コンビナトリアル生合成
PKSやNRPSを対象としたドメインスワッピングにおける最大の問題点は、酵素の改変により溶解度や活性が低下する可能性が高いことである。実際に現在までに、上記の手法で本来の天然物ほどの高い収量が得られた“非天然”天然物は非常にまれである。そこで、タンパク質全体の構造変化を最小限に抑えるための手法が、部位特異的突然変異を利用した酵素の改変である。
酵素は活性部位内で反応を触媒するが、その中でも基質の選択に重要な役割を持つ部位が存在する。例えばNRPSのAドメインでは、Aドメインコードと呼ばれる10部位のアミノ酸配列から基質を予測することができる。これは逆に、これらの部位を異なる基質のものに変異させることで、Aドメインの基質の変化が可能であることを表している。またPKやNRPを修飾する任意ドメインを不活性化することで、任意の修飾をされていない物質を生成する試みも行われている(図6)。
どの手法を用いたとしても最大の問題点は収量である。コンビナトリアル生合成では、微生物などに目的の物質を生成させることを目的としている。そのため、誘導体化された天然物の生成量には常に注意を払われる。特に初期の研究では、それら“非天然”天然物の生成量は、元の天然物に比べて著しく低下することが問題であった。
収量問題の多くは、酵素やその各部位(モジュールやドメイン)の理解が不十分であることに起因しているため、これらの理解が進むにつれてより効率のよい手法が発表されつつある。しかし初期に研究者が夢見ていた、自由に部位を付加したり置換したりといったような広範な応用例はまだ実現していない。
最も初期に考案、実証された手法である。天然物は通常、特定の遺伝子クラスター内でコードされる酵素の集合によって生合成される。そのため、ある生物が天然物を誘導体化できうる酵素を持っていたとしても、それが発現していなければ意味を成さない。そこで、誘導体化に利用できる酵素の遺伝子を遺伝子クラスター内に導入、もしくはその遺伝子を常に発現するような状態にしてゲノムに導入することで、効率よく天然物を誘導体化することができる。
この手法は官能基の付加にとても有用であり、特にハロゲン化やグリコシル化によく利用される。ハロゲン化は化合物の生物活性を著しく変化させることが多く、またグリコシル化は目的物質の溶解度を上げることで薬への実用化が容易になる(図3)。