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2013 Fiscal Year Annual Research Report

生体触媒の基質誤認識を利用する不活性炭化水素への酸素原子挿入反応触媒系の開発

Publicly Offered Research

Project AreaMolecule Activation Directed toward Straightforward Synthesis
Project/Area Number 25105724
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

荘司 長三  名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (90379587)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2015-03-31
KeywordsシトクロムP450 / 酸化反応 / ヘム蛋白質 / ガス状アルカン / フェノール / ベンゼン / 過酸化水素 / 長鎖脂肪酸
Research Abstract

長鎖脂肪酸水酸化酵素のシトクロムP450BM3に対して、それ自体は水酸化の対象とはならないが、本来の対象基質の長鎖脂肪酸に構造がよく似ているためにシトクロムP450BM3には見分けることができないパーフルオロアルキルカルボン酸をデコイ分子として反応系に添加することにより、長鎖脂肪酸以外のプロパンやブタンなどを水酸化することができる反応システムを報告した。本年度に進めた研究では、ベンゼンを高選択的にフェノールに変換することに成功するとともに、ガス状分子の圧力を5気圧に上げて反応を行うことで、プロパンとエタンの1級炭素を水酸化できることを示した。通常、ベンゼンの水酸化反応では、生成するフェノールの方がより酸化されやすいために、フェノールの過剰酸化によってタール状の副生成物を多く生成してしまうが、我々のシトクロムP450BM3とフッ素系のデコイ分子を利用する反応では、そのような副反応が全く進行しないことを明らかにした。これは、ベンゼンの水酸化反応により生じたフェノールが、活性中心が高疎水場であるためにただちにシトクロムP450BM3の活性中心から離脱するためであることも明らかとした。エタンの水酸化反応では、その酸化活性はまだ低いものの、野生型のシトクロムP450BM3によって、エタンを水酸化可能であることを示すことができた。また、単純な直鎖パーフルオロアルキルカルボン酸以外のデコイ分子を添加した場合にも、プロパンやベンゼンの水酸化反応が進行することを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

ベンゼンの高選択的水酸化やエタンガスなどの高難度水酸化反応の達成だけでなく、パーフルオロアルキルカルボン酸の誘導体を取り込んだシトクロムP450BM3の結晶構造解析に成功し、原子レベルでデコイ分子の取り込まれている状態を明らかにすることができた。結晶構造解析から今後のデコイ分子の設計に重要な知見が多く得られており、本申請課題の研究がさらに加速すると期待している。

Strategy for Future Research Activity

デコイ分子を内包したシトクロムP450BM3の結晶構造解析から得られる構造情報を基に、第二世代のデコイ分子の開発を進め、エタンを高効率に水酸化することが可能な反応系を構築する。また、CYP102A1(シトクロムP450BM3)と同じサブファミリーに属し、より高い活性を持つことで知られるCYP102A5を用いることで更なる活性の向上を目指す。ベンゼンの水酸化反応では、デコイ分子を最適化することにより毎分500回転で反応を行うことが可能なシステムの構築を目標として研究を進める。

  • Research Products

    (26 results)

All 2014 2013 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (13 results) (of which Invited: 9 results) Book (4 results) Remarks (4 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Inhibition of Heme Uptake in Pseudomonas aeruginosa by its Hemophore (HasAp) Bound to Synthetic Metal Complexes2014

    • Author(s)
      C. Shirataki, O. Shoji, M. Terada, S. Ozaki, H. Sugimoto, Y. Shiro, Y. Watanabe
    • Journal Title

      Angew. Chem. Int. Ed.

      Volume: 53 Pages: 2862-2866

    • DOI

      10.1002/anie.201307889

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Electronic Control of Discrimination between O2 and CO in Myoglobin Lacking the Distal Histidine Residue2013

    • Author(s)
      R. Nishimura, T. Shibata, I. Ishigami, T. Ogura, H. Tai, S. Nagao, T. Matsuo, S Hirota, O. Shoji, Y. Watanabe, K. Imai, S. Neya, A. Suzuki, Y. Yamamoto
    • Journal Title

      Inorg. Chem.

