テーマ紹介: 乳酸菌由来新奇環状バクテリオシンに関する研究

乳酸菌がリボソーム上で合成するバクテリオシンの中には、N末端とC末端が結合し、環状構造を有するものがある。環状バクテリオシンは、2020年現在までに約20種類が報告されており、一般に幅広い抗菌スペクトルを示し、pHや熱に対する安定性を有するだけでなく、直鎖状バクテリオシンと比較してタンパク分解酵素への耐性も高いため、産業的な応用が期待されている(論文1,2)。我々は乳酸菌やその類縁菌から新奇環状バクテリオシンを探索し、構造や生合成機構、作用機構の解析を進めるとともに、抗菌剤等への応用を検討している。
これまでに新奇環状バクテリオシンであるlactocyclicin Qやleucocyclicin Q、enterocin NKR-5-3Bを発見し、その構造を決定してきた(図1)。さらには、これら新奇環状バクテリオシンの生合成遺伝子群や作用機構等の解析を行ってきた。現在、とくに、得られた生合成遺伝子群をもとに、生合成機構の解明を目指して研究を進めている。


1.Lactococcus sp. QU 12が生産する環状バクテリオシンlactocyclicin QとLeuconostoc mesenterides TK41401が生産する環状バクテリオシンleucocyclicin Q(論文3~5)

E. faecium NKR-5-3が生産する5つのバクテリオシンのうち、enterocin NKR5-3-B(Ent53B)は環状バクテリオシンであり、4つのαヘリックスを有する立体構造をとることを明らかにした。また、生合成に必要な最小の遺伝子群(enkB、enkB1、enkB2、enkB3、enkB4)を同定し、分泌や自己耐性への関与を明らかにした。さらに、Ent53Bの環状化部位のアミノ酸残基の重要性を明らかにした。。


2.多成分バクテリオシン生産乳酸菌Enterococcus faecium NKR-5-3が生産する環状バクテリオシンenterocin NKR-5-3B(論文6~8)

E. faecium NKR-5-3が生産する5つのバクテリオシンのうち、enterocin NKR5-3-B(Ent53B)は環状バクテリオシンであり、4つのαヘリックスを有する立体構造をとることを明らかにした。また、生合成に必要な最小の遺伝子群(enkB、enkB1、enkB2、enkB3、enkB4)を同定し、分泌や自己耐性への関与を明らかにした。さらに、Ent53Bの環状化部位のアミノ酸残基の重要性を明らかにした。


発表論文

【発表論文】

1. Masuda Y, Zendo T, Sonomoto K. New type non-lantibiotic bacteriocins: circular and leaderless bacteriocins. Benef Microbes. 2012 Mar 1;3(1):3-12. doi: 10.3920/BM2011.0047. PMID: 22348904.

2. Perez RH, Zendo T, Sonomoto K. Circular and leaderless bacteriocins: biosynthesis, mode of action, applications, and prospects. Front Microbiol. 2018 Sep 4;9:2085. doi: 10.3389/fmicb.2018.02085. PMID: 30233551; PMCID: PMC6131525.

3. Sawa N, Zendo T, Kiyofuji J, Fujita K, Himeno K, Nakayama J, Sonomoto K. Identification and characterization of lactocyclicin Q, a novel cyclic bacteriocin produced by Lactococcus sp. strain QU 12. Appl Environ Microbiol. 2009 Mar;75(6):1552-8. doi: 10.1128/AEM.02299-08. Epub 2009 Jan 9. PMID: 19139222; PMCID: PMC2655440.

4. Masuda Y, Ono H, Kitagawa H, Ito H, Mu F, Sawa N, Zendo T, Sonomoto K. Identification and characterization of leucocyclicin Q, a novel cyclic bacteriocin produced by Leuconostoc mesenteroides TK41401. Appl Environ Microbiol. 2011 Nov;77(22):8164-70. doi: 10.1128/AEM.06348-11. Epub 2011 Sep 23. PMID: 21948835; PMCID: PMC3209004.

5. Mu F, Masuda Y, Zendo T, Ono H, Kitagawa H, Ito H, Nakayama J, Sonomoto K. Biological function of a DUF95 superfamily protein involved in the biosynthesis of a circular bacteriocin, leucocyclicin Q. J Biosci Bioeng. 2014 Feb;117(2):158-164. doi: 10.1016/j.jbiosc.2013.06.023. Epub 2013 Jul 29. PMID: 23906710.

6. Himeno K, Rosengren KJ, Inoue T, Perez RH, Colgrave ML, Lee HS, Chan LY, Henriques ST, Fujita K, Ishibashi N, Zendo T, Wilaipun P, Nakayama J, Leelawatcharamas V, Jikuya H, Craik DJ, Sonomoto K. Identification, characterization, and three-dimensional structure of the novel circular bacteriocin, enterocin NKR-5-3B, from Enterococcus faecium. Biochemistry. 2015 Aug 11;54(31):4863-76. doi: 10.1021/acs.biochem.5b00196. Epub 2015 Jul 31. PMID: 26174911.

7. Perez RH, Ishibashi N, Inoue T, Himeno K, Masuda Y, Sawa N, Zendo T, Wilaipun P, Leelawatcharamas V, Nakayama J, Sonomoto K. Functional analysis of genes involved in the biosynthesis of enterocin NKR-5-3B, a novel circular bacteriocin. J Bacteriol. 2015 Oct 26;198(2):291-300. doi: 10.1128/JB.00692-15. PMID: 26503847; PMCID: PMC4751792.

8. Perez RH, Sugino H, Ishibashi N, Zendo T, Wilaipun P, Leelawatcharamas V, Nakayama J, Sonomoto K. Mutations near the cleavage site of enterocin NKR-5-3B prepeptide reveal new insights into its biosynthesis. Microbiology. 2017 Apr;163(4):431-441. doi: 10.1099/mic.0.000435. Epub 2017 Apr 12. PMID: 28113050.


メンバー紹介・研究テーマ

【2020年度】

乗富和寿(修士2年)・環状バクテリオシン、enterocin NKR-5-3Bの生合成機構の解明
星 優美(修士2年)・環状バクテリオシン、leucocyclicin Qの生合成機構の解明
加唐 諭(修士1年)・環状バクテリオシン、lactocyclicin Qの生合成機構の解明