ナノディスクを用いた膜結合金属蛋白質の集積配列による活性制御

研究課題

研究課題/領域番号	19K22193
研究種目	挑戦的研究(萌芽)
配分区分	基金
審査区分	中区分34:無機・錯体化学、分析化学およびその関連分野
研究機関	北海道大学
研究代表者	石森浩一郎北海道大学, 理学研究院, 教授 (20192487)
研究分担者	内田毅北海道大学, 理学研究院, 准教授 (30343742)
研究期間 (年度)	2019-06-28 – 2021-03-31
研究課題ステータス	完了 (2020年度)
配分額 *注記	6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円) 2020年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円) 2019年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
キーワード	ナノディスク / 膜結合蛋白質 / 電極反応 / シトクロム酸化酵素 / ハロロドプシン / 光駆動塩素イオンポンプ / 光軌道塩素イオンポンプ / 酸化酵素 / 蛋白質集積化 / 膜結合金属蛋白質
研究開始時の研究の概要	生体内で重要な機能を果たしている膜結合金属蛋白質は、高機能性触媒材料として注目されているものの、その人工的利用に重要な基板への固定化は、界面活性剤の存在や高分子量の複合体形成のため、十分な結果が得られてはいない。本研究課題では、円盤状脂質膜であるナノディスクに膜結合金属蛋白質を生体内環境に近い状態で挿入し、このナノディスク化蛋白質を電極上で特定方向に集積配列、固定化することで、電極から電子供給を受けて駆動可能な触媒系の創成を試みる。膜結合金属蛋白質としては分子状酸素を利用する酸化酵素を用い、電気化学的な活性測定と分子分光学による構造、機能解析を行うことで、効率的な電気化学反応系設計を試みる。
研究成果の概要	光駆動塩素イオンポンプのハロロドプシン（HR）と、呼吸鎖末端で酸素分子の四電子還元を行うバクテリア由来シトクロム酸化酵素（cbb3）に注目して、そのナノディスク化と機能解析および機能分子への応用を試みた。ナノディスク化HRの光反応サイクルを多様な分光学的手法で解析したところ、効率的な光駆動塩素ポンプ駆動にはHR分子間相互作用、膜電荷とHRの相互作用、塩素イオン結合や解離に伴うHRの構造変化を許容する膜の柔軟性等が重要であることが示された。cbb3は電極に固定させることで、電気化学的な酸素分子の四電子還元反応を触媒として進行させることが確認でき、ナノディスク化でその活性の向上が期待される。
研究成果の学術的意義や社会的意義	細胞内で重要な機能を果たしている膜結合蛋白質は、精製蛋白質として細胞外で機能させる場合、これまで界面活性剤による可溶化が用いられてきたが、このような手法では膜結合蛋白質が膜との相互作用によって維持してきた構造安定性や結合配向性が失われ、細胞内と同様な機能を発揮できない場合が多い。本研究では、安定な円盤状脂質膜であるナノディスクに膜結合蛋白質を結合させることで、膜結合による蛋白質構造や機能への影響を明らかにすることができ、さらに酸化酵素が電極上での酸素分子の水への還元反応の触媒として機能することを確認できた。以上の成果は、膜蛋白質の機能分子としての応用を考えるうえでの指針となることが期待される。