[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

[スポンサーリンク]

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

 

Green

Green

投稿者の記事一覧

静岡で化学を教えています。よろしくお願いします。

関連記事

  1. スイスでポスドクはいかが?
  2. 面接官の心に刺さる志望動機、刺さらない志望動機
  3. 幾何学の定理を活用したものづくり
  4. UCLA研究員死亡事故・その後
  5. 【第11回Vシンポ特別企画】講師紹介②:前田 勝浩 先生
  6. 核酸医薬の物語2「アンチセンス核酸とRNA干渉薬」
  7. ゾル-ゲル変化を自ら繰り返すアメーバのような液体の人工合成
  8. 付設展示会に行こう!ーシグマアルドリッチ編ー

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. ヒドロメタル化 Hydrometalation
  2. 特許の基礎知識(1)そもそも「特許」って何?
  3. 紫外線に迅速応答するフォトクロミック分子
  4. 手術中にガン組織を見分ける標識試薬
  5. 優れた研究者は優れた指導者
  6. ガ求愛行動:性フェロモンを解明 東大など
  7. 大塚製薬4200億円で米バイオベンチャーを買収
  8. 東芝やキヤノンが優位、微細加工技術の「ナノインプリント」
  9. フォン・リヒター反応 von Richter Reaction
  10. フォルハルト・エルドマン環化 Volhard-Erdmann Cyclization

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

注目情報

注目情報

最新記事

不溶性アリールハライドの固体クロスカップリング反応

第305回のスポットライトリサーチは、北海道大学大学院工学研究院 (伊藤研究室)・瀬尾 珠恵さんにお…

化学のためのPythonによるデータ解析・機械学習入門

hodaです。今回は筆者の勉強用に読んだ機械学習関連の書籍を紹介します。概要本書は、…

アカデミックから民間企業へ転職について考えてみる 第三回

カデミックから民間企業へ転職した場合、入社後にギャップを感じる人が少なからずいます。もちろん、どんな…

第142回―「『理想の有機合成』を目指した反応開発と合成研究」山口潤一郎 教授

第142回の化学者インタビューは日本から、皆さんご存じ、山口潤一郎教授の登場です。名古屋大学理学部化…

【書籍】ゼロからの最速理解 プラスチック材料化学

今月発売された『ゼロからの最速理解 プラスチック材料化学』(佐々木 健夫 著,コロナ社)という書籍を…

重水は甘い!?

同位体はある元素、すなわち同一の原子番号をもつ原子核において、中性子数の異なる核種のことをいいますね…

人物でよみとく化学

概要化学の歴史をつくった約50人を収録。高校・大学の化学の勉強に役立つ16テーマをあつかい、…

金属ナトリウム分散体(SD Super Fine ™)

概要金属ナトリウム分散体(SD Super Fine ™)は、金属ナトリウムの微粒…

Chem-Station Twitter

PAGE TOP