水素生成[FeFe]ヒドロゲナーゼの反応機構

• 研究課題/領域番号: 16K21748
• 研究種目: 国際共同研究加速基金(帰国発展研究)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 緒方 英明 北海道大学, 低温科学研究所, 特任准教授 (30795935)
• 研究分担者: 樋口 芳樹 兵庫県立大学, 生命理学研究科, 教授 (90183574)
• 研究期間 (年度): 2017 – 2019
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 56,290千円 (直接経費: 43,300千円、間接経費: 12,990千円)
• キーワード: 酵素 / ヒドロゲナーゼ / 反応機構 / フーリエ変換赤外分光 / 電気化学 / 金属酵素 / 生物無機化学 / タンパク質 / 分光学 / 構造生物学 / 酵素反応 / 水素 / X線結晶解析

研究成果の概要

[FeFe]ヒドロゲナーゼ(電子伝達分岐型と調節型)と化学合成した2核鉄錯体を用いることで人工的に成熟化させることに成功した。電子伝達分岐型[FeFe]ヒドロゲナーゼの活性は、触媒型ヒドロゲナーゼの活性能と同等であった。さらに、電子伝達体フェレドキシンとNADHを用いた電子伝達分岐反応から、HydAサブユニット中の鉄硫黄クラスターが分岐を制御していると提唱した。また、調節型[FeFe]ヒドロゲナーゼの活性は、触媒型ヒドロゲナーゼの活性能と比べ非常に低いことがわかった。さらに、調節型[FeFe]ヒドロゲナーゼの電気化学的赤外分光法により3つの酸化還元状態を取ることを示した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

電子伝達体フェレドキシンとNADHを用いた電子伝達分岐反応から、HydAサブユニット中の鉄硫黄クラスターが分岐を制御していると提唱した。調節型[FeFe]ヒドロゲナーゼの活性は、触媒型ヒドロゲナーゼの活性能と比べ非常に低いことがわかった。このことから活性中心周辺のアミノ酸の重要性が明らかとなった。本研究で明らかとなった知見はヒドロゲナーゼを模した化学錯体の設計に重要な指針を与える。

