金属タンパク質と金属ナノ粒子の階層化によるハイブリッド界面の構築

• Project Area: Creation of Element-Block Polymer Materials
• Project/Area Number: 25102527
• 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: Osaka University
• Principal Investigator: 小野田 晃 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60366424)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2014: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2013: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 金属タンパク質 / 金属ナノ粒子 / ハイブリッド界面 / バイオデバイス / バイオ電極

Outline of Annual Research Achievements

電子移動・触媒・センサー機能を有する金属タンパク質と多様な物性を持つ金属・半導体ナノ粒子のそれぞれを機能性の元素ブロックととらえ、生体分子の精密な分子間相互作用を活用して、金属タンパク質と金属ナノ粒子を階層化したハイブリッド型ナノ界面を電極基板上に構築した。安定性および量子収率に優れた半導体ナノ粒子を表面修飾することにより、ヘムタンパク質との複合化による触媒系を構築した。ヘムタンパク質としてミオグロビン（Mb）、半導体ナノ粒子としてCdTeナノ粒子（CdTe QD）を選択し、複合体の構築を行った。複合体におけるCdTe QDからMbへの電子移動反応および複合化後のヘムタンパク質機能について検証した。光還元によるMbの機能化について検証したところ、CO雰囲気下において可視光照射した際に、Fe(III)のmet-Mbは一電子還元を受けてFe(II)-CO錯体のCO-Mbに変換されることを明らかにした。ヘムタンパク質であるMbの機能を保持した状態でタンパク質への電子移動反応を高効率化したQD複合体の構築に成功しており、シクロデキストリンとアダマンタンの超分子相互作用を介して表面固定も有効であることを見出した。
電子移動の効率的なバイオ電極構築をめざし、電極上に固定した補酵素等の酸化還元中心に対しアポタンパク質を再構成することにより、酵素と電極間の効率的な電気伝導が可能となるバイオデバイスを作製した。具体的には、金ナノ粒子を固定化した電極表面にヘムを化学修飾し、その後アポタンパク質の再構成することによって、ヘムタンパク質を固定化修飾した電極を作製した。ヘム－ヘムポケット間の相互作用を活用した本系においてシトクロムb562の電子移動効率の優位性が明かとなった。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Oxygen-binding Protein Fiber and Microgel: Supramolecular Myoglobin–Poly(acrylate) Conjugates (2016)
  • Author(s): T. Ono, Y. Hisaoka, A. Onoda, K. Oohora, T. Hayashi
  • Journal Title: Chem. Asian J. Volume: 41 Issue: 7 Pages: 1036-1042
  • DOI: 10.1002/asia.201501415
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Artificial Hydrogenase: Biomimetic Approaches Controlling Active Molecular Catalysts (2015)
  • Author(s): Akira Onoda, Takashi Hayashi
  • Journal Title: Curr. Opin. Chem. Biol. Volume: 25 Pages: 133-140
  • DOI: 10.1016/j.cbpa.2014.12.041
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Generation of New Artificial Metalloproteins by Cofactor Modification of Native Hemoproteins (2014)
  • Author(s): Takashi Hayashi, Yohei Sano, Akira Onoda
  • Journal Title: Isr. J. Chem. Volume: 55 Issue: 1 Pages: 76-84
  • DOI: 10.1002/ijch.201400123
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Photochemical Property of Myoglobin－CdTe Quantum Dot Conjugate Formed by Supramolecular Host－guest Interaction (2014)
  • Author(s): T. Himiyama, A. Onoda, T. Hayashi
  • Journal Title: Chem. Lett. Volume: 43 Issue: 7 Pages: 1152-1154
  • DOI: 10.1246/cl.140321
  • NAID: 130004868222
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Photoinduced Hydrogen Evolution Catalyzed by a Synthetic Diiron Dithiolate Complex Embedded within a Protein Matrix (2014)
  • Author(s): Akira Onoda, Yoshihiko Kihara, Kazuki Fukumoto, Yohei Sano, and Takashi Hayashi
  • Journal Title: ACS Catal. Volume: 4 Issue: 8 Pages: 2645-2648
  • DOI: 10.1021/cs500392e
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Enzyme-substrate complex structures of CYP154C5 shed light on its mode of highly selective steroid hydroxylation (2014)
  • Author(s): K. Herzog, P. Bracco, A. Onoda, T. Hayashi, K. Hoffmann, A. Schallmey
  • Journal Title: Acta Crystallogr. Sect. D. Volume: D70 Issue: 11 Pages: 2875-2889
  • DOI: 10.1107/s1399004714019129
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal Structure, Exogenous Ligand Binding and Redox Properties of an Engineered Diiron Active Site in a Bacterial Hemeythrin (2013)
  • Author(s): Yasunori Okamoto, Akira Onoda, Hiroshi Sugimoto, Yu Takano, Shun Hirota, Donald M. Kurtz, Jr., Yoshitsugu Shiro, Takashi Hayashi
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 52 Issue: 22 Pages: 13014-13020
  • DOI: 10.1021/ic401632x
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Construction of a DNA-Hemoprotein Complex by Protein Reconstitution with a Modified Iron-Porphyrin (2016)
  • Author(s): TABA, Fargol; ONODA, Akira; KOGA, Satoe; OSHITA, Kaori; HAYASHI, Takashi
  • Organizer: 日本化学会第96春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学（京都府・京田辺市）
  • Year and Date: 2016-03-24
• [Presentation] ヘムを介して電極上に配向固定化したセロビオースデヒドロゲナーゼの動的なドメイン構造変化の観察 (2016)
