高難度物質変換を指向した細胞表面提示バイオハイブリッド触媒の進化型構築

• Project/Area Number: 18J20249
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Bio-related chemistry
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 加藤 俊介 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 人工金属酵素 / バイオハイブリッド触媒 / 指向性進化法 / ロジウム / C-H結合官能基化 / Directed evolution / ロジウム錯体

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、芳香族C－H結合官能基化反応において触媒活性を示すCp*Rh錯体(III)と、β-バレルタンパク質であるニトロバインディン（NB)とを組み合わせたバイオハイブリッド触媒（NB-Rh）の開発に取り組んでいる。令和2年度の主要な研究成果として、前年度に確立した新規ハイスループットスクリーニング（HTS）手法を活用し、指向性進化法(directed evolution)によるバイオハイブリッド触媒NB-Rhの改変に取り組んだことが特筆される。特に、ラット肝臓由来の脂肪酸結合タンパク質（FABP）のhelix-loop-helix（HLH）ドメインをニトロバインディンのβ-バレル構造へと導入したキメラ型タンパク質反応場を創出し、指向性進化法を適用することで、芳香族C－H結合官能基化反応において高い触媒活性を示すバイオハイブリッド触媒を開発することに成功した。指向性進化法により得られた本バイオハイブリッド触媒変異体は、芳香族C－H結合活性化を経由するアセトフェノンオキシムとアルキンの付加環化反応において、変異導入前と比較して40倍以上の触媒反応効率（kcat/KM）を示すことが判明した。また、本バイオハイブリッド触媒変異体において、基質であるアセトフェノンオキシムに対するKM値の大幅な減少が見られたことから、Cp*Rh(III)錯体を包括するHLHドメインをニトロバインディンへ導入したことで、活性中心の疎水性化合物との親和性が向上したことが判明した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] RWTH Aachen University(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] RWTH Aachen University(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] RWTH Aachen University(ドイツ)
• [Journal Article] Construction of a whole-cell biohybrid catalyst using a Cp*Rh(III)-dithiophosphate complex as a precursor of a metal cofactor (2021)
  • Author(s): Kato Shunsuke、Onoda Akira、Grimm Alexander R.、Schwaneberg Ulrich、Hayashi Takashi
  • Journal Title: Journal of Inorganic Biochemistry Volume: 216 Pages: 111352-111352
  • DOI: 10.1016/j.jinorgbio.2020.111352
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Incorporation of a Cp*Rh(III)-dithiophosphate Cofactor with Latent Activity into a Protein Scaffold Generates a Biohybrid Catalyst Promoting C(sp2)?H Bond Functionalization (2020)
  • Author(s): Kato Shunsuke、Onoda Akira、Grimm Alexander R.、Tachikawa Kengo、Schwaneberg Ulrich、Hayashi Takashi
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 59 Issue: 19 Pages: 14457-14463
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c02245
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Directed Evolution of a Cp*Rh(III)‐Linked Biohybrid Catalyst Based on a Screening Platform with Affinity Purification (2020)
  • Author(s): Kato Shunsuke、Onoda Akira、Taniguchi Naomasa、Schwaneberg Ulrich、Hayashi Takashi
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 22 Issue: 4 Pages: 679-685
  • DOI: 10.1002/cbic.202000681
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cavity Size Engineering of a β-Barrel Protein Generates Efficient Biohybrid Catalysts for Olefin Metathesis (2018)
  • Author(s): Grimm Alexander R.、Sauer Daniel F.、Davari Mehdi D.、Zhu Leilei、Bocola Marco、Kato Shunsuke、Onoda Akira、Hayashi Takashi、Okuda Jun、Schwaneberg Ulrich
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 8 Issue: 4 Pages: 3358-3364
  • DOI: 10.1021/acscatal.7b03652
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 人工金属酵素の創成 -非天然の金属錯体を生体分子へ- (2018)
  • Author(s): 加藤俊介、林高史
  • Journal Title: 化学と教育 Volume: 66 Pages: 588-589
