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指向性進化工学を駆使したRh連結バイオハイブリッド触媒の開発

Publicly Offered Research

Project AreaHybrid Catalysis for Enabling Molecular Synthesis on Demand
Project/Area Number 20H04820
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionHokkaido University

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) 2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Keywordsバイオハイブリッド触媒 / 人工金属酵素 / 指向性進化工学 / ロジウム錯体 / C-H結合活性化 / ロジウム触媒 / 金属錯体 / タンパク質
Outline of Research at the Start

金属錯体触媒に、生物がもつ多様な分子環境を融合すれば、未踏の選択性を達成すると期待される。本研究では、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。バイオハイブリッド触媒における金属錯体近傍のアミノ酸残基を網羅的かつ高速に探索可能な実験室進化の手法を確立し、タンパク質反応場の最適化を行い、困難な反応選択性を示す触媒を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、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、新たな位置選択性・官能基選択性・基質選択性を付与した触媒系の開拓に取り組んだ。具体的には、Cp*Rhコアを有するバイオハイブリッド触媒を出発点として、オキシムとアルキンの付加環化によるイソキノリン合成反応を対象として、より高活性なバイオハイブリッド触媒を指向性進化工学の手法により構築した。バレル型タンパク質ニトロバインディンのGln96Cys変異体のCysとCp*Rh 錯体のマレイミド基の付加反応により固定した触媒を、マルトース結合タンパク質との融合体として調製した。この融合型のRh連結バイオハイブリッド触媒を、マルトース結合レジンを用いて、簡便に精製、さらに、反応と生成物を評価する系を確立した。生成物の溶解度や蛍光強度を考慮した上で、原料のオキシムとアルキンの誘導体の組み合わせを複数検証し、ハイスループット評価を実施した。ニトロバインディンの遺伝子をコードする領域の全体に対してエラープローンPCRによりランダムに変異を導入、また、金属錯体の近傍のアミノ酸残基に対して全アミノ酸を変異導入する飽和変異の導入を行ったライブラリーを準備した。これらのライブラリーを利用して、タンパク質を発現、Cp*Rh 錯体の連結、そして触媒活性評価を行った。この手法により触媒活性の向上に寄与する残基位置と種類を複数選出し、さらに、これらを組み合わせたタンパク質反応場を決定する一連の操作を繰り返した。約4000種類の探索により、活性向上したRh連結ハイブリッド触媒の構築に成功した。新たなタンパク質ドメインをニトロバインディンに融合したバイオハイブリッド触媒では、基質結合能の向上によって、さらに触媒活性が向上することも見出した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (15 results)

All 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 3 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 4 results) Book (2 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] アーヘン工科大学(ドイツ)

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  • [Journal Article] Construction of a whole-cell biohybrid catalyst using a Cp*Rh(III)-dithiophosphate complex as a precursor of a metal cofactor2021

    • 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

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Chiral paddle-wheel diruthenium complexes for asymmetric catalysis2020

    • Author(s)
      Miyazawa Taku、Suzuki Takuro、Kumagai Yuhei、Takizawa Koji、Kikuchi Takashi、Kato Shunsuke、Onoda Akira、Hayashi Takashi、Kamei Yuji、Kamiyama Futa、Anada Masahiro、Kojima Masahiro、Yoshino Tatsuhiko、Matsunaga Shigeki
    • Journal Title

      Nature Catalysis

      Volume: 3 Issue: 10 Pages: 851-858

    • DOI

      10.1038/s41929-020-00513-w

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    • Peer Reviewed
  • [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 Functionalization2020

    • 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

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    • 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 Purification2020

    • 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

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] タンパク質マテリアル精密合成のための汎用的なN末端特異的修飾剤の開発2021

    • Author(s)
      小野田晃, 井上望, 住吉永伍, 北井彰一, 林高史
    • Organizer
      第70回 高分子討論会
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    • Invited
  • [Presentation] Development of Protein N-terminus Selective Modification Reagent Using Triazolecarbaldehyde Derivative2021

    • Author(s)
      Akira Onoda, Nozomu Inoue, Eigo Sumiyoshi, Takashi Hayashi
    • Organizer
      13th AFMC International Medicinal Chemistry Symposium
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Directed Evolution of Rhodium-Linked Biohybrid Catalysts2021

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      Akira Onoda
    • Organizer
      10th Tokyo Tech International Symposium on Life Science and Technology “Biomolecular Evolution and Engineering”
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [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)
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      加藤 俊介、小野田 晃、Ulrich Schwaneberg、林 高史
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      第14回バイオ関連化学シンポジウム2020
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  • [Presentation] 化学修飾と指向性進化工学を活用したタンパク質エンジニアリング: バイオハイブリッド触媒とバイオ材料への応用2020

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      小野田 晃
    • Organizer
      35th Summer University in Hokkaido 2020年度 北海道高分子若手研究会
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    • Author(s)
      小野田晃, 林 高史
    • Total Pages
      33
    • Publisher
      三共出版
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  • [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
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  • [Remarks]

    • URL

      https://onoda-lab.jp/

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    • URL

      https://onoda-lab.jp/

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-12-28  

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