2019 Fiscal Year Research-status Report
Study on the key reaction mechanisms and chemical factors for high-performance luminescence in bioluminescence systems
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18K05075
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
平野 誉 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (20238380)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 生物発光 / ホタル / ウミホタル / 酸素化 / 化学励起 / ルシフェリン / オキシルシフェリン / ルシフェラーゼ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ホタルとウミホタルの生物発光系を対象に、３つの鍵反応過程（①酸素化、②化学励起、③発光色制御）の反応機構を解明し、生物発光の高性能化要因を明らかにすることを目指す。
①酸素化過程については、前年度に見出したホタルルシフェリン誘導体と、酸素分子と同様の酸化力を持つ電子受容性化合物との付加反応の反応性を詳細に検討し、酸素化モデル反応としての基盤を確立した。併せて、反応素過程に関わる反応中間体の物性(酸化電位、分光学的性質)と反応性を明らかにすると共に、これらの性質をDFT計算も活用して検証した。結果は学会発表するとともに、学術論文に近く報告する状況である。
②化学励起過程については、ウミホタル生物発光系を対象に、嵩高い置換基を有するルシフェリン誘導体の化学発光量子収率を測定し、さらにこの量子収率の構成因子を調査した上で化学励起効率を解析した。この結果、ルシフェリン母骨格の特定の位置での置換基の立体障害が化学励起効率に影響することを突き止めた。本事実を説明するため、DFT計算による中間体の配座と分解遷移状態の電子的性質の解析を進める必要がある。
③発光色制御機構については、ホタル発光系の検討において、発光体オキシルシフェリンの分子構造と分光学的性質の相関を調査した。特に、オキシルシフェリンのケト－エノール互変異体の分光学的性質の違いを明らかにし、酵素ルシフェラーゼ内での発光体の励起状態の分子構造の特定に近づいた。結果は学会発表で報告し、学術論文に報告準備中である。ホタルルシフェリンアナログと種々のルシフェラーゼを組合わせた生物発光特性を解析し、酵素活性部位と発光体との相互作用に関する知見が得られ、国際共同研究による成果報告を行った。
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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
ホタルとウミホタルの生物発光系を対象とする３つの鍵反応過程（①酸素化、②化学励起、③発光色制御）に関する検討を今年度も進め、それぞれの反応機構に関する重要な知見が得られた。具体的に、①酸素化機構についてはホタル発光系において、ルシフェリン誘導体と電子受容性化合物の付加反応性を確立し、併せて反応中間体の物性と反応性を明らかにして、モデル反応による酸素化機構の検証が進んだ。②化学励起機構については、ウミホタル発光系の化学発光モデル反応において、嵩高い置換基を導入したルシフェリン誘導体の化学発光量子収率を評価した結果、化学励起効率に分子内立体効果が影響することを突き止めた。さらなる理論計算による反応機構解析につなげることができた。③発光色制御機構については、ホタル発光系における発光体オキシルシフェリンの酵素ルシフェラーゼ内での励起状態の分子構造の特定を進めた。特に、オキシルシフェリンの互変異性の関与を系統的に評価して、機構解明に近づくことができた。ルシフェリンアナログの生物発光特性の評価より、発光色調整に関わる酵素活性部位内の分子環境の性質についても知見が蓄積された。生物発光機構の全体像を把握しながら、その下にある鍵反応過程のそれぞれについての知見が得られており、おおむね順調に研究が進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ホタルとウミホタルの生物発光系を対象に、最終年度として、３つの鍵反応過程（①酸素化、②化学励起、③発光色制御）の反応機構解明に必須な知見を収集し、生物発光の高性能化要因を総合的に確立する。
①酸素化機構については、ホタル発光系で見出した酸素化モデル反応を踏まえ、ウミホタル発光系にも酸素化モデル反応を適用し、異なる発光系の対比を踏まえて酸素化反応機構の一般性を確立する。②化学励起過程では、ウミホタルルシフェリン誘導体の化学発光を対象に、化学発光量子収率を構成する化学励起効率に及ぼす電子的効果と分子内立体効果の実験結果について理論的解析を進める。具体的に、DFT計算により反応中間体と分解遷移状態の物性評価を行い、化学励起効率に関与する要因を特定する。③発光色制御機構については、ホタル発光系における発光体オキシルシフェリン自身の分子構造と分光学的性質の相関、発光体励起分子の安定性に寄与する酵素ルシフェラーゼの活性部位内の分子環境物性、ルシフェリンアナログの生物発光特性、溶液条件の変化による酵素内分子環境の変化について蓄積している知見の精度を高め、ルシフェラーゼの結晶構造情報と照らし合わせて発光色制御機構の解明を目指す。
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