生体触媒の基質誤認識を利用する不活性炭化水素への酸素原子挿入反応触媒系の開発

• Project Area: Molecule Activation Directed toward Straightforward Synthesis
• Project/Area Number: 25105724
• 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: Nagoya University
• Principal Investigator: 荘司 長三 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (90379587)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2014: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2013: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: シトクロムP450 / 生体触媒 / 炭化水素 / 酸化反応 / 疑似基質 / ベンゼン / エタン / 基質誤認識 / ヘム蛋白質 / ガス状アルカン / フェノール / 過酸化水素 / 長鎖脂肪酸

Outline of Annual Research Achievements

P450BM3は，巨大菌由来の長鎖脂肪酸水酸化酵素で，炭素数が16前後の長鎖脂肪酸のアルキル鎖末端部分を水酸化する．P450BM3の酸化活性種生成反応では，長鎖脂肪酸の取り込みが反応を開始するトリガーになっていて，長鎖脂肪酸と構造が大きく異なる基質の場合には酸化反応は進行しない．長鎖脂肪酸の末端を含めたすべての水素原子がフッ素原子に置換されたパーフルオロアルキルカルボン酸を疑似基質（デコイ分子）として，P450BM3に取り込ませると，エタンやプロパンなどのガス状アルカンやベンゼンやトルエンなどの長鎖脂肪酸とは構造が大きく異なる基質を酸化できることを報告した．しかしながら，長鎖脂肪酸の水酸化活性と比較すると疑似基質を用いるガス状アルカンなどの水酸化活性は低く，P450BM3の高い触媒活性を十分に引き出すことはできていなかった．そこで，パーフルオロアルキルカルボン酸のカルボキシル基をアミノ酸で修飾した第二世代のデコイ分子を合成し，プロパンの酸化活性を調べた．パーフルオロアルキルカルボン酸のカルボキシル基をアミノ酸で修飾するだけで，活性が大幅に向上し，パーフルオロノナン酸をロイシンで修飾したPFC9-L-Leuをデコイ分子としてエタンの水酸化を試みたところ，毎分45回転でエタンを水酸化できることを明らかにした．さらに，PFC9-L-Trpを取り込んだP450BM3の結晶構造解析にも成功し，PFC9-L-Trpが長鎖脂肪酸と同様に基質結合部位に結合し，パーフルオロアルキル鎖は，活性部位には届いていないことなど，デコイ分子を利用する反応系の反応機構の解明に重要な情報を多く得ることができた．修飾するアミノ酸の側鎖構造の違いにより，酸化活性が大きく変化することから，デコイ分子の構造をさらに最適化することにより，長鎖脂肪酸と同等の酸化活性まで非天然基質の酸化活性を強化できると考えている．

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Activation of Wild-type Cytochrome P450BM3 by the Next Generation of Decoy Molecules: Enhanced Hydroxylation of Gaseous Alkanes and Crystallographic Evidence (2015)
  • Author(s): Z. Cong, O. Shoji, C. Kasai, N. Kawakami, H. Sugimoto, Y. Shiro, Y. Watanabe
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 5 Issue: 1 Pages: 150-156
  • DOI: 10.1021/cs501592f
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Bringing out the potential of wild-type cytochrome P450s using decoy molecules: Oxygenation of nonnative substrates by bacterial cytochrome P450s (2015)
  • Author(s): O. Shoji, Y. Watanabe
  • Journal Title: Isr. J. Chem. Volume: 55 Issue: 1 Pages: 529-539
  • DOI: 10.1002/ijch.201400096
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Highly efficient hydroxylation of gaseous alkanes at reduced temperature catalyzed by cytochrome P450BM3 assisted by decoy molecules (2015)
  • Author(s): N. Kawakami, Z. Cong, O. Shoji, Y. Watanabe
  • Journal Title: J. Porphyrins Phthalocyanines Volume: 19 Issue: 01-03 Pages: 329-334
  • DOI: 10.1142/s1088424615500145
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Peroxygenase reactions catalyzed by cytochromes P450 (2014)
  • Author(s): O. Shoji, Y. Watanabe
  • Journal Title: J. Biol. Inorg. Chem. Volume: 19 Issue: 4-5 Pages: 529-539
  • DOI: 10.1007/s00775-014-1106-9
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] An in vivo Inhibitory Effect on the Heme Uptake of Pseudomonas aeruginosa by Its Hemophore (HasAp) Carrying Synthetic Metal Complexes. (2014)
  • Author(s): Shirataki, C.; Shoji, O.; Terada, M.; Ozaki, S.; Sugimoto, H.; Shiro, Y.; Watanabe, Y.
