Cryptosporangium属放線菌から発見された新規ベンゼン環含有ポリケタイドおよび修飾ジケトピペラジン

学術的背景

微生物の天然産物は、薬剤開発において重要な価値を持っています。特に、放線菌（Actinomycetes）は、アミノグリコシド類、マクロライド類、テトラサイクリン類抗生物質など、多様な治療用化合物の豊富な供給源となっています。しかし、近年、既知化合物の頻繁な再分離が天然産物に基づく薬剤発見の主な障害となっています。この問題を解決するために、研究者たちは共培養、二次代謝シグナル分子の添加、培養中の高温処理など、さまざまな新しい方法を試みています。本論文の著者らは、未解明の放線菌属に注目し、新しい化合物骨格の発見を目指しました。

本研究の対象は、Cryptosporangium属の放線菌です。この属は1998年に初めて記載され、現在8種が知られています。バイオインフォマティクス解析により、この属の種にはポリケタイドおよび非リボソームペプチドの生合成遺伝子クラスター（BGC）が存在することが明らかになっていますが、これまでに報告されているのは2種類の新規テトロン酸類ポリケタイドのみです。本論文では、Cryptosporangium sp. YDKA-T02株から分離された2種類の新規ベンゼン環含有ポリケタイド（cryptoic acids AおよびB）と1種類の新規アシル化ジケトピペラジン（cyclocryptamide）について報告し、それらの構造、生物活性、および生合成の可能性について研究しました。

論文の出典

本論文は、Md. Julkar Nime、Hideki Yamamura、Masayuki Hayakawa、Nobuyasu Matsuura、Naoya Oku、およびYasuhiro Igarashiによって共同執筆されました。著者らは、日本の富山県立大学生物技術研究センター、山梨大学生命環境科学部、山梨県立大学、および岡山理科大学生物科学科に所属しています。論文は2024年10月2日に投稿され、11月20日に改訂、11月21日に受理され、最終的に『The Journal of Antibiotics』誌に掲載されました。DOIは10.1038/s41429-024-00794-4です。

研究のプロセスと結果

1. 菌株の分離と同定

研究ではまず、日本の山梨大学キャンパスの農地土壌から放線菌YDKA-T02株を分離しました。16S rRNA遺伝子配列解析により、この菌株は既知のCryptosporangium属種との相同性が98.11%-99.58%であり、最も近縁なのはCryptosporangium eucalypti EURKPP3H10Tであることが明らかになりました。走査型電子顕微鏡観察により、この菌株は運動性胞子を持つ胞子嚢を形成するなど、Cryptosporangium属の典型的な形態的特徴を示すことが確認されました。

2. 発酵と化合物の分離

研究者らは、3種類の異なる培地を用いて予備的な発酵実験を行い、A11培地が最も生産性が高いことを発見しました。高速液体クロマトグラフィー（HPLC）および紫外線スペクトル分析により、3つの顕著なピークが検出され、その紫外線スペクトルは既知の微生物二次代謝産物のデータベースと一致しませんでした。その後、研究者らは大規模な発酵を行い、V-22液体培地で7日間の種菌培養を行った後、A11液体生産培地で14日間発酵させました。発酵液を1-ブタノールで抽出し、抽出物をシリカゲルカラムおよびODSカラムクロマトグラフィーで分画し、最終的にHPLCで精製して3種類の化合物、cryptoic acid A（1）、cryptoic acid B（2）、およびcyclocryptamide（3）を得ました。

3. 構造の同定

高分解能エレクトロスプレー飛行時間質量分析（HR-ESI-QTOF-MS）および核磁気共鳴（NMR）分析により、3種類の化合物の分子式を決定しました。cryptoic acid A（1）の分子式はC22H26O3、cryptoic acid B（2）はC22H24O4、cyclocryptamide（3）はC18H22N2O4です。1Dおよび2D NMRスペクトル分析により、それらの化学構造をさらに詳細に決定しました。特に、cyclocryptamide（3）の絶対配置はMarfey法によりL-ロイシンおよびL-プロリンであることが確認されました。

4. 生物活性の試験

研究者らは、これら3種類の化合物の細胞毒性および抗菌活性を試験しました。その結果、cryptoic acid A（1）およびB（2）はP388マウス白血病細胞に対して中等度の細胞毒性を示し、IC50値はそれぞれ27 μMおよび29 μMでしたが、cyclocryptamide（3）は100 μM濃度でも細胞毒性を示しませんでした。さらに、1および2は200 μg/mL濃度で、グラム陽性菌、グラム陰性菌、酵母、および真菌を含む多様な微生物に対して抗菌活性を示しませんでした。しかし、1および2は6.25-100 μM濃度範囲で、ペルオキシソーム増殖因子活性化受容体γ（PPARγ）に対するアゴニスト活性を示しました。

結論と意義

本研究では、Cryptosporangium sp. YDKA-T02株から2種類の新規ベンゼン環含有ポリケタイドおよび1種類の新規アシル化ジケトピペラジンを分離し、それらの構造および生物活性を詳細に研究しました。cryptoic acids AおよびBのPPARγアゴニスト活性は、新規代謝疾患治療薬の開発における有望な候補化合物を提供します。さらに、cyclocryptamideの構造的新規性は、ジケトピペラジン類化合物の生合成研究に新たな視点を提供します。

研究のハイライト

1. 新規性：本研究は、Cryptosporangium属放線菌から初めてベンゼン環含有ポリケタイドおよびアシル化ジケトピペラジンを分離し、天然産物の化学的多様性を豊かにしました。
2. 生物活性：cryptoic acids AおよびBのPPARγアゴニスト活性は、代謝疾患薬の開発における新たな研究方向を提供します。
3. 方法論の革新：研究では、HR-ESI-QTOF-MSや2D NMRなど、先進的な分離および構造同定技術を採用し、天然産物研究に信頼性の高い技術的支援を提供しました。

その他の価値ある情報

本研究は、未解明の放線菌属が新規二次代謝産物の供給源としての可能性をさらに支持し、天然産物に基づく薬剤発見に新たな視点を提供します。さらに、化合物の生合成経路に関する考察は、今後の関連研究に重要な理論的基盤を提供します。