柔らかなタンパク質反応場の論理設計に基づく高活性な金属酵素の開発

2017 年度 実績報告書

• 研究領域: 理論と実験の協奏による柔らかな分子系の機能の科学
• 研究課題/領域番号: 16H00837
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 大洞 光司 大阪大学, 工学研究科, 助教 (10631202)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: ミオグロビン / コリン / コバルト / ニッケル / 鉄

研究実績の概要

柔らかな反応場であるタンパク質マトリクスと高活性な金属錯体から構成される人工金属酵素について、その論理的設計に関する革新的かつ実用的な手法を創出し、実験化学的に示すことを目的とした。 具体的には、生体内で様々な転移反応を触媒するビタミンB12依存酵素等の反応性を単純なヘムタンパク質で再現し、さらに人工金属酵素として展開した。本年度は、昨年度に得られた知見を元に、活性の向上 を精力的にめざした。昨年度に実施した人工金属酵素の調製とその同定に基づいて、論理的な活性中心の作り込みと反応の評価を実施した。反応場を与えるタンパク質として従来より用いてきたミオグロビンに対し金属錯体の配位環境が大きく異なる西洋ワサビペルオキシダーゼを用いた。コバルトコリン錯体と複合化したところ、狙い通りに金属中心への強いヒスチジンによる配位を分光学的に確認した。また反応の活性種となり得るコバルト一価種を吸収スペクトルにより同定した。ニッケル錯体ではメタン発生反応を実施し、シトクロムb562内においてメチオニンからのメタン発生を予備的ではあるが確認した。また鉄ポルフィセンを含むミオグロビンが金属カルベン錯体を経由したスチレンのシクロプロパン化を円滑に進めることを発見した。天然のヘムを含むミオグロビンに比べて反応速度は600倍になり、反応性の違いをDFT計算を用いて考察した。上記のように高活性な人工酵素開発に関する重要な知見を得た。上記の研究成果は学会や学術論文として発表している。

現在までの達成度 (段落)