  • Journal Title: Angw. Chem. Int. Ed. Volume: 53 Issue: 11 Pages: 2862-2866
  • DOI: 10.1002/anie.201307889
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic Control of Discrimination between O2 and CO in Myoglobin Lacking the Distal Histidine Residue (2013)
  • Author(s): R. Nishimura, T. Shibata, I. Ishigami, T. Ogura, H. Tai, S. Nagao, T. Matsuo, S Hirota, O. Shoji, Y. Watanabe, K. Imai, S. Neya, A. Suzuki, Y. Yamamoto
  • Journal Title: Inorg. Chem. Volume: 53 Issue: 2 Pages: 1091-1099
  • DOI: 10.1021/ic402625s
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Highly Selective Hydroxylation of Benzene to Phenol by Wild-type Cytochrome P450BM3 Assisted by Decoy Molecules (2013)
  • Author(s): O. Shoji, T. Kunimatsu, N. Kawakami, Y. Watanabe
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. Volume: 52 Issue: 26 Pages: 6606-6610
  • DOI: 10.1002/anie.201300282
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct Hydroxylation of Primary Carbons in Small Alkanes by Wild-type Cytochrome P450BM3 Containing Perfluorocarboxylic Acids as Decoy Molecules (2013)
  • Author(s): N. Kawakami, O. Shoji, Y. Watanabe
  • Journal Title: Chem. Sci. Volume: 4 Issue: 6 Pages: 2344-2348
  • DOI: 10.1039/c3sc50378j
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Use of Decoy Molecules as a Reaction Accelerator for the Hydroxylation of Gaseous Alkanes Catalyzed by Cytochrome P450s (2015)
  • Author(s): O. Shoji
  • Organizer: 日本化学会 第95春季年会 (2015)
  • Place of Presentation: 船橋
  • Year and Date: 2015-03-26 – 2015-03-29
  • Invited
• [Presentation] 酸化酵素の誤作動を誘起する次世代疑似基質の開発とガス状アルカンの水酸化 (2015)
  • Author(s): 荘司長三
  • Organizer: 分子研研究会「生物無機化学の最先端と今後の展望：金属と生体分子の作用機序解明とモデル化および応用への展開」
  • Place of Presentation: 岡崎
  • Year and Date: 2015-01-06 – 2015-01-07
  • Invited
• [Presentation] Hydroxylation of non-native substrates by wild-type cytochrome P450s assisted by decoy molecules (2014)
  • Author(s): O. Shoji, Y. Watanabe
  • Organizer: the Active Enzyme Molecule 2014
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 2014-12-17 – 2014-12-19
  • Invited
• [Presentation] 疑似基質による野生型シトクロムP450の誤作動誘起と不活性炭化水素の水酸化反応 (2014)
  • Author(s): 荘司長三、渡辺芳人
  • Organizer: 第44回石油・石油化学討論会
  • Place of Presentation: 旭川
  • Year and Date: 2014-10-16 – 2014-10-18
  • Invited
• [Presentation] Monooxygenation of Nonnative Substrates Catalyzed by Wild-type Cytochrome P450s (2014)
  • Author(s): O. Shoji, Y. Watanabe
  • Organizer: The 12th International Symposium on Cytochrome P450 Biodiversity and Biotechnology
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2014-09-24 – 2014-09-28
  • Invited
• [Presentation] 疑似基質による野生型酵素の誤作動誘起と不活性炭化水素の水酸化反応 (2014)
  • Author(s): 荘司長三
  • Organizer: 第１０回触媒化学融合研究センター講演会
  • Place of Presentation: つくば
  • Year and Date: 2014-07-04
  • Invited
• [Presentation] Gaseous Alkane Hydroxylation by Wild-Type Cytochrome P450BM3 bearing Decoy Molecules (2014)
  • Author(s): O. Shoji, J. Yokobori, T. Kunimatsu, N. Kawakami, Zhiqi Cong, Y. Watanabe
  • Organizer: ICPP-8
  • Place of Presentation: Istanbul, Turkey.
