新規バイオデバイス構築に向けた酵素電極界面電子移動へのタンパク質工学的アプローチ

用于构建新型生物器件的酶电极界面电子转移的蛋白质工程方法

• 批准号: 17J08760
• 负责人: 日比野 佑哉
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J08760/
• 关键词: 直接電子移動型酵素電極反応; フルクトース脱水素酵素; 変異導入; バイオ電池; 直接電子移動

酸化還元酵素と電極が直接反応する直接電子移動（DET）型反応は，バイオ電池やバイオセンサへの展開において種々のメリットを持つ．本研究は，DET型触媒活性が非常に高い酢酸菌由来の膜結合型酵素であるフルクトース脱水素酵素（FDH）に注目し，実用化に向けた酵素の改良と，反応メカニズムの解明を目指した．以下の2点について研究した．1．変異導入によるFDHの最小化FDHのDET型触媒反応において，電子は酵素内部に3つ存在するヘムcを経由して電極へ移動する．昨年度の研究で，酵素内部の電子移動経路を明らかにした．そこでFDHの3つのヘムcのうち最も酸化還元電位が低いと考えられるものを除いた2つを欠損した変異体を構築した．この変異により，DET型触媒活性を維持できる範囲で最小と考えられる変異体(Δ1c2c)を作製し，より低電位での酵素電極間電子移動を試みた．結果，Δ1c2cはDET型触媒活性を示した．またFDHに比べ非常に低い電位でのDET型触媒反応が可能であった．これは，バイオ電池の高出力化に繋がり，非常に有用な変異導入といえる．一方で電流密度は大きく低下した．この原因についてはさらなる検討が必要である．2．変異体のDET型触媒反応の速度論的解析による考察これまでに導入した各変異がDET型触媒反応へおよぼす影響の定量的な評価を目指して，電極上に吸着した酵素のDET型触媒反応についての既存のモデルを使用し，DET型触媒反応を速度論的に解析した．解析の結果，過去に導入した変異では，狙い通りヘムcの酸化還元電位の低下が起きていることが示唆された．また、酵素電極間の電子移動速度定数が増大する傾向が見られ，これは，酵素の電極への吸着配向性がよりDET型触媒反応に適した配向となっているものと推測した．

直接电子转移（DET）反应，其中氧化还原酶和电极反应在生物室和生物传感器的发展中具有各种优势。这项研究集中在果糖脱氢酶（FDH）上，这是一种源自具有极高DET催化活性的乙酸细菌的膜结合的酶，旨在改善酶以实践使用并阐明反应机理。研究了以下两个点。 1。通过诱变最小化FDH的FDH，在FDH的Det型催化反应中，电子通过酶内部的三个血红素C传递到电极。在去年的一项研究中，我们揭示了酶内部的电子转移途径。因此，我们构建了一个突变体，该突变体在FDH中缺少三个血红素CS中的两个，除了被认为具有最低氧化还原电位的突变体。该突变产生了一种突变体（Δ1C2C），该突变体被认为是可以维持DET催化活性的范围内最小的突变体，并试图以较低的电势将电子传递。结果，Δ1C2C显示出DET型催化活性。此外，与FDH相比，可能在非常低的电位下进行DET型催化反应。这导致了更高的生物库，使其成为非常有用的诱变。另一方面，电流密度显着下降。原因的原因需要进一步考虑。 2。通过动力学分析考虑突变体的DET型催化反应，以定量评估迄今为止对Det型催化反应引入的每种突变的影响，我们使用了酶的Det型催化反应的现有模型，这些酶的酶的催化反应模型吸附了电极对电极对分析脱离型型催化反应的分析。分析表明，先前引入的突变导致血红素C的氧化还原电位下降。此外，酶电极之间的电子转移速率常数增加趋势，这被推测，酶对电极的吸附方向更适合于Det型催化反应。

项目成果

バイオ電池に用いるアノード酵素のタンパク質工学的手法による高性能化

利用蛋白质工程技术提高生物电池中阳极酶的性能

• 发表时间: 2017
• 作者: 日比野佑哉;河井翔太;北隅優希;白井理;加納健司;日比野佑哉，河井翔太，北隅優希，白井理，加納健司
• 通讯作者: 日比野佑哉，河井翔太，北隅優希，白井理，加納健司

Protein-Engineering Improvement of Direct Electron Transfer-Type Bioelectrocatalytic Properties of d-Fructose Dehydrogenase

• DOI: 10.5796/electrochemistry.18-00068
• 发表时间: 2019-01
• 期刊: Electrochemistry
• 影响因子: 2.5
• 作者: Yuya Hibino;S. Kawai;Y. Kitazumi;O. Shirai;K. Kano

Enhanced Direct Electron Transfer of Fructose Dehydrogenase Rationally Immobilized on a 2-Aminoanthracene Diazonium Cation Grafted Single-Walled Carbon Nanotube Based Electrode

• DOI: 10.1021/acscatal.8b02729
• 发表时间: 2018-11-01
• 期刊: ACS CATALYSIS
• 影响因子: 12.9
• 作者: Bollella, Paolo;Hibino, Yuya;Antiochia, Riccarda
• 通讯作者: Antiochia, Riccarda

直接電子移動型の酵素触媒電極反応特性の向上を志向したタンパク質工学的アプローチ

旨在改善直接电子转移酶催化电极反应特性的蛋白质工程方法

• 发表时间: 2018
• 作者: 日比野佑哉;河井翔太;北隅優希;白井理;加納健司
• 通讯作者: 加納健司

フルクトース脱水素酵素変異体による直接電子移動型酵素電極反応の電気化学的評価

果糖脱氢酶突变体直接电子转移酶电极反应的电化学评价

• 发表时间: 2018
• 作者: 日比野佑哉;河井翔太;北隅優希;白井理;加納健司
• 通讯作者: 加納健司