金属錯体を微生物の細胞表面に固定化した高選択的バイオハイブリッド触媒系の開発

• Project Area: Hybrid Catalysis for Enabling Molecular Synthesis on Demand
• Project/Area Number: 18H04651
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Hokkaido University (2019); Osaka University (2018)
• Principal Investigator: 小野田 晃 北海道大学, 地球環境科学研究院, 教授 (60366424)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2019: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2018: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: バイオハイブリッド触媒 / 人工金属酵素 / ホールセル触媒 / ロジウム錯体 / ハイブリッド触媒 / 金属錯体 / 微生物触媒 / 指向性進化工学 / タンパク質 / 指向性進化法 / CーＨ結合活性化

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、多彩な反応性をもつ金属錯体触媒と、精緻かつ多様な反応場を提供するバレル型タンパク質を融合したバイオハイブリッド触媒を構築し、従来にはない位置選択性・官能基選択性・基質選択性を付与した触媒系を開拓することが目的である。さらに、バイオハイブリッド触媒部位を細胞表面提示した人工微生物触媒を作製し、金属錯体の反応場と網羅的かつ高速に探索可能な実験室進化の手法と組み合わせ、タンパク質反応場を最適化し、困難な反応選択性を示す触媒を開拓に取り組んだ。反応性の高いシクロペンタジエニルロジウム錯体を固定化したバイオハイブリッド触媒を活用し、非対称内部アルキンを基質とする位置選択的なイソキノリン合成を実施した。また、ロジウム近傍にカルボキシル基を変異導入により配置することによって、触媒活性が向上することも見出しており、タンパク質反応場のチューニングの有効性も実証した。このような探索を迅速化するために、バイオハイブリッド部分を表面提示したホールセル触媒系の構築に取り組んだ。細胞表面との連結を円滑にするために、ロジウム錯体の配位子の最適化を検討して、種々のチオール系配位子を試した結果、ジチオリン酸配位子で空配位座を保護したロジウム錯体では、タンパク質ホストと連結後に金属塩添加により脱保護を伴い、ロジウム錯体を再活性化可能であることを見出した。このバイオハイブリッド触媒は、硝酸銀存在下においてオキシム及びアルキンの付加環化反応において触媒活性を示すことも明らかにした。また、指向進化工学を効率的に行うために、Cp*Rh錯体を連結したバイオハイブリッド触媒を迅速に精製する手法も確立した。変異導入、Rh錯体の連結、イソキノリン合成の蛍光スクリーニング評価を網羅的に実施して、高活性な触媒の探索を可能にした。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元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)
• [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] Triazolecarbaldehyde Reagents for One‐Step N‐Terminal Protein Modification (2020)
  • Author(s): Onoda Akira、Inoue Nozomu、Sumiyoshi Eigo、Hayashi Takashi
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 21 Issue: 9 Pages: 1274-1278
  • DOI: 10.1002/cbic.201900692
  • Peer Reviewed / 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] Site-Specific Modification of Proteins through N-Terminal Azide Labeling and a Chelation-Assisted CuAAC Reaction (2019)
  • Author(s): Inoue Nozomu、Onoda Akira、Hayashi Takashi
  • Journal Title: Bioconjugate Chemistry Volume: 30 Issue: 9 Pages: 2427-2434
  • DOI: 10.1021/acs.bioconjchem.9b00515
  • Peer Reviewed
• [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
• [Presentation] キメラ型バレルタンパク質を基盤とするCp*Rh(III)含有人工金属酵素の指向性進化：芳香族C-H結合活性化を経由するイソキノリン合成反応への応用 (2021)
  • Author(s): 加藤 俊介、小野田 晃、林 高史
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会(2021)
• [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、Ulrich Schwaneberg、林 高史
  • Organizer: 第14回バイオ関連化学シンポジウム2020
• [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, Takashi Hayashi
  • Organizer: Aachen Protein Engineering Symposium (AcES) 2018
• [Presentation] Tailored Protein Assemblies for Hybrid Biomaterials (2018)
  • Author(s): Akira Onoda
  • Organizer: Aachen Protein Engineering Symposium (AcES) 2018
  • Invited
• [Presentation] Biohybrid Catalysts Harboring a Synthetic Metal Complex within a Barrel Protein (2018)
  • Author(s): Akira Onoda
  • Organizer: Biotechnology and Chemistry for Green Growth 2018
• [Presentation] Biotechnology and Chemistry for Green Growth 2018: “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, Takashi Hayashi
  • Organizer: Biotechnology and Chemistry for Green Growth 2018
• [Presentation] Isoquinoline Synthesis from Asymmetric Alkyne Using Cp*Rh Complex-Linked Biohybrid Catalyst (2018)
  • Author(s): 橋爪拓幸、加藤俊介、小野田晃、林高史
  • Organizer: 日本化学会第99春季年会
• [Presentation] Conjugation of a catalytically latent Cp*Rh(III) complex to construct a cell surface displayed biohybrid catalyst. (2018)
  • Author(s): Kato, S., Grimm, A., Onoda, A., Schwaneberg, U., Hayashi, T.
  • Organizer: 日本化学会第99春季年会
• [Presentation] Incorporation of a Noncanonical Metal-binding Amino Acid into a Nitrobindin Protein (2018)
  • Author(s): Alvarez-Miller, M. C., Taniguchi, N., Minagawa, N., Onoda, A., Hashimoto, K., Maruoka, K., Uzawa, T., Hayashi, T.
  • Organizer: 日本化学会第99春季年会
• [Presentation] バイオと金属錯体の「いいとこどり」触媒 (2018)
  • Author(s): 小野田晃
  • Organizer: CSJ 化学フェスタ
• [Book] 5.“ポルフィリンおよびヘムタンパク質の多量体・集合体” フロンティア機能高分子金属錯体 (2020)
  • Author(s): 小野田晃, 林 高史
  • Total Pages: 33
  • Publisher: 三共出版
• [Book] 6.“バイオハイブリッド触媒による重合反応：バレル型タンパク質反応場の利用” CSJカレントレビュー 高機能性金属錯体が拓く触媒科学 (2020)
  • Author(s): 小野田晃, 林 高史
  • Total Pages: 8
  • Publisher: 化学同人
• [Remarks]
  • URL: https://onoda-lab.jp/
• [Remarks]
  • URL: http://www.chem.eng.osaka-u.ac.jp/~hayashiken/index.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] タンパク質及び／又はペプチド修飾用分子 (2020)
  • Inventor(s): 林高史、小野田晃、井上望
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人大阪大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2020
• [Patent(Industrial Property Rights)] 微小粒子の製造方法 (2020)
  • Inventor(s): 林高史、小野田晃、井上望
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人大阪大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2020-126563
  • Filing Date: 2020
• [Patent(Industrial Property Rights)] タンパク質及び／又はペプチド修飾用分子 (2019)
  • Inventor(s): 林高史、小野田晃、井上望
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人大阪大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2019
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] トリアゾールを母骨格とした位置特異的N末端修飾剤および位置特異的なタンパク質N末端修飾技術 (2019)
  • Inventor(s): 林高史、小野田晃、井上望
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人大阪大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2019-035340
  • Filing Date: 2019