バイオ燃料電池の実用化に必須である高反応性カソード電極用酵素の研究開発

2013 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 23580131
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 応用生物化学
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 片岡 邦重 金沢大学, 物質化学系, 教授 (40252712)
• 連携研究者: 加納 健司 京都大学, 大学院農学研究科, 教授 (10152828) ; 樋口 芳樹 兵庫県立大学, 大学院生命理学研究科, 教 授 (90183574)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2013
• キーワード: バイオ燃料電池 / マルチ銅オキシダーゼ / ラッカーゼ / 酵素電極 / 機能改変

研究概要

バイオ燃料電池の実用化に必須である白金代替酸素還元触媒の創成を目的として，酸素の４電子還元反応を触媒するマルチ銅オキシダーゼをターゲットに，高反応性酵素の探索と既存酵素のタンパク質工学的高機能化を行った。探索研究では，嫌気性細菌のラッカーゼと，昆虫のクチクラ硬化ラッカーゼ遺伝子の発現系を構築し，前者が既存酵素と全く異なる性質を持つ事を明らかにした。さらに，微生物由来の既存酵素をベースとしたタンパク質工学的改変により，酸素還元活性，電極反応性の向上に成功した。

研究成果

• [雑誌論文] New Insights into the Catalytic Active-Site Structure of Multicopper Oxidases (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Komori, R. Sugiyama, K. Kataoka, K. Miyazaki, Y. Higuchi, and T. Sakurai
  • 雑誌名: Acta Cryst 巻: D70 ページ: 772-779
  • DOI: 10.1107/S1399004713033051
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal Structure of the CueO Mutants at Glu506, the Key Amino Acid Located in the Proton Transfer Pathway for Dioxygen Reduction (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Komori, T. Kajikawa, K. Kataoka, Y. Higuchi, and T. Sakurai
  • 雑誌名: Biochem. Biophys. Res. Commun 巻: 438 ページ: 686-690
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2013.07.121
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of the Hydrogen Bond Connecting the Ligands for Substrate and Type I Copper in the Cuprous Oxidase (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Kataoka and T. Sakurai
  • 雑誌名: CueO, Chem. Lett 巻: 42 ページ: 1102-1104
  • DOI: 10.1246/cl.130422
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modifications of Laccase Activities of Copper Efflux Oxidase, CueO by Synergistic Mutations in the First and Second Coordination Spheres of the Type I Copper Center (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Kataoka, H. Kogi, S. Tsujimura, and T. Sakurai
  • 雑誌名: Biochem. Biophys. Res. Commun 巻: 431 ページ: 393-397
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2013.01.040
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modifications on the Hydrogen Bond Network by Mutations of Escherichia coli Copper Efflux Oxidase Affect the Process of Proton Transfer to Dioxygen Leading to Alterations of Enzymatic (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Kajikawa, K. Kataoka and T. Sakurai
  • 雑誌名: Activities, Biochem. Biophys. Res. Commun 巻: 422 ページ: 152-156
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2012.04.127
  • 査読あり
• [雑誌論文] An O-Centered Structure of the Trinuclear Copper Center in the Cys500Ser/Glu506Gln Mutant of CueO and Structural Changes in Low to High X-Ray Dose Conditions (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Komori, R. Sugiyama, K. Kataoka, Y. Higuchi, and T. Sakurai
  • 雑誌名: Angewandte Chemie 巻: 51 ページ: 1861-1864
  • DOI: 10.1002/anie.201107739
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of Laccase Activity through the Construction and Breakdown of a Hydrogen Bond at the Type I Copper Center in Escherichia coli CueO and the Deletion Mutant△α5-7 CueO (2011)
