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2013 年度 実績報告書

特異なクラスター活性中心をもつ酸化還元金属酵素の生物無機化学

研究課題

研究課題/領域番号 23000007
研究機関名古屋大学

研究代表者

巽 和行  名古屋大学, 物質科学国際研究センター, 特任教授 (10155096)

研究期間 (年度) 2011-05-31 – 2016-03-31
キーワードクラスター / 酸化還元酵素 / ニトロゲナーゼ / ヒドロゲナーゼ / COデヒドロゲナーゼ
研究概要

本年度も研究は順調に進み、以下に示す予想以上の重要な成果が得られた。
(1)酸化型および還元型P-クラスターのモデルとなる[Fe8S7]クラスターの合成 : 従来のP-クラスター骨格合成で用いてきたチオールの代わりに、シリル置換基をを持つよりかさ高いチオールHSTbt (Tbt=2,4,6-{CH(SiMe3)2}3C6H2)を用いることにより、P-クラスター[Fe8S7]骨格の4つの鉄原子にTbtチオラート配位子と2つのEt20が配位したP-clusterモデルの合成に成功した。これまでは鉄原子にアミドが配位していたが、今回合成したモデルクラスターはニトロゲナーゼP-clusterの配位環境をほぼ再現している。興味深い事に、新モデルクラスターにおいても鉄原子の酸化数は2Fe(III)-6Fe(II)であり、提案されているニトロゲナーゼP-clusterの酸化状態よりも2電子少ない。ニトロゲナーゼP-clusterの鉄酸化状態の再考を促す重要な発見である。
(2)超高酸化状態をとる[Fe4S4]クラスターの骨格変換反応 : 生体内ではフェレドキシン[Fe4S4]クラスターが酸素と反応して[Fe2S2]クラスターへ変換すると提案されているが、合成化学的な証明はない。我々は、超高酸化型[Fe4S4]クラスターである[Fe4S4{N(SiMe3)2}4]が供与性配位子(ピリジン)の存在下で容易に[Fe2S2]クラスターに解裂することを見出した。この反応は可逆的におこり、生体内でも[Fe4S4]クラスターから[Fe2S2]クラスターが生成する可能性を初めて示すとともに、安定とされる[Fe4S4]クラスターの骨格変換に関する常識を覆した。
(3) DPORを利用した人工酵素構築 : ニトロゲナーゼに酷似したDPORのNB-タンパク質を利用し、合成した金属クラスターの導入による人工金属酵素を構築する目的で、Pchlide結合キャビティを構成する2つの残基(BchN-Phe393, BchB-Leu41)を、金属クラスターの配位に関与できるようにシステイン残基に改変した変異NB-タンパク質を調製した。X線結晶構造解析を行い、人工金属クラスターを包含できる空間と立体配置をもつことが明らかとなった。

現在までの達成度 (区分)
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

研究実績の概要に述べたように、今年度は当初予定していた以上の研究の進展が見られた。特に、ニトロゲナーゼP-clusterのモデル研究では下記の特筆すべき成果をあげることができた。
1)これまでP-clusterモデルとして、鉄上にアミド配位子をもつクラスターの合成には成功していたが、今回、そのアミド配位子がすべてチオラートに置換され、最もP-clusterを高精度に再現したモデルを構築に成功した。その結果、ニトロゲナーゼP-clusterの鉄原子の酸化状態に関する従来の定説を見直す必要性が示唆する成果が得られた。
2)超高酸化型[4Fe-4S]クラスターに関する独自の研究から、これまで化学的には困難であるとされていた、[4Fe-4S]骨格から[2Fe-2S]骨格への可逆な変換反応を発見し、生体内で進行する鉄硫黄クラスターの構造変化に関する重要な知見を与えた。
また、アセチルCoA合成酵素や[NiFe]ヒドロゲナーゼのモデル研究も順調に進捗している。アセチルCoA合成酵素の2核ニッケル構造のより優れた構造モデルの合成を達成するとともに、還元型[NiFe]ヒドロゲナーゼの優れたモデル錯体の合成にも成功した。さらに、生化学分野との共同研究も順調で、ニトロゲナーゼ類似のDPOR酵素の研究において、合成した金属硫黄クラスターを導入できるシステイン部位を挿入した改変DPORタンパク質の創製を達成した。

