生体触媒の基質誤認識を利用する不活性炭化水素への酸素原子挿入反応触媒系の開発

• 研究領域: 直截的物質変換をめざした分子活性化法の開発
• 研究課題/領域番号: 25105724
• 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: 名古屋大学
• 研究代表者: 荘司 長三 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (90379587)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円); 2014年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2013年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
• キーワード: シトクロムP450 / 生体触媒 / 炭化水素 / 酸化反応 / 疑似基質 / ベンゼン / エタン / 基質誤認識 / ヘム蛋白質 / ガス状アルカン / フェノール / 過酸化水素 / 長鎖脂肪酸

研究実績の概要

P450BM3は，巨大菌由来の長鎖脂肪酸水酸化酵素で，炭素数が16前後の長鎖脂肪酸のアルキル鎖末端部分を水酸化する．P450BM3の酸化活性種生成反応では，長鎖脂肪酸の取り込みが反応を開始するトリガーになっていて，長鎖脂肪酸と構造が大きく異なる基質の場合には酸化反応は進行しない．長鎖脂肪酸の末端を含めたすべての水素原子がフッ素原子に置換されたパーフルオロアルキルカルボン酸を疑似基質（デコイ分子）として，P450BM3に取り込ませると，エタンやプロパンなどのガス状アルカンやベンゼンやトルエンなどの長鎖脂肪酸とは構造が大きく異なる基質を酸化できることを報告した．しかしながら，長鎖脂肪酸の水酸化活性と比較すると疑似基質を用いるガス状アルカンなどの水酸化活性は低く，P450BM3の高い触媒活性を十分に引き出すことはできていなかった．そこで，パーフルオロアルキルカルボン酸のカルボキシル基をアミノ酸で修飾した第二世代のデコイ分子を合成し，プロパンの酸化活性を調べた．パーフルオロアルキルカルボン酸のカルボキシル基をアミノ酸で修飾するだけで，活性が大幅に向上し，パーフルオロノナン酸をロイシンで修飾したPFC9-L-Leuをデコイ分子としてエタンの水酸化を試みたところ，毎分45回転でエタンを水酸化できることを明らかにした．さらに，PFC9-L-Trpを取り込んだP450BM3の結晶構造解析にも成功し，PFC9-L-Trpが長鎖脂肪酸と同様に基質結合部位に結合し，パーフルオロアルキル鎖は，活性部位には届いていないことなど，デコイ分子を利用する反応系の反応機構の解明に重要な情報を多く得ることができた．修飾するアミノ酸の側鎖構造の違いにより，酸化活性が大きく変化することから，デコイ分子の構造をさらに最適化することにより，長鎖脂肪酸と同等の酸化活性まで非天然基質の酸化活性を強化できると考えている．

現在までの達成度 (段落)

26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

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Activation of Wild-type Cytochrome P450BM3 by the Next Generation of Decoy Molecules: Enhanced Hydroxylation of Gaseous Alkanes and Crystallographic Evidence (2015)
  • 著者名/発表者名: Z. Cong, O. Shoji, C. Kasai, N. Kawakami, H. Sugimoto, Y. Shiro, Y. Watanabe
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 5 号: 1 ページ: 150-156
  • DOI: 10.1021/cs501592f
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Bringing out the potential of wild-type cytochrome P450s using decoy molecules: Oxygenation of nonnative substrates by bacterial cytochrome P450s (2015)
  • 著者名/発表者名: O. Shoji, Y. Watanabe
  • 雑誌名: Isr. J. Chem. 巻: 55 号: 1 ページ: 529-539
  • DOI: 10.1002/ijch.201400096
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Highly efficient hydroxylation of gaseous alkanes at reduced temperature catalyzed by cytochrome P450BM3 assisted by decoy molecules (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Kawakami, Z. Cong, O. Shoji, Y. Watanabe
  • 雑誌名: J. Porphyrins Phthalocyanines 巻: 19 号: 01-03 ページ: 329-334
  • DOI: 10.1142/s1088424615500145
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Peroxygenase reactions catalyzed by cytochromes P450 (2014)
  • 著者名/発表者名: O. Shoji, Y. Watanabe
  • 雑誌名: J. Biol. Inorg. Chem. 巻: 19 号: 4-5 ページ: 529-539
  • DOI: 10.1007/s00775-014-1106-9
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] An in vivo Inhibitory Effect on the Heme Uptake of Pseudomonas aeruginosa by Its Hemophore (HasAp) Carrying Synthetic Metal Complexes. (2014)
  • 著者名/発表者名: Shirataki, C.; Shoji, O.; Terada, M.; Ozaki, S.; Sugimoto, H.; Shiro, Y.; Watanabe, Y.
