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2016 Fiscal Year Annual Research Report

Study on Dioxygen Reduction Mechanism by Multicopper Oxidases and Application of Function Modulated Mutants as Electrode Catalyst

Research Project

Project/Area Number 26288076
Research InstitutionKanazawa University

Principal Investigator

櫻井 武  金沢大学, その他部局等, 名誉教授 (90116038)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 片岡 邦重  金沢大学, 物質化学系, 教授 (40252712)
Project Period (FY) 2014-04-01 – 2017-03-31
Keywordsマルチ銅オキシダーゼ / CueO / ビリルビンオキシダーゼ / 酸素4電子還元 / 翻訳後修飾 / タイプI銅 / 三核銅部位 / 電極触媒
Outline of Annual Research Achievements

マルチ銅オキシダーゼであるCueOの結晶構造解析データにマイナーな成分が存在することを見いだし、緩衝液由来の酢酸イオンがタイプII銅に結合していることを明らかにした。この結果は、ドメイン間に形成された狭いチャンルを通して外部アニオンが活性部位まで到達可能であることを示していた。また、酸素を水に変換する過程で必要なプロトンが水分子の排出経路からも供給されることがわかり、マルチ銅オキシダーゼが酢酸緩衝液中で高い活性を示す理由が明らかとなった。さらに、これまでマルチ銅オキシダーゼの結晶化は酢酸緩衝液でしか行うことができず、部分還元状態の構造が得られることが多かったが、初めて中性付近での結晶化に成功し、構造解析を行った。さらに、酵素反応に関するより詳細な情報を得るため、プロトンを可視化することを計画し、重水中でCueOの結晶化を行った。最終的に中性子回折を行うことが可能な巨大結晶はまだ得られていないが、重水中で作成した結晶でも構造解析できることが明らかとなった。また、酸素の還元部位近傍に配置されたアミノ酸に変異導入し、これらが酸素の水への変換過程で、電子ドナーとして機能していないことを明らかにした。
CueOと異なりビリルビンオキシダーゼでは基質からタイプI銅への電子の通り道としてトリプトファンとヒスチジンが翻訳後修飾によって共有結合していることを見い出した。そして、部位特異的変異導入や化学修飾によってこの経路に摂動を加え、新規の翻訳後修飾部位が電子伝達経路ばかりでなく酸化還元電位の調整部位としても機能していることを明らにした。
酵素活性を高めたCueOとビリルビンオキシダーゼ変異体の電気化学測定を行い、メソポーラスカーボンなどによって高い電流値を実現し、電極触媒として利用出来ることを示した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

28年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (13 results)

All 2017 2016 Other

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Heterologous Expression of Halomonas halodenitrificans Nitric Oxide Reductase and its N-Terminally Truncated NorC Subunit in Escherichia coli2017

    • Author(s)
      Nobuhiko Sakurai, Kunishige Kataoka, Noriko Sugaya, Takaki Shimodaira, Mie Iwamoto, Munehiro Shoda, Hajime Horiuchi, Miyuki Kiyono, Yasuke Ohta, Banbang Triwiyono, Daisuke Seo, Takeshi Sakurai
    • Journal Title

      Journal of Inorganic Biochemistry

      Volume: 169 Pages: 61-67

    • DOI

      10.1016/j.jinorgbio.2017.01.006

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Exogenous Acetate Ion Reaches the Type II Copper Centre in CueO through the Water-Excretion Channel and Potentially Affects the Enzymatic Activity2016

    • Author(s)
      Hirofumi Komori, Kunishige Kataoka, Sakiko Tanaka, Nana Matsuda, Yoshiki Higuchi, Takeshi Sakurai
    • Journal Title

      Acta Ceystallographica

      Volume: F72 Pages: 558-563

    • DOI

      10.1107/S2053230X16009237

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Biochemical, Spectroscopic and X-Ray Structural Analysis of Deuterated Multicopper Oxidase CueO Prepared from a New Expression Construct for Neutron Crystallography2016

