光感受性化学構造をもつ金属蛋白質のX線自由電子レーザーを用いた常温無損傷構造解析

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K18487
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 溝端 栄一 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (90571183)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 自由電子レーザー / 常温無損傷構造 / プロトン共役電子移動 / 窒素代謝 / 生物無機化学 / SACLA

研究実績の概要

金属蛋白質の真の酸化型構造を知ることは、長い間、不可能とされてきた。構造解明に必要なX線照射にともなう放射線損傷により、金属中心がきわめて迅速に還元され、構造変化を誘起してしまうためである。しかし近年、Ｘ線自由電子レーザー（XFEL）を用いた新しい解析手法、連続フェムト秒結晶構造解析（SFX）の登場によって、常温状態かつ放射線損傷の無い状態（常温無損傷構造）の解明が可能になりつつある。10フェムト秒以下のXFELの極短パルス光を用いると、放射線損傷で構造変化が誘起されるよりも早く、構造情報を記録して観察することができるためである。
平成２７年度は、X線自由電子レーザー（XFEL）施設SACLAを利用して、銅含有亜硝酸還元酵素の完全酸化型の立体構造を、銅原子の異常散乱効果を用いて世界で初めて決定し、本酵素のプロトン共役電子移動の反応機構を解明することに成功した。これまで、金属蛋白質の真の酸化型構造を知ることは、長い間、不可能とされてきたが、本研究では、SACLAとSPring-8の技術を融合することで、新しい酵素反応機構を明らかにした。
一方、ミオグロビンおよび改変ミオグロビンのSFXデータの収集も行った。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

平成２７年度に研究論文を２報国際誌に報告することができた（J. Biochem. 2016; PNAS 2016）。これは当初の計画を大きく超える進捗である。

今後の研究の推進方策

ミオグロビンのSFXデータの解析を進める。また、亜硝酸還元酵素の時分割SFXに向けた検討を進める。

研究成果

• [国際共同研究] University of Konstanz(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: University of Konstanz
• [国際共同研究] University of British Columbia(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: University of British Columbia
• [国際共同研究] Columbia University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Columbia University
• [雑誌論文] Redox-coupled proton transfer mechanism in nitrite reductase revealed by femtosecond crystallography (2016)
  • 著者名/発表者名: Fukuda Y, Tse KM, Nakane T, Nakatsu T, Suzuki M, Sugahara M, Inoue S, Masuda T, Yumoto F, Matsugaki N, Nango E, Tono K, Joti Y, Kameshima T, Song C, Hatsui T, Yabashi M, Nureki O, Murphy ME, Inoue T, Iwata S, Mizohata E
  • 雑誌名: PNAS 巻: 未定 ページ: 未定
  • DOI: 10.1073/pnas.1517770113
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Redox-coupled structural changes in nitrite reductase revealed by serial femtosecond and microfocus crystallography (2016)
  • 著者名/発表者名: Fukuda Y, Tse KM, Suzuki M, Diederichs K, Hirata K, Nakane T, Sugahara M, Nango E, Tono K, Joti Y, Kameshima T, Song C, Hatsui T, Yabashi M, Nureki O, Matsumura H, Inoue T, Iwata S, Mizohata E
  • 雑誌名: J. Biochemistry 巻: 未定 ページ: 未定
  • DOI: 10.1093/jb/mvv133
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Damage-free structure determination by SFX at SACLA (2015)
  • 著者名/発表者名: Mizohata E
  • 学会等名: Workshop on serial femtosecond crystallography, SAXS, & Cryo-EM
  • 発表場所: Genentech Hall, UCSF, USA
  • 年月日: 2015-06-16 – 2015-06-16
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 生命現象を支える化学反応の真の姿を解明！
  • URL: http://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2016/20160301_1