柔らかなタンパク質反応場の論理設計に基づく高活性な金属酵素の開発

• Project Area: Science on Function of Soft Molecular Systems by Cooperation of Theory and Experiment
• Project/Area Number: 16H00837
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 大洞 光司 大阪大学, 工学研究科, 助教 (10631202)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2017: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2016: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: ミオグロビン / コリン / コバルト / ニッケル / 鉄 / 酵素 / 蛋白質 / 分子動力学計算 / ヘム / 立体選択性 / 人工金属酵素 / ヘムタンパク質

Outline of Annual Research Achievements

柔らかな反応場であるタンパク質マトリクスと高活性な金属錯体から構成される人工金属酵素について、その論理的設計に関する革新的かつ実用的な手法を創出し、実験化学的に示すことを目的とした。 具体的には、生体内で様々な転移反応を触媒するビタミンB12依存酵素等の反応性を単純なヘムタンパク質で再現し、さらに人工金属酵素として展開した。本年度は、昨年度に得られた知見を元に、活性の向上 を精力的にめざした。昨年度に実施した人工金属酵素の調製とその同定に基づいて、論理的な活性中心の作り込みと反応の評価を実施した。反応場を与えるタンパク質として従来より用いてきたミオグロビンに対し金属錯体の配位環境が大きく異なる西洋ワサビペルオキシダーゼを用いた。コバルトコリン錯体と複合化したところ、狙い通りに金属中心への強いヒスチジンによる配位を分光学的に確認した。また反応の活性種となり得るコバルト一価種を吸収スペクトルにより同定した。ニッケル錯体ではメタン発生反応を実施し、シトクロムb562内においてメチオニンからのメタン発生を予備的ではあるが確認した。また鉄ポルフィセンを含むミオグロビンが金属カルベン錯体を経由したスチレンのシクロプロパン化を円滑に進めることを発見した。天然のヘムを含むミオグロビンに比べて反応速度は600倍になり、反応性の違いをDFT計算を用いて考察した。上記のように高活性な人工酵素開発に関する重要な知見を得た。上記の研究成果は学会や学術論文として発表している。

