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細胞内で高難度反応の触媒として働く人工金属酵素の創製

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ2064
補助金の研究課題番号 21J20563 (2021-2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2021-2022)
応募区分国内
審査区分 小区分34010:無機・錯体化学関連
研究機関大阪大学

研究代表者

香川 佳之  大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
2023年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワード人工金属酵素 / ヘムタンパク質 / ミオグロビン / シトクロムP450 / ポルフィセン / ポルフィリン / C-H結合アミノ化反応 / シクロプロパン化反応 / 鉄錯体 / 鉄
研究開始時の研究の概要

近年、次世代医薬品や微生物を利用した物質生産への応用の観点から、細胞内で機能する触媒開発が模索されている。その候補として人工金属酵素が注目されているが、細胞内反応に応用できる系は限られている。そこで本研究では、細胞内反応への応用を指向した位置・立体選択的なC-H結合官能基化反応を促進する人工金属酵素の開発を目指す。具体的には、人工金属錯体とヘムタンパク質を組み合わせ、それぞれの構造を最適化し、高選択的な人工金属酵素を開発する。さらに、人工金属酵素を細胞内へと導入し、細胞内での物質変換反応を試みる。従来の触媒では困難な高い位置・立体選択性の制御を可能にし、自在な細胞内物質変換法の開拓を図る。

研究実績の概要

本研究では、ヘムタンパク質の補因子のヘムを人工補因子へと置換する再構成法により、ヘムタンパク質を基盤とした高難度反応を促進する人工金属酵素の開発とその細胞内反応への応用を目的とした。具体的には、C-H結合アミノ化反応とアルケンのシクロプロパン化反応に着目し、人工金属酵素の開発に取り組んだ。
C-H結合アミノ化反応では、ミオグロビンのヘムを鉄ポルフィセン錯体に置換した再構成ミオグロビン(rMb(FePc))が高い触媒能を示し、そのkcat値は天然ミオグロビン(nMb)の約4倍であった。更に、タンパク質構造としてシトクロムP450BM3を使用し、機械学習を用いた変異体スクリーニングにより、2,4,6-トリエチルベンゼンスルホニルアジドを基質とする反応の触媒回転数がrMb(FePc)と比較し、約12倍向上した。
アルケンのシクロプロパン化反応では、酸化還元電位に着目してミオグロビンの補因子を改変し、反応性を評価した。nMbのヘムを、ポルフィリン環のピロールのβ位にトリフルオロメチル基を2つ導入した鉄ポルフィリン錯体に置換し、再構成ミオグロビン(rMb(FePor(CF3)2))を調製した。nMbと比較し、rMb(FePor(CF3)2)の酸化還元電位は約100 mV正にシフトした。種々のシクロプロパン化反応で、rMb(FePor(CF3)2)とnMb、および低い酸化還元電位を示すrMb(FePc)とを比較すると、酸化還元電位が高いミオグロビンほど高収率で生成物を与えた。反応機構解析のための種々の実験の結果、rMb(FePc)を用いた反応ではイオン的な反応機構を示唆し、rMb(FePor(CF3)2)ではラジカル的な反応の進行を支持した。
本研究で得られた結果は、人工金属酵素の合理的設計法の確立に寄与し、将来的に細胞内反応系へ展開されることが大いに期待される。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (20件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 4件)

  • [国際共同研究] RWTH Aachen University(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Institut de Chimie de Strasbourg/UMR 7177 CNRS-Universite de Strasbourg(フランス)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] CNRS-Universite de Strasbourg(フランス)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Intramolecular C-H bond amination catalyzed by myoglobin reconstituted with iron porphycene2024

    • 著者名/発表者名
      Kagawa Yoshiyuki、Oohora Koji、Hayashi Takashi
    • 雑誌名

      Journal of Inorganic Biochemistry

      巻: 252 ページ: 112459-112459

    • DOI

      10.1016/j.jinorgbio.2023.112459

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ethylbenzene oxidation by a hybrid catalysis system of reconstituted myoglobin and silica-protected PdAu nanoparticles under a hydrogen-oxygen mixed atmosphere2023

