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2022 Fiscal Year Research-status Report

新しい金属酵素研究へのテラヘルツ電子スピン共鳴法の応用

Research Project

Project/Area Number 21K18937
Research InstitutionSaga University

Principal Investigator

堀谷 正樹  佐賀大学, 農学部, 准教授 (80532134)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 大久保 晋  神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 准教授 (80283901)
原 茂生  神戸大学, 研究基盤センター, 特命技術員 (60520012)
Project Period (FY) 2021-07-09 – 2024-03-31
Keywords金属タンパク質 / 電子常磁性共鳴 / テラヘルツ / 高周波数・強磁場ESR / ヘムタンパク質 / 金属酵素 / ジャイロトロン
Outline of Annual Research Achievements

金属タンパク質の機能と金属中心の電子状態は密接に関わっており、様々な物理化学的手法によって金属タンパク質の電子状態研究が行われている。その中で電子スピン共鳴法(ESR)は特に利用されてきた分光法のひとつだが、市販の装置では半整数スピン系をもつ金属タンパク質のみしか測定対象とならなかった。これは測定に用いる周波数・磁場が低いためである。そこでこれまで高周波として市販より10倍高い周波数発振器、超電導磁石を用いたESR装置を開発してきた。しかし、金属タンパク質は大部分が水であり、さらに巨大生体分子の中にひとつだけしか金属イオンが含まれていない希薄スピン系であることから、感度の面で高周波数・強磁場ESR信号の観測が困難であった。
今年度はこれを解決するため、テラヘルツジャイロトロン発振器を用いたESR装置を利用することとした。これを用いることで装置の感度は従来と変わらないが、照射するマイクロ波エネルギーが従来型ではμWオーダーであったものが、Wオーダーでの照射が可能となる。つまり信号の飽和が無いと仮定すれば、100万倍程度の高感度化が見込めるものである。これを用いてマッコウクジラ由来酸化型ミオグロビン(Fe3+ヘム)についてジャイロトロンESR測定を行った。その結果、500mWでは完全に信号が飽和して観測できないことが分かり、250mW以下の照射エネルギーで酸化型ミオグロビン由来ESR信号の観測に成功した。これはジャイロトロンを用いた初めての生体分子のESR信号観測である。次にグローブボックス内で作成した還元型ミオグロビン(Fe2+ヘム)について同様の測定を行った。こちらの信号はブロードであることが予想されており、今回強エネルギー照射条件ではベースラインのゆがみと信号強度が同程度になってしまうことが明らかになった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

巨大な生体分子の中にひとつの金属イオンしか含まない希薄スピン系である金属タンパク質では一般的なテラヘルツESR装置では信号検出が出来ない。そこでまず高感度化のために温度検出ESR装置を利用し、金属タンパク質のESR信号検出が可能であるかの検証を行った結果、金属タンパク質のESR信号が観測されることが分かった。しかし、その信号のSN比は低いものであり、高濃度化が可能、線幅が狭い金属タンパク質でのみ本システムが利用可能であることが明らかになった。そこで次にジャイロトロン発振器を利用して、高強度テラヘルツ光ESR装置による信号検出に取り組んだ。通常のテラヘルツ光源では検出器に戻ってくるエネルギーはμWオーダーになってしまうが、ジャイロトロン発振器を用いた場合、Wオーダーまで強度を上げることが出来る。つまり、ESR信号の飽和が観測されない試料であれば、ジャイロトロンを利用するだけで10^6倍の高感度測定が行えることになる。本システムを利用して半整数スピン系金属タンパク質の代表格であるマッコウクジラ由来酸化型ミオグロビン(Mb)について測定を行った。酸化型Mbは市販の装置ではマイクロ波エネルギーを高めても飽和しづらいことが報告されていたので、高出力ジャイロトロン発振でのESR測定を行ったところ、全く信号を得ることが出来なかった。そこで出力を弱めていき、250mWになったところで初めてESR信号が観測された。これは世界発のジャイロトロンESR信号である。この信号は125mW程度で最大となった。続いてグローブボックスを利用して還元型Mbを作成し、還元状態を保ったままESR装置に試料をセットアップした。この状態でジャイロトロンESR測定を行った。酸化型Mbでは信号がシャープであったため問題とならなかったが還元型Mbでは信号がブロードなためベースラインの不安定さが問題になることが分かった。

