Construction of function switching systems through molecular information conversion caused by conformational changes of biomacromolecules

• Project Area: Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion
• Project/Area Number: 19H05395
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 松尾 貴史 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (50432521)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2019: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: タンパク質ダイナミクス / 構造変化 / 化学修飾 / 局所的構造効果 / タンパク質構造変化 / キナーゼ / 機能スイッチング / 金属ー金属相互作用 / 分子素子

Outline of Research at the Start

タンパク質はアミノ酸ポリマーとしての「構造柔軟性」を兼ね備えていることから、刺激応答型分子素子の土台分子となりうる。金属ー金属相互作用は特異な光学特性、磁気特性を生み出すことから、小分子の結合・解離で構造変化を起こすタンパク質を使えば、リガンド濃度の制御によって特性変換度合いを自在にコントロールできる。そこで、本研究では、リガンド分子の結合・解離で大きな構造変化を起こすタンパク質の表面に合成金属錯体を2カ所導入し、生体高分子の構造変化が、タンパク質表面上で「金属-金属相互作用」に起因する特性スイッチングというシグナルに変換する「タンパク質ダイナミクス駆動型分子情報変換システム」を創成する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、生体高分子の構造的特徴の１つである「構造柔軟性」に着目し、大きく構造変化を起こすタンパク質表面に合成分子を化学修飾し、土台タンパク質の構造変化に呼応して合成分子同士の相乗効果がオン・オフされる生体高分子素子を創成することを目的とした。本年度は、アデニル酸キナーゼ三変異体(A55C/C77S/V169C)タンパク質の分子表面上で、異なる合成分子同士の相互作用制御が可能であるかどうかを検証するために、タンパク質表面上に存在する２つのシステイン残基（Cys55およびCys169）の反応性を違いを定量的に評価した。どちらのシステイン残基ともに、近傍に酸性アミノ酸残基を有している。しかし、Cys55に隣接するAsp54は、Lys50と塩橋を形成しているのに対し、Cys169に隣接するGlu170には、塩橋を形成するようなパートナー残基がなく、分子動力学シミュレーションからCys169側鎖と弱い相互作用があることが示唆された。そこで、システインに対して一当量のピレニルヨードアセトアミドを作用させたところ、Cys55の方がCys169よりも６倍高い反応性を有することがわかった。このことは、Cys169残基はGlu170との相互作用によって、ピレニルヨードアセトアミドに対する反応性が落ちていることを示している。そこで、Asp54の塩橋パートナーであるLys50をAlaに変異させたタンパク質を調製し、塩橋構造を除去した場合にCys55の反応性が低下するかどうかを検証した。しかし、予想と反して、Cys55の反応性はさらに高くなった。このことは、塩橋構造の除去によって、Cys55近傍の局所的構造柔軟性が向上したためである。以上から、隣接する酸性アミノ酸残基の存在と局所的構造柔軟性がシステインの反応性を決定する要因であることが実証された。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

