| Project/Area Number |
20J23653
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 37010:Bio-related chemistry
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
米村 開 名古屋大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
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| Keywords | バイオ触媒 / シトクロムP450 / 酸化反応 / 擬似基質 / 等温滴定型カロリメトリー / X線結晶構造解析 / スクリーニング |
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| Outline of Research at the Start |
基質特異性の高いヘム酵素であるシトクロムP450BM3は、天然基質である長鎖脂肪酸と似た構造を有する「擬似基質」を添加すると、ベンゼンなどの非天然基質の水酸化が可能となる他、非天然基質の立体的選択的な水酸化なども達成されている。一方、その反応機構は詳細には明らかにされておらず、擬似基質の更なる改良は困難であった。そこで、本研究では、擬似基質が関与する相互作用のカイネティクス解析および結晶構造解析から反応機構の解明を行い、擬似基質を改良する。擬似基質を用いた反応系の活性の向上、高難度酸化反応への応用、高度に位置・立体選択的な反応を目指し、さらには、新たな酵素への擬似基質の適用範囲の拡大を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
巨大菌由来のシトクロムP450BM3（P450BM3）は、長鎖脂肪酸の水酸化で極めて高い触媒活性を示す。その高い触媒活性からP450BM3はベンゼンなどの非天然基質の水酸化反応への応用が期待されるが、基質認識部位が長鎖脂肪酸の取り込みに最適化されているため、それ以外の基質に対する活性は低い。一方、当研究室は、長鎖脂肪酸と似た構造を有しながらも鎖長の短い分子、擬似基質を添加すると、野生型P450BM3が非天然基質を水酸化することを明らかにしている。本申請課題では、擬似基質の作用機序を解明し、擬似基質が引き出すP450BM3の非天然活性を極限まで高めることを目指した。
分子間の相互作用を視覚的に明らかにするため、P450BM3、擬似基質、種々の非天然基質の共結晶を作製し解析した。それらの比較から、ヘム上部の空間は基質に合わせて大きさを変化させられることが分かった。擬似基質添加下において種々の非天然基質が水酸化されるのは、この空間の柔軟性によるものと推察される。また、等温滴定型カロリメトリーによる実験からは、長鎖脂肪酸と擬似基質のP450BM3への取り込みの駆動力が同じであり、既存の擬似基質は長鎖脂肪酸をよく模擬していることが分かった。以上より、ヘム上部には非天然基質を取り込むに十分な空間が存在し、擬似基質は長鎖脂肪酸を模擬していることが明らかにできた。一方、擬似基質存在下での非天然基質に対する活性は天然基質に対するものと比較すると大幅に低い。そこで、擬似基質ではなく反応条件に着目して活性の向上を狙ったところ、攪拌効率の向上により酵素活性が3倍以上となった。
本研究では、シトクロムP450BM3の基質認識を構造生物学的観点と熱力学的観点の両面から明らかにし、酵素活性を高める反応条件を決定した。本研究で得られた成果は、P450の利用と応用の範囲の拡大に大きく貢献すると期待できる。
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| Research Progress Status |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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