炭素-水素結合を自在に官能基化する人工金属酵素の合理的開発

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02755
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 大洞 光司 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (10631202)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 人工酵素 / 生体触媒 / ヘム / タンパク質 / 物質変換

研究実績の概要

有用な物質を生み出す環境調和型の自在な物質変換を実現するために、立体選択的かつ位置選択的に反応に不活性な基質を官能基化する触媒の開発が求められている。本研究では、高活性な金属錯体とタンパク質マトリクスを組み合わせ、高活性かつ高選択性を達成する人工金属酵素を合理的に設計し、有用な人工金属酵素の開発をめざしている。 具体的には、疎水性空孔を有するタンパク質に、高い触媒能を示す活性中心となる金属錯体を挿入し、さらにタンパク質を遺伝子工学的に最適化することで、高活性で、高い立体・位置選択的にC-H結合を官能基化する人工金属酵素をめざす。また反応メカニズムや構造から詳細を明らかにし、設計法を確立する。 前年度に実施した研究では、タンパク質と金属錯体の複数の組み合わせから選出した人工金属酵素について、変異導入を実施した。具体的にはC-Hアミノ化反応に活性の高かったシトクロムP450と鉄ポルフィセンの組み合わせに注力した。一重変異体のライブラリーを構築し、その活性を評価した。本年度は、これらの人工金属酵素変異体について、さらなる活性および選択性の向上を目指して、機械学習に基づく変異体の活性、選択性予測を実施した。約100種類の変異体から、320万通りの可能な五重変異体から活性の高いものを発見する手法の開発を試みた。結果ベイズ最適化を用いながら、実験データを加えていくことで、徐々に活性を向上させる変異体が得られることを明らかにした。一方で選択性については予測が困難であり、アミノ酸配列データのみではなく構造データが必要になることを示唆した。 最終的に、触媒活性は初期の人工金属酵素の12倍まで向上した。得られた成果の一部は国内外の学会、学術誌において発 表を行った。

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。

研究成果

• [国際共同研究] University of Groningen(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: University of Groningen
• [国際共同研究] RWTH Aachen(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: RWTH Aachen
• [雑誌論文] Intramolecular C-H bond amination catalyzed by myoglobin reconstituted with iron porphycene (2024)
  • 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
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Rational design of an artificial ethylbenzene hydroxylase using a molecular dynamics simulation to enhance enantioselectivity (2023)
  • 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 ページ: upad042
  • DOI: 10.1093/chemle/upad042
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Elasticity tuning of a hexameric hemoprotein-based hydrogel by mutation of its protein building block (2023)
  • 著者名/発表者名: Oohora Koji、Kageyama Kazuki、Hidaka Yuri、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 53 ページ: upad052
  • DOI: 10.1093/chemle/upad052
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanochemical responses in β-lactoglobulin-based hydrogels: protein unfolding and chemical modification through compression (2023)
  • 著者名/発表者名: Oohora Koji、Kageyama Kazuki、Innami Hiroki、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 53 ページ: upad043
  • DOI: 10.1093/chemle/upad043
  • 査読あり
• [雑誌論文] A polyacrylamide gel containing an engineered hexameric hemoprotein as a cross-linking unit toward redox-responsive materials (2023)
  • 著者名/発表者名: Kageyama Kazuki、Oohora Koji、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 13 ページ: 34610～34617
  • DOI: 10.1039/D3RA05897B
  • 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 atmosphere (2023)
  • 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 ページ: 1313～1319
  • DOI: 10.1142/S1088424623500906
  • 査読あり
• [学会発表] Redox Tuning of Myoglobin by Cofactor Replacement to Enhance Cyclopropanation Reactivity (2024)
  • 著者名/発表者名: 香川佳之、大洞 光司、氷見山 幹基、鈴木 秋弘、林 高史
  • 学会等名: 日本化学会第104春季年会
• [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 賢司、林 高史
  • 学会等名: 第49回生体分子科学討論会
• [学会発表] Hemoprotein Assembly Containing Porphyrinoid Photosensitizers Toward an Artificial Light- Harvesting System (2023)
  • 著者名/発表者名: Koji Oohora
  • 学会等名: 15th International Conference on Tetrapyrrole Photoreceptors in Photosynthetic Organisms
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 鉄ポルフィセン錯体を含む再構成ヘムタンパク質によるC-H結合アミノ化触媒反応 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大洞 光司、香川佳之、林 高史
  • 学会等名: 第56回酸化反応討論会
• [備考]
  • URL: http://www.applied-bioinorganic.jp/jp/profile/oohora/