背景

Siderophoreは、鉄イオンを強くキレートする微生物産物で、鉄欠乏環境下での鉄の獲得を容易にする。鉄はほぼ全ての生物の生育に必須であり、生物生産における重要な制限因子であるため、微生物は様々なSiderophoreを利用して鉄を獲得しています。また、一部の細菌は外来性のSiderophoreを自らの増殖のために利用することが報告されており、これは「siderophore piracy」と呼ばれています。最近、海洋細菌の産生するHSD（N-hydroxy-N-succinyl diamine）ベースのsiderophoreであるavaroferrin（3）が、競合する細菌の群れを停止させることが明らかにされた。これらの結果は、siderophoreが環境微生物間の複雑なケミカルコミュニケーションに寄与していることを示唆しています。
Desferrioxamineとその関連分子（1-8）は、主にN-hydroxy-N-succinyl cadaverine（HSC、9）とN-hydroxy-N-succinyl putrescine（HSP、10）のサブユニットからなる代表的なbacterial siderophoreで、様々な細菌門から分離されています（図1）。Desferrioxamine B (7) は、鉄中毒の治療薬として臨床的に使用されており、この分子群には、mycobacteriumのバイオフィルム形成の阻害やマクロファージによる癌細胞の細胞溶解の促進など、興味深い生物活性が報告されています。

図1. 様々な細菌門が生産する代表的なN-hydroxy-N-succinyl diamine（HSD）系siderophore（1-8）、およびその単量体前駆体N-hydroxy-N-succinyl cadaverineとN-hydroxy-N-succinyl putrescin（それぞれ9と10）の構造。化合物2-5および8は環状二量体および三量体であり、1および6はそれぞれ直鎖状二量体および三量体である。化合物7は擬似3量体であり、その末端の1つは酢酸基でキャップされていた。

現在までに、HSD系siderophoreの生合成を担う遺伝子クラスターがいくつかクローン作成されています。これらのクラスターは一般に4つのタンパク質をコードしており、最初の3つの酵素（酵素A〜C）は、アミノ酸（リジンおよびオルニチン）から、脱炭酸、N-水酸化、 succinyl-CoAとの縮合を順次行って共通の主要中間体であるHSDs（9および10）の生成を触媒しています。第4の酵素（酵素D）は、HSDモノマー間の複数のアミド結合の形成（9, 10）を触媒し、その後のhead-to-tail環化反応によって、最終的な大環状生成物を得ます（図2）。これらのアミド結合形成酵素（酵素Ds）は、非リボソーム型ペプチド合成酵素の新しいグループを構成しています。また、酵素Dsは幅広いHSDを基質として受け入れ、多様な生理活性を有する大環状最終生成物を生成することが報告されているが、オリゴマー化反応や大環状化反応の制御の分子機構はほとんど分かっていません。

図2. N-hydroxy-N-succinyl diamine（HSD）系siderophoreの推定生合成経路と、典型的な生合成遺伝子群の模式的構成

海洋細菌の新規 siderophore探索の過程で、パラオの未同定海綿から分離したBacteroidetes門に属する海洋細菌 Tenacibaculum mesophilumが、HSD系の直鎖型siderophore bisucaberin Bのみを生産し（1）、大環状の対応物は生産しないことを発見しました（2）。これまで報告されている他の細菌は主に大環状体を生産しており、直鎖状分子は生合成の中間体か shunt副産物であると考えられています（図2）。これらのことから、T. mesophilumはHSDを基盤としたsiderophore生合成装置の最初の例であり、最終的な大環状化活性を本質的に持たない装置をコードしている可能性が示唆されました。そこで、T. mesophilum由来の酵素を詳細に解析することで、大環状化反応の分子機構に関する情報が得られると期待されます。ここでは、T. mesophilum由来の bisucaberin B（1）の生合成遺伝子群のクローン作成、異種発現による酵素機能の確認、およびクローン作成した酵素の簡単な逐次解析について報告します。