配位プログラミングを実現する蛋白質空間設計

• Project Area: Coordination Programming - Science of Molecular Superstructures for Chemical Devices
• Project/Area Number: 22108513
• 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: Kyoto University
• Principal Investigator: 上野 隆史 京都大学, 准教授 (70332179)
• Project Period (FY): 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2011: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2010: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: フェリチン / 蛋白質結晶 / 蛋白質工学 / 超分子 / 自己集積 / 配位高分子

Research Abstract

本研究では、金属錯体反応場とみなしたメゾスケールの蛋白質孤立空間に、アミノ酸置換による配位構造のプログラミングを施し、金属錯体の機能を制御する手法を確立する。具体的には、かご型蛋白質フェリチンの直径8nmのメゾ空間へ精密に金属錯体を集積するために、アミノ酸置換を施し、その機能発現へつなげる。このような金属錯体の機能制御法は、既存の合成分子によるナノ空間では困難であったが、かご型蛋白質フェリチンを用いることにより初めて実現可能となり、メゾスケール空間を用いた新しい配位化学の創成に貢献すると確信する。
本年度はフェリチン内部空間の分子設計と金属イオンの一次元集積をおこなった。
(1)一次元鎖体形成へのフェリチン変異体作成フェリチン内部空間への配位プログラミングには変異体作成が重要な鍵を握る。これまでの研究から、フェリチン内部に取り込まれた金属錯体は内部の三回対称軸チャネルと集積サイトと呼ばれる、His,Asp,Glu,Cys等の配位性アミノ酸残基が多数存在する二ヶ所の結合領域に集積する事を明らかとしている。そこで、集積サイトを基盤とし、特定の部位へ、金属イオンへ高い結合性を持つヒスチジン(イミダゾール)の導入や、アスパラギン酸やグルタミン酸(-COOH)への置換による負電荷導入を行い、カドミウムイオンを7つ連結する事に成功した。

