光感受性化学構造をもつ金属蛋白質のX線自由電子レーザーを用いた常温無損傷構造解析

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K18487
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 溝端 栄一 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (90571183)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 自由電子レーザー / 常温無損傷構造 / プロトン共役電子移動 / 窒素代謝 / 生物無機化学 / SACLA

Outline of Annual Research Achievements

金属蛋白質の真の酸化型構造を知ることは、長い間、不可能とされてきた。構造解明に必要なX線照射にともなう放射線損傷により、金属中心がきわめて迅速に還元され、構造変化を誘起してしまうためである。しかし近年、Ｘ線自由電子レーザー（XFEL）を用いた新しい解析手法、連続フェムト秒結晶構造解析（SFX）の登場によって、常温状態かつ放射線損傷の無い状態（常温無損傷構造）の解明が可能になりつつある。10フェムト秒以下のXFELの極短パルス光を用いると、放射線損傷で構造変化が誘起されるよりも早く、構造情報を記録して観察することができるためである。
平成２７年度は、X線自由電子レーザー（XFEL）施設SACLAを利用して、銅含有亜硝酸還元酵素の完全酸化型の立体構造を、銅原子の異常散乱効果を用いて世界で初めて決定し、本酵素のプロトン共役電子移動の反応機構を解明することに成功した。これまで、金属蛋白質の真の酸化型構造を知ることは、長い間、不可能とされてきたが、本研究では、SACLAとSPring-8の技術を融合することで、新しい酵素反応機構を明らかにした。
一方、ミオグロビンおよび改変ミオグロビンのSFXデータの収集も行った。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

平成２７年度に研究論文を２報国際誌に報告することができた（J. Biochem. 2016; PNAS 2016）。これは当初の計画を大きく超える進捗である。

Strategy for Future Research Activity

ミオグロビンのSFXデータの解析を進める。また、亜硝酸還元酵素の時分割SFXに向けた検討を進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Konstanz(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: University of Konstanz
• [Int'l Joint Research] University of British Columbia(カナダ)
  • Country Name: CANADA
  • Counterpart Institution: University of British Columbia
• [Int'l Joint Research] Columbia University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Columbia University
• [Journal Article] Redox-coupled proton transfer mechanism in nitrite reductase revealed by femtosecond crystallography (2016)
  • Author(s): Fukuda Y, Tse KM, Nakane T, Nakatsu T, Suzuki M, Sugahara M, Inoue S, Masuda T, Yumoto F, Matsugaki N, Nango E, Tono K, Joti Y, Kameshima T, Song C, Hatsui T, Yabashi M, Nureki O, Murphy ME, Inoue T, Iwata S, Mizohata E
  • Journal Title: PNAS Volume: 未定 Pages: 未定
  • DOI: 10.1073/pnas.1517770113
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Redox-coupled structural changes in nitrite reductase revealed by serial femtosecond and microfocus crystallography (2016)
  • Author(s): Fukuda Y, Tse KM, Suzuki M, Diederichs K, Hirata K, Nakane T, Sugahara M, Nango E, Tono K, Joti Y, Kameshima T, Song C, Hatsui T, Yabashi M, Nureki O, Matsumura H, Inoue T, Iwata S, Mizohata E
  • Journal Title: J. Biochemistry Volume: 未定 Pages: 未定
  • DOI: 10.1093/jb/mvv133
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Damage-free structure determination by SFX at SACLA (2015)
  • Author(s): Mizohata E
  • Organizer: Workshop on serial femtosecond crystallography, SAXS, & Cryo-EM
  • Place of Presentation: Genentech Hall, UCSF, USA
  • Year and Date: 2015-06-16 – 2015-06-16
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 生命現象を支える化学反応の真の姿を解明！
  • URL: http://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2016/20160301_1