2021 Fiscal Year Annual Research Report
酵素が巧みに織りなす化学反応過程のダイナミズムの撮像
| Project Area | Non-equilibrium-state molecular movies and their applications |
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19H05780
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| Research Institution | Tottori University |
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Principal Investigator |
永野 真吾 鳥取大学, 工学研究科, 教授 (60286440)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中津 亨 和歌山県立医科大学, 薬学部, 教授 (50293949)
溝端 栄一 大阪大学, 工学研究科, 講師 (90571183)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | X線自由電子レーザー / 分子動画 / 酵素 / 発光タンパク質 / Rubisco / ディールスアルダー反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
各研究者それぞれの研究実績を以下にまとめる。
ディールスアルダー反応を行う酵素Fsa2, Phm7に関して，SFXに適した低塩濃度で微結晶を作製し，また結晶格子が揃った微結晶を作製することでこれまでの課題を解決するため，酵素表面に存在する柔軟なアミノ酸やループを置換，欠損させた変異体の作成を進めた。また，タウリン水酸化酵素TauDの金属フリー微結晶にFe(II)を添加し，活性部位を再構成できることを確認した。
イクオリン微結晶懸濁溶液とカルシウム溶液を混合して反応を開始したのち、SACLAのXFELを用いた２液混合SFX実験により、X線回折強度データの収集に成功した。構造解析の結果、カルシウムが２個ないしは３個結合した構造が明らかとなり、カルシウムが結合することによる構造変化がはじめて明らかとなった。
2021年度は、SACLAの光源を用いて、非活性型Rubisco－sulfate複合体、活性型Rubisco－sulfate複合体、活性型Rubisco－生成物3PGA複合体の結晶構造を決定した。これらの構造は触媒部位に存在するLoop 6が閉鎖型または開放型のコンフォメーションを取っていた。これらの構造と比較することで、2020年度に構造決定した活性型リガンドフリーRubiscoのLoop 6が従来の閉鎖型または開放型のいずれにも該当しないユニークなのコンフォメーションを有することを明らかにした。
また、二液混合型インジェクターを用いて、活性型リガンドフリーRubiscoの微結晶に基質RuBPを添加して触媒反応を誘起して時分割構造解析をするための条件検討を行い、コントロールとなる構造を決定した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Phm7の表面に存在するループを欠損した変異体をいくつか作製し，そのなかのひとつの変異体で，これまでの結晶化条件とは異なり，PEG8000を沈殿剤とした低塩濃度の条件で結晶を得ることができた。また，TauDでは，金属フリーの微結晶にFe(II)溶液を添加して高粘度媒体を用いた静的SFX実験を行い，活性部位にFe(II)が結合した結晶構造を確認することができた。つまり，二液混合TR-SFX実験によりTauDの酵素反応過程の動画撮影の準備が整いつつある。
イクオリン微結晶を用いた発光実験を行った結果、発光最大値に到達するまでに５秒前後必要であることがわかった。この時間スケールは２液混合時分割SFX実験の実施には適しているということがわかった。そこで長辺が10μm程度のイクオリン結晶とカルシウムを反応させ、反応５秒後において２液混合SFX実験を実施した。その結果、立体構造を2.0A分解能で決定でき、カルシウムが２個、ないしは３個結合し、構造変化が生じている領域が明らかとなった。またカルシウムで反応を進行させた結晶を液体窒素につけることにより、低温トラップする。すなわち異なる反応時間で反応を止めた結晶を複数作成し、それぞれの結晶をSPring-8でX線回折強度データを収集する手法を確立した。
SACLAを利用して、Rubiscoのリガンド複合体の構造を新たに３つ解析できたことで、活性型リガンドフリーRubiscoの構造的特徴の新規性を実証できたことは重要な成果である。
また、二液混合実験に着手してコントロール構造の決定をするなど、今後の分子動画撮影に向けた順調な進捗にあるといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
新たに見出した低塩濃度条件で得られるPhm7微結晶や，すでに得られているFsa2結晶を用いて生成物結合型の結晶構造を決定し，MDシミュレーションで推定された基質結合様式との整合性を確認する。また，Fsa2の基質の有機合成を清中班の永澤グループに依頼しており，その合成が順調に進んでいる。この合成基質を用いて，微結晶試料を用いた酵素活性の確認や，基質結合型の構造決定を目指す。
今回データ収集した時間の前後の時間のデータ収集を行う。また反応の同調性をより高めるために、さらに小さな微結晶を準備し解析を行う。ただし、２液混合実験を実施するためにはサンプル量が膨大になりすぎること、ビームタイムが少ないことから、SPring-8を用いた時分割解析データも組み合わせていくことにより、より詳細な反応メカニズムの解明を目指す。二液混合型インジェクターを用いて、活性型リガンドフリーRubiscoの微結晶に基質RuBPを添加して触媒反応を誘起させ、遅れ時間500 ms未満の時間範囲において時分割構造解析を実施し、触媒部位にRuBPが結合する構造遷移を解明する。
また、活性型Rubisco-RuBP複合体の結晶を低温（0℃以下）で作製する条件を探索し、RuBPにCO2が結合する触媒反応過程を解析するための準備を進める。
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[Journal Article] Crystal structure of CmABCB1 multi-drug exporter in lipidic mesophase revealed by LCP-SFX2022
Author(s)
Dongqing Pan, Ryo Oyama, Tomomi Sato, Takanori Nakane, Ryo Mizunuma, Keita Matsuoka, Yasumasa Joti, Kensuke Tono, Eriko Nango, So Iwata, Toru Nakatsu, Hiroaki Kato
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Journal Title
IUCrJ
Volume: 9
Pages: 134-145
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Molecular basis for two stereoselective Diels-Alderases that produce decalin skeletons2021
Author(s)
Keisuke Fujiyama, Naoki Kato*, Suyong Re, Kiyomi Kinugasa, Kohei Watanabe, Ryo Takita, Toshihiko Nogawa, Tomoya Hino, Hiroyuki Osada, Yuji Sugita, Shunji Takahashi*, Shingo Nagano*
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Journal Title
Angew. Chem. Int. Ed.
Volume: 60
Pages: 22401-22410
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] トマチンを代謝する2種類の酸化酵素の結晶構造が示す意外な分子メカニズム2021
Author(s)
〇宮崎麻紗美, 藤山敬介, 佐藤祐介, 日野智也, 水谷正治, 秋山遼太, 加藤純平, 重田育照, 庄司光男, 永野真吾,
Organizer
令和3年 (2021年) 度 日本結晶学会年会
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