[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

ビタミンと金属錯体から合成した人工の酵素

プラチナPtの他、ロジウムRhルテニウムRuパラジウムPdイリジウムIrオスミウムOs。これら白金族元素に分類される金属は、有機化学合成の分野では触媒材料として、活躍が広く知られています。 しかし、生き物が環境中に希少なこれら金属元素を何かに使うといった報告は、まったく知られていません。

今まで出会わなかったものが出会うとどうなるのか、可能性はまだまだ残されていることでしょう。白金族元素を使った天然には類がない人工酵素を創成し反応を制御しようという試みが、新たに注目を集めています。触媒中心を構築する決め手は、ビタミンの1種、ビオチン(biotin)にあり。

天然に存在する酵素タンパク質が持つ触媒作用を手助けする分子を、補因子(cofactor)と言います。金属イオンの有名どころだと、Fe  Cu亜鉛ZnマンガンMn。すべての生き物に共通するわけではありませんが、バナジウムVコバルトCoニッケルNiもありますね。もう少し構造が複雑なものだと、光合成色素のクロロフィルで言うところの、フェオフィチンマグネシウムMgのように、有機小分子に金属イオンが組み合わさったものもあります。

生化学反応では決して登場しませんが、一方、有機合成の分野ではロジウムRhやルテニウムRuといった白金族元素は触媒材料としておなじみです。例えば、野依良治氏がノーベル化学賞に輝いた不斉触媒のBINAP2,2′-bis(diphenylphosphino)-1,1′-binaphthyl; バイナップ)あたりで、ロジウムやルテニウムが大活躍していることは、よく知られたところでしょう。

こういった希少な白金族元素を、土壌や食料から栄養分として、生き物が安定して手に入れることは、きっと難しかったのでしょう。酵素と白金族元素。生物進化の壁にはばまれて、今まで交わることのなかったふたつが、フラスコの中で出会うとき[1]、物語ははじまります。

 

ケトンからアルデヒドへの不斉還元

ビオチンはビタミンとしての機能とは別に、アビジンと呼ばれるタンパク質と直接に相互作用する性質[2]があります。その親和能力は、抗原抗体反応を優に超える強さです。このビオチンを誘導体にして金属錯体をつなげられるように構造を改変します。そうすると、ビオチンがアビジンとくっつくことで、金属錯体がタンパク質の特定の位置に固定できるようになります[1]。そうして上手くやれば、タンパク質のへこみに触媒能力のある金属錯体がはまって、立体障害や、付近のアミノ酸側鎖からの寄与で、反応が選択的に進むのではということは、長年の間、模索されてきました。

栄養学分野ではビタミンHとかビタミンB7とも呼ばれるビオチンの構造式

栄養学分野ではビタミンHとかビタミンB7とも呼ばれるビオチンの構造式

いくつか報告がありますが、つい最近まで知られていた活用例[3],[4]はこれ。ケトンを還元してアルコールにします。

GREEN201212biotin2b

置換基の大小に応じて、ヒドロキシ基のどちらの立体化学が優先されるか決定される不斉反応です。触媒は、ロジウム錯体のこちら。

ビオチンで固定され塩化物イオンが外れた部分でもタンパク質アミノ酸側鎖と相互作用

ビオチンで固定され塩化物イオンが外れた部分でもタンパク質アミノ酸側鎖と相互作用

えっ何?「白金族元素を使わなくても同じ反応がかの有名なパン酵母還元ミッドランド還元できるだろ」って?…確かにそうですね。

 

C-H活性化からの環構築

では、もうちょっとフクザツな反応を。炭素間結合を生成しながら、6員環を新たに構築するこちら[6]はいかがでしょう。

GREEN201212biotin3b

ピバロイル基((CH3)3CCO-; Piv-)で保護しているところが、反応が回る決め手のひとつ[5]なのですが、それだけでは立体選択になりません。反応機構[5]を考えると、そのままではどうあがいても(不斉配位子を新たに開発しない限り[8])不可能なはず[6]。しかし、ビオチンとアビジンからなるシステムでは可能になってしまいます。触媒は、ルテニウム錯体のこちら。

ビオチンで固定され塩化物イオンが外れた部分でもタンパク質アミノ酸側鎖と相互作用

「ほうほう 風変わりな方法論ですな」と思っていたら、2012年『サイエンス』[6]だけではなく、2012年『ネイチャーケミストリー』[7]にも、今度は白金族元素でイリジウムIr錯体を使い別の反応で報告が(まだオンライン先行公開状態ですけど)。興味あるかたはこちらもご確認ください。