  • 雑誌名: Angw. Chem. Int. Ed. 巻: 53 号: 11 ページ: 2862-2866
  • DOI: 10.1002/anie.201307889
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic Control of Discrimination between O2 and CO in Myoglobin Lacking the Distal Histidine Residue (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Nishimura, T. Shibata, I. Ishigami, T. Ogura, H. Tai, S. Nagao, T. Matsuo, S Hirota, O. Shoji, Y. Watanabe, K. Imai, S. Neya, A. Suzuki, Y. Yamamoto
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 53 号: 2 ページ: 1091-1099
  • DOI: 10.1021/ic402625s
  • 査読あり
• [雑誌論文] Highly Selective Hydroxylation of Benzene to Phenol by Wild-type Cytochrome P450BM3 Assisted by Decoy Molecules (2013)
  • 著者名/発表者名: O. Shoji, T. Kunimatsu, N. Kawakami, Y. Watanabe
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 52 号: 26 ページ: 6606-6610
  • DOI: 10.1002/anie.201300282
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct Hydroxylation of Primary Carbons in Small Alkanes by Wild-type Cytochrome P450BM3 Containing Perfluorocarboxylic Acids as Decoy Molecules (2013)
  • 著者名/発表者名: N. Kawakami, O. Shoji, Y. Watanabe
  • 雑誌名: Chem. Sci. 巻: 4 号: 6 ページ: 2344-2348
  • DOI: 10.1039/c3sc50378j
  • 査読あり
• [学会発表] Use of Decoy Molecules as a Reaction Accelerator for the Hydroxylation of Gaseous Alkanes Catalyzed by Cytochrome P450s (2015)
  • 著者名/発表者名: O. Shoji
  • 学会等名: 日本化学会 第95春季年会 (2015)
  • 発表場所: 船橋
  • 年月日: 2015-03-26 – 2015-03-29
  • 招待講演
• [学会発表] 酸化酵素の誤作動を誘起する次世代疑似基質の開発とガス状アルカンの水酸化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 荘司長三
  • 学会等名: 分子研研究会「生物無機化学の最先端と今後の展望：金属と生体分子の作用機序解明とモデル化および応用への展開」
  • 発表場所: 岡崎
  • 年月日: 2015-01-06 – 2015-01-07
  • 招待講演
• [学会発表] Hydroxylation of non-native substrates by wild-type cytochrome P450s assisted by decoy molecules (2014)
  • 著者名/発表者名: O. Shoji, Y. Watanabe
  • 学会等名: the Active Enzyme Molecule 2014
  • 発表場所: 富山
  • 年月日: 2014-12-17 – 2014-12-19
  • 招待講演
• [学会発表] 疑似基質による野生型シトクロムP450の誤作動誘起と不活性炭化水素の水酸化反応 (2014)
  • 著者名/発表者名: 荘司長三、渡辺芳人
  • 学会等名: 第44回石油・石油化学討論会
  • 発表場所: 旭川
  • 年月日: 2014-10-16 – 2014-10-18
  • 招待講演
• [学会発表] Monooxygenation of Nonnative Substrates Catalyzed by Wild-type Cytochrome P450s (2014)
  • 著者名/発表者名: O. Shoji, Y. Watanabe
  • 学会等名: The 12th International Symposium on Cytochrome P450 Biodiversity and Biotechnology
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-28
  • 招待講演
• [学会発表] 疑似基質による野生型酵素の誤作動誘起と不活性炭化水素の水酸化反応 (2014)
  • 著者名/発表者名: 荘司長三
  • 学会等名: 第１０回触媒化学融合研究センター講演会
  • 発表場所: つくば
  • 年月日: 2014-07-04
  • 招待講演
• [学会発表] Gaseous Alkane Hydroxylation by Wild-Type Cytochrome P450BM3 bearing Decoy Molecules (2014)
  • 著者名/発表者名: O. Shoji, J. Yokobori, T. Kunimatsu, N. Kawakami, Zhiqi Cong, Y. Watanabe
  • 学会等名: ICPP-8
  • 発表場所: Istanbul, Turkey.
