主成分は多糖類であり、地球上に最も多く存在するバイオマス資源です。食物繊維、増粘剤、オリゴ糖等として食品産業に於いて大いに利用されています。当ユニットではキシラナーゼなど多糖分解酵素について酵素の性質の向上、食品として有用な酵素反応生成物を得ることを目的として、酵素のどのような構造がどのような機能と係わっているか調べています。

図1に示したのは当ユニットで研究に用いている放線菌の生産するキシラナーゼの構造ですが、このキシラナーゼは酵素活性を持つ触媒ドメインと基質に結合する基質結合ドメインから構成されており、触媒ドメインは糖加水分解酵素に非常に多く見られる(β/α)8-バレル構造、基質結合ドメインは植物のレクチンと同じ構造をしていました。立体構造の情報をもとに基質特異性を決めているメカニズム、酵素の安定性のメカニズムなどについて調べています。
研究に用いている放線菌の生産するキシラナーゼの構造 図1

アラビノガラクタン・プロテインの機能解析

植物の主要な細胞表層分子はアラビノガラクタンプロテイン(AGP)と呼ばれるプロテオグリカンであり、シロイヌナズナのゲノム解析では40種類以上のホモログが見つかっています。AGPは組織特異的に発現することが知られ、植物の生長や分化(細胞間の情報伝達)に深く関わっていると考えられていますが、AGPの詳細な機能についてはあまり良く分かっていません。AGPの機能を明らかにするためにAGPの糖鎖の加水分解酵素のクローニングやAGPと相互作用する分子について研究しています。

 

メンバー

ユニット長
金子 哲(かねこ さとし)/専門:酵素科学、タンパク質工学、糖質化学

契約職員
前原 智子 (まえはら ともこ)/専門:遺伝子工学、応用微生物学
路川 真理 (みちかわ まり)