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Directed Evolution of a Cp*Rh(III)-linked Artificial Metalloenzyme with a Chimeric β-Barrel Protein Scaffold. (2021)
  • Author(s): Kato Shunsuke、Onoda Akira、Schwaneberg Ulrich、Hayashi Takashi
  • Organizer: Aachen-Osaka Online Joint Symposium 2021 -Biotechnology for Green Growth-
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evolutionary Engineering of a Cp*Rh(III)-linked Artificial Metalloenzyme with a Chimeric β-Barrel Protein Scaffold for Isoquinoline synthesis via C(sp2)-H Bond Activation (2021)
  • Author(s): Kato Shunsuke、Onoda Akira、Schwaneberg Ulrich、Hayashi Takashi
  • Organizer: 第101回日本化学会春季年会
• [Presentation] 潜在的触媒活性を有するCp*Rh(III)錯体を用いた細胞膜提示型バイオハイブリッド触媒の構築 (2020)
  • Author(s): 加藤俊介、Grimm Alexader、小野田晃、Schwaneberg Ulrich、林高史
  • Organizer: 錯体化学会オンライン研究会
• [Presentation] ロジウム活性中心を有するバイオハイブリッド触媒の指向性進化: C-H結合活性化によるイソキノリン合成への応用 (2020)
  • Author(s): 加藤俊介、小野田晃、Schwaneberg Ulrich、林高史
  • Organizer: 第14回バイオ関連化学シンポジウム2020
• [Presentation] Directed Evolution of a Rh(III)-linked Biohybrid Catalyst for Isoquinoline Synthesis via Cycloaddition of Oximes and Alkynes (2020)
  • Author(s): Shunsuke Kato, Akira Onoda, Ulrich Schwaneberg, and Takashi Hayashi
  • Organizer: 日本化学会 第100回春季年会
• [Presentation] A Catalytically Latent Rh(III) Complex for a Cell Surface Displayed Biohybrid Catalyst (2019)
  • Author(s): Shunsuke Kato, Alexander Grimm, Akira Onoda, Ulrich Schwaneberg, and Takashi Hayashi
  • Organizer: 15th International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry (ISABC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Catalytically Latent Rh(III)-dithiophosphate Complexes for Whole-cell Application of a Biohybrid Catalyst (2019)
  • Author(s): Shunsuke Kato, Alexander Grimm, Akira Onoda, Ulrich Schwaneberg, and Takashi Hayashi
  • Organizer: 錯体化学会 第69回討論会
• [Presentation] Directed Evolution of a Rh(III)-Linked Biohybrid Catalyst for Isoquinoline Synthesis via C-H Bond Activation (2019)
  • Author(s): Shunsuke Kato, Akira Onoda, Ulrich Schwaneberg, and Takashi Hayashi
  • Organizer: 第4回精密制御反応場国際シンポジウム
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Conjugation of a catalytically latent Cp*Rh(III) complex to construct a cell surface displayed biohybrid catalyst. (2019)
  • Author(s): Shunsuke Kato, Alexander Grimm, Akira Onoda, Ulrich Schwaneberg, and Takashi Hayashi
  • Organizer: 日本化学会第99回春季年会(2019)
• [Presentation] Construction of Cp*Rh(III)-linked Biohybrid Catalyst for the synthesis of isoquinolines. (2018)
  • Author(s): Shunsuke Kato, Alexander Grimm, Akira Onoda, Ulrich Schwaneberg, and Takashi Hayashi
  • Organizer: Aachen Protein Engineering Symposium (AcES) 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis of Isoquinoline Derivatives via C－H Bond Activation Catalyzed by Cp*Rh(III)-linked Biohybrid Catalysts. (2018)
  • Author(s): Shunsuke Kato, Alexander Grimm, Akira Onoda, Ulrich Schwaneberg, and Takashi Hayashi
  • Organizer: Biotechnology and Chemistry for Green Growth 2018
  • Int'l Joint Research
• [Patent(Industrial Property Rights)] 微小粒子の製造方法 (2020)
  • Inventor(s): 林高史、小野田晃、加藤俊介
  • Industrial Property Rights Holder: 林高史、小野田晃、加藤俊介
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2020