今後の研究の推進方策

独自に開拓した金属硫黄クラスター合成概念を駆使して、酸化還元金属酵素のクラスター活性中心に関する本研究は順調に成果をあげている。今後も、これまでの研究推進方策に基づいて以下の各研究課題を引き続き強力に推進する。
〈ニトロゲナーゼ活性中心〉
本研究グループで確立した非極性溶媒中での鉄硫黄クラスター合成の考え方を発展させ、モリブデンを含む金属硫黄クラスターの合成に取り組み、ニトロゲナーゼFeMo-coモデルの構築を前進させる。一方、P-clusterの構造モデルはほぼ達成されたので、その成果を基にP-cluster骨格の電子状態と酸化還元過程の詳細な検討を行う。さらに、生化学者との共同研究も引き続き進め、ニトロゲナーゼの特異な構造を持つクラスター活性中心がタンパク質環境下で構築される仕組みの解明をめざす。また、DPOR酵素の活性中心をニトロゲナーゼ様金属硫黄クラスターに置換する共同研究を進めて、ニトロゲナーゼ機能とDPOR機能の関連性について調べる。
〈アセチルCoA合成酵素活性中心〉
2核ニッケル活性中心モデルの合成はほぼ完了しており、今後は電子移動を担う鉄硫黄クラスター部位と連動した酸化還元挙動の仕組みを解明する研究へと展開しつつ、アセチルCoAを触媒的に生合成する酵素機能のモデル反応に関する研究を深化させる。
〈[NiFe]ヒドロゲナーゼ活性中心〉。
これまで酸化型および還元型ヒドロゲナーゼ活性中心のモデル錯体合成を成功裏に進めてきた。
今後は、各型のモデル錯体の化学特性を明らかにしつつ、ヒドロゲナーゼ酵素機能を模する反応の開拓に努め、酵素反応機構の解明に資する成果をあげたい。
〈光化学系II酸素発生中心〉
光化学系II酸素発生中心の構造モデル構築として、Caを含むMn/Ca/Oクラスターの合成研究を継続して推進する。これまで培った鉄硫黄クラスター合成のノウハウを生かし、かさ高いアルコキシド配位子を利用してマンガン酸素(ヒドロキシド)クラスターモデルの高度化を行う。特に高酸化状態のマンガンを含むクラスターの構築に焦点をあてる。

  • 研究成果

    (32件)

すべて 2014 2013 2012

すべて 雑誌論文 (12件) (うち査読あり 11件) 学会発表 (20件) (うち招待講演 20件)

  • [雑誌論文] Reconstitution of a sequential reaction of two nitrogenase-like enzymes in the bacteriochlorophyll biosynthetic pathways of Rhodobacter capsulatus2014

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto, H., Kato, M., Yamanashi, K., and Fujita, Y.
    • 雑誌名

      Biochemical and Biophysical Research Communications

      巻: 448 ページ: 200-205

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2014.04.087

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Coupling of an N-Heterocyclic Carbene on Iron with Alkynes Forming η5-Cyclopentadienyl-Diìmine Ligands.2014

    • 著者名/発表者名
      T. Hatanaka, Y. Ohki, K. Tatsumi
    • 雑誌名

      Angew. Chem. Int. Ed

      巻: 53 ページ: 2727-2729

    • DOI

      10.1002/ange.201309021

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Synthetic Analogues of the Active Sites of Nitrogenase and [NiFe] Hydrogenase2014

