2015 Fiscal Year Research-status Report
多電子・水素イオン協奏型二酸化炭素-メタノール変換を触媒する革新的人工酵素の創製
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15K14239
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
天尾 豊 大阪市立大学, 複合先端研究機構, 教授 (80300961)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 二酸化炭素還元 / 生体触媒 / ビオローゲン / 人工補酵素 / 人工光合成 / メタノール |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本提案では，水中で二酸化炭素をメタノールに分子変換機能を有する「人工補酵素脱水素酵素一元複合体」の設計と創製を目的としている．当該年度はギ酸・アルデヒド・アルコール脱水素酵素に有効なビオローゲン誘導体を基盤とした人工補酵素分子の設計と合成した．具体的には4,4'-ビピリジニウム塩あるいは2,2'-ビピリジニウム塩を基本構造として，アミノ基やカルボキシル基を導入した分子や立体的な構造変化を志向した分子を合成した．その結果，アミノ基を2つ導入した4,4'-ビピリジニウム塩がギ酸・アルデヒド・アルコール脱水素酵素の補酵素として有効に働くことを見出した．また2,2'-ビピリジニウム塩についてはピリジン環をメチレン鎖で架橋することにより立体構造を変化させ、脱水素酵素に有効に機能する人工補酵素を設計・合成した。さらにこれら4,4'-ビピリジニウム塩あるいは2,2'-ビピリジニウム塩を化学的に還元し各々の酵素との相互作用を酵素反応速度論的に解析し，物理化学的な性質からもこれら4,4'-ビピリジニウム塩あるいは2,2'-ビピリジニウム塩が有効な補酵素であることを証明した．加えて各脱水素酵素の基質結合部位と4,4'-ビピリジニウム塩あるいは2,2'-ビピリジニウム塩とがどのように相互作用しているかをタンパク質モデリングにより解明しつつある段階に到達した。
次にこれらビオローゲン誘導体に金属イオンと錯形成に必要なイミダゾール基を導入した分子について設計・合成に着手し、各脱水素酵素との相互作用についても検討を開始した。
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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
平成27年度の研究計画は、ギ酸・アルデヒド・アルコール脱水素酵素を用いた二酸化炭素のメタノールへの変換反応に最適な人工補酵素分子を1,1'-ジアルキル-4,4'-ビピリジニウム塩を基盤として構築することである．当該年度の成果として4,4'-ビピリジニウム塩にアミノ基を導入することで上記脱水素酵素の活性点構造に強く相互作用し活性を向上させることを酵素反応速度およびタンパク質モデリング解析から見出した．さらに金属イオンと錯形成に必要なイミダゾール基を有する4,4'-ビピリジニウム塩を基盤とした人工補酵素分子を設計・合成に着手し、本研究項目は順調に進んでいる。加えて、ギ酸・アルデヒド・アルコール脱水素酵素の基質結合部位と4,4'-ビピリジニウム塩や2,2'-ビピリジニウム塩との相互作用機序についても明らかにできつつあり、次年度の人工補酵素ー脱水素酵素複合体の創製に向けて十分な成果が得られつつある。
以上のことから、平成27年度の研究成果は二酸化炭素を還元しメタノールを生成する反応の触媒創製の確立を目指した人工補酵素ーギ酸・アルデヒド・アルコール脱水素酵素一元複合体を設計・創製に向けておおむね順調に成果が得られている判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度着手したイミダゾール基を導入したビオローゲン誘導体（人工補酵素）を合成し、金属イオンとの配位結合能を評価する。加えて合成した人工補酵素と脱水素酵素との複合体を形成させ，それぞれの脱水素酵素が触媒する分子変換反応の機構を調べる．具体的には還元剤ジチオン酸ナトリウムで人工補酵素部位を一電子還元し，それぞれの分子変換反応について，酵素反応速度論的に反応過程を解析する．
金属イオンによる錯形成を基盤とした人工補酵素ー脱水素酵素複合体の一元化及び酵素活性機能評価にも着手する予定であり、３つの人工補酵素ー脱水素酵素複合体のイミダゾール基を金属イオンを用いて配位結合させることによって一元複合体を構築する．複合化するための金属イオンとしてイミダゾールと強く錯形成するニッケル，パラジウム，イリジウムイオンを用いる．平成28年度は人工補酵素ー脱水素酵素複合体の一元化形成までを目標とする。
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| Causes of Carryover |
研究が順調に進捗したため，平成27年度末までに国際会議で成果報告したことにより，旅費が当初の経費計画より多く支出した．また，研究試薬等の効率的購入・使用により物品費等に余剰金193,914円が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成27年度に生じた余剰金193,914円は次年度の物品費及び旅費として効率的に活用する．余剰金の使用計画は以下の通りである．物品費93,914円（研究試薬等に充当）旅費100,000円（研究成果発表のための旅費に充当）
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