  • 年月日: 2014-06-22 – 2014-06-27
  • 招待講演
• [学会発表] Gaseous Alkanes and Benzene Hydroxylation by Wild-type Cytochrome P450BM3 Induced by Perfluorinated Carboxylic Acids (2014)
  • 著者名/発表者名: O. Shoji, Y. Watanabe
  • 学会等名: The 3rd International Conference on the MEXT Project of Integrated Research on Chemical Synthesis “Synergy of Theory and Molecular Transformation”
  • 発表場所: Fukuoka, Japan
  • 招待講演
• [学会発表] フッ素置換基質による生体触媒の誤作動誘起と物質変換への利用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 荘司長三、渡辺芳人
  • 学会等名: 2014年研究会「金属新機能場の開発を目指して」
  • 発表場所: 豊中
  • 招待講演
• [学会発表] 生体触媒の誤作動状態を逆手に取る物質変換 (2014)
  • 著者名/発表者名: 荘司長三、渡辺芳人
  • 学会等名: 新学術領域研究「分子活性化」第６回公開シンポジウムプログラム
  • 発表場所: 東京
  • 招待講演
• [学会発表] 生体触媒の誤作動状態を利用する物質変換 (2014)
  • 著者名/発表者名: 荘司長三、渡辺芳人
  • 学会等名: 蛋白研セミナー：蛋白質の機能デザインに向けた実験と理論のインタープレー
  • 発表場所: 吹田
  • 招待講演
• [学会発表] Gaseous Alkane Hydroxylation Catalyzed by Cytochrome P450BM3 by Tricking Its Substrate Recognition Using Decoy Molecules (2013)
  • 著者名/発表者名: O. Shoji, Y. Watanabe
  • 学会等名: 6th Japan-Korea Seminars on Biomolecular Science : Experiments and Simulation
  • 発表場所: Okazaki, Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Ethane and Benzene Hydroxylation by Wild-type Cytochrome P450BM3 Assisted by Decoy Molecules (2013)
  • 著者名/発表者名: O. Shoji, T. Kunimatsu, N. Kawakami, Y. Watanabe
  • 学会等名: 16th International Conference on Biological Inorganic Chemistry (ICBIC16)
  • 発表場所: Grenoble, France
  • 招待講演
• [学会発表] Gaseous Alkanes and Benzene Hydroxylation by Wild-Type Cytochrome P450BM3 Assisted by Decoy Modules (2013)
  • 著者名/発表者名: O. Shoji, N. Kawakami, T. Kunimatsu, Y. Watanabe
  • 学会等名: The 18th International Conference on Cytochrome P450
  • 発表場所: Seattle, Washington, USA
• [学会発表] Use of Enzyme Malfunction for Small Alkane Hydroxylation (2013)
  • 著者名/発表者名: O. Shoji, Y. Watanabe
  • 学会等名: The 15th joint IRTG SYMPOSIUM between University of Munster - Nagoya University
  • 発表場所: Nagoya, Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Hydroxylation of Non-native Substrates by Wild-type Cytochrome P450BM3 assisted by Decoy Molecules (2013)
  • 著者名/発表者名: 荘司長三、渡辺芳人
  • 学会等名: 第四回「分子活性化若手セミナー」
  • 発表場所: 鹿児島
  • 招待講演