Research Progress Status

平成29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Michigan(米国)
• [Journal Article] Hemoproteins Reconstituted with Artificial Metal Complexes as Biohybrid Catalysts (2019)
  • Author(s): Oohora Koji、Onoda Akira、Hayashi Takashi
  • Journal Title: Accounts of Chemical Research Volume: 52 Issue: 4 Pages: 945-954
  • DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00676
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Successive energy transfer within multiple photosensitizers assembled in a hexameric hemoprotein scaffold (2018)
  • Author(s): Mashima Tsuyoshi、Oohora Koji、Hayashi Takashi
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 20 Issue: 5 Pages: 3200-3209
  • DOI: 10.1039/c7cp05257j
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Supramolecular Hemoprotein Assembly with a Periodic Structure Showing Heme-Heme Exciton Coupling (2018)
  • Author(s): Oohora Koji、Fujimaki Nishiki、Kajihara Ryota、Watanabe Hiroki、Uchihashi Takayuki、Hayashi Takashi
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 140 Issue: 32 Pages: 10145-10148
  • DOI: 10.1021/jacs.8b06690
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preparation and characterization of myoglobin reconstituted with Fe(II) oxaporphyrin: The monoanionic macrocycle provides unique cyanide binding behavior for the ferrous species (2018)
  • Author(s): Meichin Hiroyuki、Oohora Koji、Hayashi Takashi
  • Journal Title: Inorganica Chimica Acta Volume: 472 Pages: 184-191
  • DOI: 10.1016/j.ica.2017.06.054
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cobalt tetradehydrocorrins coordinated by imidazolate-like histidine in the heme pocket of horseradish peroxidase (2017)
  • Author(s): Oohora Koji、Tang Ning、Morita Yoshitsugu、Hayashi Takashi
  • Journal Title: Journal of Biological Inorganic Chemistry Volume: 22 Issue: 5 Pages: 695-703
  • DOI: 10.1007/s00775-017-1458-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Catalytic Cyclopropanation by Myoglobin Reconstituted with Iron Porphycene: Acceleration of Catalysis due to Rapid Formation of the Carbene Species (2017)
  • Author(s): K. Oohora, H. Meichin, L. Zhao, M. W. Wolf, A. Nakayama, J. Hasegawa, N. Lehnert, and T. Hayashi
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 139 Issue: 48 Pages: 17265-17268
  • DOI: 10.1021/jacs.7b10154
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Manganese(V) Porphycene Complex Responsible for Inert C-H Bond Hydroxylation in a Myoglobin Matrix (2017)
  • Author(s): Oohora Koji、Meichin Hiroyuki、Kihira Yushi、Sugimoto Hiroshi、Shiro Yoshitsugu、Hayashi Takashi
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 139 Issue: 51 Pages: 18460-18463
  • DOI: 10.1021/jacs.7b11288
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Substitution of an amino acid residue axially coordinating to the heme molecule in hexameric tyrosine-coordinated hemoprotein to enhance peroxidase activity (2017)
  • Author(s): Mashima Tsuyoshi、Oohora Koji、Hayashi Takashi
  • Journal Title: Journal of Porphyrins and Phthalocyanines Volume: 21 Issue: 12 Pages: 824-831
  • DOI: 10.1142/s1088424617500936
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Redox Potentials of Cobalt Corrinoids with Axial Ligands Correlate with Heterolytic Co-C Bond Dissociation Energies (2017)
  • Author(s): Y. Morita, K. Oohora, A. Sawada, T. Kamachi, K. Yoshizawa, T. Hayashi
  • Journal Title: Inorg. Chem. Volume: 56 (4) Issue: 4 Pages: 1950-1955
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.6b02482
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Catalytic Cyclopropanation of Styrene using Myoglobin Reconstituted with Iron Porphycene (2018)
  • Author(s): Koji Oohora, Hiroyuki Meichin, Liming Zhao, Matthew W, Wolf, Akira Nakayama, Jun-ya Hasegawa, Nicolai Lehnert, Takashi Hayashi