    • 著者名/発表者名
      Y. Ohki
    • 雑誌名

      Bulletin of the Chemical Society of Japan

      巻: 87 ページ: 1-19

    • DOI

      10.1246/bcsj.20130207

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dinuclear Iron (0) Complexes of N-Heterocyclic Carbenes2014

    • 著者名/発表者名
      T. Hashimoto, R. Hoshino, T. Hatanaka, Y. Ohki, K. Tatsumi
    • 雑誌名

      Organometallics

      巻: 33 ページ: 921-929

    • DOI

      10.1021/om401039z

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Transcriptional regulators ChlR and CnfR are essential for diazotrophic growth of non-heterocystous cyanobacteria2014

    • 著者名/発表者名
      Tsujimoto, R., Kamiya, N., Fujita Y
    • 雑誌名

      Proc. Natl. Acad. Sci. USA

      巻: 111 ページ: 6762-6767

    • DOI

      10.1073/pnas.1323570111

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Snthesis of Coordinatively Unsaturated Half-Sandwich Iron Silyl Complexes Having an N-Heterocyclic Carbene Ligand and Their Reactions with H2.2013

    • 著者名/発表者名
      T. Hatanaka, Y. Ohki, K. Tatsumi
    • 雑誌名

      Eur. J. Inorg. Chem

      巻: 33 ページ: 3966-3971

    • DOI

      10.1002/ejic.201300045

    • 査読あり
  • [雑誌論文] New Synthetic Routes to Metal-Sulfur Clusters Relevant to the Nitrogenase Metallo-Clusters.2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Ohki, K. Tatsumi
    • 雑誌名

      Anorg. Allg. Chem

      巻: 639 ページ: 1340-1349

    • DOI

      10.1002/zaac.201300081

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Catlytic Generation of Borenium Ions by Cooperative B-H Bond Activation : The Elusive Direct Electrophilic Borylation of Nitrogen Heterocycles with Pinacolborane.2013

    • 著者名/発表者名
      T. Stahl, K. e Müther, Y. Ohki, K. Tatsumi, M. Oestreich
    • 雑誌名

      J. Am. Chem. Soc

      巻: 135 ページ: 10978-10981

    • DOI

      10.1021/ja405925w

    • 査読あり
  • [雑誌論文] [3:1] Site-Diffentiated [4Fe-4S] Clusters Having One Carboxylate and Three Thiolates.2013

    • 著者名/発表者名
      T. Terada, K. Hirabayashi, D. Liu, T. Nakamura, T. Wakimoto, T. Matsumoto, and K. Tatsumi
    • 雑誌名

      Inorg. Chem

      巻: 52 ページ: 11997-12004

    • DOI

      10.1021/ic4017596

    • 査読あり
  • [雑誌論文] [NiFe]ヒドロゲナーゼ活性中心のモデル研究にける潮流と展望2013

    • 著者名/発表者名
      大木靖弘
    • 雑誌名

      Bulletin of Japan Society of Coordination Chemistry

      巻: 62 ページ: 18-21

  • [雑誌論文] Nicotinamide is a specific inhibitor of dark-operative protochlorophyllide oxidoreductase, a nitrogenase-like enzyme, from Rhodobacter capsulatus2013

    • 著者名/発表者名
      Nomata, J., Kondo, T., Itoh, S., Fujita, Y
    • 雑誌名

      FEBS Lett

      巻: 587 ページ: 3142-3147

    • DOI

      10.1016/j.febslet.2013.07.054

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Completion of biosynthetic pathway for bacteriochlorophyll g in Heliobacterium modesticaldum : The C8-ethylidene group formation2013

    • 著者名/発表者名
      Tsukatani, Y., Yamamoto, H., Mizoguchi, T., Fujita, Y., Tamiaki, H
    • 雑誌名

      Biochim. Biophys. Acta

      巻: 10 ページ: 1200-1204

    • DOI

      10.1016/j.bbabio.2013.06.007

    • 査読あり
  • [学会発表] Chemistry of Cluster Active Sites of Oxidoreductases-Drawing a Lesson from the Brilliant Functions of the Enzymes for our Future Sustainable Society-2014

