Theoretical analysis of biohydrogenomics
Publicly Offered Research
| Project Area | HYDROGENOMICS: Creation of Innovative Materials, Devices, and Reaction Processes using Higher-Order Hydrogen Functions |
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| Project/Area Number |
19H05047
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
重田 育照 筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (80376483)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 電子状態計算 / 反応解析 / 構造解析 / プロトン移動反応 / 電子移動経路 / 酸解離定数 / プロトン化状態 / 酸化還元電位 / NiFeヒロドゲナーゼ / 生体ハイドロジェノミクス / 第一原理計算 / 分子動力学計算 / プロトン移動経路 / ヒドロゲナーゼ / 分子軌道法 / 分子動力学法 / 同位体効果 |
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| Outline of Research at the Start |
ヒドロゲナーゼは水素酸化とプロトン還元を可逆的に触媒する酵素であり、その反応メカニズムの学術的な興味もさることながら、水素分子の貯蔵・生産を可能にするバイオエネルギー源としても大変魅力的な研究対象である。実験で多くのことが解明されているものの、その詳細に関しては未知の部分も多く残されており、理論研究により相補的な情報を提供することが本研究の役割である。
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| Outline of Annual Research Achievements |
ヒドロゲナーゼは遷移金属を含む活性部位（触媒サイト）において水素分子をプロトンと電子へと可逆的に変換する役割を果たす酵素であり、ある種の嫌気的生物はその電子エネルギーを利用し生命システムを維持してきた。この機能は言わば生体内燃料電池であり、ヒドロゲナーゼの機能を理解することは、ハイドロジェノミクスの分野を生物系へ拡張する上で極めて本質的である。
本研究では、完全酸化状態である[NiFe]ヒドロゲナーゼの分子状水素による再活性化機構を明らかにするため、嫌気性条件下で得られた新たなX線、および中性子線結晶構造解析結果の構造の妥当性、およびその安定性を検証することを目的としている。また、水素分子との反応についての知見を得ることで、再活性化の可能性を検討した。
従来、再活性化が遅いNi-Aとして同定されていた構造は酸素により過剰に酸化された構造であったが、今回得られた構造は反応サイクル中のそれと類似しており、QM/MM計算による網羅計算により、NiとFe間を架橋する酸素種はO2-、Niの価数は+3、スピンは低スピン状態であることが同定された。また、再活性化が速いNi-BについてはNiとFe間を架橋する酸素種はOH-、Niの価数は+3、スピンは低スピン状態であることが同定された。本研究により、新規構造の妥当性を検証するとともに、結晶構造解析からは観測が困難な水素の空間配置の決定、および遷移金属の価電子数とスピン状態が明らかとなった。
R02年度は特に、完全酸化された構造からの水素による再活性化過程について、QM/MM計算を行なった。酸化状態では、活性サイトに水素分子の吸着が直接起こらないことを確認した。したがって、分子状の水素ではなく原子状、あるいは自ら生ずるオキソニウムイオン、ヒドロニウムイオン、あるいは電子移動が起こる必要があることを意味している。
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| Research Progress Status |
令和2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2年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(2 results)
Research Products
(33 results)
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[Journal Article] Neutron crystallography of copper amine oxidase reveals keto/enolate interconversion of the quinone cofactor and unusual proton sharing2020
Author(s)
Takeshi Murakawa, Kazuo Kurihara, Mitsuo Shoji, Chie Shibazaki, Tomoko Sunami, Taro Tamada, Naomine Yano, Taro Yamada, Katsuhiro Kusaka, Mamoru Suzuki, Yasuteru Shigeta, Ryota Kuroki, Hideyuki Hayashi, Takato Yano, Katsuyuki Tanizawa, Motoyasu Adachi, Toshihide Okajima
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Journal Title
Proceedings of the National Academy of Sciences
Volume: 印刷中
Issue: 20
Pages: 10818-10824
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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