中国の科学者が生合成の古代の謎を解読

キチンの生合成は古くから保存されている生合成経路です。中国科学視覚化センターによる地図 科学ニュース

三葉虫から蝶、イソギンチャクからカタツムリ、酵母からカンジダ・アルビカンスまで...キチンはあらゆるところに存在します。キチンとして一般に知られているキチンは、5億3000万年前のカンブリア紀の生命爆発の頃に出現しました。現在、菌類、節足動物、軟体動物、環形動物、腔腸動物、原生動物に広く見られますが、植物や哺乳類では決して合成されません。

科学者たちは、古代から保存されてきた合成経路であるキチン生合成の謎を解明しようと努めてきました。 9月21日、中国農業科学院植物保護研究所/農業ゲノム研究所の楊青教授チームと中国科学院高エネルギー物理研究所の龔勇研究員は、完成までに15年かかった研究結果をネイチャー誌オンライン版に発表した。

この研究では、Phytophthora sojae 由来のキチン合成酵素のクライオ電子顕微鏡構造を解明し、キチン生合成の全プロセスを初めて明らかにし、ニコマイシンがキチン生合成を阻害するメカニズムを解明しました。これは、我が国の農薬研究分野でネイチャー誌に掲載された最初の論文です。

中国工程院院士で華東師範大学学長の銭旭紅氏は、この研究はキチン農薬分野における約50年にわたる発展のボトルネックを突破し、数十年実現できなかった環境に優しい農薬の夢、すなわちキチン合成酵素の構造に基づくグリーン農薬の精密設計を実現するための舞台を提供したと指摘した。この研究成果は画期的な意義を持ち、中国の農薬研究開発レベルが基礎理論の独創的革新のレベルにまで引き上げられたことを示している。これは、ここ数十年における世界的な農薬革新の研究開発における最も重要な基礎的進歩の 1 つでもあります。

グリーン農薬への新たな希望

キチンはN-アセチルグルコサミンからなる天然のバイオポリマーです。その生合成は、農業生産に深刻な損害を与える多くの害虫、病原菌、卵菌類を含む多数の生物の生存と繁殖に不可欠です。

中国科学院の院士で河北大学学長の康楽氏は、卵菌類はキチンを合成できる最も低次の生物かもしれないと語った。キチン合成は、昆虫や節足動物の外胚葉によって形成される外骨格、気管、消化管などの形成と発達に不​​可欠な、極めて古くから保存されている経路であり、多くの微生物の炭素と窒素の供給源となっています。

論文の責任著者であるヤン・チン氏は中国科学日報に対し、キチンは昆虫と菌類の両方に欠かせない構造成分だが、植物や哺乳類には存在しないと語った。したがって、キチン合成酵素は、効率的で安全かつ環境に優しい農薬を作成するための重要なターゲットの 1 つです。 「キチン合成酵素は殺菌剤と殺虫剤の両方のターゲットです」とヤン・チン氏は言う。

現在、わが国では農薬の使用により直接的な経済損失が毎年約1,000億元減少していますが、農薬の毒性や害虫や病気によって生じる農薬耐性が深刻な課題となっています。楊青氏は、新たな作用機序を持つ安全な農薬の研究開発を加速することが効果的な解決策であると述べた。科学的問題の核心は、農薬の分子標的、つまり、タンパク質、酵素、ペプチド、核酸など、農薬分子と結合してその効力を発揮できる害虫や病気の体内の生物学的高分子にあります。

しかし、現在、世界で広く使用されている殺虫剤の 70% は 5 つの分子標的のみをターゲットにしており、広く使用されている殺菌剤の 60% は 3 つの標的のみをターゲットにしています。 「分子標的は非常に少ない。」論文の筆頭著者で植物保護研究所の准研究員である陳偉氏は、単一の標的を狙った農薬を長期使用すると、害虫や病気が容易に高い耐性を獲得し、最終的には農薬が害虫や病気の個体数を制御できなくなり、害虫や病気が頻繁に発生するようになると述べた。これは、世界的な農業害虫および病気の防除が直面している大きな問題でもあります。

中国工程院院士で貴州大学学長の宋宝安氏は、グリーン農薬分子標的の開発と利用が国の主要なニーズとなっていると指摘した。新たなターゲットによって、数十、数百もの農薬品種が誕生するだけでなく、既存の農薬品種の農薬耐性の問題も大幅に緩和されます。

1970 年代以降、キチンの合成を阻害できる活性小分子化合物が開発されました。これらの化合物は、殺菌剤や殺虫剤として大きな応用と市場展望を示しています。例えば、1976 年にバイエルが発見したニッコーマイシンは、Phytophthora solani、Saprolegnia solani、Aspergillus fumigatus などのさまざまな農業病原菌に対して優れた殺菌活性を示し、ヒト用の抗真菌薬として第 II 相臨床試験に入っています。 1978 年に人工的に合成されたベンゾイル尿素化合物は、昆虫によるキチンの合成を効果的に防ぐことができます。現在、このタイプの複合農薬は殺虫剤市場の3％を占めており、年間売上高は4億4,100万米ドルに達しています。

しかし、過去50年間、世界各国はキチン合成酵素を標的としたより多くの種類とより効率的なグリーン農薬の開発に多大な人的資源、物的資源、熱意を投入してきましたが、進歩は常に遅いものでした。

