Rational Design of Artificial Metalloenzymes toward On-demand Functionalization of C-H Bond

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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を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、ミオグロビン、ヘルズゲートグロビン、シトクロムP450、ペルオキシダーゼとポルフィリンの類縁体であるポルフィセンやコロール、テトラデヒドロコリンおよびそれらに電子求引基や供与基を導入した分子の金属錯体をそれぞれ組み合わせた一連の人工金属酵素を得た。本年度は、これらの中で活性の高かった人工金属酵素について、水酸化とアミノ化反応の活性、選択性の向上を目指して変異導入を実施した。変異は活性中心近傍のアミノ酸残基に導入し、得られる人工金属酵素変異体について 触媒活性の評価を実施した。一部の人工金属酵素の変異体は変異導入前のものを超える活性、選択性を示した。特にアミノ化に注目し、ミオグロビンに鉄ポルフィセンを挿入した人工金属酵素が、分子内アミノ化反応に高い触媒活性を示した。さらにその作用機序を解明すべく、速度論的な評価を実施し、予想通り炭素水素結合の活性化が律速段階であることを明らかにした。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。