• [学会発表] 疑似基質により誘起される生体触媒の誤作動状態を利用するバイオ触媒反応 (2013)
  • 著者名/発表者名: 荘司長三、渡辺芳人
  • 学会等名: 第６回 ChemBioハイブリッドレクチャー
  • 発表場所: 東京
  • 招待講演
• [学会発表] フッ素置換基質を疑似基質として利用する長鎖脂肪酸水酸化酵素よるガス状アルカンの水酸化反応 (2013)
  • 著者名/発表者名: 荘司長三、川上了史、渡辺芳人
  • 学会等名: 錯体化学会第63回討論会
  • 発表場所: 沖縄県西原町
• [学会発表] 野生型シトクロムP450BM3によるベンゼン及び一置換ベンゼンの水酸化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 荘司長三、國松辰弥、川上了史、渡辺芳人
  • 学会等名: 第6回バイオ関連化学シンポジウム
  • 発表場所: 名古屋
• [学会発表] シトクロムP450BM3の誤作動を逆手に取るアルカン類の水酸化反応 (2013)
  • 著者名/発表者名: 荘司長三、川上了史、國松辰弥、渡辺芳人
  • 学会等名: 平成25年度 P450とUGT/SULT 研究会
  • 発表場所: 宮崎
• [図書] Fifty Years of Cytochrome P450 Research, "Oxygenation of Nonnative Substrates Using a Malfunction State of Cytochrome P450s" (2014)
  • 著者名/発表者名: O. Shoji, Y. Watanabe
  • 総ページ数: 18
  • 出版者: Springer
• [図書] 生物工学会誌8月号「「頑固な酵素」を巧みに騙す」 (2014)
  • 著者名/発表者名: 荘司長三、渡辺芳人
  • 総ページ数: 4
  • 出版者: 公益社団法人 日本生物工学会
• [図書] 月刊「化学」4月号 「化学掲示板 新聞に載った注目記事（2月） 2月5日 日本経済新聞 院内感染の原因菌, 緑膿菌の増殖を抑える技術を開発」 (2014)
  • 著者名/発表者名: 荘司長三、白瀧千夏子
  • 出版者: ㈱化学同人
• [図書] 配管技術12月号 「ベンゼンをフェノールに一段階で変換する新規バイオ触媒の開発」 (2013)
  • 著者名/発表者名: 荘司長三、渡辺芳人
  • 総ページ数: 5
  • 出版者: 日本工業出版株式会社
• [図書] 化学と工業 第66巻9号 「酵素の基質誤認識を利用する不活性炭化水素の水酸化」 (2013)
  • 著者名/発表者名: 荘司長三
  • 出版者: 日本化学会
• [図書] 月刊「化学」9月号 「酵素を“誤作動”させて行う有機合成―― 酵素反応を有機化学に利用するための反応制御」 (2013)
  • 著者名/発表者名: 渡辺芳人、荘司長三
  • 総ページ数: 6
  • 出版者: ㈱化学同人
• [備考] 名古屋大学 教員詳細
  • URL: http://profs.provost.nagoya-u.ac.jp/view/html/100001080_ja.html
• [備考] 名古屋大学 生物無機化学研究室
  • URL: http://bioinorg.chem.nagoya-u.ac.jp/
• [備考] ベンゼンをフェノールに一段階で変換するバイオ触媒の開発
  • URL: http://www.aip.nagoya-u.ac.jp/public/nu_research_ja/highlights/detail/0000797.html
• [備考] 生物無機化学研究室 研究業績 論文
  • URL: http://bioinorg.chem.nagoya-u.ac.jp/publications/paper.html
• [備考] 生物無機化学研究室 研究業績 教員 学会
  • URL: http://bioinorg.chem.nagoya-u.ac.jp/publications/society_t.html
• [備考] 生物無機化学研究室 研究業績 特許
  • URL: http://bioinorg.chem.nagoya-u.ac.jp/publications/patent.html
• [備考] 生物無機化学研究室 研究業績 報道・関連記事
  • URL: http://bioinorg.chem.nagoya-u.ac.jp/publications/pressrelease.html
• [産業財産権] 細菌の増殖抑制 (2014)
  • 発明者名: 荘司長三、渡辺芳人、白瀧千夏子、岩井佑介
  • 権利者名: 荘司長三、渡辺芳人、白瀧千夏子、岩井佑介
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2014-061575
  • 出願年月日: 2014-03-25