Strategy for Future Research Activity

高出力ジャイロトロンを利用したESR装置によって希薄スピン濃度系である金属タンパク質のESR信号の観測が出来ることが証明できた。ただし、酸化型Mbなどのような信号がシャープな時に限定されることも明らかになった。これはブロードな信号を与える試料ではベースラインのうねりが信号と同程度になり、ESR信号の観測を困難にしていることが予想できた。このうねりは高出力ジャイロトロンによる熱発生によるものだと考えられる。そこで、出来るだけベースラインのうねりを抑えるため、熱伝導の低い金属でESRプローブを作成することが必要である。次年度は、従来のプローブより熱伝導の低い金属かつその他ベースラインに影響を及ぼす因子を排除したプローブの作成により、還元型MbのジャイロトロンESR信号の観測を目指したい。またさらなる高感度化には磁場変調を用いたジャイロトロンESR装置も開発する。磁場変調が可能になれば、ベースラインのうねりを各段に減少させることが可能である。しかし、同時にブロードなESR信号も観測不能になる可能性があるので、試料によって磁場変調システムを選択できる分光器の開発を行いたい。

Causes of Carryover

納品予定であった消耗品の納期が遅れており、次年度に納入されることとなったため、物品費として40,000円を繰り越す。

  • Research Products

    (19 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 3 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Intramolecular electron transfer from biopterin to FeII-O2 complex in nitric oxide synthases occurs at very different rates between bacterial and mammalian enzymes: Direct observation of a catalytically active intermediate2023

    • Author(s)
      Kobayashi Kazuo、Ito Yuko Tsutsui、Kasu Yuri、Horitani Masaki、Kozawa Takahiro
    • Journal Title

      Journal of Inorganic Biochemistry

      Volume: 238 Pages: 112035~112035

    • DOI

      10.1016/j.jinorgbio.2022.112035

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Trapping of a Mononitrosyl Nonheme Intermediate of Nitric Oxide Reductase by Cryo-Photolysis of Caged Nitric Oxide2023

    • Author(s)
      Takeda Hanae、Shimba Kanji、Horitani Masaki、Kimura Tetsunari、Nomura Takashi、Kubo Minoru、Shiro Yoshitsugu、Tosha Takehiko
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 127 Pages: 846~854

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.2c05852

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quick and Spontaneous Transformation between [3Fe?4S] and [4Fe?4S] Iron?Sulfur Clusters in the tRNA-Thiolation Enzyme TtuA2023

    • Author(s)
      Ishizaka Masato、Chen Minghao、Narai Shun、Tanaka Yoshikazu、Ose Toyoyuki、Horitani Masaki、Yao Min
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 24 Pages: 833~833

    • DOI

      10.3390/ijms24010833

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Heme protein identified from scaly-foot gastropod can synthesize pyrite (FeS2) nanoparticles2023

    • Author(s)
      Yamashita Tatsuya、Matsuda Hiroki、Koizumi Kyohei、Thirumalaisamy Logu、Kim Myeongok、Negishi Lumi、Kurumizaka Hitoshi、Tominaga Yoriko、Takagi Yoshihiro、Takai Ken、Okumura Taiga、Katayama Hidekazu、Horitani Masaki、Ahsan Nazmul、Okada Yoshitaka、Nagata Koji、Suzuki Yohey、Suzuki Michio
    • Journal Title

      Acta Biomaterialia

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1016/j.actbio.2023.03.005

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 電子スピン共鳴法で”観る”金属酵素活性部位の温度による微細構造変化2022

    • Author(s)
      嘉数 百合, 堀谷 正樹
    • Organizer
      第25回ESRフォーラム研究会(2022)
  • [Presentation] スピンラベル-ESR法を利用した酵素の構造柔軟性の実測2022

