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

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．

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．