      Volume: 53 Pages: 1091-1099

    • DOI

      10.1021/ic402625s

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Highly Selective Hydroxylation of Benzene to Phenol by Wild-type Cytochrome P450BM3 Assisted by Decoy Molecules2013

    • Author(s)
      O. Shoji, T. Kunimatsu, N. Kawakami, Y. Watanabe
    • Journal Title

      Angew. Chem. Int. Ed.

      Volume: 52 Pages: 6606-6610

    • DOI

      10.1002/anie.201300282

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Direct Hydroxylation of Primary Carbons in Small Alkanes by Wild-type Cytochrome P450BM3 Containing Perfluorocarboxylic Acids as Decoy Molecules2013

    • Author(s)
      N. Kawakami, O. Shoji, Y. Watanabe
    • Journal Title

      Chem. Sci.

      Volume: 4 Pages: 2344-2348

    • DOI

      10.1039/C3SC50378J

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] フッ素置換基質による生体触媒の誤作動誘起と物質変換への利用2014

    • Author(s)
      荘司長三、渡辺芳人
    • Organizer
      2014年研究会「金属新機能場の開発を目指して」
    • Place of Presentation
      豊中
    • Year and Date
      20140203-20140204
    • Invited
  • [Presentation] 生体触媒の誤作動状態を逆手に取る物質変換2014

    • Author(s)
      荘司長三、渡辺芳人
    • Organizer
      新学術領域研究「分子活性化」第6回公開シンポジウムプログラム
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      20140129-20140130
    • Invited
  • [Presentation] 生体触媒の誤作動状態を利用する物質変換2014

    • Author(s)
      荘司長三、渡辺芳人
    • Organizer
      蛋白研セミナー:蛋白質の機能デザインに向けた実験と理論のインタープレー
    • Place of Presentation
      吹田
    • Year and Date
      20140124-20140124
    • Invited
  • [Presentation] Gaseous Alkanes and Benzene Hydroxylation by Wild-type Cytochrome P450BM3 Induced by Perfluorinated Carboxylic Acids2014

    • Author(s)
      O. Shoji, Y. Watanabe
    • Organizer
      The 3rd International Conference on the MEXT Project of Integrated Research on Chemical Synthesis “Synergy of Theory and Molecular Transformation”
    • Place of Presentation
      Fukuoka, Japan
    • Year and Date
      20140110-20140111
    • Invited
  • [Presentation] Gaseous Alkane Hydroxylation Catalyzed by Cytochrome P450BM3 by Tricking Its Substrate Recognition Using Decoy Molecules2013

    • Author(s)
      O. Shoji, Y. Watanabe
    • Organizer
      6th Japan-Korea Seminars on Biomolecular Science : Experiments and Simulation
    • Place of Presentation
      Okazaki, Japan
    • Year and Date
      20131125-20131127
    • Invited
  • [Presentation] Hydroxylation of Non-native Substrates by Wild-type Cytochrome P450BM3 assisted by Decoy Molecules2013

    • Author(s)
      荘司長三、渡辺芳人
    • Organizer
      第四回「分子活性化若手セミナー」
    • Place of Presentation
      鹿児島
    • Year and Date
      20131114-20131115
    • Invited
  • [Presentation] 疑似基質により誘起される生体触媒の誤作動状態を利用するバイオ触媒反応2013

    • Author(s)
      荘司長三、渡辺芳人
    • Organizer
      第6回 ChemBioハイブリッドレクチャー
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      20131109-20131109
    • Invited
  • [Presentation] フッ素置換基質を疑似基質として利用する長鎖脂肪酸水酸化酵素よるガス状アルカンの水酸化反応2013

    • Author(s)
      荘司長三、川上了史、渡辺芳人
    • Organizer
      錯体化学会第63回討論会
    • Place of Presentation
      沖縄県西原町
    • Year and Date
      20131102-20131104
  • [Presentation] 野生型シトクロムP450BM3によるベンゼン及び一置換ベンゼンの水酸化2013