  • Year and Date: 2014-06-22 – 2014-06-27
  • Invited
• [Presentation] Gaseous Alkanes and Benzene Hydroxylation by Wild-type Cytochrome P450BM3 Induced by Perfluorinated Carboxylic Acids (2014)
  • Author(s): O. Shoji, Y. Watanabe
  • Organizer: The 3rd International Conference on the MEXT Project of Integrated Research on Chemical Synthesis “Synergy of Theory and Molecular Transformation”
  • Place of Presentation: Fukuoka, Japan
  • Invited
• [Presentation] フッ素置換基質による生体触媒の誤作動誘起と物質変換への利用 (2014)
  • Author(s): 荘司長三、渡辺芳人
  • Organizer: 2014年研究会「金属新機能場の開発を目指して」
  • Place of Presentation: 豊中
  • Invited
• [Presentation] 生体触媒の誤作動状態を逆手に取る物質変換 (2014)
  • Author(s): 荘司長三、渡辺芳人
  • Organizer: 新学術領域研究「分子活性化」第６回公開シンポジウムプログラム
  • Place of Presentation: 東京
  • Invited
• [Presentation] 生体触媒の誤作動状態を利用する物質変換 (2014)
  • Author(s): 荘司長三、渡辺芳人
  • Organizer: 蛋白研セミナー：蛋白質の機能デザインに向けた実験と理論のインタープレー
  • Place of Presentation: 吹田
  • Invited
• [Presentation] Gaseous Alkane Hydroxylation Catalyzed by Cytochrome P450BM3 by Tricking Its Substrate Recognition Using Decoy Molecules (2013)
  • Author(s): O. Shoji, Y. Watanabe
  • Organizer: 6th Japan-Korea Seminars on Biomolecular Science : Experiments and Simulation
  • Place of Presentation: Okazaki, Japan
  • Invited
• [Presentation] Ethane and Benzene Hydroxylation by Wild-type Cytochrome P450BM3 Assisted by Decoy Molecules (2013)
  • Author(s): O. Shoji, T. Kunimatsu, N. Kawakami, Y. Watanabe
  • Organizer: 16th International Conference on Biological Inorganic Chemistry (ICBIC16)
  • Place of Presentation: Grenoble, France
  • Invited
• [Presentation] Gaseous Alkanes and Benzene Hydroxylation by Wild-Type Cytochrome P450BM3 Assisted by Decoy Modules (2013)
  • Author(s): O. Shoji, N. Kawakami, T. Kunimatsu, Y. Watanabe
  • Organizer: The 18th International Conference on Cytochrome P450
  • Place of Presentation: Seattle, Washington, USA
• [Presentation] Use of Enzyme Malfunction for Small Alkane Hydroxylation (2013)
  • Author(s): O. Shoji, Y. Watanabe
  • Organizer: The 15th joint IRTG SYMPOSIUM between University of Munster - Nagoya University
  • Place of Presentation: Nagoya, Japan
  • Invited
• [Presentation] Hydroxylation of Non-native Substrates by Wild-type Cytochrome P450BM3 assisted by Decoy Molecules (2013)
  • Author(s): 荘司長三、渡辺芳人
  • Organizer: 第四回「分子活性化若手セミナー」
  • Place of Presentation: 鹿児島
  • Invited
• [Presentation] 疑似基質により誘起される生体触媒の誤作動状態を利用するバイオ触媒反応 (2013)
