2014 Fiscal Year Annual Research Report
特異なクラスター活性中心をもつ酸化還元金属酵素の生物無機化学
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23000007
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
巽 和行 名古屋大学, 物質科学国際研究センター, 特任教授 (10155096)
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| Project Period (FY) |
2011-05-31 – 2016-03-31
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| Keywords | クラスター / 酸化還元酵素 / ニトロゲナーゼ / ヒドロゲナーゼ / COヒドロゲナーゼ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度も研究は順調に進み、以下に示す予想以上の重要な成果が得られた。
(1) ヒドリドを有する[NiFe]ヒドロゲナーゼモデルの構築 : これまで極めて困難であった還元型[NiFe]ヒドロゲナーゼの活性部位モデルとなるFe-Ni錯体を、CO/CN配位子をもつFe(II)錯体とNi(O)錯体の反応によって達成し、本錯体がヒドロゲナーゼの機能を再現するプロトン化反応によってヒドリド錯体を生成することが示唆された。一方、同様のFe(II)錯体とNi(II)ヒドリド錯体との反応でも、ヒドリド配位子をもつFe(II)-Ni(II)錯体の生成が確認され、期待以上の進捗が見られた。現在、これらの錯体の結晶化による構造の解明を進めている。
(2) 光化学系II酸素発生中心モデルとなるマンガンクラスター : かさ高いアルコキシド/シロキシドを補助配位子に用い、マンガンアミド錯体を前駆体とする我々独自の有機溶媒中での自己集積反応を開拓し、一連のMn/0, Mn/OH, Mn/Ca/0クラスターの合成に成功している。その実績を踏まえ、かさ高いフェノキシドを配位子とするMn錯体を用いたクラスター合成を検討した。Mn(II)二核フェノキシド錯体を酸化すると、Mn(III)を含むラダー型の四核オキソクラスターが得られた。またトリフェニルメトキシ基を有するMn(II)二核錯体を用いた場合には、オキソ架橋Mn(IV)二核錯体とキュバン型四核Mn(III)オキソクラスターが得られた。これらは光化学系II酸素発生中心に存在する[4Mn-Ca-40]クラスターのよい前駆体と考えられ、種々のCa錯体との反応を検討している。
(3) DPORを利用した人工酵素構築 : 暗所作動型プロトクロロフィリド還元酵素(DPOR)の基質結合部位に合成金属クラスター導入のために2つのCys残基を導入した変異型酵素FL-Cに対し、2種の人工金属クラスター(Fe/SクラスターとMo/Fe/Sクラスター)の導入を試み、“キメラ酵素”のアセチレン還元活性を検討した。その結果、低いながらもエチレン生成が認められ、その生成量はFeクラスター再構成FL-Cの方が、Moクラスター再構成FL-Cに比べわずかに高かった。ポルフィリン環の還元を本来の触媒活性とするDPORにアセチレン還元活性が付与された可能性が示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究実績の概要に述べたように、今年度は当初予定していた以上の研究の進展が見られた。特に、[NiFe]ヒドロゲナーゼのモデル研究および光化学系II酸素発生中心モデルのでは下記の特筆すべき成果をあげることができた。
1) これまで種々の[NiFe]ヒドロゲナーゼ活性中心モデルとなるチオラート架橋Ni/Fe二核錯体の合成には成功していたが、今回初めてヒドリドを有するモデル錯体の合成に成功した。この構造解析と反応性の解明により、[NiFe]ヒドロゲナーゼが水素を活性化する機構解明の端緒が拓かれると期待される。
2) 光化学系II酸素発生中心に存在する[4Mn-Ca-40]クラスターのモデル構築に取り組み、非プロトン性有機溶媒中でマンガン(II)アミド錯体を前駆体として用いる独自の合成手法により、様々なマンガンオキソクラスターの合成に成功した。特に、酸素発生に必要と考えられる高酸化マンガンを含むオキソクラスターの合成は大きな課題であったが、この合成手法を開拓したことは、今後の酸素発生メカニズムを解明に向け、極めて重要な成果である。
また、ニトロゲナーゼP-clusterモデルの構築や、アセチルCoAシンターゼのモデル研究も順調に進捗している。アセチルCoA合成酵素の2核ニッケル構造のより優れたモデル錯体によるモデル反応を達成するとともに、極めてかさ高いチオラートを用いたチオラート置換P-clusterモデルの物性解明に向けて検討を続けている。さらに、生化学分野との共同研究も順調で、ニトロゲナーゼ類似のDPOR酵素の研究において、合成した金属硫黄クラスターを導入し基質還元活性を検討している。
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| Strategy for Future Research Activity |
酸化還元金属酵素のクラスター活性中心に関する本研究は引き続き順調に成果をあげている。今後も、これまでの研究推進方策に基づいて以下の各研究課題を引き続き強力に推進する。
<ニトロゲナーゼ活性中心>
ニトロゲナーゼFeMo-Coの活性中心で6つの鉄に囲まれた原子が炭素であるとの報告を踏まえ、中心に炭素原子を含む[8Fe-6S-C]クラスターモデルの構築を検討する。これまでに培った[8Fe-7S]クラスター合成のノウハウを最大限に活用し、リンイリドを炭素源として構築を目指す。さらに、生化学者との共同研究も継続し、ニトロゲナーゼの特異な構造を持つクラスター活性中心がタンパク質環境下で構築される仕組みの解明をめざす。また、ニトロゲナーゼ様のユニットからなるDPOR酵素の研究者と共同し、DPOR活性中心への金属硫黄クラスター導入によってニトロゲナーゼ機能とDPOR機能の関連性について調べる。新しい試みとして、DPORの生合成過程、すなわちBchNタンパク質とBchBタンパク質がアセンブルする過程をin vitroで再現し、この過程を人工金属クラスター存在下で行うことでより効率的なキメラ酵素の創出を試みる。
<[NiFe]ヒドロゲナーゼ活性中心>。
これまで酸化型および還元型ヒドロゲナーゼ活性中心のモデル錯体、特に最近合成に成功したヒドリドを有するモデル錯体を用い、ヒドロゲナーゼ酵素機能を模する反応の開拓により酵素反応機構の解明に資する成果をあげたい。
<光化学系II酸素発生中心>
引き続き、光化学系II酸素発生中心の構造モデル構築として、Caを含むMn/Ca/0クラスターの合成研究を推進する。これまで培った鉄硫黄クラスター合成のノウハウを生かし、かさ高いアルコキシド配位子を利用してマンガン酸素(ヒドロキシド)クラスターモデルの高度化を行う。特に高酸化状態のマンガンを含むクラスターの構築に焦点をあて、酸素発生機構の解明に迫りたい。
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[Journal Article] Loss of cytochrome C_m stimulates cyanobacterial heterotrophic growth in the dark2015
Author(s)
Hiraide, Y., Oshima, K., Fujisawa, T., Uesaka, K., Hirose, Y., Tsujimoto, R., Yamamoto, H., Okamoto, S., Nakamura, Y., Terauchi, K., Omata, T., Ihara, K., Hattori, M. and Fujita, Y.
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Journal Title
Plant and Cell Physiology
Volume: 57
Pages: 334-345
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Dark-operative protochlorophyllide oxidoreductase generates substrate radicals by an iron-sulphur cluster in bacteriochlorophyll biosynthesis2014
Author(s)
Nomata, J., Kondo, T., Mizoguchi, T., Tamiaki, H., Itoh, S. and Fujita, Y.
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 4
Pages: 5,455
DOI
Peer Reviewed
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