[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. ケムステイブニングミキサー2015へ参加しよう!
  2. 炭素をつなげる王道反応:アルドール反応 (2)
  3. 【書籍】研究者の仕事術~プロフェッショナル根性論~
  4. 光と熱で固体と液体を行き来する金属錯体
  5. 新たな特殊ペプチド合成を切り拓く「コドンボックスの人工分割」
  6. フラスコ内でタンパクが連続的に進化する
  7. アメリカ化学留学 ”立志編 ー留学の種類ー̶…
  8. 第94回日本化学会付設展示会ケムステキャンペーン!Part I

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 第一回 人工分子マシンの合成に挑む-David Leigh教授-
  2. 大塚製薬4200億円で米バイオベンチャーを買収
  3. 秋田の女子高生が「ヒル避け」特許を取得
  4. 有機無機ハイブリッドペロブスカイトはなぜ優れているのか?
  5. 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 PartII
  6. アコニチン (aconitine)
  7. 生涯最高の失敗
  8. 持田製薬/エパデールのスイッチOTC承認へ
  9. 安全なジアゾメタン原料
  10. スケールアップ実験スピードアップ化と経済性計算【終了】

関連商品

注目情報

注目情報

最新記事

北エステル化反応 Kita Esterification

概要ルテニウム触媒存在下、エチニルエチルエーテル試薬を脱水剤として用い、カルボン酸とアルコールか…

一人二役のフタルイミドが位置までも制御する

N-ヒドロキシフタルイミドを用いる逆マルコフニコフ型のヒドロアミノ化が報告された。遷移金属触媒および…

ジアゾニウム塩が開始剤と捕捉剤を“兼務”する

アリールジアゾニウム塩を用いたプレニルカルバマート/ウレアのシクロアミノジアゾ化反応が開発された。入…

パラジウム光触媒が促進するHAT過程:アルコールの脱水素反応への展開

2016年、イリノイ大学シカゴ校・Vladimir Gevorgyanらは、Pd(0)触媒の共存下、…

ウラジミール・ゲヴォルギャン Vladimir Gevorgyan

ウラジミール・ゲヴォルギャン(Vladimir Gevorgyan、1956年8月12日-)は、アメ…

有機合成化学協会誌2018年11月号:オープンアクセス・英文号!

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2018年11月号がオンライン公開されました。今月…

PAGE TOP