新規時間分解計測手法を用いた呼吸系エネルギー変換機構の解明

• 研究課題/領域番号: 19H03171
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分43020:構造生物化学関連
• 研究機関: 兵庫県立大学
• 研究代表者: 久保 稔 兵庫県立大学, 理学研究科, 教授 (90392878)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2021年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2020年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2019年度: 11,440千円 (直接経費: 8,800千円、間接経費: 2,640千円)
• キーワード: チトクロム酸化酵素 / 動的構造生物学 / 時間分解測定 / ケージド化合物 / 時間分解X線結晶構造解析 / 時間分解振動分光 / 蛋白質 / 動的構造解析 / 赤外分光 / X線自由電子レーザー

研究開始時の研究の概要

呼吸と生体エネルギー発生の機構は古くから人々の興味の中心の一つである。呼吸によって取り込まれた酸素のほとんどは、細胞内のミトコンドリアという場所で、水素イオンの汲み出し反応に利用されている。本研究では、その反応を最先端の計測技術を用いて詳細に追跡し、呼吸のしくみを原子レベルで解き明かす。

研究成果の概要

チトクロム酸化酵素は、食物をO2によって酸化する最終段階を触媒するとともに、それによって得られるエネルギーを使ってプロトンをポンプしている。これは酸素呼吸による生体エネルギー変換の要であるが、その仕組みはまだ謎のままである。本研究ではチトクロム酸化酵素のプロトンポンプ機構を原子レベルで解明することを最終目標に、この酵素の反応を光で制御する手法、及びその手法を用いて反応を追跡できる測定装置を開発した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

呼吸と生体エネルギー発生の機構は古くから人々の興味を惹きつけてきた生命科学の中心課題の一つであるが、その本質はミトコンドリアで行われているプロトンポンプにある。しかしその機構はまだ謎のままであり、教科書にも載っていない。本研究ではこの謎に挑む研究基盤を確立した。なお、近年、チトクロム酸化酵素の活性化因子が発見されており、ミトコンドリア病の治療薬開発の観点で注目されている。チトクロム酸化酵素の機構を原子レベルで解明しさらにそれを制御することは、将来社会の健康保持・増進に寄与するであろう。

