光感受性化学構造をもつ金属蛋白質のX線自由電子レーザーを用いた常温無損傷構造解析

• 研究課題/領域番号: 15K18487
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 構造生物化学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 溝端 栄一 大阪大学, 工学研究科, 講師 (90571183)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2017年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2016年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2015年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
• キーワード: 量子ビーム科学 / X線結晶構造解析 / 構造生物学 / 自由電子レーザー / 常温無損傷構造 / プロトン共役電子移動 / 窒素代謝 / 生物無機化学 / SACLA

研究成果の概要

X線自由電子レーザー（XFEL）施設SACLAを利用して、亜硝酸イオン（NO2-）から一酸化窒素（NO）への一電子還元反応を触媒するタンパク質、銅含有亜硝酸還元酵素（CuNiR）の完全酸化型の立体構造を、銅原子の異常散乱効果を用いて世界で初めて決定し、CuNiRのプロトン共役電子移動の反応機構を解明することに成功した。これまで、金属タンパク質の真の酸化型構造を知ることは、長い間、不可能とされてきたが、本研究では、SACLAの実験技術の改良を進め、さらに、SACLAと大型放射光施設SPring-8の技術を融合することで、新しい酵素反応機構を明らかにした。

研究成果

• [国際共同研究] University of British Columbia(カナダ)
• [国際共同研究] University of Konstanz(ドイツ)
• [国際共同研究] University of British Columbia(カナダ)
• [国際共同研究] University of Konstanz(ドイツ)
• [国際共同研究] University of British Columbia(カナダ)
• [国際共同研究] Columbia University(米国)
• [雑誌論文] X線自由電子レーザーによるダメージフリーのタンパク質構造決定法 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中根崇智, 岩田想, 溝端栄一
  • 雑誌名: 生化学 巻: 89 号: 4 ページ: 571-576
  • DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2017.890571
  • NAID: 40021312521
  • ISSN: 0037-1017
  • 年月日: 2017-08-25
  • 査読あり
• [雑誌論文] Serial femtosecond crystallography at the SACLA: breakthrough to dynamic structural biology (2017)
  • 著者名/発表者名: Mizohata Eiichi、Nakane Takanori、Fukuda Yohta、Nango Eriko、Iwata So
  • 雑誌名: Biophysical Reviews 巻: 10 号: 2 ページ: 209-218
  • DOI: 10.1007/s12551-017-0344-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] X線自由電子レーザーによる膜タンパク質構造決定法 (2017)
  • 著者名/発表者名: 溝端栄一
  • 雑誌名: バイオサイエンスとインダストリー 巻: 75 ページ: 415-417
  • NAID: 40021341234
  • 査読あり
• [雑誌論文] 膜タンパク質の構造決定を加速化する技術の動向 (2017)
  • 著者名/発表者名: 溝端栄一
  • 雑誌名: 日本結晶学会誌 巻: 59 号: 4 ページ: 147-148
  • DOI: 10.5940/jcrsj.59.147
  • NAID: 130006032054
  • ISSN: 0369-4585, 1884-5576
  • 査読あり
• [雑誌論文] Redox-coupled proton transfer mechanism in nitrite reductase revealed by SPring-8 and SACLA (2017)
  • 著者名/発表者名: Eiichi Mizohata*, Yohta Fukuda, and Tsuyoshi Inoue
  • 雑誌名: SPring-8/SACLA Research Frontiers 2016 巻: 2016 ページ: 26-27
• [雑誌論文] Capturing an initial intermediate during the P450nor enzymatic reaction using time-resolved XFEL crystallography and caged-substrate (2017)
  • 著者名/発表者名: Tosha Takehiko、Kubo Minoru, et. al
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 号: 1 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01702-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Experimental phase determination with selenomethionine or mercury-derivatization in serial femtosecond crystallography. (2017)
  • 著者名/発表者名: Yamashita, K., et al.
  • 雑誌名: IUCrJ 巻: 4 号: 5 ページ: 639-647
  • DOI: 10.1107/s2052252517008557
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hydroxyethyl cellulose matrix applied to serial crystallography. (2017)
  • 著者名/発表者名: Michihiro Sugahara, Takanori Nakane, Tetsuya Masuda, Mamoru Suzuki, Shigeyuki Inoue, Changyong Song, Rie Tanaka, Toru Nakatsu, Eiichi Mizohata, Fumiaki Yumoto, Kensuke Tono, Yasumasa Joti, Takashi Kameshima, Takaki Hatsui, Makina Yabashi, Osamu Nureki, Keiji Numata, Eriko Nango, So Iwata
  • 雑誌名: Scientific reports 巻: 7 号: 1 ページ: 703-703
  • DOI: 10.1038/s41598-017-00761-0
  • NAID: 120006223637
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A RuBisCO-mediated carbon metabolic pathway in methanogenic archaea (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Kono, S. Mehrotra, C. Endo, N. Kizu, M. Matsuda, H. Kimura, E. Mizohata, T. Inoue, T. Hasunuma, A. Yokota, H. Matsumura, H. Ashida
