超高速レーザー分光によるフェレドキシン:NADP還元酵素の構造予測と反応解析

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18K05050
• 研究機関: 公益財団法人レーザー技術総合研究所
• 研究代表者: 谷口 誠治 公益財団法人レーザー技術総合研究所, レーザーバイオ化学研究チーム, 副主任研究員 (00342725)
• 研究分担者: 田中 文夫 公益財団法人レーザー技術総合研究所, 研究部, 特別研究員1 (20022907)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: フェムト秒時間分解蛍光計測 / フェレドキシン:NADP+還元酵素 / フラビン酵素 / 光誘起電子移動反応

研究実績の概要

本研究では、フェレドキシン:NADP+還元酵素（FNR）溶液のフェムト秒領域での超高速時間分解蛍光計測法を用いた光誘起電子移動過程の観測、および分子動力学法を用いたFNRの蛋白構造の予測により、液相中におけるFNRの蛋白構造、および構造異性体の有無などについて理論的、実験的に検証するとともに、異なる種のFNRについても同様に検討を行い、フェレドキシンとの相互作用に伴うFNRの蛋白構造変化などについて検証する。最終年度は、トウモロコシ葉由来FNRのアイソザイムのフェムト秒蛍光計測を試みた。しかしながらレーザー照射による試料の劣化が速く、明確な蛍光減衰データの取得に到らなかった。次に、FNRとFdが錯体化した状態におけるフェムト秒蛍光計測を行った。ほうれん草由来FNRの溶液にフェレドキシン（Fd）を過剰に添加し、分光計測およびフェムト秒計測を行った。分光計測では、錯体化したFNRの吸収帯が観測されたが、定常蛍光スペクトルでは、FNR単体の蛍光帯と同様の波長域に蛍光がわずかに観測された。フェムト秒蛍光計測を行いFNR単体での計測結果と蛍光寿命を比較すると寿命に大きな差は見られず、蛍光はおそらく錯体を形成せず残留したFNRからのものであると考えられる。FNRの立体構造を用いFNRの光誘起電子移動速度を計算し、理論的に得られる電子移動速度と実験値がほぼ一致することがわかった。MDおよびMO計算により溶液中でのFNRとFdの錯体構造について検討し、溶液中において錯体ではFNR内でのイソアロキサジンのタンパク質内の配置が異なっている可能性があることがわかった。関連研究として、フラビン酵素の一種であるD-アミノ酸酸化酵素（DAAO）の錯体構造についてMD、MO計算による検証を行うとともに、フラビン酵素内で起こる光誘起電子移動速度のエネルギーギャップ則に基づく理論予測を行った。

研究成果

• [雑誌論文] Interactions between isoalloxazine and o-aminobenzoate in o-aminobenzoate－ D-amino acid oxidase complex. Molecular dynamics and molecular orbital studies (2021)
  • 著者名/発表者名: Arthit Nueangaudom, Somsak Pianwanit, Haruhiko Tamaoki, Yasuzo Nishina, Fumio Tanaka, Seiji Taniguchi, Haik Chosrowjan
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry & Photobiology, A: Chemistry 巻: 408 ページ: 113090-113100
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2020.113090
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interactions between isoalloxazine and o-aminobenzoate in o-aminobenzoate－ D-amino acid oxidase complex. Molecular dynamics and molecular orbital studies (2021)
  • 著者名/発表者名: Arthit Nueangaudom, Somsak Pianwanit, Haruhiko Tamaoki, Yasuzo Nishina, Fumio Tanaka, Seiji Taniguchi, Haik Chosrowjan
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 11 ページ: 8821-8832
  • DOI: 10.1039/d0ra09716k
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Simultaneous analyses of the rates of photoinduced charge separation and recombination between the excited flavin and tryptophans in some flavoproteins: Molecular dynamics simulation (2020)
  • 著者名/発表者名: Kiattisak Lugsanangarm, Haruhiko Tamaoki, Yasuzo Nishina, Kitamura Masaya, Nadtanet Nunthaboot, Fumio Tanaka, Seiji Taniguchi, Haik Chosrowjan
  • 雑誌名: AIP advances 巻: 10 ページ: 105224-1-14
  • DOI: 10.1063/5.0014718
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of protein association on the rates of photoinduced electron transfer from tryptophan residues to excited flavin in medium-chain acyl-Co A dehydrogenase. Molecular dynamics simulation (2020)
  • 著者名/発表者名: Kiattisak Lugsanangarm, Fumio Tanaka, Sirirat Kokpol, Nadtanet Nunthaboot, Seiji Taniguchi, Haik Chosrowjan
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry & Photobiology, A: Chemistry 巻: 407 ページ: 113039-113049
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2020.113039
  • 査読あり