    • Author(s)
      荘司長三、國松辰弥、川上了史、渡辺芳人
    • Organizer
      第6回バイオ関連化学シンポジウム
    • Place of Presentation
      名古屋
    • Year and Date
      20130927-20130929
  • [Presentation] Ethane and Benzene Hydroxylation by Wild-type Cytochrome P450BM3 Assisted by Decoy Molecules2013

    • Author(s)
      O. Shoji, T. Kunimatsu, N. Kawakami, Y. Watanabe
    • Organizer
      16th International Conference on Biological Inorganic Chemistry (ICBIC16)
    • Place of Presentation
      Grenoble, France
    • Year and Date
      20130622-20130626
    • Invited
  • [Presentation] Gaseous Alkanes and Benzene Hydroxylation by Wild-Type Cytochrome P450BM3 Assisted by Decoy Modules2013

    • Author(s)
      O. Shoji, N. Kawakami, T. Kunimatsu, Y. Watanabe
    • Organizer
      The 18th International Conference on Cytochrome P450
    • Place of Presentation
      Seattle, Washington, USA
    • Year and Date
      20130618-20130622
  • [Presentation] シトクロムP450BM3の誤作動を逆手に取るアルカン類の水酸化反応2013

    • Author(s)
      荘司長三、川上了史、國松辰弥、渡辺芳人
    • Organizer
      平成25年度 P450とUGT/SULT 研究会
    • Place of Presentation
      宮崎
    • Year and Date
      20130601-20130602
  • [Presentation] Use of Enzyme Malfunction for Small Alkane Hydroxylation2013

    • Author(s)
      O. Shoji, Y. Watanabe
    • Organizer
      The 15th joint IRTG SYMPOSIUM between University of Munster - Nagoya University
    • Place of Presentation
      Nagoya, Japan
    • Year and Date
      20130520-20130521
    • Invited
  • [Book] 月刊「化学」4月号 「化学掲示板 新聞に載った注目記事(2月) 2月5日 日本経済新聞 院内感染の原因菌, 緑膿菌の増殖を抑える技術を開発」2014

    • Author(s)
      荘司長三、白瀧千夏子
    • Total Pages
      2 (p72-p73)
    • Publisher
      ㈱化学同人
  • [Book] 配管技術12月号 「ベンゼンをフェノールに一段階で変換する新規バイオ触媒の開発」2013

    • Author(s)
      荘司長三、渡辺芳人
    • Total Pages
      5 (p1-p5)
    • Publisher
      日本工業出版株式会社
  • [Book] 化学と工業 第66巻9号 「酵素の基質誤認識を利用する不活性炭化水素の水酸化」2013

    • Author(s)
      荘司長三
    • Total Pages
      2 (p733-p734)
    • Publisher
      日本化学会
  • [Book] 月刊「化学」9月号 「酵素を“誤作動”させて行う有機合成―― 酵素反応を有機化学に利用するための反応制御」2013

    • Author(s)
      渡辺芳人、荘司長三
    • Total Pages
      6 (p39-p44)
    • Publisher
      ㈱化学同人
  • [Remarks] 生物無機化学研究室 研究業績 論文

    • URL

      http://bioinorg.chem.nagoya-u.ac.jp/publications/paper.html

  • [Remarks] 生物無機化学研究室 研究業績 教員 学会

    • URL

      http://bioinorg.chem.nagoya-u.ac.jp/publications/society_t.html

  • [Remarks] 生物無機化学研究室 研究業績 特許

    • URL

      http://bioinorg.chem.nagoya-u.ac.jp/publications/patent.html

  • [Remarks] 生物無機化学研究室 研究業績 報道・関連記事

    • URL

      http://bioinorg.chem.nagoya-u.ac.jp/publications/pressrelease.html

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 細菌の増殖抑制2014

    • Inventor(s)
      荘司長三、渡辺芳人、白瀧千夏子、岩井佑介
    • Industrial Property Rights Holder
      荘司長三、渡辺芳人、白瀧千夏子、岩井佑介
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2014-061575
    • Filing Date
      2014-03-25

URL: 

Published: 2015-05-28  

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