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水素活性と輸送に立脚した生体内ハイドロジェノミクスの理論展開

公募研究

研究領域ハイドロジェノミクス:高次水素機能による革新的材料・デバイス・反応プロセスの創成
研究課題/領域番号 21H00014
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関筑波大学

研究代表者

堀 優太  筑波大学, 計算科学研究センター, 助教 (40806915)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
キーワード生体ハイドロジェノミクス / NiFeヒドロゲナーゼ / 電子状態計算 / 反応解析 / 構造解析 / 水素・電子カップリング / [NiFe]ヒロドゲナーゼ / 量子化学計算 / ハイドロジェノミクス / 水素活性化 / 水素輸送 / QM/MM計算
研究開始時の研究の概要

[NiFe]ヒドロゲナーゼは、NiとFeを含む活性部位において、水素分子の分解・合成反応を常温常圧で触媒する。この時、反応に関与する水素は、プロトン、ヒドリド、水素分子へと変幻自在に形を変える。その分子システムの理解は、ハイドロジェノミクス分野を生物系へ展開する上で極めて本質的な課題である。本研究では、理論計算により活性中心における水素活性化触媒メカニズムや水素輸送メカニズムを明らかにすることにより、生体内ハイドロジェノミクスの理論基盤の構築を目指す。

研究実績の概要

本研究では、可逆的に水素を分解する [NiFe]ヒドロゲナーゼの内部構造に注目し、量子化学計算による解析を行いました。実験により得られたX線結晶構造と計算により得られたモデル構造を比較し、酸化型[NiFe]ヒドロゲナーゼの活性中心の具体的な構造や電子状態を特定しました。特に、得られた構造のうち、低スピン状態のNi2+とS-OがFeとNi間を架橋した状態は、これまで発見されなかった新規な構造・電子状態であることがわかりました。
さらに、ヒドロゲナーゼの酸素耐性機構の解明を目指し、Ni-Cの活性状態から酸素による酸化過程の反応経路を調べました。計算によって得られたエネルギーダイアグラムから、酸素を用いることにより上述した酸化状態が生成する経路を見つけました。また、そのエネルギーから室温でも反応が起こりうることが予想され、本研究で提案した酸化状態はその生成機構の観点からも妥当であることが予想されました。酸化状態からNi-Cへの再活性化過程においては、プロトン移動と電子移動を伴うことがわかり、プロトンと電子のカップリングにより再活性化が進行することが示唆されました。[NiFe]ヒドロゲナーゼは内部に存在する鉄硫黄クラスターによる電子の供給能が酸素耐性に大きく関わることが理論計算から予想されました。
また、本研究では、無水プロトン伝導物質の伝導機構解明に向けた理論解析を、本新学術領域内の研究者と連携して行いました。第一原理計算を用いて、コハク酸イミダゾリウム結晶において、プロトン伝導度の軸異方性をプロトン欠陥の安定性の違いから考察することができました。また、同様に第一原理計算による解析により、トリアゾール系材料において互変異性を伴う新たなプロトン伝導メカニズムを提案することができました。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (29件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (22件) (うち国際学会 7件、 招待講演 4件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Characterization of the Geometrical and Electronic Structures of the Active Site and Its Effects on the Surrounding Environment in Reduced High-Potential Iron?Sulfur Proteins Investigated by the Density Functional Theory Approach2023

    • 著者名/発表者名
      Sato Ayaka、Hori Yuta、Shigeta Yasuteru
    • 雑誌名

      Inorganic Chemistry

      巻: 62 号: 5 ページ: 2040-2048

    • DOI

      10.1021/acs.inorgchem.2c03617

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theoretical Characterization of the Electronic and Spin Structures for Iron–Sulfur Cubane in Reduced High-Potential Iron–Sulfur Proteins Using Density Functional Theory2022

    • 著者名/発表者名
      HORI Yuta、SATO Ayaka、SHIGETA Yasuteru
    • 雑誌名

      Journal of Computer Chemistry, Japan

      巻: 21 号: 4 ページ: 77-79

    • DOI

      10.2477/jccj.2023-0008

    • ISSN
      1347-1767, 1347-3824
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 有機分子触媒を用いたアミノ酸ラセミ化反応の理論的研究2022

    • 著者名/発表者名
      WATANABE Natsuki、SHOJI Mitsuo、HORI Yuta、SHIGETA Yasuteru
    • 雑誌名

      Journal of Computer Chemistry, Japan

      巻: 21 号: 4 ページ: 80-81

    • DOI

      10.2477/jccj.2023-0004

    • ISSN
      1347-1767, 1347-3824
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Proton Conduction Mechanism for Anhydrous Imidazolium Hydrogen Succinate Based on Local Structures and Molecular Dynamics2021

    • 著者名/発表者名
      Hori Yuta、Dekura Shun、Sunairi Yoshiya、Ida Tomonori、Mizuno Motohiro、Mori Hatsumi、Shigeta Yasuteru
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 12 号: 22 ページ: 5390-5394

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.1c01280

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of mechanical grinding on the phase behavior and anhydrous proton conductivity of imidazolium hydrogen succinate2021

    • 著者名/発表者名
      Dekura Shun、Sunairi Yoshiya、Okamoto Kei、Takeiri Fumitaka、Kobayashi Genki、Hori Yuta、Shigeta Yasuteru、Mori Hatsumi
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 372 ページ: 115775-115782

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2021.115775

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Computational Chemical Approaches to the Microscopic Mechanism of Anhydrous Proton Conduction Materials2023

