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環境科学

ガラクトースオキシダーゼの研究が作物腐敗の仕組みに光を当てる

S腐生菌と植物病原菌は、有機質を分解することによって作物を腐敗させ、植物の病気を拡散させます。これには、ガラクトースオキシダーゼ、グリオキサールオキシダーゼといった酵素が使われます。木の場合、菌が酵素を使ってリグニンを破壊してセルロース中のグルコースに達し、その過程で過酸化水素を生成します。葉の場合、菌は葉脈を目指します。

植物病原菌は細胞壁を破壊し、水分の周囲の多糖類に達します。これらの有機体が定着すると作物は影響を受け、30~50%が壊滅することもあります。これは経済的損害を与え、開発途上国に飢饉をもたらし、食品の価格を上昇させるなど、人類に重大な影響を及ぼす可能性があります。腐生菌や植物病原菌の酵素が植物を破壊するプロセスを理解することには、他にも価値があります。

酵素分類ガラクトース-6-オキシダーゼ/グリオキサールオキシダーゼが最初に発見されたのは1950年代後半です。これらについてほとんど何も分かっていないため、その分布範囲や系統的多様性を調査する余地があります。

この分類の2つの酵素、炭疽病菌のcolletotrichum graminicola(CgrAlcOx)とc.gloeosporioides(CglAlcOx)の働きをDeLu(Tyler)Yin 氏らが調べ、それらの生体触媒反応を観察しました。collectotrichumが選ばれたのは、トウモロコシの炭疽病による葉枯れと茎の腐敗によって年間の収穫量の約6%が失われているからです。

これらの酵素は脂肪族アルコールを反応させることで過酸化水素H2O2が生成されますが、ガラクトースとガラクトシドを酸化できないことが分かりました。例えば、CgrAlcOxがガラクトース、ラフィノース、キシログルカンやグルコース、キシロース、アラビノースに与える影響は最小限でしたが、グリセロールを著しく酸化させました。

研究者は何が起きているのかを解明しようと、ブルカーEMX電子スピン共鳴装置をEasyspin 4.0.0ソフトウェアと組み合わせて155Kおよび9.3GHzで使用しました。CgrAlcOxとCglAlcOxの試料にグリセロールを加えたものと加えないもので生成されたEPRスペクトルを分析しました。これらの試料は、構造中の成分である銅との弱い結合を除去するため、最初は金属と結合しやすいエチレンジアミン四酢酸(EDTA)とともに培養しました。EMX装置の高周波マイクロ波照射により軌道上の不対電子が活性化し、特徴的な放射パターンが生じます。この装置は不対電子を検出します。例えば、H、OH、HO2などがあります。EMXはこれらを特定して調べ、反応の中で何が起きているか情報を提供します。

EPRで分析したところ、CgrAlcOxとCglAlcOxの結晶構造には1つの単核銅サイトの存在が確認されました。酵素中のこの配位子は、脂肪族アルコールとの反応に活発な役割を果たしていました。実験では、EPRの下で酵素の静止状態を調査しました。

CgrAlcOxは、2つのドメインとβシート、結合ループの3D構造を持つことが分かりました。

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