中性子産業利用推進協議会

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- 地球の窒素循環を担う酵素の反応機構を全原子構造決定により解明 -

令和2年2月10日
量子科学技術研究開発機構
大阪大学
茨城大学
茨城県
J-PARCセンター

発表のポイント
○ 窒素循環の鍵酵素の反応部位の全原子構造を世界で初めて高精度で決定
○ 実験(構造情報)と理論(量子化学計算)を統一的につなぐ化学反応機構
を提唱
○ 温室効果ガスの低減や窒素化合物による環境汚染の改善に繋がると期待

量子科学技術研究開発機構 量子生命科学領域の玉田太郎グループリーダーと平野優主幹研究員、大阪大学大学院薬学研究科の井上豪教授と福田庸太助教、茨城大学フロンティア応用原子科学研究センターの日下勝弘教授らは共同で、地球の窒素循環の鍵反応を担うタンパク質である銅含有亜硝酸還元酵素(CuNIR)の高精度中性子結晶構造解析に成功しました。その結果、本酵素中で化学反応が進行する部位 (活性中心) に存在する銅イオンに水酸化物イオンが結合した状態を可視化し、これまでの理論的予想が正しいことを示す証拠を初めて得るなど、反応機構の詳細が明らかになりました。

地球の窒素循環において、土壌や水域中の窒素化合物は微生物の働きによって窒素分子へと段階的に変換され、大気中へ放出されます。この地球化学的に重要な過程は脱窒とよばれ、様々な酵素によって担われていますが、なかでも亜硝酸イオンを一酸化窒素ガスに変える反応 (亜硝酸還元反応)を行うCuNIRは、脱窒過程の鍵酵素と呼ばれています。この酵素がどのようにしてその反応を行っているのかを理解したいと、世界中の研究者が挑戦してきました。しかしこれまで、量子化学計算と整合するような原子・電子レベルでの正確な構造を実験的に提示することは出来ていませんでした。これは、従来主に用いられてきたX線結晶構造解析という手法では、CuNIRを構成する原子の約半分を占め、反応に直接関わる水素原子を十分に観測できないことが原因でした。

そこで研究グループは、水素原子を直接観察できる中性子結晶構造解析という手法に着目しました。これを行うためには極めて高品質かつ従来法の1万倍という大きな結晶試料を作成することが必要でしたが、その困難を乗り越え、水素原子も含んだCuNIRの全原子構造を高解像度で決定することに成功しました。その結果、酵素の活性中心に存在する銅イオンには、従来の結晶構造解析の結果から考えられていた水分子ではなく、そこからプロトン(水素原子)一個が取り除かれた水酸化物イオンが結合していることを発見しました。また、亜硝酸還元反応に必要な電子の移動を促進するような仕組み(水素結合)が、タンパク質内に存在していることも明らかにしました。こうしたことは量子力学を用いた理論研究から予想されていましたが、本研究によって世界で初めて実験的に証明されたことになります。

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左が全体構造(水素原子位置は白い玉で表示)。右は部分構造を抜き出したもの。水素原子(赤)や重水素原子(緑)のシグナル(原子核散乱長密度分布:網目)がはっきりと見える。実験には重水を用いているため、水分子として重水分子を観察しており、アミノ酸中の水素原子も一部重水素原子に置き換わっている。

本研究で得られた知見は、CuNIRによる化学反応を適切に促進/抑制できる技術の開発の基盤となり、この働きを強化した微生物の利用や人工酵素の開発を通じて、将来的に、一酸化二窒素ガス(二酸化炭素をしのぐ温室効果ガス)の低減による大気環境の改善や、肥料として環境中に過剰流入した窒素化合物の低減による土壌・水質汚染の改善が期待できます。また、今回の研究のアプローチは、CuNIRのみならず、あらゆる生物の酵素の働きの理解にも応用できると考えられ、生命現象の本質を極めて正確な立体構造情報に基づいて量子レベルから理解しようとする「量子構造生物学」という領域が切り拓かれることが期待できます。

本研究成果は、Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(米国科学アカデミー紀要)誌のオンライン版に2020年2月11日(火)に掲載されました。

詳細につきましては下記のURLをご参照ください。
http://www.j-parc.jp/c/press-release/2020/02/11000412.html