Structural and Bioelectrochemical analysis of Direct Electron Transfer-type bioelectrocatalysis

直接电子转移型生物电催化的结构和生物电化学分析

• 批准号: 22K14831
• 负责人: 宋和 慶盛
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14831/
• 关键词: 直接電子移動型酵素; フルクトース脱水素酵素; バイオセンサ; クライオ電子顕微鏡; 生物電気化学; 構造生物学; 酵素工学; バイオ電池; 酸化還元酵素; 直接電子移動型酵素電極反応

直接電子移動型酵素電極反応（＝DET型反応）は，酵素と電極のみで構成される理想的な反応系であり，酸化還元酵素の基礎研究から環境に優しい次世代型デバイスに向けた応用研究に至るまで，幅広い分野で注目を集めている．しかし，本反応を実現できる酵素の報告例は少なく，反応機構も解明されていない．そこで本研究では，「生物電気化学と立体構造解析および予測技術を融合させた手法によるDET型反応機構の解明」を目的とする．モデル酵素であるフルクトース脱水素酵素（FDH）の立体構造をクライオ電子顕微鏡観察法を利用し，3.6Åの分解能（PDB 7W2J）で解明した（ChemRxivにPreprint出版済）．さらに，酸化還元状態を制御した条件で，2.5Å（還元型）と2.7Å（酸化型）の分解能まで向上させた．本成果は，キノヘモあるいはフラボヘモタンパク質で報告されているDET型酵素において世界で初めての立体構造解析例である．次に，解明した立体構造に基づきFDHの基質認識機構を考察した．酵素表面を観察し，触媒活性部位であるFADに繋がる明瞭なキャビティーを確認した．ドッキングシミュレーションにより，基質認識に必要なアミノ酸残基を３つ特定できた．また，解明した立体構造を活用し生物電気化学的考察を進めた．酵素内に含まれる６個コファクターの酸化還元電位を利用し，マーカスの理論式によって酵素内電子移動速度定数を評価した．本結果より，触媒活性サブユニット内に存在する[4Fe3S]クラスターから電子伝達サブユニットに存在するヘム3c間の電子移動が律速段階であることが示唆された．また，電極との電子移動を担う電極反応部位を電気化学的に考察した．立体構造から酵素表面の静電ポテンシャルを計算し，正あるいは負に帯電させた電極を用いることで，電子伝達サブユニット内のヘム2cが電極反応部位であることを強く示唆する結果を得た．

Direct type electronic mobile enzyme electrode reverse 応 は (= DET anti 応), enzyme と electrode の み で constitute さ れ る ideal な anti 応 department で あ り, acidification and yuan enzyme の basic research か ら environment に optimal し い nextgen type デ バ イ ス に to け た 応 に with research to る ま で, picture hiroo い eset で attention を set め て い る. <s:1> されて されて, the present anti応 を phenomenon で る る enzyme is reported in the previous example 応を less なく, the anti応 institution されて explains されて な な. そ こ で this study で は, "bioelectricity 気 chemical と three-dimensional structure parsing お よ び to measurement fusion technology を さ せ た gimmick に よ る DET type の 応 authorities interpret" を purpose と す る. モ デ ル enzyme で あ る フ ル ク ト ー ス dehydrated vegetable enzyme (FDH) の three-dimensional structure を ク ラ イ オ electronic 顕 micromirror 観 examine を using し, 3.6 A の can decompose 7 w2j (PDB) で interpret し た (ChemRxiv に Preprint publishing 済). さ ら に, acidification and yuan state を suppression し で た condition, 2.5 A type (yuan) と 2.7 A (acidification) の can decompose ま で upward さ せ た. This achievement は キ ノ ヘ モ あ る い は フ ラ ボ ヘ モ タ ン パ ク qualitative で report さ れ て い る DET type enzyme に お い て め the early で て の three-dimensional structure parsing example で あ る. This time に, clarify the three-dimensional structure of た, に basis づ に FDH <s:1> matrix, recognize the mechanism を, and investigate た た. The surface of the enzyme is を観 examined to determine を観, the active site of the catalyst is であるFADに繋がる identified なキャビティ を を confirmed た. ド ッ キ ン グ シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り, matrix know に necessary な ア ミ ノ acid residues を 3 つ specific で き た. Youdaoplaceholder0, clarifying the three-dimensional structure of た を, utilizing the investigation of the electrical chemistry of living organisms を into めた. Contains enzymes inside に ま れ る six コ フ ァ ク タ ー の potential use し を, acidification and yuan マ ー カ ス の theory type に よ っ て enzymes within the electronic movement speed constant を review 価 し た. This result よ り, catalytic activity サ ブ ユ ニ ッ ト に exist within す る fe3s [4] ク ラ ス タ ー か ら electronic 伝 da サ ブ ユ ニ ッ ト に exist す る ヘ ム の electronic mobile が law between the 3 c speed Duan Jie で あ る こ と が in stopping さ れ た. Youdaoplaceholder0, electrode と <s:1> electron mobility を, う anti-応 site of う electrode を electrical chemistry に investigation of た た. Three-dimensional structure か ら enzyme surface の electrostatic ポ テ ン シ ャ ル を し calculation, are あ る い は negative に 帯 electric さ せ た を electrode with い る こ と で, electronic 伝 da サ ブ ユ ニ ッ ト within の ヘ ム が electrode reverse 応 part 2 c で あ る こ と を く and shown strong sucking す た を る results.

项目成果

Structural and Bioelectrochemical Elucidation of Direct Electron Transfer-type Membrane-bound Fructose Dehydrogenase

直接电子转移型膜结合果糖脱氢酶的结构和生物电化学阐明

• DOI: 10.26434/chemrxiv-2022-d7hl9
• 发表时间: 2022
• 期刊: ChemRxiv
• 作者: Suzuki Yohei;Makino Fumiaki;Miyata Tomoko;Tanaka Hideaki;Namba Keiichi;Kano Kenji;Sowa Keisei;Kitazumi Yuki;Shirai Osamu
• 通讯作者: Shirai Osamu

Structural and Bioelectrochemical Study of Direct Electron Transfer-type Membrane-bound Fructose Dehydrogenase

直接电子转移型膜结合果糖脱氢酶的结构和生物电化学研究

• 发表时间: 2022
• 作者: Keisei Sowa;Yohei Suzuki;Kenji Kano;Yuki Kitazumi;and Osamu Shirai
• 通讯作者: and Osamu Shirai

京都大学大学院農学研究科応用生命科学専攻生体機能化学研究室HP

京都大学大学院农学研究科应用生命科学系生物功能化学实验室HP