    • Author(s)
      Mahfuza Akter, Chika Inoue, Hirofumi Komori, Nana Matsuda, Takeshi Sakurai, Kunishige Kataoka, Yoshiki Higuchi, Naoki Shibata
    • Journal Title

      Acta Crystallographica

      Volume: F72 Pages: 788-794

    • DOI

      10.1107/S2053230X1601400X

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Kinetics of NADP+/NADPH Reduction-Oxidation Catalyzed by the Ferredoxin-NAD(P)+ Reductase gtom the Green Sulfur bacterium Chlorobaculum tedium2016

    • Author(s)
      Daisuke Seo, Masaharu Kitashima, Takeshi Sakurai, Kazuhito Inoue
    • Journal Title

      Photosynthetic Research

      Volume: 130 Pages: 479-489

    • DOI

      10.1007/s11120-016-0285-3

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 大腸菌を宿主とするビリルビンオキシダーゼ発現系の構築2016

    • Author(s)
      野路晴菜, 新保宏樹, 片岡邦重, 櫻井武
    • Organizer
      第89回日本生化学会大会
    • Place of Presentation
      仙台国際センター/東北大学川内キャンパス(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-09-25 – 2016-09-27
  • [Presentation] ランダム変異導入によるマルチ銅オキシダーゼCueOの特異性改変2016

    • Author(s)
      松田奈々, 堀佐菜子, 片岡邦重, 櫻井武
    • Organizer
      第89回日本生化学会大会
    • Place of Presentation
      仙台国際センター/東北大学川内キャンパス(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-09-25 – 2016-09-27
  • [Presentation] Clostridium beijerinkii由来のマルチ銅オキシダーゼの異種発現2016

    • Author(s)
      江村紗也香, 原唯歩, 片岡邦重, 櫻井武
    • Organizer
      第89回日本生化学会大会
    • Place of Presentation
      仙台国際センター/東北大学川内キャンパス(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-09-25 – 2016-09-27
  • [Presentation] 一酸化窒素還元酵素の新規発現系の構築2016

    • Author(s)
      齋藤明宏、下平隆樹、櫻井宣彦、片岡邦重、櫻井武
    • Organizer
      第10回バイオ関連化学シンポジウム
    • Place of Presentation
      石川県立音楽堂もてなしドーム地下イベント広場(石川県金沢市)
    • Year and Date
      2016-09-07 – 2016-09-09
  • [Presentation] Multicopper Oxidases -Basic and Application Studies on the Enzymes Containing Multiple Copper Centers-2016

    • Author(s)
      Takeshi Sakurai
    • Organizer
      he 3rd International Conference on Mathematics, Science, and Education
    • Place of Presentation
      Grasia Hotel, Semarang, Indonesia
    • Year and Date
      2016-09-03 – 2016-09-04
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] マルチ銅オキシダーゼの構造・機能相関とプロテインエンジニアリング2016

    • Author(s)
      櫻井武
    • Organizer
      第29回生物無機化学夏期セミナー
    • Place of Presentation
      グリーンビレッジ交野(大阪府交野市)
    • Year and Date
      2016-09-01 – 2016-09-03
    • Invited
  • [Presentation] ビリルビンオキシダーゼの酵素機能を支配する翻訳後修飾と基質特異性2016

    • Author(s)
      櫻井武, 奥田葉子, 片岡邦重
    • Organizer
      第43回生体分子科学討論会
    • Place of Presentation
      名古屋大学野依記念学術交流館(愛知県名古屋市)
    • Year and Date
      2016-06-24 – 2016-06-25
  • [Presentation] CueOのタイプI銅配位子His443と水素結合したAsp439 への変異導入による酵素活性制御2016

    • Author(s)
      松田奈々, 片岡邦重, 櫻井武
    • Organizer
      第26回金属の関与する生体関連反応シンポジウム
    • Place of Presentation
      北海道大学学術交流会館(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2016-06-17 – 2016-06-18
  • [Remarks] 金沢大学理工学域物質化学系生物化学研究室

    • URL

      http://biochem.web.fc2.com/index.html

URL: 

Published: 2018-01-16  

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