    • 著者名/発表者名
      Oohora Koji、Kagawa Yoshiyuki、Kuwahara Yasutaka、Yamashita Hiromi、Hayashi Takashi
    • 雑誌名

      Journal of Porphyrins and Phthalocyanines

      巻: 27 号: 07n10 ページ: 1313-1319

    • DOI

      10.1142/s1088424623500906

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Rational design of an artificial ethylbenzene hydroxylase using a molecular dynamics simulation to enhance enantioselectivity2023

    • 著者名/発表者名
      Oohora Koji、Kagawa Yoshiyuki、Nishiura Takako、Mizohata Eiichi、Schwaneberg Ulrich、Hayashi Takashi
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 53 号: 2

    • DOI

      10.1093/chemle/upad042

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Ethylbenzene Oxidation by a Hybrid Catalysis System of Reconstituted Myoglobin and Silica-protected PdAu Nanoparticles under a Hydrogen-Oxygen Mixed Atmosphere.2023

    • 著者名/発表者名
      Koji Oohora, Yoshiyuki Kagawa, Yasutaka Kuwahara, Hiromi Yamashita, Takashi Hayashi
    • 雑誌名

      Journal of Porphyrins and Phthalocyanines

      巻: -

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Redox Tuning of Myoglobin by Cofactor Replacement toward Enhanced Cyclopropanation Reactivity2024

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Kagawa, Koji Oohora, Tomoki Himiyama, Akihiro Suzuki, Takashi Hayashi
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] C-H 結合アミノ化反応を促進する鉄ポルフィセン錯体含有再構成ヘムタンパク質の開発2023

    • 著者名/発表者名
      香川 佳之, 大洞 光司, 水口 賢治、林 高史
    • 学会等名
      第49回生体分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Catalytic C-H bond amination by engineered hemoproteins containing iron porphycene as an artificial cofactor2023

    • 著者名/発表者名
      香川佳之, 大洞光司, 林高史
    • 学会等名
      日本化学会第103春季年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 鉄ポルフィセン含有ヘムタンパク質によるC-H結合アミノ化反応2022

    • 著者名/発表者名
      香川佳之, 大洞光司, 林高史
    • 学会等名
      第31回金属の関与する生体関連反応シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 鉄ポルフィセン錯体を補因子として有するヘムタンパク質を用いたC-H結合アミノ化反応2022

    • 著者名/発表者名
      香川佳之, 大洞光司, 林高史
    • 学会等名
      第16回バイオ関連化学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Catalytic C-H bond amination by hemoproteins reconstituted with iron porphycene2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Kagawa, Koji Oohora, Takashi Hayashi
    • 学会等名
      Active Enzyme Molecule 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Catalytic C-H Bond Amination by Hemoproteins Reconstituted with Iron Porphycene2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Kagawa, Koji Oohora, Takashi Hayashi
    • 学会等名
      10th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] C-H Bond Amination Catalyzed by Engineered Hemoprotein Containing Iron Porphycene as an Artificial Cofactor2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Kagawa, Koji Oohora, Takashi Hayashi
    • 学会等名
      日本化学会第102春季年会2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 金属ポルフィセン含有再構成ミオグロビンによるC-H結合アミノ化反応2021

    • 著者名/発表者名
      香川佳之、大洞光司、林高史
    • 学会等名
      第47回生体分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 再構成ミオグロビンによる分子内C-H結合アミノ化反応2021

    • 著者名/発表者名
      香川佳之、大洞光司、林高史
    • 学会等名
      第33回生物無機化学夏季セミナー
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Catalytic C-H bond amination by myoglobin reconstituted with iron porphycene2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Kagawa, Koji Oohora, Takashi Hayashi
    • 学会等名
      錯体化学会 第71回討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] C-H Bond Amination Catalyzed by Reconstituted Myoglobin with Iron Porphycene2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Kagawa, Koji Oohora, Takashi Hayashi
    • 学会等名
      JOURNEE DES DOCTORANTS EN CHIMIE 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Catalytic C-H bond amination by myoglobin reconstituted with metalloporphycene2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Kagawa, Koji Oohora, Takashi Hayashi
    • 学会等名
      Pacifichem2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2021-05-27   更新日: 2024-12-25  

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