    • 著者名/発表者名
      K. Tatsumi
    • 学会等名
      Pure and Applied Chemistry International Conference 2014 (PACCON2014) Moving Towards Innovation in Chemistry
    • 発表場所
      Convention Centre (Khon Kaen, Tailand)
    • 年月日
      20140108-10
    • 招待講演
  • [学会発表] 配位不飽和錯体のルテニウム-硫黄部位を反応場とするE-H (E=H, Si, B)結合活性化反応2014

    • 著者名/発表者名
      大木靖弘
    • 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
    • 発表場所
      東京工業大学(目黒区, 東京都)
    • 年月日
      2014-01-30
    • 招待講演
  • [学会発表] Synthesis of Iron-Sulfur Clusters Relevant to the Nitrogenase Active Sites-Flexible Nature of the Cluster Structures-2013

    • 著者名/発表者名
      K. Tatsumi
    • 学会等名
      2nd Japan-France Coordination Chemistry Symposium
    • 発表場所
      Todaiji Culture Center (Nara, Japan)
    • 年月日
      20131125-27
    • 招待講演
  • [学会発表] N-Heterocyclic Carbene Complexes of Iron for Small Molecule Activation and Transformation2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Ohki
    • 学会等名
      新学術領域研究「分子活性化」第4回若手国際シンポジウム
    • 発表場所
      鹿児島
    • 年月日
      20131114-15
    • 招待講演
  • [学会発表] Chemistry of Cluster Active Sites of Oxidoreductases : Drawing a Lesson from the Brilliant Functions of the Enzymes for our Future Sustainable Society2013

    • 著者名/発表者名
      K. Tatsumi
    • 学会等名
      6th IRTG-Graduate Externship Joint Symposium
    • 発表場所
      Münster University (Münser, Germany)
    • 年月日
      20131111-13
    • 招待講演
  • [学会発表] Chemistry of the Nitrogenase P-Cluster2013

    • 著者名/発表者名
      K. Tatsumi
    • 学会等名
      4th Asian Conference on Coordination Chemistry
    • 発表場所
      International Convention Center (Jeju, Korea)
    • 年月日
      20131104-07
    • 招待講演
  • [学会発表] Synthesis of Iron-Sulfur Clusters Mimicking the Nitrogenase Metallo-Clusters2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Ohki
    • 学会等名
      第63回錯体化学討論会 日韓セッション
    • 発表場所
      琉球大学(西原町, 沖縄)
    • 年月日
      20131102-04
    • 招待講演
  • [学会発表] A Flexible Nature of Iron-Sulfur Clusters Relevant to the Nitrogenase Active Sites2013

    • 著者名/発表者名
      K. Tatsumi
    • 学会等名
      18th International Congress on Nitrogen Fixation
    • 発表場所
      Phoenix Seagaia Resort (Miyazaki, Japan)
    • 年月日
      20131014-18
    • 招待講演
  • [学会発表] Chemical Synthesis of the Active Sites of Nitrogenase-Flexible Nature of Iron-Sulfide Clusters2013

    • 著者名/発表者名
      K. Tatsumi
    • 学会等名
      XXXIV Reunión Bienal Real Sociedad Española de Química
    • 発表場所
      Universidad de Cantabria・Hall de entrada ETSIIT (Santander, Spain)
    • 年月日
      20130915-18
    • 招待講演
  • [学会発表] Organometallic Chemistry of Reductases-A Clue to Building Future Sustainable Society-2013

    • 著者名/発表者名
      K. Tatsumi
    • 学会等名
      9th International School of Organometallic Chemistry
    • 発表場所
      Centro Culturale Benedetto XIII・University of Camerino (Camerino, Italy)
    • 年月日
      20130830-0903
    • 招待講演
  • [学会発表] 嫌気性生物の炭素固定に関わる金属酵素のモデル研究2013

