Structural and Bioelectrochemical analysis of Direct Electron Transfer-type bioelectrocatalysis

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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．