界面活性剤フリーの高活性電極触媒を開発―構造生物電気化学に基づく酵素の合理的設計―

　足立大宜 農学研究科特定研究員、市川小夏 同修士課程学生、宋和慶盛 同助教、宮田知子 大阪大学特任准教授、牧野文信 同招へい准教授、難波啓一 同特任教授、株式会社テクノプロの田中秀明氏らの共同研究グループは、Gluconobacter japonicusという酢酸菌由来のフルクトース脱水素酵素（FDH）の膜結合領域欠損変異体を開発し、直接電子移動型酵素電極反応（DET型反応）における活性向上を実現しました。

　FDHは、酢酸菌の呼吸鎖電子伝達系を構成する酵素で、フルクトース（果糖）を酸化します。本酵素は、電極との直接的な電子移動ができるユニークな特徴を有しており、優れた物質－エネルギー変換（低い副反応リスク・高い電解効率）を実現できます。しかし本酵素は、生体内で細胞膜に結合しているため、界面活性剤を用いて精製する必要がありました。そこで今回、FDHの立体構造から2か所の膜結合領域を推定し、両者を切除した変異体を設計しました。本変異体は、細胞膜から遊離した状態で発現し、界面活性剤フリーでの精製に成功しました。また、クライオ電子顕微鏡観察および単粒子像解析によって、本変異体の構造解析を行った結果、切除領域以外の構造変化はほとんど無く、酵素活性を保持したまま変異体を作製できたことを確認しました。さらに本変異体は、界面活性剤と共存しないため、野生型酵素よりも高密度で電極に吸着することができます。その結果、本変異体のDET型反応速度は、野生型酵素の14倍に向上しました。本研究成果は、高活性な生体触媒の合理的設計手法として、学術的かつ社会的な波及効果が期待されます。

　本研究成果は、2025年7月11日に、国際学術誌「ACS Electrochemistry」にオンライン掲載されました。

「FDHは、これまでも卓越したDET活性を有する酵素として注目されてきましたが、今回、構造情報に基づく合理的設計により、その活性をさらに向上させることに成功しました。本成果は、酵素機能の最適化における構造情報活用の可能性を強く実感させるものであり、今後の酵素設計にも大きく貢献すると考えています。」（市川小夏）

「本研究は、2022年に40年以上未解明だったFDHの立体構造を私たちが世界で初めて解明した成果を礎としています。その後、DET型酵素設計や構造生物電気化学の研究は加速度的に発展しており、本成果によって触媒性能を10倍以上に改良することができました。今回のブレイクスルーは、バイオ燃料電池やバイオセンサとしての性能向上だけでなく、酵素製造コストの低減などにも波及効果を齎します。今後も構造生物電気化学の基礎研究を加速させるとともに、社会実装に向けた開発研究にも挑戦していきます。」（宋和慶盛）