朝倉研究室 - 東京工業大学生命理工学院生命理工学系

①光エネルギーを電子へ

水溶液中の光励起電子移動

酵素反応を利用するとき，低い活性化エネルギーで反応が進行する一方で，水溶液中では光増感剤から電子伝達体への電子移動反応が不利になるというジレンマがあります。この電子移動の効率を高めるためには，電子移動の際に必要な溶媒かご（Solvent cage）形成速度が鍵となります。電子移動の際のSolvent cage形成速度を高め，光励起1重項経由の電子移動が進行する分子の開発を行なっています。分子を設計・合成し，ナノ秒レーザーフラッシュ法で解析を行なっています。

②ダイオード型電子伝達系の開発

ダイオード型電子伝達タンパク質シトクロムc₃

非拡散の光駆動型酵素反応系を構築する場合，光と物質をつなげるためには電子伝達体の役割が重要になります。酸化還元タンパク質シトクロムc₃は4つの電子を高効率かつ選択的に受け渡すことができるダイオード型電子伝達体です。シトクロムc₃は分子内で電子を一定方向に流す電子移動の指向性と選択的にパートナーを認識する電子プール機構を有しています。これらの機能に関わるシトクロムc₃の4つのヘムの役割を明らかにし、電子伝達メカニズムを解明する研究に取り組んでいます。

PFV（Protein Film Voltammetry）を用いたシトクロムc₃の分子内電子移動測定

シトクロムc₃の分子内電子移動メカニズムを明らかにするため、PFVを用いた測定を行なっています。 PFVでは，炭素電極にタンパク質を固定化することにより、酸化還元タンパク質と電極の直接電子移動を測定できます。

PFVの利点
1.生体内で行なわれる酸化還元タンパク質の電子移動反応をin vitroで測定可能
→電極表面とタンパク質の間で抵抗が0に近い
2.微量の量(5μL以下)で簡単な操作で測定可能→単層電極のチャージによって簡単にタンパク質が吸着

PFVを用いてシトクロムc₃の各ヘムの酸化還元電位や構造変化について調べています。これにより各ヘムの役割を明らかにし，ヘム間を電子が移動する経路の解明を行なっています。

高感度EQCM（Electrochemical Quartz Crystal Microbalance）法を用いた
シトクロムc₃の電子プール機構の解明

シトクロムc₃の電子プール機構を測定するために高感度EQCM法を利用した測定を行なっています。

EQCM法とは、電気化学測定とナノグラム秤量法であるQCM法との同時測定法です。水晶振動子の電極を用いることにより、分子の吸着などによる電極表面の重量変化を振動数変化から検出することができます。当研究室では、EQCM法を高感度化することにより、従来は10~1000Hzオーダーであった振動数変化を1Hz以下の精度で検出できるようになりました。これにより、電極界面における溶液中の分子の動きをモニターできます。この手法を用いて、タンパク質の動きを分子レベルでモニターしています。

高感度EQCM法を用いてシトクロムc₃の電子プール機構の解明に取り組んでいます。電極上に固定化した酸化還元分子ビオローゲンとシトクロムc₃との電子移動複合体形成反応を振動数変化から調べます。電子伝達の相手が生体内パートナーではない場合には電子プール機構が働くため、複合体形成速度が低くなります。特定のヘムのみが電子伝達に関与しないシトクロムc₃変異体を用いて電子プール機構に関与するヘムの特定を行なっています。

電気化学プローブを用いたシトクロムc₃の電子移動指向性の測定

シトクロムc₃の分子内の電子移動指向性を明らかにするため、走査型電気化学顕微鏡のプローブ電極を利用した新しい測定法の開発を行なっています。プローブ電極は直径12.5μmのディスク型微小電極であり、高さ方向の位置をナノメートルスケールでコントロール可能です。したがって、基盤電極に固定化した分子とプローブ電極に固定化した分子の直接的な分子間電子移動を測定できます。シトクロムc₃の配向を制御することにより、シトクロムc₃の電子移動指向性について調べています。

③電子から物質へ

高感度EQCM法を利用したタンパク質の分子間電子移動測定

電極上に固定化した分子と溶液中の分子が電子移動する際の複合体形成反応を調べます。高感度EQCM法を利用することにより、溶液中の分子の動きをモニターすることに取り組んでいます。例えば、電極に固定化したシトクロムc₃と溶液中のヒドロゲナーゼの複合体形成反応について調べています。

酵素分子内電子移動の新規測定法開発

酸化還元酵素の機能を最大限に利用するためには，酵素の分子内電子移動のメカニズムを明らかにする必要があります。分子レベルで酵素分子内電子移動速度を測定するため，ITO透明電極と電子移動インジケーターを利用した新しい測定法の開発を行なっています。

新しい測定法を実現するためには，それと同時に新しい装置の開発が必要不可欠です。当研究室では，装置の構築・開発も自分たちの手で行っています。当研究室で構築した分光電気化学測定装置では，分子の酸化還元をコントロールしながら分光学的測定を行なうことができます。分子レベルの電子移動をミリ秒以下で取り出すため，さらに高感度かつ高時間分解能な測定装置の開発に取り組んでいます。