研究成果

• [雑誌論文] A synthetic model for the possible FeIV2(μ-O)2 core of methane monooxygenase intermediate Q derived from a structurally characterized FeIIIFeIV(μ-O)2 complex. (2022)
  • 著者名/発表者名: Mikata, Y., Aono, Y., Yamamoto, C., Nakayama, H., Matsumoto, A., Kotegawa, F., Harada, M., Katano, H., Kobayashi, Y., Yanagisawa, S., Kubo, M., Kajiwara, A., Kodera, M
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 61 号: 2 ページ: 786-790
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c02699
  • 査読あり
• [雑誌論文] Short-lived intermediate in N2O generation by P450 NO reductase captured by time-resolved IR spectroscopy and XFEL crystallography (2021)
  • 著者名/発表者名: Nomura, T., Kimura, T., Kanematsu, Y., Yamada, D., Yamashita, K., Hirata, K., Ueno, G., Murakami, H., Hisano, T., Yamagiwa, R., Takeda, H., Gopalasingam, C., Kousaka, R., Yanagisawa, S., Shoji, O., Kumasaka, T., Yamamoto, M., Takano, Y., Sugimoto, H., Tosha, T., Kubo, M., Shiro, Y
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 号: 21
  • DOI: 10.1073/pnas.2101481118
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Revisiting Alkane Hydroxylation with m‐CPBA (mChloroperbenzoic Acid) Catalyzed by Nickel(II) Complexes (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinke, T., Itoh, M., Wada, T., Morimoto, Y., Yanagisawa, S., Sugimoto, H., Kubo, M., Itoh S.
  • 雑誌名: Chemistry A European Journal 巻: 27 号: 59 ページ: 14730-14737
  • DOI: 10.1002/chem.202102532
  • 査読あり
• [雑誌論文] Timing of NO Binding and Protonation in the Catalytic Reaction of Bacterial Nitric Oxide Reductase as Established by Time-Resolved Spectroscopy. (2020)
  • 著者名/発表者名: Hanae Takeda, Tatsunari Kimura, Takashi Nomura, Masaki Horitani, Azusa Yokota, Akiko Matsubayashi, Shoko Ishii, Yoshitsugu Shiro, Minoru Kubo and Takehiko Tosha
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: - 号: 7 ページ: 825-833
  • DOI: 10.1246/bcsj.20200038
  • NAID: 130007879554
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] SACLA時分割結晶構造解析による動的構造生物学研究～酵素反応の可視化に向けた分子動画～. (2020)
  • 著者名/発表者名: 久保 稔
  • 雑誌名: 放射光 巻: 33 ページ: 266-270
  • 査読あり
• [雑誌論文] Syntheses, characterizations, and crystal Structures of dinitrogen-divanadium complexes bearing triamidoamine ligands. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kokubo, Y., Wasada-Tsutsui, Y., Yomura, S., Yanagisawa, S., Kubo, M., Kugimiya, S., Kajita, Y., Ozawa, T., Masuda, H.
  • 雑誌名: Eur. J. Inorg. Chem. 巻: 2020 号: 15-16 ページ: 1456-1464
  • DOI: 10.1002/ejic.201901123
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Oxidative DNA cleavage, formation of μ-1,1-hydroperoxo species, and cytotoxicity of dicopper(II) complex supported by a p-cresol-derived amide-tether ligand (2019)
  • 著者名/発表者名: Kadoya, Y., Fukui, K., Hata, M., Miyano, R., Hitomi, Y., Yanagisawa, S., Kubo, M., Kodera, M.
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 58 号: 21 ページ: 14294-14298
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b02093
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fundamental electron-transfer and proton-coupled electron-transfer properties of Ru(iv)-oxo complexes (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Kotani, Hinatsu Shimomura, Momoka Horimoto, Tomoya Ishizuka, Yoshihito Shiota, Kazunari Yoshizawa, Sachiko Yanagisawa, Yuka Kawahara-Nakagawa, Minoru Kubo, Takahiko Kojima
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 48 号: 35 ページ: 13154-13161
  • DOI: 10.1039/c9dt02734c
  • NAID: 120007133077
  • 査読あり
• [学会発表] Time-resolved infrared and XFEL analyses of P450nor reaction intermediates using caged-substrate. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kubo, M.
  • 学会等名: Pacifichem2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Combining time-resolved XFEL crystallography with IR spectroscopy for capturing P450nor reaction intermediates. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kubo, M.
  • 学会等名: Pacifichem2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spectroscopic study on the action mechanism of Higd1a for activating cytochrome c oxidase (2021)
  • 著者名/発表者名: 松村和香, 柳澤幸子, 西田優也, 長尾壮将, 新谷泰範, 久保稔
  • 学会等名: 第59回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Investigation of reaction intermediates of indoleamine 2,3-dioxygenase by using a stopped-flow Raman/absorption spectrometer (2021)
  • 著者名/発表者名: 河村 味奈, 名定加峰, 柳澤 幸子, 久保 稔
  • 学会等名: 第59回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Structure of a heme-oxy intermediate of cytochrome P450BM3 catalyzing a non-natural substrate (2021)
  • 著者名/発表者名: 桑野わ子, 長尾聡, 當舎武彦, Joshua Kyle Stanfield, 笠井千枝, 有安真也, 荘司長三, 杉本宏, 久保稔
  • 学会等名: 第59回日本生物物理学会年会（学生発表賞）
• [学会発表] SACLAを用いたタンパク質の動的構造生物学 (2020)
  • 著者名/発表者名: 久保稔
  • 学会等名: 光・量子デバイス研究会 "医療・バイオ応用を目指したナノ構造・ナノ界面"，姫路・西はりま地場産業センター（兵庫県・姫路市），2020年1月8日
  • 招待講演
• [学会発表] XFELと赤外レーザーを用いた酵素反応中間体の時間分解計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 久保稔
  • 学会等名: 第13回バイオ関連化学シンポジウム "フォーカスドセッション：先端分光分析・計算科学を活用したバイオ関連化学最前線"，東北大学青葉山東キャンパス（宮崎県・仙台市），2019年9月5日
  • 招待講演