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新規バイオデバイス構築に向けた酵素電極界面電子移動へのタンパク質工学的アプローチ

Research Project

Project/Area Number 17J08760
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Applied biochemistry
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

日比野 佑哉  京都大学, 農学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2017-04-26 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords直接電子移動型酵素電極反応 / フルクトース脱水素酵素 / 変異導入 / バイオ電池 / 直接電子移動
Outline of Annual Research Achievements

酸化還元酵素と電極が直接反応する直接電子移動(DET)型反応は,バイオ電池やバイオセンサへの展開において種々のメリットを持つ.本研究は,DET型触媒活性が非常に高い酢酸菌由来の膜結合型酵素であるフルクトース脱水素酵素(FDH)に注目し,実用化に向けた酵素の改良と,反応メカニズムの解明を目指した.
以下の2点について研究した.
1.変異導入によるFDHの最小化
FDHのDET型触媒反応において,電子は酵素内部に3つ存在するヘムcを経由して電極へ移動する.昨年度の研究で,酵素内部の電子移動経路を明らかにした.そこでFDHの3つのヘムcのうち最も酸化還元電位が低いと考えられるものを除いた2つを欠損した変異体を構築した.この変異により,DET型触媒活性を維持できる範囲で最小と考えられる変異体(Δ1c2c)を作製し,より低電位での酵素電極間電子移動を試みた.結果,Δ1c2cはDET型触媒活性を示した.またFDHに比べ非常に低い電位でのDET型触媒反応が可能であった.これは,バイオ電池の高出力化に繋がり,非常に有用な変異導入といえる.一方で電流密度は大きく低下した.この原因についてはさらなる検討が必要である.
2.変異体のDET型触媒反応の速度論的解析による考察
これまでに導入した各変異がDET型触媒反応へおよぼす影響の定量的な評価を目指して,電極上に吸着した酵素のDET型触媒反応についての既存のモデルを使用し,DET型触媒反応を速度論的に解析した.解析の結果,過去に導入した変異では,狙い通りヘムcの酸化還元電位の低下が起きていることが示唆された.また、酵素電極間の電子移動速度定数が増大する傾向が見られ,これは,酵素の電極への吸着配向性がよりDET型触媒反応に適した配向となっているものと推測した.

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2019 2018 2017

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 5 results) Presentation (7 results)

  • [Journal Article] Protein-Engineering Improvement of Direct Electron Transfer-Type Bioelectrocatalytic Properties of d-Fructose Dehydrogenase2019

    • Author(s)
      HIBINO Yuya、KAWAI Shota、KITAZUMI Yuki、SHIRAI Osamu、KANO Kenji
    • Journal Title

      Electrochemistry

      Volume: 87 Issue: 1 Pages: 47-51

    • DOI

      10.5796/electrochemistry.18-00068

    • NAID

      130007542895

    • ISSN
      1344-3542, 2186-2451
    • Year and Date
      2019-01-05
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ultimate downsizing of d-fructose dehydrogenase for improving the performance of direct electron transfer-type bioelectrocatalysis2019

    • Author(s)
      Kaida Yuya、Hibino Yuya、Kitazumi Yuki、Shirai Osamu、Kano Kenji
    • Journal Title

      Electrochemistry Communications

      Volume: 98 Pages: 101-105

    • DOI

      10.1016/j.elecom.2018.12.001

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The influence of pH and divalent/monovalent cations on the internal electron transfer (IET), enzymatic activity, and structure of fructose dehydrogenase2018

    • Author(s)
      Bollella Paolo、Hibino Yuya、Kano Kenji、Gorton Lo、Antiochia Riccarda
    • Journal Title

      Analytical and Bioanalytical Chemistry

      Volume: 410 Issue: 14 Pages: 3253-3264

    • DOI

      10.1007/s00216-018-0991-0

    • Related Report
      2018 Annual Research Report 2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Highly Sensitive Membraneless Fructose Biosensor Based on Fructose Dehydrogenase Immobilized onto Aryl Thiol Modified Highly Porous Gold Electrode: Characterization and Application in Food Samples2018

    • Author(s)
      Bollella Paolo、Hibino Yuya、Kano Kenji、Gorton Lo、Antiochia Riccarda
    • Journal Title

      Analytical Chemistry

      Volume: 90 Issue: 20 Pages: 12131-12136

    • DOI

      10.1021/acs.analchem.8b03093

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Enhanced Direct Electron Transfer of Fructose Dehydrogenase Rationally Immobilized on a 2-Aminoanthracene Diazonium Cation Grafted Single-Walled Carbon Nanotube Based Electrode2018

    • Author(s)
      Bollella Paolo、Hibino Yuya、Kano Kenji、Gorton Lo、Antiochia Riccarda
    • Journal Title

      ACS Catalysis

      Volume: 8 Issue: 11 Pages: 10279-10289

    • DOI

      10.1021/acscatal.8b02729

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 酢酸菌由来フルクトース脱水素酵素のタンパク質工学的アプローチによる直接電子移動型バイオエレクトロカタリシス2019

    • Author(s)
      戒田優也、日比野佑哉、北隅優希、白井理、加納健司
    • Organizer
      電気化学会第86回大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 高出力バイオ電池の構築を目指した酵素の高性能化2018

    • Author(s)
      日比野佑哉、河井翔太、北隅優希、白井理、加納健司
    • Organizer
      第7回JACI/GSCシンポジウム
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] フルクトース脱水素酵素変異体による直接電子移動型酵素電極反応の電気化学的評価2018

    • Author(s)
      日比野佑哉、河井翔太、北隅優希、白井理、加納健司
    • Organizer
      電気化学会2018年度秋季大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 直接電子移動型の酵素触媒電極反応特性の向上を志向したタンパク質工学的アプローチ2018

    • Author(s)
      日比野佑哉、河井翔太、北隅優希、白井理、加納健司
    • Organizer
      第64回日本ポーラログラフ学会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] バイオ電池に用いるアノード酵素のタンパク質工学的手法による高性能化2017

    • Author(s)
      日比野佑哉,河井翔太,北隅優希,白井理,加納健司
    • Organizer
      2017年電気化学秋季大会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 酵素-電極間直接電子移動型反応を指向した変異導入-フルクトースデヒドロゲナーゼを例として-2017

    • Author(s)
      日比野佑哉,河井翔太,北隅優希,白井理,加納健司
    • Organizer
      2017年度日本農芸化学会関西・中四国・西日本支部合同大阪大会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 酵素-電極間直接電子移動反応の高効率化へのタンパク質工学的アプローチ2017

    • Author(s)
      日比野佑哉,河井翔太,北隅優希,白井理,加納健司
    • Organizer
      第63回日本ポーラログラフィーおよび電気分析化学討論会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report

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Published: 2017-05-25   Modified: 2024-03-26  

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