主要成果

  • M. Michikawa, H. Ichinose, M. Momma, P. Biely, S. Jongkees, M. Yoshida, T. Kotake, Y. Tsumuraya, S.G. Withers, Z. Fujimoto, and S. Kaneko : Structural and biochemical characterization of glycoside hydrolase family 79 β-glucuronidase from Acidobacterium capsulatum. J. Biol. Chem., in press.
  • H. Ichinose, S. Diertavitian, Z. Fujimoto, A. Kuno, L. Lo Leggio, and S. Kaneko : Structure-based engineering of glucose specificity in a family 10 xylanase from Streptomyces olivaceoviridis E-86. Process Biochemistry, 47, 358-365 (2012).
  • A. Cartmell, L. McKee, M.J. Pena, J. Larsbrink, H. Brumer, H. Ichinose, S. Kaneko, R.J. Lewis, A. Vikso-Nielsen, H.J. Gilbert, and J. Marles-Wright : The structure and function of an arabinan-specific α-1,2-arabinofuranosidase identified from screening the activities of bacterial GH43 glycoside hydrolases. J. Biol. Chem., 286, 15483-15495 (2011).
  • M. Matulová, P. Capek, S. Kaneko, L. Navarini, F.S. Liverani : Structure of arabinogalactan oligosaccharides derived from arabinogalactan-protein of Coffea arabica instant coffee powder, Carbohydr. Res., 346, 1029-1036 (2011).
  • T. Kotake, N. Hirata, Y. Degi, M. Ishiguro, K. Kitazawa, R. Takata, H. Ichinose, S. Kaneko, K. Igarashi, M. Samejima, and Y. Tsumuraya : Endo-β-1,3-galactanase from winter mushroom Flammulina velutipes. J. Biol. Chem., 286, 27848 -27854 (2011).
  • T. Maehara, M. Yoshida, Y. Ito, S. Tomita, K. Takabatake, H. Ichinose, and S. Kaneko: Development of a gene transfer system for the mycelia of Flammulina velutipes Fv-1 strain, Biosci. Biotechnol. Biochem., 74, 1126-1128 (2010).
  • H. Ichinose, N. Nishikubo, T. Demura and S. Kaneko : Characterization of α-L-arabinofuranosidase related to the secondary cell walls formation in Arabidopsis thaliana, Plant Biotechnology, 27, 259-266 (2010).
  • Z. Fujimoto, H. Ichinose, T. Maehara, M. Honda, M. Kitaoka, and S. Kaneko : Crystal structure of an exo-1,5-α-L-arabinofuranosidase from Streptomyces avermitilis provides insights into the mechanism of substrate discrimination between exo- and endo-type enzymes in glycoside hydrolase family 43, J. Biol. Chem., 285, 34134-34143 (2010).
  • M. Cid, H.L. Peterson, S. Kaneko, P.M. Coutinho, B. Henrissat, W.G.T. Willats, and A.B. Boraston : Recognition of the helical structure of β-1,4-galactan by a new family of carbohydrate-binding modules, J. Biol. Chem., 285, 35999-36009 (2010).
  • T. Maehara, S. Tomita, K. Takabatake, and S. Kaneko : Improvement of the transformation efficiency of Flammulina velutipes Fv-1 using glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase gene promoter, Biosci. Biotechnol. Biochem., 74, 2523-2525 (2010).
  • T. Tryfona, H.C. Liang, T. Kotake, S. Kaneko, J. Marsh, H. Ichinose, A. Lovegrove, Y. Tsumuraya, P.R. Shewry, E. Stephens, P. Dupree : Carbohydrate structural analysis of wheat flour arabinogalactan protein, Carbohydr. Res. 345, 2648-2656 (2010).
  • O. Ryabova, M. Vršanská, S. Kaneko, W.H. van Zyl, and P. Biely : Novel family of hemicellulolytic α-glucuronidase, FEBS Lett., 583 (9), 1457-1462 (2009).
  • H. Ichinose, Z. Fujimoto, M. Honda, K. Harazono, Y. Nishimoto, A. Uzura, and S. Kaneko : A β-L-arabinopyranosidase from Streptomyces avermitilis is a novel member of glycoside hydrolase family 27, J. Biol. Chem., 284 (37), 25097-25106 (2009).
  • S. Kaneko, H. Ichinose, Z. Fujimoto, S. Iwamatsu, A. Kuno, T. Hasegawa : Importance of interactions of the α-helices in the catalytic domain N and C-terminals of the family 10 xylanase from Streptomyces olivaceoviridis E-86 to the stability of the enzyme, J. Appl. Glycosci. 55, 173-179 (2009).
  • S. Kaneko, H. Ichinose, Z. Fujimoto, S. Iwamatsu, A. Kuno, T. Hasegawa : Substrate recognition of a family 10 xylanase from Streptomyces olivaceoviridis E-86: a study by site-directed mutagenesis to make an obstacle in the outer side of the substrate-binding cleft, J. Appl. Glycosci., 55, 165-171 (2009).
  • R. Mizuno, H. Ichinose, T. Maehara, K. Takabatake, and S. Kaneko : Properties of ethanol fermentation by Flammulina velutipes, Biosci. Biotechnol. Biochem., 73, 2240-2245 (2009).
  • H. Ichinose, T. Kotake, Y. Tsumuraya, and S. Kaneko : Characterization of an endo-β -1,6-galactanase from Streptomyces avermitilis NBRC14893, Appl. Environ. Microbiol, 74, 2379-2383 (2008).
  • H. Ichinose, M. Yoshida, Z. Fujimoto, and S. Kaneko : Characterization of a modular enzyme of exo-α-1,5-L-arabinofuranosidase and arabinan binding module from Streptomyces avermitilis NBRC14893, Appl. Microb. Biotechnol., 80, 399-408 (2008).