    • 著者名/発表者名
      Yuta Hori
    • 学会等名
      Asia Pacific Conference of Theoretical and Computational Chemistry APATCC-10
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 第一原理計算によるコハク酸イミダゾリウム結晶中のプロトン伝導異方性の解析2023

    • 著者名/発表者名
      堀優太、重田育照
    • 学会等名
      日本化学会 第103春季年会(2023)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Theoretical Study on the Active Site in Oxidized [NiFe]-Hydrogenase2022

    • 著者名/発表者名
      Yuta Hori, Yasuteru Shigeta
    • 学会等名
      2nd International Symposium “Hydrogenomics”
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Hydrogen bond structures and dynamics in proton-conducting imidazolium hydrogen succinate2022

    • 著者名/発表者名
      Yuta Hori, Shun Dekura, Hatsumi Mori, Yasuteru Shigeta
    • 学会等名
      24th International Conference On Horizons In Hydrogen Bond Research (HBond2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高電位鉄硫黄タンパク質の[4Fe-4S]活性中心の構造と電子状態についての理論的解析2022

    • 著者名/発表者名
      堀優太、佐藤綾香、重田育照
    • 学会等名
      第22回日本蛋白質科学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高電位鉄硫黄タンパク質の鉄硫黄クラスターの電子状態と周囲のアミノ酸からの影響の理論解析2022

    • 著者名/発表者名
      佐藤綾香、堀優太、重田育照
    • 学会等名
      第16回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 水素機能性物質・タンパク質のための計算化学によるアプローチ2022

    • 著者名/発表者名
      堀優太
    • 学会等名
      ハイドロジェノミクス第9回若手育成スクール
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高電位鉄硫黄タンパク質の電子状態と周辺アミノ酸からの影響2022

    • 著者名/発表者名
      堀優太、佐藤綾香、重田育照
    • 学会等名
      日本コンピュータ化学会2022年秋季年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 理論計算による生体内水素機能メカニズムの解明2022

    • 著者名/発表者名
      堀優太、重田育照
    • 学会等名
      第32回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 酸化型[NiFe]ヒドロゲナーゼの生成過程と活性中心の構造についての理論的研究2022

    • 著者名/発表者名
      堀優太、重田育照
    • 学会等名
      第24回理論化学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高電位鉄硫黄タンパク質の鉄硫黄クラスター周辺の構造と電子状態についての理論的解析2022

    • 著者名/発表者名
      佐藤綾香、堀優太、重田育照
    • 学会等名
      量子生命科学会第4回大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Theoretical characterization of the active site and its formation pathway in oxidized [NiFe]-hydrogenase2022

    • 著者名/発表者名
      堀優太、重田育照
    • 学会等名
      第60回 日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 量子化学計算によるコハク酸イミダゾリウム結晶中のプロトン伝導機構解析2022

    • 著者名/発表者名
      堀優太、出倉駿、井田朋智、水野元博、森初果、重田育照
    • 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] 高電位鉄硫黄タンパク質の活性中心の構造と電子状態についての理論的解析2022

    • 著者名/発表者名
      佐藤綾香、堀優太、重田育照
    • 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] Structural Transition Involving Molecular Dynamics and Anhydrous Proton Conductivity in Imidazolium Hydrogen Dicarboxylates2021

    • 著者名/発表者名
      Dekura Shun、Sunairi Yoshiya、Okamoto Kei、Takeiri Fumitaka、Kobayashi Genki、Hori Yuta、Shigeta Yasuteru、Mori Hatsumi
    • 学会等名
      The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Photo- and Thermally-induced Proton Transfer Coupled Spin Transition in Iron(II) Hydrazone Complexes2021

    • 著者名/発表者名
      Nakanishi Takumi、Hori Yuta、Shiota Yoshihito、Yoshizawa Kazunari、Sato Osamu
    • 学会等名
      The Material Research Meeting 2021 (MRM 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Local structures and molecular dynamics in the anhydrous proton-conducting PVPA-Im composite2021

    • 著者名/発表者名
      Hori Yuta、Suetake Toshiya、Ida Tomonori、Mizuno Motohiro、Shigeta Yasuteru
    • 学会等名
      The Material Research Meeting 2021 (MRM 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Local structures and molecular dynamics in the proton-conducting imidazolium hydrogen succinate2021

    • 著者名/発表者名
      Hori Yuta、Dekura Shun、Ida Tomonori、Mizuno Motohiro、Mori Hatsumi、Shigeta Yasuteru
    • 学会等名
      The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] コハク酸イミダゾリウム結晶中のプロトン伝導機構の理論的解析2021

    • 著者名/発表者名
      堀優太、出倉駿、井田朋智、水野元博、森初果、重田育照
    • 学会等名
      第15回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] プロトン結合スピン転移錯体における熱誘起三状態変換2021

    • 著者名/発表者名
      中西匠、堀優太、塩田淑仁、吉澤一成、佐藤治
    • 学会等名
      第15回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 量子化学計算による有機結晶中のプロトン伝導機構の理論解析2021

    • 著者名/発表者名
      堀優太、出倉駿、井田朋智、水野元博、森初果、重田育照
    • 学会等名
      第15回 物性科学領域横断研究会 (領域合同研究会)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 酸化型[NiFe]ヒドロゲナーゼ活性中心の電子状態計算2021

    • 著者名/発表者名
      堀優太、石川航平、庄司光男、重田育照
    • 学会等名
      量子生命科学会第3回大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 堀優太(筑波大学研究者総覧、TRIOS)

    • URL

      https://trios.tsukuba.ac.jp/researcher/0000004283

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [備考] 堀優太(researchmap)

    • URL

      https://researchmap.jp/yuhori

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2023-12-25  

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