  • 著者名/発表者名: K. Kataoka, S. Hirota, Y. Maeda, H. Kogi, N. Shinohara, M. Sekimoto, and T. Sakurai
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 50 ページ: 558-565
  • DOI: 10.1021/bi101107c
  • 査読あり
• [学会発表] マルチ銅オキシダーゼの酸素4電子還元における第4の電子ドナーの探索 (2013)
  • 著者名/発表者名: 押川直美
  • 学会等名: 錯体化学会第63回討論会
  • 発表場所: 琉球大学
  • 年月日: 20131102-04
• [学会発表] Clostridium属細菌由来の新規マルチ銅オキシダーゼの異種発現と性質 (2013)
  • 著者名/発表者名: 原唯歩
  • 学会等名: 錯体化学会第63回討論会
  • 発表場所: 琉球大学
  • 年月日: 20131102-04
• [学会発表] ビリルビンオキシダーゼの酸素還元部位近傍に配置されたTrp132への変異導入 (2013)
  • 著者名/発表者名: 押川直美
  • 学会等名: 第86回日本生化学会大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 20130911-13
• [学会発表] マルチ銅酸化酵素における酸素還元反応中心への水素結合ネットワークによるプロトン輸送 (2013)
  • 著者名/発表者名: 片岡邦重
  • 学会等名: 第86回日本生化学会大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 20130911-13
• [学会発表] マルチ銅酸化酵素CueOにおける酸素還元反応中心へのプロトン輸送経路 (2013)
  • 著者名/発表者名: 片岡邦重
  • 学会等名: 2013年度酵素補酵素研究会
  • 発表場所: 立命館大学
  • 年月日: 20130621-22
• [学会発表] Contribution from a tryptophan residue stacked on the histidine ligand to a type III copper in multicopper oxidases on the four-electron reduction process of dioxygen (2013)
  • 著者名/発表者名: 山本萌
  • 学会等名: 第23回金属の関与する生体関連反応シンポジウム
  • 発表場所: 武蔵野大学
  • 年月日: 20130621-22
• [学会発表] マルチ銅オキシダーゼCueOの三核銅部位近傍に配置された酸性アミノ酸残基の酸素4電子還元における役割 (2013)
  • 著者名/発表者名: 櫻井武
  • 学会等名: 第40回生体分子科学討論会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 20130607-08
• [学会発表] Clostridium属細菌に由来する新規金属オキシダーゼの異種発現と性質 (2013)
  • 著者名/発表者名: 原唯歩
  • 学会等名: 日本農芸化学会2013年度大会
  • 発表場所: 東北大学
  • 年月日: 20130324-27
• [学会発表] Clostridium属細菌ゲノムに見出された新規2ドメインラッカーゼの異種発現 (2012)
  • 著者名/発表者名: 原唯歩
  • 学会等名: 第85回日本生化学会大会
  • 発表場所: マリンメッセ博多
  • 年月日: 20121214-16
• [学会発表] Modifications of Hydrogen Bond Network by Mutations of CueO Affect the Process of Proton Transfer to Dioxygen Leading to Alterations of Enzymatic Activities (2012)
  • 著者名/発表者名: 櫻井武
  • 学会等名: 錯体化学会第62回討論会
  • 発表場所: 富山大学
  • 年月日: 20120921-23
• [学会発表] マルチ銅酸化酵素CueOにおける酸素還元反応中心へのプロトン輸送 (2012)
  • 著者名/発表者名: 片岡邦重
  • 学会等名: 2012年度酵素補酵素研究会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 20120727-28
• [学会発表] Enhancement in Enzymatic Activities for the Copper Efflux Oxidase, CueO by Tuning the Redox Potential of Type I Cu (2012)
  • 著者名/発表者名: 片岡邦重
  • 学会等名: The 12th Japan-China-Korea Joint Symposium on Enzyme Engineering
  • 発表場所: 金沢市
  • 年月日: 20120528-31
• [学会発表] Type I銅部位の電位制御によるマルチ銅オキシダーゼCueOの反応特性改変 (2011)
  • 著者名/発表者名: 小木裕貴
  • 学会等名: 第84回日本生化学会大会
  • 発表場所: 京都国際会議場
  • 年月日: 20110921-24
• [学会発表] 好熱性細菌Geobacillus kaustophilus由来マルチ銅オキシダーゼの異種発現と諸性質 (2011)
  • 著者名/発表者名: 中佐英利加
  • 学会等名: 第84回日本生化学会大会
  • 発表場所: 京都国際会議場
  • 年月日: 20110921-24
• [学会発表] マルチ銅オキシダーゼCueOのタイプI銅第二配位圏への変異導入による酸化還元電位の制御と酵素活性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 小木裕貴
  • 学会等名: 錯体化学会第61回討論会
  • 発表場所: 岡山理科大学
  • 年月日: 20110917-19
• [図書] New Jersey, Multicopper Proteins, in Copper-Oxygen Chemistry, (Eds by K.D. Karlin and S. Itoh) (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Sakurai and K. Kataoka
  • 総ページ数: 131-168
  • 出版者: John Wiley &Sons, Inc.