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。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Jadavpur University(インド)
• [Journal Article] Functionalization of Hoveyda-Grubbs-type Complexes for Application to Biomolecules (2021)
  • Author(s): Matsuo Takashi
  • Journal Title: Journal of Synthetic Organic Chemistry, Japan Volume: 79 Issue: 4 Pages: 311-321
  • DOI: 10.5059/yukigoseikyokaishi.79.311
  • NAID: 130008022210
  • ISSN: 0037-9980, 1883-6526
  • Year and Date: 2021-04-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functionalization of Ruthenium Olefin-Metathesis Catalysts for Interdisciplinary Studies in Chemistry and Biology (2021)
  • Author(s): Matsuo Takashi
  • Journal Title: Catalysts Volume: 11 Issue: 3 Pages: 359-359
  • DOI: 10.3390/catal11030359
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Second-coordination sphere effects on the reactivities of Hoveyda-Grubbs-type catalysts: a ligand exchange study using phenolic moiety-functionalized ligands (2020)
  • Author(s): Jatmika Catur、Goshima Kenta、Wakabayashi Kazumo、Akiyama Naoki、Hirota Shun、Matsuo Takashi
  • Journal Title: Dalton Transactions Volume: 49 Issue: 33 Pages: 11618-11627
  • DOI: 10.1039/d0dt02353a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ligand Exchange Strategy for Delivery of Ruthenium Complex Unit to Biomolecules Based on Ruthenium-Olefin Specific Interactions (2020)
  • Author(s): Jatmika Catur、Wakabayashi Kazumo、Tamaki Ryosei、Akiyama Naoki、Nakamura Ibuki、Hirota Shun、Yamaguchi Hiroyasu、Matsuo Takashi
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 49 Issue: 12 Pages: 1490-1493
  • DOI: 10.1246/cl.200590
  • NAID: 130007956027
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Porphyrin-based Probe for Simultaneous Detection of Interface Acidity and Polarity during Lipid Phase Transition of Vesicles. (2020)
  • Author(s): Rini Majumder, Snigdha Roy, Kentaro Okamoto, Satoshi Nagao, Takashi Matsuo, Partha Pratim Parui
  • Journal Title: Langmuir Volume: 36 Issue: 1 Pages: 426-434
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b02781
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Regioselective Chemical Modification of Cysteine Residues on Protein Surfaces Focusing on Local Environment around the Conjugation Sites (2020)
  • Author(s): Teruyuki Miyake, Ryosei Tamaki, Moeko Asanuma, Yoji Fukada, Shun Hirota, Takashi Matsuo
  • Journal Title: Bioconjugate Chem. Volume: 31 Issue: 3 Pages: 794-802
  • DOI: 10.1021/acs.bioconjchem.9b00869
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Recent Developmetns on Creation of Artificial Metalloenzymes. (2019)
  • Author(s): Takashi Matsuo, Teruyuki, Miyake, Shun Hirota
  • Journal Title: Tetrahedron Lett. Volume: 60 Issue: 45 Pages: 151226-151226
  • DOI: 10.1016/j.tetlet.2019.151226
  • Peer Reviewed
• [Presentation] タンパク質表面システイン残基の化学修飾に対する局所的構造効果の検証 (2021)
  • Author(s): 玉置椋星、三宅輝幸、廣田俊、松尾貴史
  • Organizer: 日本化学会第101春季大会
• [Presentation] Hoveyda-Grubbs型錯体の構造修飾 (1)：第二配位圏効果による錯体の安定性および触媒活性制御 (2021)
  • Author(s): 秋山 直生、Catur Jatmika、五嶋 健太、廣田 俊、松尾 貴史
  • Organizer: 日本化学会第101春季大会
• [Presentation] Hoveyda-Grubbs型錯体の構造修飾 (2)：生体分子への固定化反応の適用 (2021)
  • Author(s): 中村 伊武輝、Catur Jatmika、秋山 直生、廣田 俊、山口 浩靖、松尾 貴史
  • Organizer: 日本化学会第101春季大会
• [Presentation] アデニル酸キナーゼ三変異体(A55C/C77S/V169C)の表面システイン残基の反応性に対する局所的構造要因の検証 (2020)
  • Author(s): 玉置椋星、三宅輝幸、浅沼萌子、松尾貴史、廣田俊
  • Organizer: 日本化学会第100春季大会
• [Presentation] Sequential Conjugation of Different Molecules onto Protein Surface and Comparison of Reactivities of Cysteine Residues (2019)
  • Author(s): Teruyuki Miyake, Ryosei Tamaki, Moeko Asanuma, Yoji Fukada, Shun Hirota, Takashi Matsuo
  • Organizer: 15th International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry (ISABC15)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 松尾貴史 ホームページ
  • URL: https://mswebs.naist.jp/LABs/hirota/tmatsuo/matsuo_jpn.html