    • 著者名/発表者名
      松本 剛
    • 学会等名
      錯体化学若手の会夏の学校2013
    • 発表場所
      NTT北海道セミナーセンタ(札幌市)
    • 年月日
      20130808-11
    • 招待講演
  • [学会発表] Synthesis and Characterization of Iron-Sulfur Cluster Molecules Mimicking the Nitrogenase Metallo-Clusters2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Ohki
    • 学会等名
      Collaborative Conference on 3D and Materials Research 2013
    • 発表場所
      Jeju, South Korea
    • 年月日
      20130624-28
    • 招待講演
  • [学会発表] 金属酵素クラスター活性中心の生物無機化学2013

    • 著者名/発表者名
      巽 和行
    • 学会等名
      豊田理研研究会
    • 発表場所
      豊田理学研究所(長久手市、愛知)
    • 年月日
      2013-12-04
    • 招待講演
  • [学会発表] [NiFe]ヒドロゲナーゼの活性部位モデルとなる有機遷移金属錯体2013

    • 著者名/発表者名
      大木靖弘
    • 学会等名
      第112回触媒討論会
    • 発表場所
      秋田大学(秋田市, 秋田)
    • 年月日
      2013-09-18
    • 招待講演
  • [学会発表] A Flexible Nature of Iron-Sulfur Clusters Relevant to the Nitrogenase Active Sites-What We Know, and What We Do Not-2013

    • 著者名/発表者名
      K. Tatsumi
    • 学会等名
      16th International Conference on Bioinorganic Chemistry (ICBIC16)
    • 発表場所
      Alpexpo center (Grenoble, France)
    • 年月日
      2013-07-26
    • 招待講演
  • [学会発表] Chemistry of Cluster Active Sites of Oxidoreductases : Drawing a Lesson from the Brilliant Functions of the Enzymes for our Future Sustainable Society2013

    • 著者名/発表者名
      K. Tatsumi
    • 学会等名
      8th International Conference of the Chemical Societies of the South-East European Countries (ICOSECS 8)
    • 発表場所
      University of Belgrade, Faculty of Technology and Metallurgy (Belgrade, Serbia)
    • 年月日
      2013-06-27
    • 招待講演
  • [学会発表] 金属錯体の理論研究から還元系金属酵素活性中心の研究へ2013

    • 著者名/発表者名
      巽 和行
    • 学会等名
      第2回例会, 有機金属部会
    • 発表場所
      早稲田大学(新宿区, 東京都)
    • 年月日
      2013-06-18
    • 招待講演
  • [学会発表] Chemistry of Cluster Active Sites of Oxidoreductases : Drawing a Lesson from the Brilliant Functions of the Enzymes for our Future Sustainable Society2013

    • 著者名/発表者名
      K. Tatsumi
    • 学会等名
      The Luigi Sacconi Foundation Memorial Lecture, Fondazione Luigi Sacconi
    • 発表場所
      Scientific Campus in Sesto Fiorentino (Firenze, Italy)
    • 年月日
      2013-05-03
    • 招待講演
  • [学会発表] Chemistry of Cluster Active Sites of Oxidoreductases : Drawing a Lesson from the Brilliant Functions of the Enzymes for our Future Sustainable Society2013

    • 著者名/発表者名
      K. Tatsumi
    • 学会等名
      The 150 Years of Politechnico di Milano
    • 発表場所
      Department of Chemistry, Politechnico di Milano (Milano, Italy)
    • 年月日
      2013-05-02
    • 招待講演
  • [学会発表] Model Studies on Nickel Enzymes Relevant to Autotrophic Carbon Fixation2012

    • 著者名/発表者名
      Tsuyoshi Matsumoto
    • 学会等名
      The 15th Joint Seminar University of Münster-Nagoya University
    • 発表場所
      Noyori Materials Science Laboratry (Nagoya)
    • 年月日
      20120521-20130521
    • 招待講演

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公開日: 2015-07-15  

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