 

参考論文

  1. “Conversion of a protein to a homogeneous asymmetric hydrogenation catalyst by site-specific modification with a diphosphinerhodium(I) moiety.” Wilson ME et al. J. Am. Chem. Soc. 1978 DOI: 10.1021/ja00469a064
  2. “Structural origins of high-affinity biotin binding to streptavidin.” Weber PC et al. Science 1989 DOI: 10.1126/science.2911722
  3. “Artificial metalloenzymes based on biotin-avidin technology for the enantioselective reduction of ketones by transfer hydrogenation.” Letondor C et al. Proc. Natl. Acad. Sci. 2005 DOI: 10.1073/pnas.0409684102
  4. “Artificial transfer hydrogenases based on the biotin-(strept)avidin technology: Fine tuning the selectivity by saturation mutagenesis of the host protein.” Lentondor C et al. J. Am. Chem. Soc. 2006 DOI: 10.1021/ja061580o
  5. “Rhodium(III)-catalyzed heterocycle synthesis using an internal oxidant: Improved reactivity and mechanistic studies.” Guimond N et al. J. Am. Chem. Soc. 2011 DOI: 10.1021/ja201143v
  6. “Biotinylated Rh(III) complexes in engineered streptavidin for accelerated asymmetric C-H activation.”  Hyster TK et al. Science 2012 DOI: 10.1126/science.1226132
  7. “Synthetic cascades are enabled by combining biocatalysts with artificial metalloenzymes.” Kohler V etal. Nature Chemistry 2012 DOI: 10.1038/nchem.1498
  8. “Chiral Cyclopentadienyl Ligands as Stereocontrolling Element in Asymmetric C–H Functionalization.” Ye B et al. Science 2012 DOI: 10.1126/science.1226938

 

関連書籍

 

The following two tabs change content below.
Green

Green

静岡で化学を教えています。よろしくお願いします。
Green

最新記事 by Green (全て見る)

関連記事

  1. 付設展示会に行こう!ーシグマアルドリッチ編ー
  2. ハメット則
  3. ナノグラムの油状試料もなんのその!結晶に封じて分子構造を一発解析…
  4. 2009年イグノーベル賞決定!
  5. 超原子価臭素試薬を用いた脂肪族C-Hアミノ化反応
  6. 直鎖アルカンの位置選択的かつ立体選択的なC–H結合官能基化
  7. 科学はわくわくさせてくれるものーロレアル-ユネスコ賞2015 P…
  8. 採用面接で 「今年の日本化学会では発表をしますか?」と聞けば

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. Nature Chemistry誌のインパクトファクターが公開!
  2. クリック反応の反応機構が覆される
  3. 自由の世界へようこそ
  4. 武田薬、糖尿病治療剤「アクトス」の効能を追加申請
  5. ジアゾカップリング diazocoupling
  6. 沈 建仁 Jian-Ren Shen
  7. ヒノキチオール (hinokitiol)
  8. ゴキブリをバイオ燃料電池、そしてセンサーに
  9. マッテソン反応 Matteson Reaction
  10. イオン性置換基を有するホスホール化合物の発光特性

関連商品

注目情報

注目情報

最新記事

アルコールをアルキル化剤に!ヘテロ芳香環のC-Hアルキル化

2015年、プリンストン大学・D. W. C. MacMillanらは、水素移動触媒(HAT)および…

三種類の分子が自発的に整列した構造をもつ超分子共重合ポリマーの開発

第123回のスポットライトリサーチは、テキサス大学オースティン校博士研究員(Jonathan L. …

超分子化学と機能性材料に関する国際シンポジウム2018

「超分子化学と機能性材料に関する国際シンポジウム2018」CEMS International Sy…

アメリカで Ph. D. を取る –研究室に訪問するの巻–

この連載は、米国の大学院で Ph.D. を取得することを目指す学生が日記感覚で近況を記録するためのも…

光触媒ラジカルカスケードが実現する網羅的天然物合成

四川大学のYong Qinらは、可視光レドックス触媒によって促進される窒素ラジカルカスケード反応によ…

有機反応を俯瞰する ー縮合反応

今回は、高校化学でも登場する有機反応であるエステル合成反応を中心に、その反応が起こるメカニズムを解説…

Chem-Station Twitter

PAGE TOP