    • Author(s)
      矢垰 紅音, 浅香 里緒, 渡邉 啓一, 堀谷 正樹
    • Organizer
      第25回ESRフォーラム研究会(2022)
  • [Presentation] 南極海由来金属酵素の酵素反応・低温適応機構2022

    • Author(s)
      堀谷 正樹
    • Organizer
      日本農芸化学会2022年度西日本支部大会
    • Invited
  • [Presentation] 先端X線回折法によるグルコキナーゼの動的構造-機能相関の解明2022

    • Author(s)
      藤井 和輝, 奥村 英夫、馬場 清喜、杉本 宏, 堀谷 正樹
    • Organizer
      日本農芸化学会2022年度西日本支部大会
  • [Presentation] 反応中間体捕捉から解き明かすミモシン合成酵素の2機能性獲得機構2022

    • Author(s)
      辻 さやか, 大貝 茂希、福田 雅一、屋 宏典、杉本 宏, 堀谷 正樹
    • Organizer
      日本農芸化学会2022年度西日本支部大会
  • [Presentation] EPR Spectroscopy Reveals Active Site Rearrangements of Di-Mn Center in Inorganic Pyrophosphatase2022

    • Author(s)
      Masaki Horitani
    • Organizer
      錯体化学会第72回討論会
    • Invited
  • [Presentation] EPR Spectroscopy Reveals the Differences of Active Site Structure for Di-Mn Enzymes from Mesophillic and Psychrophillic Bacteria2022

    • Author(s)
      Masaki Horitani
    • Organizer
      第60回生物物理学会年会
  • [Presentation] X-ray Crystallography and Spin-Labeling ESR Reveal Cold Adaptation and High Thermal Stability Mechanism of Cold-Adapted Glucokinase2022

    • Author(s)
      Akane Yato, Rio Asaka, Hiroshi Sugimoto, Keiichi Watanabe, Masaki Horitani
    • Organizer
      第60回生物物理学会年会
  • [Presentation] EPR Spectroscopy and X-ray Crystallography Revealed Rearrangements of Di-Mn Active Site by Substrate Binding in Inorganic Pyrophosphatase2022

    • Author(s)
      Masaki Horitani
    • Organizer
      10th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] スピンラベル-ESR法を利用した酵素の構造柔軟性の実測2022

    • Author(s)
      矢垰紅音、浅香里緒、渡邉啓一、堀谷正樹
    • Organizer
      第61回電子スピンサイエンス学会年会(SEST2022)
  • [Presentation] ヘムトランスポーターの輸送機構解明へ向けた新たな反応中間体捕捉法の開発2022

    • Author(s)
      古賀優菜、堀谷正樹
    • Organizer
      第61回電子スピンサイエンス学会年会(SEST2022)
  • [Presentation] 急速凍結-電子常磁性共鳴(EPR)法を用いた金属酵素活性中心における構造変化の温度依存性2022

    • Author(s)
      嘉数百合、堀谷正樹
    • Organizer
      第61回電子スピンサイエンス学会年会(SEST2022)
  • [Presentation] ヘム駆動型フェロミクスプローブの反応機構解明2022

    • Author(s)
      黒岩もね、垣内亮、平山祐、堀谷正樹
    • Organizer
      第61回電子スピンサイエンス学会年会(SEST2022)
  • [Book] ヘムタンパク質の科学、第5章 測定解析技術・第3節 "磁気共鳴EPRでヘムタンパク質の何をみるか?―活性中心の電子状態とミクロ分子環境―2022

    • Author(s)
      堀谷 正樹、堀 洋
    • Total Pages
      472
    • Publisher
      エヌ・ティー・エス 監修:城 宜嗣、青野 重利、齋藤 正男
    • ISBN
      978-4-86043-778-7
  • [Remarks] 佐賀大学農学部生命機能科学科分子生命科学分野堀谷研究室

    • URL

      http://horitani.ag.saga-u.ac.jp/horitanilab/index.html

URL: 

Published: 2023-12-25  

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