「重要な理由の 1 つは、キチン合成酵素の正確な 3 次元構造情報が不足していることです。キチン合成酵素の構造と機能の関係が不明瞭なため、この酵素をターゲットとする新しい殺虫剤の設計が著しく妨げられています。」ヤン・チン氏は、キチン合成酵素の研究が難しいのは、それが細胞膜に結合した膜タンパク質であるという事実にあると述べた。膜タンパク質が体外で安定して存在するためには、細胞膜をシミュレートする環境が必要ですが、これを実現するのは困難です。

キチン合成の分子メカニズムが初めて明らかに

「キチン合成酵素の未解決の科学的問題については、私たちは常に明確に認識してきました。そのため、技術が成熟すれば、すぐにこの問題に取り組み、答えを見つけることができるのです。」楊青氏は、キチン合成酵素の謎の解明に成功したのは、科学技術の進歩と、チームのキチン生物学研究への長期にわたる取り組み、そしてキチンの合成、加水分解、修飾における豊富な蓄積の恩恵を受けたと述べた。

彼らは、Phytophthora sojae のキチン合成酵素 PsChs1 を研究対象として選びました。陳偉氏は、大豆疫病菌は卵菌類であり、大豆の根や茎の腐敗を引き起こす主な病原体であり、毎年世界中で10億ドル以上の経済的損失をもたらしていると紹介した。大豆疫病は、私の国では毎年大豆の収穫量の 10% の損失を引き起こしています。

楊青氏の研究チームは、クライオ電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、X線回折などの技術を用いて、キチン合成酵素の3次元構造を、酵素の自由状態、基質結合状態、キチン鎖結合状態、生成物結合状態、酵素活性が阻害された状態の5つの異なる状態で分析した。

キチン合成酵素の3次元構造。写真提供：中国農業科学院

陳偉氏は、これらの構造の発見によってキチン合成酵素の作用メカニズムが初めて明らかになったと述べた。まず、キチン合成酵素はドナー基質上の糖基をアクセプターキチン糖鎖に転移する。そして、新たに生成されたキチン糖鎖は細胞膜上の「膜輸送」チャネルを通って細胞外に放出されます。最後に、放出されたキチン鎖が自発的に組み立てられ、キチンナノファイバーになります。

キチン生合成のメカニズム。画像提供：中国農業科学院

カン・レ氏は、この研究により、キチン合成酵素によって触媒される多段階の指向性キチン生合成プロセスが原子レベルで初めて明らかになり、生物学分野における大きな進歩であると指摘した。

さらに研究を進めると、フィトフソラ菌のキチン合成酵素遺伝子をノックアウトすると、菌糸の成長、胞子嚢の生成、遊走子の放出などの生命プロセスが損なわれ、フィトフソラ菌の毒性と繁殖能力が大幅に低下することが判明しました。したがって、Phytophthora sojae のキチン合成酵素は、優れた殺菌剤ターゲットとして機能するだけでなく、キチン合成酵素研究のモデルとしても機能します。

研究チームはまた、キチン合成酵素と活性小分子阻害剤ニコマイシンの結合パターンを調査し、ニコマイシンがキチン生合成を阻害するメカニズムを説明した。

グリーン農薬の精密設計における画期的な成果

「キチン合成酵素の構造情報と、その基質、生成物、阻害剤との結合は、キチン合成酵素を標的とした小分子の合理的な設計に新たな希望をもたらし、有害昆虫の個体数を制御する」とカン・レ氏は述べた。

楊青氏は、大豆疫病キチン合成酵素の遺伝子配列の類似性が、ジャガイモ疫病、オーク疫病、コショウ疫病など、世界で最も深刻な10の農業疫病と95％以上であることから、大豆疫病キチン合成酵素の3次元構造は、大豆疫病やジャガイモ疫病を予防・抑制するための殺菌剤の分子設計のテンプレートを提供すると強調した。これにより、農業害虫に対する新しい防除薬の開発や、農薬耐性の問題を解決する可能性が生まれます。

宋宝安氏は、これは農薬分子標的研究の分野における中国の科学者にとって画期的な出来事であり、キチン合成酵素を標的としたグリーン農薬の精密な設計が可能になると指摘した。これにより、重量級のグリーン農薬品種の創出、我が国の農薬産業の中核競争力の強化、農業害虫の予防・防除能力の向上、そして我が国の食糧安全保障の確保に貢献します。

キチン合成酵素とニッコーマイシンの複合体。写真提供：中国農業科学院

楊青氏は中国科学日報に対し、キチンの生合成メカニズムは非常に保存的だが、種によってキチン合成酵素の構造にはまだ違いがあると語った。 「有益な昆虫に対する安全性を確保するため、設計された小分子を徹底的に検査する必要がある。」

次のステップでは、大豆疫病菌、ジャガイモ疫病菌などの重要な病原菌、およびヨトウガやトノサマバッタなどの主要な害虫に対するキチン合成酵素阻害剤の詳細な分子設計研究を実施する予定です。これらのキチン合成酵素阻害剤の現場での有効性と安全性を評価するための現場実験を実施し、独立した革新的な農薬の登録を完了します。

「研究から生産への応用までには10年、あるいはそれ以上かかるかもしれない。これには各国の医薬品認可制度、特に農薬が関係する。人間、家畜、水生生物、環境にとって安全であることを保証する必要がある。さらに多くの研究を行う必要がある」とヤン・チン氏は語った。

中国農業科学院植物保護研究所は、この論文の最初の完成部署です。北京理工大学のChen Wei氏、Cao Peng教授、大連理工大学のLiu Yuansheng博士が本論文の共同筆頭著者であり、Yang Qing氏とGong Yong氏が共同責任著者である。

関連論文情報: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05244-5

出典：中国科学日報 https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/9/486613.shtm