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Creation of Artificial Systems Consisting of Flavin and Amino Acid Units as Models for Protein-based Magnetic Sensor

Research Project

Project/Area Number 22K05053
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 32020:Functional solid state chemistry-related
Research InstitutionHiroshima University

Principal Investigator

岡 芳美  広島大学, 持続可能性に寄与するキラルノット超物質国際研究所, 研究員 (30470115)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywordsラジカルペア / フラビンタンパク質 / 微弱磁場センシング / DNA構造体 / 連結分子
Outline of Research at the Start

「青色光受容体タンパク質クリプトクロムが磁気センサーとして働くのはなぜか?どのようにすれば人工的に(できるだけシンプルに)構築できるか?」という「問い」に対する分子化学的解明を実験的に示すことを目指す。電子アクセプターとドナー・ユニットを連結するDNA構造体および連結分子に着目し、フラビン-アミノ酸の配置を精密に設計、構築する。生体と同様の反応過程(1重項状態を前駆体とするラジカルペア形成過程)の実現、最終的な(3重項)ラジカルペアの長寿命化の実現を達成する。動物の磁気受容の解明は、感覚生物学の最重要課題の1つであり、本課題でクリプトクロムに関する構造-磁気センシング機能の相関を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

「生体のクリプトクロムが磁気センサーとして働くのはなぜか?どのようにすれば人工的に(できるだけシンプルに)構築できるか?」という「問い」に対する分子化学的解明を実験的に示すことを目的とする。本研究では、クリプトクロム・磁気センサーの模倣、設計、精密合成のアプローチをとり、生体系と同じ反応過程を辿る、すなわち微弱磁場により1重項-3重項ラジカルペア間の転移が効率的に起こるモデルシステムの構築、最終的な3重項ラジカルペアの長寿命化の実現を目指す。また、その人工システムを用いて、構造-磁気センシング機能の相関を明らかにすることを目指している。
p-フェニルアミド・リンカーで連結したフラビン-Trp連結分子についての研究成果を雑誌論文として纏めることができた(研究発表欄に記載)。この分子は、結晶構造解析と時間分解電子スピン共鳴(TREPR)測定における室温での溶液状態の解析から、フラビン環とTrp環の中心間距離は、フラビンタンパク質で検出されたラジカルペアで報告されているのと同様の範囲(10-20 Å)であることがわかった。蛍光消光とTREPR測定により、フラビンとTrpの間の青色光誘起電荷分離の反応ダイナミクスを示し、1)分子内相互作用と分子間相互作用、特に2)1重項前駆体と3重項前駆体の競合について実験結果を基に考察した。溶液中では(主に分子内の)Trpからフラビンへの光誘起電子移動が主に1重項前駆体を介して進行する(しかし短寿命)。3重項前駆体を介して生成されたラジカルペアは、マイクロ秒オーダーで持続する(しかし遅い項間交差のため、わずかな3重項励起子しか生成しない)可能性が示唆された。
上記の結果を基に、1重項ラジカルペアの長寿命化(電荷再結合を抑制)を満たすようなリンカー構造をとる連結分子を合成した。その光誘起電子移動反応については、評価を進めているところである。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

対象化合物系の有機合成がおおむね順調に進展している。合成後の化合物の評価も問題なく進められている。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、対象分子系(フラビン-Trp連結分子およびフラビンとTrpユニットを含むDNA構造体)に関する合成と物性評価を進める予定である。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Int'l Joint Research] アルベルト・ルートヴィヒ大学 フライブルク(ドイツ)

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] アルベルト・ルートヴィヒ大学フライブルク(ドイツ)

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Journal Article] Time-resolved EPR observation of blue-light-induced radical ion pairs in a flavin-Trp dyad2024

    • Author(s)
      Yoshimi Oka, Katsuya Inoue
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: - Issue: 23 Pages: 16444-16448

    • DOI

      10.1039/d3cp06219h

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Exclusion of Anchor-Matched Peptide Nucleic Acid from Liquid-Ordered Domains by Hybridization with Complementary Flavin-Labeled DNA2022

    • Author(s)
      Oka Yoshimi
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 8 Issue: 1 Pages: 1109-1113

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c06463

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Artificial Creation of Flavin-Based Radical Pair Systems Relevant to Biological Magnetoreception2024

    • Author(s)
      Yoshimi Oka
    • Organizer
      9th Kanto Area Spin Chemistry Meeting (KASC 2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Blue Light-induced Radical Ion Pairs in Flavin-Trp Dyad2024

    • Author(s)
      Yoshimi Oka, Katsuya Inoue
    • Organizer
      CEMS International Symposium on Supramolecular Chemistry and Functional Materials 2024 (CEMSupra 2024)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Artificial Creation of Flavin-Based Radical Pair Systems Relevant to Biological Magnetoreception2023

    • Author(s)
      Yoshimi Oka, Katsuya Inoue
    • Organizer
      Gordon Research Conference: Electron Spin Interactions with Chiral Molecules and Materials
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Direct Observation of Long-Lived Radical Pair between Flavin and Guanine in DNA-Oligomer2023

    • Author(s)
      Yoshimi Oka, Katsuya Inoue
    • Organizer
      SKCM2 Kickoff Symposium 2023
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] フラビン-トリプトファン連結分子の光誘起電子移動反応2022

    • Author(s)
      岡 芳美,井上 克也
    • Organizer
      第16回分子科学討論会2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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