研究成果

• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
• [国際共同研究] マックスプランク研究所（ドイツ）
• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
• [雑誌論文] Spectroscopic and biochemical insight into an electron bifurcating [FeFe] hydrogenase (2020)
  • 著者名/発表者名: N. Chongdar, K. Pawlak, O. Rüdiger, E. J. Reijerse, P. Rodríguez-Maciá, W. Lubitz, J. A. Birrell, H. Ogata
  • 雑誌名: Journal of Biological Inorganic Chemistry 巻: 25 号: 1 ページ: 135-149
  • DOI: 10.1007/s00775-019-01747-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structural Basis of the Function of [NiFe]-hydrogenases (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Nishikawa, H. Ogata and Y. Higuchi
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 49 号: 2 ページ: 164-173
  • DOI: 10.1246/cl.190814
  • NAID: 130007795076
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Role of APS reductase in biogeochemical sulfur isotope fractionation (2019)
  • 著者名/発表者名: Sim Min Sub、Ogata Hideaki、Lubitz Wolfgang、Adkins Jess F.、Sessions Alex L.、Orphan Victoria J.、McGlynn Shawn E.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41467-018-07878-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electrostatic Tuning of the Ligand Binding Mechanism by Glu27 in Nitrophorin 7 (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Abbruzzetti, A. Allegri, A. Bidon-Chanal, H. Ogata, G. Soavi, G. Cerullo, S. Bruno, C. Montali, F. J. Luque, C. Viappiani
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-018-29182-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Unique Spectroscopic Properties of the H-Cluster in a Putative Sensory [FeFe] Hydrogenase (2018)
  • 著者名/発表者名: Nipa Chongdar, James A. Birrell, Krzystof Pawlak, Constanze Sommer, Edward J. Reijerse, Olaf Rüdiger, Wolfgang Lubitz, Hideaki Ogata
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 140 号: 3 ページ: 1057-1068
  • DOI: 10.1021/jacs.7b11287
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nuclear Resonance Vibrational Spectroscopy for Observation of Fe-H/D Bending Modes in Hydrogenases and Nitrogenases (2017)
  • 著者名/発表者名: C. Pham, H. Wang, N. Mishra, L. Gee, Y. Yoda, T. B. Rauchfuss, V. Pelmenschikov, H. Ogata, E. J. Reijerse, W. Lubitz, N. Khadka, L. Seefeldt, S. P. Cramer
  • 雑誌名: SPring-8/SACLA Information 巻: 22 ページ: 104-109
  • 国際共著
• [雑誌論文] X線によるヒドロゲナーゼ中の水素位置の特定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 緒方 英明
  • 雑誌名: 触媒 巻: 59 ページ: 274-278
• [学会発表] Artificial Maturation of the Electron-Bifurcating [FeFe] Hydrogenase from Thermotoga maritima (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Ogata, N. Chongdar, K. Pawlak, O. Rüdiger, E. Reijerse, P. Rodríguez-Marciá, W. Lubitz, J. A. Birrell
  • 学会等名: 3rd International Solar Fuels Conference International Conference on Artificial Photosynthesis-2019
  • 国際学会
• [学会発表] Characterization of the electron-bifurcating [FeFe] hydrogenase from Thermotoga maritima (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Chongdar, K. Pawlak, O. Rüdiger, E. Reijerse, W. Lubitz, J. A. Birrell, H. Ogata
  • 学会等名: 12th International Conference on Hydrogenases
  • 国際学会
• [学会発表] Exploring the roles of secondary coordination sphere amino acids in the H-culster of Thermotoga maritima HydS” (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Chongdar, J. A. Birrell, E. Reijerse, W. Lubitz, H. Ogata
  • 学会等名: 12th International Conference on Hydrogenases
  • 国際学会
• [学会発表] Spectroscopic characterization of an electron-bifurcating [FeFe] hydrogenase (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Chongdar, O. Rüdiger, E. J. Reijerse, W. Lubitz, J. A. Birrell, H. Ogata
  • 学会等名: 第19回日本蛋白質科学会年会・第71回日本細胞生物学会大会合同年次大会
• [学会発表] 電子伝達分岐型[FeFe]ヒドロゲナーゼの赤外分光学 (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Chongdar, O. Rüdiger, E. J. Reijerse, W. Lubitz, J. A. Birrell, 緒方英明
  • 学会等名: 第56回日本生化学会北海道支部例会 日本生化学会北海道支部・東北支部/日本生物物理学会北海道支部合同シンポジウム
• [学会発表] ヒドロゲナーゼの構造解析と水素触媒反応機構 (2019)
  • 著者名/発表者名: 緒方 英明
  • 学会等名: 日本学術振興会回折構造生物第169委員会中性子・放射光連携小委員会合同研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Characterizaion of a putative sensory [FeFe] hydrogenase from Thermotoga maritima (2018)
  • 著者名/発表者名: Hideaki Ogata
  • 学会等名: Seminar at MPI für terrestrische Mikrobiologie
• [学会発表] Unique spectroscopic properties of a sensory [FeFe] hydrogenase (2018)
  • 著者名/発表者名: Hideaki Ogata
  • 学会等名: 43^<rd> International Conference on Coordination Chemistry ICCC2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spectroscopic properties of the di-iron active site of a sensory [FeFe] hydrogenase (2018)
  • 著者名/発表者名: Hideaki Ogata
  • 学会等名: International Congress on Pure & Applied Chemistry Langkawi 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] FTIR studies of a putative sensory [FeFe] hydrogenase (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Chongdar, J. A. Birrell, C. Sommer, K. Pawlak, E. J. Reijerse, O. Rüdiger, W. Lubitz, H. Ogata
  • 学会等名: 第18回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] Spectroscopic analysis of an electron-bifurcating [FeFe] hydrogenase (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Pawlak, N. Chongdar, O. Rüdiger, E. J. Reijerse, W. Lubitz, J. A. Birrell, H. Ogata
  • 学会等名: 第56回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 水素分解を伴う不活性酸化型[NiFe]ヒドロゲナーゼの再活性化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 廣本武史, 西川幸志, 緒方英明, 樋口芳樹
  • 学会等名: 日本結晶学会2018年度年会および総会
• [学会発表] Hydrogen activation by hydrogenases (2018)
  • 著者名/発表者名: Hideaki Ogata
  • 学会等名: I2CNER International Workshop 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 水素酸化還元酵素ヒドロゲナーゼの構造と反応機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 緒方 英明
  • 学会等名: 低温科学研究所共同研究利用研究集会 環境微生物最前線2017
• [学会発表] 人工的成熟化による[FeFe]ヒドロゲナーゼの分光学的解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 緒方 英明
  • 学会等名: 兵庫県立大学セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Spectroscopic analysis of hydrogen sensor type [FeFe] hydrogenase from Thermotoga maritima (2017)
  • 著者名/発表者名: Nipa Chongdar, Krzystof Pawlak, James A. Birrell, Wolfgang Lubitz, Hideaki Ogata
  • 学会等名: 錯体化学会第67回討論会
• [学会発表] Spectroscopic studies of hydrogen sensing [FeFe] hydrogenase from Thermotoga maritima (2017)
  • 著者名/発表者名: Nipa Chongdar, Krzystof Pawlak, James A. Birrell, Wolfgang Lubitz, Hideaki Ogata
  • 学会等名: 第55回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Artificial maturation of sensor type [FeFe] hydrogenase (2017)
  • 著者名/発表者名: Nipa Chongdar, James A. Birrell, Constanze Sommer, Krzystof Pawlak, Edward J. Reijerse, Wolfgang Lubitz, Hideaki Ogata
  • 学会等名: 第90回日本生化学会大会