平成29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

平成29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 Michigan(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Michigan
• [雑誌論文] Hemoproteins Reconstituted with Artificial Metal Complexes as Biohybrid Catalysts (2019)
  • 著者名/発表者名: Oohora Koji、Onoda Akira、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: Accounts of Chemical Research 巻: 52 ページ: 945～954
  • DOI: DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00676
  • 査読あり
• [雑誌論文] Successive energy transfer within multiple photosensitizers assembled in a hexameric hemoprotein scaffold (2018)
  • 著者名/発表者名: Mashima Tsuyoshi、Oohora Koji、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 20 ページ: 3200～3209
  • DOI: 10.1039/C7CP05257J
  • 査読あり
• [雑誌論文] Supramolecular Hemoprotein Assembly with a Periodic Structure Showing Heme?Heme Exciton Coupling (2018)
  • 著者名/発表者名: Oohora Koji、Fujimaki Nishiki、Kajihara Ryota、Watanabe Hiroki、Uchihashi Takayuki、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 140 ページ: 10145～10148
  • DOI: DOI: 10.1021/jacs.8b06690
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation and characterization of myoglobin reconstituted with Fe(II) oxaporphyrin: The monoanionic macrocycle provides unique cyanide binding behavior for the ferrous species (2018)
  • 著者名/発表者名: Meichin Hiroyuki、Oohora Koji、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: Inorganica Chimica Acta 巻: 472 ページ: 184～191
  • DOI: 10.1016/j.ica.2017.06.054
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cobalt tetradehydrocorrins coordinated by imidazolate-like histidine in the heme pocket of horseradish peroxidase (2017)
  • 著者名/発表者名: Oohora Koji、Tang Ning、Morita Yoshitsugu、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: Journal of Biological Inorganic Chemistry 巻: 22 ページ: 695～703
  • DOI: DOI:10.1007/s00775-017-1458-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Catalytic Cyclopropanation by Myoglobin Reconstituted with Iron Porphycene: Acceleration of Catalysis due to Rapid Formation of the Carbene Species (2017)
  • 著者名/発表者名: Oohora Koji、Meichin Hiroyuki、Zhao Liming、Wolf Matthew W.、Nakayama Akira、Hasegawa Jun-ya、Lehnert Nicolai、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 139 ページ: 17265～17268
  • DOI: 10.1021/jacs.7b10154
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Manganese(V) Porphycene Complex Responsible for Inert C?H Bond Hydroxylation in a Myoglobin Matrix (2017)
  • 著者名/発表者名: Oohora Koji、Meichin Hiroyuki、Kihira Yushi、Sugimoto Hiroshi、Shiro Yoshitsugu、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 139 ページ: 18460～18463
  • DOI: 10.1021/jacs.7b11288
  • 査読あり
• [雑誌論文] Substitution of an amino acid residue axially coordinating to the heme molecule in hexameric tyrosine-coordinated hemoprotein to enhance peroxidase activity (2017)
  • 著者名/発表者名: Mashima Tsuyoshi、Oohora Koji、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: Journal of Porphyrins and Phthalocyanines 巻: 21 ページ: 824～831
  • DOI: 10.1142/S1088424617500936
  • 査読あり
• [学会発表] Catalytic Cyclopropanation of Styrene using Myoglobin Reconstituted with Iron Porphycene (2018)
  • 著者名/発表者名: Koji Oohora, Hiroyuki Meichin, Liming Zhao, Matthew W, Wolf, Akira Nakayama, Jun-ya Hasegawa, Nicolai Lehnert, Takashi Hayashi
  • 学会等名: 日本化学会 第98春季年会
• [学会発表] Hemoproteins reconstituted with synthetic cobalt corrinoid toward models of vitamin B12-dependent enzymes (2018)
  • 著者名/発表者名: Koji Oohora, Ning Tang, Yoshitsugu Morita, Takashi Hayashi
  • 学会等名: 10th International Conference on Porphyrins and Phthalocyanines
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Hemoprotein reconstituted with a manganese porphycene complex toward catalytic hydroxylation of inert C-H bonds (2017)
  • 著者名/発表者名: Koji Oohora, Kosuke Nittta, Natsuno Chiba, Takashi Hayashi
  • 学会等名: 14th International Conference on Applied Inorganic Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] Artificial protein assemblies of chemically engineered hexameric hemoprotein with functional molecules (2017)
  • 著者名/発表者名: Shota Hirayama, Koji Oohora, Takashi Hayashi
  • 学会等名: 14th International Conference on Applied Inorganic Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] ヘムタンパク質集合体を基盤とする人工光捕集系の構築 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大洞光司
  • 学会等名: 第38回光化学若手の会
  • 招待講演
• [学会発表] 生体材料および人工酵素を指向したヘムタンパク質の化学的改変 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大洞光司
  • 学会等名: 錯体化学若手の会夏の学校2017
  • 招待講演
• [学会発表] ビタミンB12含有酵素モデルを指向したテトラデヒドロコリンコバルト錯体含有ヘムタンパク質の構築とその配位挙動評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 湯寧、大洞光司、林高史
  • 学会等名: 錯体化学若手の会夏の学校2017
• [学会発表] Hemoprotein Engineered with Manganese Porphycene toward Artificial Monooxygenase (2017)
  • 著者名/発表者名: Koji Oohora, Kosuke Nitta, Natsuno Chiba, Takashi Hayashi
  • 学会等名: International Coference on Molecular System Engineering
  • 国際学会
• [学会発表] タンパク質反応場を有するメタン発生酵素モデルを指向した再構成ヘムタンパク質の創製とメタン発生能の評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 宮﨑雄大、大洞光司、林高史
  • 学会等名: 第11回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] マンガンポルフィセン錯体を含むヘムタンパク質の水酸化触媒活性評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大洞 光司, 新田 航介, 千葉 夏乃, 林 高史
  • 学会等名: 第11回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] ヘムタンパク質の化学的改変による人工酵素・酵素モデルの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大洞光司
  • 学会等名: ITbM/IGER Chemistry Workshop 2017
  • 招待講演
• [備考] 大阪大学大学院工学研究科応用化学専攻林研究室
  • URL: http://www.chem.eng.osaka-u.ac.jp/~hayashiken/index.html