  • H. Ichinose, A. Kuno, T. Kotake, M. Yoshida, K. Sakka, J. Hirabayashi, Y. Tsumuraya, and S. Kaneko : Characterization of an exo-β-1,3-galactanase from Clostridium thermocellum, Appl. Environ. Microbiol., 72, 3515-3523 (2006).
  • H. Ichinose, T. Kotake, Y. Tsumuraya, and S. Kaneko : Characterization of an exo-β-1,3-D-galactanase from Streptomyces avermitilis NBRC14893 acting on arabinogalactan-protreins, Biosci. Biotechnol. Biochem., 70, 2745-2750 (2006).
  • H. Ichinose, M. Yoshida, T. Kotake, A. Kuno, K. Igarashi, Y. Tsumuraya, M. Samejima, J. Hirabayashi, H. Kobayashi, and S. Kaneko : An exo-β-1,3-galactanase having a novel β-1,3-galactan binding module from Phanerochaete chrysosporium, J. Biol. Chem., 280, 25820-25829 (2005).
  • T. Kotake, S. Dina, T. Konishi, S. Kaneko, K. Igarashi, M. Samejima, Y. Watanabe, K. Kimura, and Y. Tsumuraya : Molecular cloning of a β-galactosidase from radish that specifically hydrolyzes β-1,3- and β-1,6-galactosyl residues of arabinogalactan-protein, Plant Physiol., 138, 1563-1576 (2005).
  • T. Kotake, S. Kaneko, A. Kubomoto, Md.A. Haque, H. Kobayashi, and Y. Tsumuraya : Molecular cloning and expression in Escherichia coli of a Trichoderma viride endo-β-(1→6)-galactanase gene, Biochem. J. 377, 749-755 (2004).
  • Z. Fujimoto, S. Kaneko, A. Kuno, H. Kobayashi, I. Kusakabe, and H. Mizuno : Crystal structures of decorated xylooligosaccharides bound to a family 10 xylanase from Streptomyces olivaceoviridis E-86, J. Biol. Chem. 279, 9606-9614 (2004).
  • S. Kaneko, H. Ichinose, Z. Fujimoto, A. Kuno, K. Yura, M. Go, H. Mizuno, I. Kusakabe, and H. Kobayashi : Structure and function of a chimeric β-xylanase from Streptomyces olivaceoviridis E-86 FXYN and Cellulomonas fimi Cex, J. Biol. Chem., 279, 26619-26626 (2004).
  • T. Kotake, D. Yamaguchi, H. Ohzono, S. Hojo, S. Kaneko, H. Ishida, and Y. Tsumuraya : UDP-sugar pyrophosphorylase with broad substrate specificity towards various monosaccharide 1-phosphates from pea sprouts, J. Biol. Chem., 279, 45728-45736 (2004).
  • Z. Fujimoto, S. Kaneko, M. Momma, H. Kobayashi, and H. Mizuno : Crystal structure of rice α-galactosidase complexed with D-galactose, J. Biol. Chem. 278, 20313-20318 (2003).
  • Z. Fujimoto, A. Kuno, S. Kaneko, H. Kobayashi, I. Kusakabe, and H. Mizuno : Crystal structure of the sugar complexes of Streptomyces olivaceoviridis E-86 xylanase: Sugar binding structure of family 13 carbohydrate-binding module, J. Mol. Biol. 316, 65-78 (2002).
  • N. Matsuo, S. Kaneko, A. Kuno, H. Kobayashi, and I. Kusakabe : Purification, characterization and gene cloning of two α-L-arabinofuranosidases from Streptomyces chartreusis GS901, Biochem. J. 346, 9-15 (2000).
  • H. Shibuya, S. Kaneko, and K. Hayashi : Enhancement of thermostability and hydrolytic activity of xylanase by random gene shuffling, Biochem. J. 349, 651-656 (2000).
  • Z. Fujimoto, A. Kuno, S. Kaneko, S. Yoshida, H. Kobayashi, I. Kusakabe, and H. Mizuno : Crystal structure of Streptomyces olivaceoviridis E-86 β-xylanase containing xylan-binding domain, J. Mol. Biol. 300, 575-585 (2000).
  • A. Kuno, S. Kaneko, H. Ohtsuki, S. Ito, Z. Fujimoto, H. Mizuno, T. Hasegawa, K. Taira, I. Kusakabe, and K. Hayashi : Novel sugar-binding specificity of the type XIII xylan binding domain of a family F/10 xylanase from Streptomyces olivaceoviridis E-86, FEBS Lett. 482, 231-236 (2000).
  • S. Kaneko, S. Iwamatsu, A. Kuno, Z. Fujimoto, Y. Sato, K. Yura, M. Go, H. Mizuno, T. Hasegawa, I. Kusakabe, K. Taira, and K. Hayashi : Module shuffling of family F/10 xylanase: replacement of module 4 and 5 of Streptomyces olivaceoviridis E 86 by that of Cex from Cellulomonas fimi, Protein Eng. 13, 873-879 (2000).
  • S. Kaneko, A. Kuno, Z. Fujimoto, D. Shimizu, S. Machida, Y. Sato, K. Yura, M. Go, H. Mizuno, K. Taira, I. Kusakabe, and K. Hayashi : An investigation of the nature and function of module 10 in a family F/10 xylanase FXYN of Streptomyces olivaceoviridis E-86 by module shuffling with the Cex of Cellulomonas fimi and by site directed mutagenesis, FEBS Lett. 460, 61-66 (1999).
  • S. Kaneko, M. Arimoto, M. Ohba, H. Kobayashi, T. Ishii, and I. Kusakabe: Purification and substrate specificities of two -L-arabinofuranosidases from Aspergillus awamori IFO 4033, Appl. Environ. Microbiol. 64, 4021-4027 (1998).
  • S. Kaneko, T. Ishii, and T. Matsunaga: A boron rhamnogalacturonan-II complex from bamboo shoot cell-walls, Phytochemistry 44, 243-248 (1997).