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Structure analysis of cellulose-cellobiohydrolase complex by in situ three-dimensional magnetic orientation NMR

Research Project

Project/Area Number 20H03043
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 40020:Wood science-related
Research InstitutionForest Research and Management Organization (2022-2023)
Kyoto University (2020-2021)

Principal Investigator

Kusumi Ryosuke  国立研究開発法人森林研究・整備機構, 森林総合研究所, 主任研究員 等 (70546530)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 和田 昌久  京都大学, 農学研究科, 教授 (40270897)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Keywords固体NMR / in situ測定 / 単結晶振動パターン / セルロース / 磁場配向 / 分解酵素 / 構造解析
Outline of Research at the Start

持続可能な社会の構築のため、セルロース系バイオマスの酵素糖化による燃料・化学品への変換技術の開発が盛んである。糖化プロセスの高効率化のためには、結晶セルロースを分解するセルラーゼと結晶セルロースの結合部位についての、実際の加水分解プロセス中における原子レベルでの構造・動態の解明が欠かせない。本研究では、液体中における微小な結晶の単結晶構造解析が可能なin situ三次元磁場配向NMRシステムを新たに構築し、結晶セルロース-染料複合体をモデルとして同システムによる解析手法を確立した上で、同手法による結晶セルロース-セルラーゼ複合体の結合部位における局所構造とその動態の解明を目指す。

Outline of Final Research Achievements

To elucidate the mechanism of cellulose hydrolysis by cellulases, it is essential to analyze the binding sites on an atomic scale in a water environment. To achieve this, we established a novel NMR method based on the three-dimensional magnetic orientation of organic microcrystals. We developed a probe that enables modulation rotation of the sample tube in NMR and tilting of the modulated rotation axis only during NMR measurement. The chemical shift tensor of a model compound was determined precisely by using the probe, even for μm-sized microcrystals in a liquid. The developed probe can be also combined with the multidimensional sequences, which are required for complex compounds such as carbohydrate-binding modules.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

バイオリファイナリーを加速させる上で、セルラーゼ糖結合性モジュールと結晶セルロースの結合状態の原子レベルでの実態解明が欠かせない。しかしながら、基質が水に不溶の結晶セルロースであり、加水分解環境下における結合部位の精密解析は、回折法や電子顕微鏡法、溶液NMR法など従来法では困難な状況にあった。開発したin situ三次元磁場配向NMRは水中での三次元磁気拘束を通じて対象の“単結晶NMR”を可能とし、セルラーゼに加え他の酵素や生体分子・生理活性物質などの液体・反応プロセス中での構造解析にも展開できる。有機・無機材料学・構造生物学・分子工学・創薬・医療工学など幅広い分野への波及が大いに期待される。

Report

(5 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (65 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (11 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 10 results,  Open Access: 2 results) Presentation (51 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 7 results) Book (1 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Adsorption properties of cellulose beads prepared by emulsion-gelation method and subsequent oxidation2024

    • Author(s)
      Zhang Yangyang、Kobayashi Kayoko、Kusumi Ryosuke、Kim Ung-Jin、Wada Masahisa
    • Journal Title

      Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects

      Volume: 682 Pages: 132859-132859

    • DOI

      10.1016/j.colsurfa.2023.132859

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    • Author(s)
      Kobayashi Kayoko、Isobe Noriyuki、Kusumi Ryosuke、Nemoto Junji、Wada Masahisa
    • Journal Title

      Biomacromolecules

      Volume: 25 Issue: 2 Pages: 864-870

    • DOI

      10.1021/acs.biomac.3c01016

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    • Author(s)
      Kusumi Ryosuke、Asai Shinichi、He Qinfeng、Kobayashi Kayoko、Kimura Satoshi、Yoshida Makoto、Wada Masahisa
    • Journal Title

      Carbohydrate Research

      Volume: 534 Pages: 108969-108969

    • DOI

      10.1016/j.carres.2023.108969

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      Volume: 215 Pages: 110423-110423

    • DOI

      10.1016/j.polymdegradstab.2023.110423

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      Volume: 29 Issue: 5 Pages: 2917-2926

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      10.1007/s10570-021-04349-w

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      Cellulose

      Volume: 28 Issue: 11 Pages: 6757-6765

    • DOI

      10.1007/s10570-021-03954-z

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      He Qinfeng、Kobayashi Kayoko、Kusumi Ryosuke、Kimura Satoshi、Enomoto Yukiko、Yoshida Makoto、Kim Ung-Jin、Wada Masahisa
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 5 Issue: 48 Pages: 31272-31280

    • DOI

      10.1021/acsomega.0c04699

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      He Qinfeng, Kusumi Ryosuke, Kimura Satoshi, Kim Ung-Jin, Wada Masahisa
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      Carbohydrate Polymers

      Volume: 245 Pages: 116543-116543

    • DOI

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    • Journal Title

      Carbohydrate Polymers

      Volume: 237 Pages: 116189-116189

    • DOI

      10.1016/j.carbpol.2020.116189

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      Isobe Noriyuki、Tsudome Mikiko、Kusumi Ryosuke、Wada Masahisa、Uematsu Katsuyuki、Okada Satoshi、Deguchi Shigeru
    • Journal Title

      ACS Applied Polymer Materials

      Volume: 2 Issue: 4 Pages: 1656-1663

    • DOI

      10.1021/acsapm.0c00087

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      久住亮介
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      Volume: 27 Pages: 44-49

    • NAID

      40022264433

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    • Author(s)
      久住亮介(分担執筆, 執筆者:59名)
    • Total Pages
      676
    • Publisher
      技術情報協会
    • ISBN
      9784861048609
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    • URL

      http://www.fiber.kais.kyoto-u.ac.jp/

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    • URL

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Published: 2020-04-28   Modified: 2025-01-30  

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