  • Author(s): 原田 裕史・砂川 直輝・五十嵐 圭日子・小野田 晃・林 高史
  • Organizer: 日本化学会96回春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学（京都府・京田辺市）
  • Year and Date: 2016-03-24
• [Presentation] CuAAC反応を用いたヘムタンパク質-カーボンナノチューブ複合体の構築: ヘム側鎖を起点にした配向制御 (2016)
  • Author(s): 井上 望・小野田 晃・林 高史
  • Organizer: 日本化学会96回春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学（京都府・京田辺市）
  • Year and Date: 2016-03-24
• [Presentation] Construction of Hemoprotein-Carbon Nanotube ｈybrid by Click Reaction (2015)
  • Author(s): Inoue Nozomu, Akira Onoda, Takashi Hayashi
  • Organizer: Japan-Taiwan Bilateral Workhsop on Nano-Science 2015
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府・吹田市）
  • Year and Date: 2015-11-13
• [Presentation] ヘムを介して配向担持されたセロビオースデヒドロゲナーゼ修飾バイオ電極の構築 (2015)
  • Author(s): 原田 裕史・小野田 晃・砂川 直輝・五十嵐 圭日子・林 高史
  • Organizer: 錯体化学会第65回討論会
  • Place of Presentation: 奈良女子大学（奈良県・奈良市）
  • Year and Date: 2015-09-21
• [Presentation] 共有結合を介したヘムタンパク質－カーボンナノチューブ複合体の構築 (2015)
  • Author(s): 井上 望、小野田 晃、林 高史
  • Organizer: 第9回バイオ関連化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 熊本大学（熊本県・熊本市）
  • Year and Date: 2015-09-10
• [Presentation] Programmed Hemoprotein Assemblies as a Bioelectronic Interface (2014)
  • Author(s): Akira Onoda
  • Organizer: 日本化学会第94春季年会 錯体・有機金属ディビジョンAsian International Symposium
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2014-03-29
  • Invited
• [Presentation] ヘム–ヘムポケット相互作用を利用したヘムタンパク質固定化ポリチオフェン修飾電極の作製と過酸化水素に対する電気化学応答の評価 (2014)
  • Author(s): 梅田 康成・小野田 晃・林 高史
  • Organizer: 日本化学会第94春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2014-03-27
• [Presentation] 再構成シトクロムb562を固定化した金ナノ粒子修飾電極の構築 (2014)
  • Author(s): 谷口智章・梅田康成・小野田晃・林高史
  • Organizer: 日本化学会第94春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2014-03-27
• [Presentation] タンパク質階層プログラミング：メゾスコピックなバイオデバイス界面の構築 (2014)
  • Author(s): 小野田 晃
  • Organizer: 超分子化学と分子システム科学のクロスオーバー
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2014-02-07
  • Invited
• [Presentation] Semiconducting Composite Materials Immobilized with Gold Nanoparticle Assemblies Using Biotin-Avidin Technology (2013)
  • Author(s): Hirofumi Harada, Akira Onoda, Takashi Hayashi
  • Organizer: The 2nd Japan-France Coordination Chemistry Symposium 2013
  • Place of Presentation: 奈良
  • Year and Date: 2013-11-24
• [Presentation] Preparation of Functional Analysis of Myoglobin-based Cathode Catalyst for Polymer Electrolyte Fuel Cell (2013)
  • Author(s): 田中 雄大・小野田 晃・林 高史
  • Organizer: The 2nd Japan-France Coordination Chemistry Symposium 2013
  • Place of Presentation: 奈良
  • Year and Date: 2013-11-24
• [Presentation] 効率的電子移動反応を実現するヘムタンパク質-半導体ナノ粒子複合体の構築 (2013)
  • Author(s): 氷見山 幹基、小野田 晃、林 高史
  • Organizer: 錯体化学会第63回討論会
  • Place of Presentation: 那覇
  • Year and Date: 2013-11-02
• [Presentation] 直接電子移動型バイオ電池を志向したヘムタンパク質固定化ポリチオフェン修飾電極 (2013)
  • Author(s): 梅田 康成・小野田 晃・林 高史
  • Organizer: 錯体化学会第63回討論会
  • Place of Presentation: 那覇
  • Year and Date: 2013-11-02
• [Presentation] ヘムタンパク質－半導体ナノ粒子超分子複合体の構築とその光反応挙動評価 (2013)
  • Author(s): 氷見山 幹基、小野田 晃、林 高史
  • Organizer: 第3回CSJ化学フェスタ2013
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2013-10-21
• [Presentation] Composite Materials Designed with Biotin-Avidin Technology: Construction of Metal Nanoparticle Assembly on Semiconductor (2013)
  • Author(s): Hirofumi Harada, Akira Onoda, Takashi Hayashi
  • Organizer: The 1st Japan-Taiwan-Singapore Joint Symposium on Coordination Chemistry
  • Place of Presentation: 奈良市
  • Year and Date: 2013-06-19
• [Presentation] Supramolecular conjugation of myoglobin with CdTe quantum dot (2013)
  • Author(s): 氷見山 幹基、小野田 晃、林 高史
  • Organizer: 4th Georgian Bay International Conference on Bioinorganic Chemistry
  • Place of Presentation: カナダ、パリ-サウンズ
  • Year and Date: 2013-05-23
• [Book] “Artificial Metalloenzymes Containing an Organometallic Active Site”, In Bioorganometallic Chemistry: Applications in Drug Discovery, Biocatalysis, and Imaging. (2014)
  • Author(s): A. Onoda, T. Hayashi, M. Salmain
  • Total Pages: 33
  • Publisher: Wiley-VCH
• [Remarks] 大阪大学大学院工学研究科応用化学専攻 林研究室
  • URL: http://www.chem.eng.osaka-u.ac.jp/~hayashiken/index.html