  • Organizer: 日本化学会 第98春季年会
• [Presentation] Hemoproteins reconstituted with synthetic cobalt corrinoid toward models of vitamin B12-dependent enzymes (2018)
  • Author(s): Koji Oohora, Ning Tang, Yoshitsugu Morita, Takashi Hayashi
  • Organizer: 10th International Conference on Porphyrins and Phthalocyanines
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hemoprotein reconstituted with a manganese porphycene complex toward catalytic hydroxylation of inert C-H bonds (2017)
  • Author(s): Koji Oohora, Kosuke Nittta, Natsuno Chiba, Takashi Hayashi
  • Organizer: 14th International Conference on Applied Inorganic Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Artificial protein assemblies of chemically engineered hexameric hemoprotein with functional molecules (2017)
  • Author(s): Shota Hirayama, Koji Oohora, Takashi Hayashi
  • Organizer: 14th International Conference on Applied Inorganic Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ヘムタンパク質集合体を基盤とする人工光捕集系の構築 (2017)
  • Author(s): 大洞光司
  • Organizer: 第38回光化学若手の会
  • Invited
• [Presentation] 生体材料および人工酵素を指向したヘムタンパク質の化学的改変 (2017)
  • Author(s): 大洞光司
  • Organizer: 錯体化学若手の会夏の学校2017
  • Invited
• [Presentation] ビタミンB12含有酵素モデルを指向したテトラデヒドロコリンコバルト錯体含有ヘムタンパク質の構築とその配位挙動評価 (2017)
  • Author(s): 湯寧、大洞光司、林高史
  • Organizer: 錯体化学若手の会夏の学校2017
• [Presentation] Hemoprotein Engineered with Manganese Porphycene toward Artificial Monooxygenase (2017)
  • Author(s): Koji Oohora, Kosuke Nitta, Natsuno Chiba, Takashi Hayashi
  • Organizer: International Coference on Molecular System Engineering
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] タンパク質反応場を有するメタン発生酵素モデルを指向した再構成ヘムタンパク質の創製とメタン発生能の評価 (2017)
  • Author(s): 宮﨑雄大、大洞光司、林高史
  • Organizer: 第11回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] マンガンポルフィセン錯体を含むヘムタンパク質の水酸化触媒活性評価 (2017)
  • Author(s): 大洞 光司, 新田 航介, 千葉 夏乃, 林 高史
  • Organizer: 第11回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] ヘムタンパク質の化学的改変による人工酵素・酵素モデルの開発 (2017)
  • Author(s): 大洞光司
  • Organizer: ITbM/IGER Chemistry Workshop 2017
  • Invited
• [Presentation] マンガンポルフィセン錯体を有する再構成ヘムタンパク質を用いた不活性アルカンの触媒的水酸化反応 (2017)
  • Author(s): 新田航介、千葉夏乃、大洞光司、林高史
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会
• [Presentation] メチル基転移酵素モデルを指向したコバルトコリノイド錯体と西洋ワサビぺルオキシダーゼの複合体の構築 (2016)
  • Author(s): 湯寧、大洞光司、林高史
  • Organizer: 第5回 JACI/GSCシンポジウム
• [Presentation] マンガンポルフィセンを含むミオグロビンおよびその変異体を用いた不活性アルカンの触媒的水酸化反応 (2016)
  • Author(s): 新田航介、大洞光司、林高史
  • Organizer: 第5回 JACI/GSCシンポジウム
• [Presentation] ミオグロビンマトリクス中のマンガンポルフィセンが触媒するC-H結合の水酸化 (2016)
  • Author(s): 大洞光司、新田航介、西浦貴子、林高史
  • Organizer: 第14回ホストゲスト化学シンポジウム
• [Presentation] Mechanistic Investigation of C-H Bond Hydroxylation Catalyzed by Myoglobin Reconstituted with Manganese Porphycene (2016)
  • Author(s): 明珎裕之、大洞光司、林高史
  • Organizer: 第26回金属の関与する生体関連反応シンポジウム
• [Presentation] ヘムタンパク質の機能操作：超分子集合体および人工酵素の構築 (2016)
  • Author(s): 大洞光司
  • Organizer: 機能物性セミナー
• [Presentation] テトラデヒドロコリンコバルト錯体を含有した再構成ヘムタンパク質の調製と軸配位子結合挙動の評価 (2016)
  • Author(s): 湯寧、大洞光司、林高史
  • Organizer: 第10回 バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] メタン発生酵素モデルを指向したF430類似ニッケル錯体を含む再構成ヘムタンパク質によるメタン発生 (2016)
  • Author(s): 宮﨑雄大、大洞光司、林高史
  • Organizer: 錯体化学会第66回討論会
• [Presentation] マンガンポルフィセンを有するミオグロビン変異体を用いたアルカンのアルコールへの選択的酸化 (2016)
  • Author(s): 新田航介、大洞光司、林高史
  • Organizer: 第49回酸化反応討論会
• [Presentation] Enantioselectivity of C-H Bond Hydroxylation Catalyzed by Manganese Porphycene within Myoglobin Mutants (2016)
  • Author(s): Koji Oohora, Kosuke Nitta,Takako, Nishiura,Takashi Hayashi
  • Organizer: 錯体化学会第66回討論会
• [Remarks] 大阪大学大学院工学研究科応用化学専攻林研究室
  • URL: http://www.chem.eng.osaka-u.ac.jp/~hayashiken/index.html
• [Remarks] 大阪大学大学院工学研究科林研究室
  • URL: http://www.chem.eng.osaka-u.ac.jp/~hayashiken/index.html