Research Products

• [Journal Article] Post-Crystal Engineering of Zinc-Substituted Myoglobin to Construct a Long-lived Photo-induced Charge Separation System (2011)
  • Author(s): T.Koshiyama, M.Shirai, T.Hikage, H.Tabe, K.Tanaka, S.Kitagawa, T.Ueno
  • Journal Title: Angew.Chem.Int.Ed. Volume: 50 Pages: 4849-4852
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dual modification of a triple-stranded β-helix nanotube with Ru and Re metal complexes to promote photocatalytic reduction of CO_2 (2011)
  • Author(s): N.Yokoi, Y.Miura, C.-Y.Huang, N.Takatani, H.Inaba, T.Koshiyama, S.Kanamaru, F.Arisaka, Y.Watanabe, S.Kitagawa, T.Ueno
  • Journal Title: Chem.Commun. Volume: 47 Pages: 2074-2076
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Incorporation of Organometallic Ru Complexes into Apo-Ferritin Cage (Selected in the 'New Talent : Asia' issue and hot paper). (2011)
  • Author(s): Y.Takezawa, P.Bockmann, N.Sugi, Z.Wang, S.Abe, T.Murakami, T.Hikage, G.Erker, Y.Watanabe, S.Kitagawa, T.Ueno
  • Journal Title: Dalton.Trans. Volume: 40 Pages: 2190-2196
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Definite Coordination Arrangement of Organometallic Palladium Complexes Accumulated on the Designed Interior Surface of Apo-ferritin (Selected in the 'Emerging Investigators' issue and as a back cover) (2011)
  • Author(s): Z.Wang, Y.Takezawa, H.Aoyagi, S.Abe, T.Hikage, Y.Watanabe, S.Kitagawa, T.Ueno
  • Journal Title: Chem.Commun. Volume: 47 Pages: 170-172
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Construction of Robust Bio-nanotube by Controlled Self-assembly of Component Proteins of Bacteriophege T4 (selected as an inside cover picture) (2010)
  • Author(s): N.Yokoi, H.Inaba, M.Terauchi, A.Z.Stieg, N.J.M.Sanghamitra, T.Koshiyama, K.Yutani, S.Kanamaru, F.Arisaka, T.Hikage, A.Suzuki, T.Yamane, J.K.Gimzewski, Y.Watanabe, S.Kitagawa, T.Ueno
  • Journal Title: Small Volume: 6 Pages: 1873-1879
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanism of Accumulation and Incorporation of Organometallic Pd Complexes into the Protein Nanocage of apo-Ferritin (2010)
  • Author(s): S.Abe, T.Hikage, Y.Watanabe, S.Kitagawa, T.Ueno
  • Journal Title: Inorg.Chem Volume: 49 Pages: 6967-6973
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 蛋白質集合体形成を利用した機能プログラミング (2011)
  • Author(s): 上野隆史
  • Organizer: 新学術領域研究「配位プログラム」第2回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋(招待講演)
  • Year and Date: 2011-02-04
• [Presentation] Metal Coordination Designed in Discrete Space of Protein Cages (2011)
  • Author(s): 上野隆史
  • Organizer: Gordon Research Conference "Physiological Virology"
  • Place of Presentation: Ventura, CA, USA(招待講演)
• [Presentation] Bio-hybrid Meso-scale materials for Supramolecular Coordination Chemistry (2010)
  • Author(s): 上野隆史
  • Organizer: Session 173 (Molecular Design in Bioinorganic Chemistry), Pacifichem 2010
  • Place of Presentation: Hawaii, USA(招待講演)
  • Year and Date: 2010-12-20
• [Presentation] Metal Complexes Functionalized on Tubular Protein Architectures (2010)
  • Author(s): 上野隆史
  • Organizer: Session 164 (Self-assembly and Coordination Chemistry), Pacifichem 2010
  • Place of Presentation: Hawaii, USA(招待講演)
  • Year and Date: 2010-12-18
• [Presentation] 材料化学を指向した蛋白質分子設計 (2010)
  • Author(s): 上野隆史
  • Organizer: 分子科学研究所 所長招聘研究会「2020年の物質分子科学を語る」
  • Place of Presentation: 岡崎(招待講演)
  • Year and Date: 2010-12-01
• [Presentation] Bio-hybrid Meso-scale materials for Supramolecular Coordination Chemistry (2010)
  • Author(s): 上野隆史
  • Organizer: UdS-Japanese JEPS Symposium on Supramolecular Nanomaterials Science
  • Place of Presentation: Institut de Science et d'Ingenierie Supramolecularies (ISIS), France(招待講演)
  • Year and Date: 2010-10-29
• [Presentation] 蛋白質を駆使した精密無機化学への挑戦 (2010)
  • Author(s): 上野隆史
  • Organizer: 京都大学 化学研究所 講演会
  • Place of Presentation: 宇治(招待講演)
  • Year and Date: 2010-10-12
• [Presentation] Coordination chemistry of porous protein crystals (2010)
  • Author(s): 上野隆史
  • Organizer: 60^<th> Anniversary Conference on Coordination Chemistry in Osaka
  • Place of Presentation: 大阪(招待講演)
  • Year and Date: 2010-09-28
• [Presentation] 蛋白質集合体を用いたメゾ分子構造体の機能化 (2010)
  • Author(s): 上野隆史
  • Organizer: 第4回バイオ関連化学シンポジウム「明日を拓くバイオ関連化学」
  • Place of Presentation: 大阪(招待講演)
  • Year and Date: 2010-09-24
• [Presentation] 巨大蛋白質の合理的反応場設計 (2010)
  • Author(s): 上野隆史
  • Organizer: 第4回日本化学会関東支部大会
  • Place of Presentation: 筑波(招待講演)
  • Year and Date: 2010-08-30
• [Presentation] 巨大蛋白質の配位化学 (2010)
  • Author(s): 上野隆史
  • Organizer: 第23回生物無機化学夏期セミナー
  • Place of Presentation: 河口湖(招待講演)
  • Year and Date: 2010-08-29
• [Presentation] Metal Coordination Designed in Discrete Space of Protein Cages (2010)
  • Author(s): 上野隆史
  • Organizer: The 5^<th> Asian Biological Inorganic Chemistry Conference
  • Place of Presentation: Kaohsiung, Taiwan(招待講演)
• [Presentation] Metal Coordination Designed in Discrete Space of Protein Assembly (2010)
  • Author(s): 上野隆史
  • Organizer: 8^<th> China-Japn Joint Symposium on Metal Cluster Compounds
  • Place of Presentation: Xi'an, China(招待講演)
• [Presentation] Catalytic Reactions Designed using Protein Scaffolds from Artificial Enzymes to Protein Nanocage Reactors (2010)
  • Author(s): 上野隆史
  • Organizer: NIMS 2010 Conference
  • Place of Presentation: Tsukuba, Japan(招待講演)
• [Presentation] Nanotube Architectures Designed from Component Proteins of Bacteriophage T4 (2010)
  • Author(s): 上野隆史
  • Organizer: 5^<th> International Symposium on Macrocyclic & Supramolecular Chemistry
  • Place of Presentation: Nara, Japan(招待講演)
• [Book] Biocatalysis and Enzyme Stability in Ionic Liquids Book Chapter in Green Solvents, Properties and Applications in Chemistry (2011)
  • Author(s): Nusrat J.M.Sanghamitra, T.Ueno
  • Publisher: Springer publication
• [Book] "配位化学による蛋白質集合体の機能設計"金属と分子集合 (2010)
  • Author(s): 上野隆史
  • Total Pages: 19
  • Publisher: シーエムシー出版
• [Remarks]
  • URL: http://www.kitagawa.icems.kyoto-u.ac.jp/index.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 蛋白質結晶を用いた複合材料及びその製造方法 (2010)
  • Inventor(s): 上野隆史、安部聡、北川進
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人京都大学
  • Filing Date: 2010-12-28
  • Overseas