  • 雑誌名: Nature Commun. 巻: 8 号: 1 ページ: 14007-14007
  • DOI: 10.1038/ncomms14007
  • NAID: 120005947453
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 連続フェムト秒解析で観る亜硝酸還元酵素の反応機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 溝端栄一
  • 雑誌名: 医学のあゆみ：生命現象を観る（医歯薬出版株式会社） 巻: 262 ページ: 407-412
• [雑誌論文] Membrane protein structure determination by SAD, SIR, or SIRAS phasing in serial femtosecond crystallography using an iododetergent (2016)
  • 著者名/発表者名: Takanori Nakane, Shinya Hanashima, Mamoru Suzuki, Haruka Saiki, Taichi Hayashi, Keisuke Kakinouchi, Shigeru Sugiyama, Satoshi Kawatake, Shigeru Matsuoka, Nobuaki Matsumori, et al
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 113 号: 46 ページ: 13039-13044
  • DOI: 10.1073/pnas.1602531113
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Redox-coupled proton transfer mechanism in nitrite reductase revealed by femtosecond crystallography. (2016)
  • 著者名/発表者名: Fukuda Y, Tse KM, Nakane T, Nakatsu T, Suzuki M, Sugahara M, Inoue S, Masuda T, Yumoto F, Matsugaki N, Nango E, Tono K, Joti Y, Kameshima T, Song C, Hatsui T, Yabashi M, Nureki O, Murphy ME, Inoue T, Iwata S, Mizohata E.
  • 雑誌名: PNAS 巻: 113 号: 11 ページ: 2828-2933
  • DOI: 10.1073/pnas.1517770113
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Redox-coupled structural changes in nitrite reductase revealed by serial femtosecond and microfocus crystallography. (2016)
  • 著者名/発表者名: Fukuda Y, Tse KM, Suzuki M, Diederichs K, Hirata K, Nakane T, Sugahara M, Nango E, Tono K, Joti Y, Kameshima T, Song C, Hatsui T, Yabashi M, Nureki O, Matsumura H, Inoue T, Iwata S, Mizohata E.
  • 雑誌名: J. Biochem 巻: 未定 号: 5 ページ: 527-538
  • DOI: 10.1093/jb/mvv133
  • NAID: 40020833586
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 膜蛋白質の構造決定を加速化する技術の動向 ～XFELを用いた実験的位相決定法～ (2018)
  • 著者名/発表者名: 溝端栄一
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Damage-free protein structure determination using X-ray free electron laser at SACLA (2017)
  • 著者名/発表者名: Eiichi Mizohata
  • 学会等名: Janelia Conference -Challenges in Structural Biology-
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Redox-dependent structural change in nitrite reductase visualized by SPring-8 and SACLA (2017)
  • 著者名/発表者名: Eiichi Mizohata
  • 学会等名: 第55回日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Proteins in Serial Femtosecond Crystallography (2016)
  • 著者名/発表者名: Eiichi Mizohata
  • 学会等名: 14th Conference of the Asian Crystallographic Association
  • 発表場所: ハノイ、ベトナム
  • 年月日: 2016-12-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] SACLAが解明した銅含有亜硝酸還元酵素の常温無損傷構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 溝端栄一
  • 学会等名: 第１６回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 福岡国際会議場（福岡県・福岡市）
  • 年月日: 2016-06-07
  • 招待講演
• [学会発表] SACLAが拓く構造生物学の新時代 (2016)
  • 著者名/発表者名: 溝端栄一
  • 学会等名: LSBM Symposium 2016, "超分子構造の計算科学"
  • 発表場所: 東京大学先端科学技術研究センター（東京都・目黒区）
  • 年月日: 2016-05-12
  • 招待講演
• [学会発表] Damage-free structure determination by SFX at SACLA (2015)
  • 著者名/発表者名: Mizohata E
  • 学会等名: Workshop on serial femtosecond crystallography, SAXS, & Cryo-EM
  • 発表場所: Genentech Hall, UCSF, USA
  • 年月日: 2015-06-16
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] タンパク質の形を迅速に決定する手法で拓く、タンパク質構造ダイナミクス研究の新時代
  • URL: https://academist-cf.com/journal/?p=2958
• [備考] 膜タンパク質の構造を迅速に解明する手法を開発！ －新薬の設計を SACLA の新技術で加速
  • URL: http://www.eng.osaka-u.ac.jp/ja/dat/news/1477546358_1.pdf
• [備考] 生命現象を支える化学反応の真の姿を解明！
  • URL: http://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2016/20160301_1
• [産業財産権] 重原子化化合物、膜タンパク質の結晶化を促進するための組成物、および該組成物を用いた膜タンパク質の構造解析方法 (2017)
  • 発明者名: 杉山, 花島, 溝端栄一, 村田, 井上, 斎木, 島田, 松森
  • 権利者名: 杉山, 花島, 溝端栄一, 村田, 井上, 斎木, 島田, 松森
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2017-02-27
  • 外国