  • Author(s): 荘司長三、渡辺芳人
  • Organizer: 第６回 ChemBioハイブリッドレクチャー
  • Place of Presentation: 東京
  • Invited
• [Presentation] フッ素置換基質を疑似基質として利用する長鎖脂肪酸水酸化酵素よるガス状アルカンの水酸化反応 (2013)
  • Author(s): 荘司長三、川上了史、渡辺芳人
  • Organizer: 錯体化学会第63回討論会
  • Place of Presentation: 沖縄県西原町
• [Presentation] 野生型シトクロムP450BM3によるベンゼン及び一置換ベンゼンの水酸化 (2013)
  • Author(s): 荘司長三、國松辰弥、川上了史、渡辺芳人
  • Organizer: 第6回バイオ関連化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋
• [Presentation] シトクロムP450BM3の誤作動を逆手に取るアルカン類の水酸化反応 (2013)
  • Author(s): 荘司長三、川上了史、國松辰弥、渡辺芳人
  • Organizer: 平成25年度 P450とUGT/SULT 研究会
  • Place of Presentation: 宮崎
• [Book] Fifty Years of Cytochrome P450 Research, "Oxygenation of Nonnative Substrates Using a Malfunction State of Cytochrome P450s" (2014)
  • Author(s): O. Shoji, Y. Watanabe
  • Total Pages: 18
  • Publisher: Springer
• [Book] 生物工学会誌8月号「「頑固な酵素」を巧みに騙す」 (2014)
  • Author(s): 荘司長三、渡辺芳人
  • Total Pages: 4
  • Publisher: 公益社団法人 日本生物工学会
• [Book] 月刊「化学」4月号 「化学掲示板 新聞に載った注目記事（2月） 2月5日 日本経済新聞 院内感染の原因菌, 緑膿菌の増殖を抑える技術を開発」 (2014)
  • Author(s): 荘司長三、白瀧千夏子
  • Publisher: ㈱化学同人
• [Book] 配管技術12月号 「ベンゼンをフェノールに一段階で変換する新規バイオ触媒の開発」 (2013)
  • Author(s): 荘司長三、渡辺芳人
  • Total Pages: 5
  • Publisher: 日本工業出版株式会社
• [Book] 化学と工業 第66巻9号 「酵素の基質誤認識を利用する不活性炭化水素の水酸化」 (2013)
  • Author(s): 荘司長三
  • Publisher: 日本化学会
• [Book] 月刊「化学」9月号 「酵素を“誤作動”させて行う有機合成―― 酵素反応を有機化学に利用するための反応制御」 (2013)
  • Author(s): 渡辺芳人、荘司長三
  • Total Pages: 6
  • Publisher: ㈱化学同人
• [Remarks] 名古屋大学 教員詳細
  • URL: http://profs.provost.nagoya-u.ac.jp/view/html/100001080_ja.html
• [Remarks] 名古屋大学 生物無機化学研究室
  • URL: http://bioinorg.chem.nagoya-u.ac.jp/
• [Remarks] ベンゼンをフェノールに一段階で変換するバイオ触媒の開発
  • URL: http://www.aip.nagoya-u.ac.jp/public/nu_research_ja/highlights/detail/0000797.html
• [Remarks] 生物無機化学研究室 研究業績 論文
  • URL: http://bioinorg.chem.nagoya-u.ac.jp/publications/paper.html
• [Remarks] 生物無機化学研究室 研究業績 教員 学会
  • URL: http://bioinorg.chem.nagoya-u.ac.jp/publications/society_t.html
• [Remarks] 生物無機化学研究室 研究業績 特許
  • URL: http://bioinorg.chem.nagoya-u.ac.jp/publications/patent.html
• [Remarks] 生物無機化学研究室 研究業績 報道・関連記事
  • URL: http://bioinorg.chem.nagoya-u.ac.jp/publications/pressrelease.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 細菌の増殖抑制 (2014)
  • Inventor(s): 荘司長三、渡辺芳人、白瀧千夏子、岩井佑介
  • Industrial Property Rights Holder: 荘司長三、渡辺芳人、白瀧千夏子、岩井佑介
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2014-061575
  • Filing Date: 2014-03-25