[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

光触媒を用いたC末端選択的な脱炭酸型bioconjugation

光触媒を用いた反応開発で世界をリードしているMacMillan先生が今度はケミカルバイオロジー分野に参入か!?

Decarboxylative alkylation for site-selective bioconjugation of native proteins via oxidation potentials

Bloom, S.; Liu, C.; Kölmel, D.; Qiao, J.; Zhang, Y.; Poss, M.; Ewing, W.; MacMillan, D.

Nat. Chem. DOI: 10.1038/NCHEM.2888

反応開発の人が比較的取り組みやすい(と個人的に思っている)bioconjugationに自身の反応を応用しています。

bioconjugationとはなんぞや?と思われる方、大丈夫です、ケムステコンテンツはちゃんとそこまでフォローしてますよ!ということで詳細はこちらに説明を託して早速本文の紹介に進みたいと思います。

Bioconjugationに必要な条件とは

bioconjugationはペプチド/タンパク質を基質として用いる系なので、

  1. 反応は水系で行わなければならない。
  2. 一般的にタンパク質溶液は高濃度には調整できない(溶解しない)ため、低濃度でも反応が進行する必要がある。
  3. 温和な条件が必要。(タンパク質の3次構造を壊したくない)
  4. 高い選択性が必要。(様々な官能基が共存しているので)

なかなか厳しい条件ですが、MacMillanの反応はこれらを満たしているということですね。

水中での反応性と官能基選択性

今回の報告で彼らは光触媒を用いて脱炭酸を伴ったラジカルを発生させ、官能基化を行っています。高い反応性を有するラジカル反応が水中でタンパク質修飾に有用であることはこれまでの報告でもあるので(ラジカル反応制御を基盤とするタンパク質修飾法の開発[1]「同時多発研究」再び!ラジカル反応を用いたタンパク質の翻訳後修飾)、本反応系がbioconjugationに用いることのできるというのは納得できます。

ラジカル反応を利用したBioconjugation

 

続いて選択性です。今回の報告はC末選択的な脱炭酸型官能基化です。

タンパク質の中にはC末端以外にもアスパラギン酸やグルタミン酸といった側鎖にカルボン酸を有するものが存在しうるにも関わらず、本反応ではむしろマイナーであるC末端のカルボン酸が選択的に反応します。そのカラクリはラジカルの生成のしやすさです。C末端のカルボン酸は脱炭酸後に生成するラジカルは隣にヘテロ原子(窒素)が存在するため、アスパラギン酸やグルタミン酸の側鎖から生成するラジカル種より安定です。これがC末選択的に反応が進行する所以です。

反応の選択性:側鎖のカルボン酸 vs C末端のカルボン酸(出典: Fig. 1を改変)

光触媒の検討

さて、C末選択的に脱炭酸的な官能基化が進行しそうなことはわかりました。ということは、後は、MacMillanらがこれまで報告している反応条件で試せば終わり!と思うのですが、そうは問屋はおろしません。

本反応系で一般的に用いられる水溶性のルテニウム触媒や有機色素分子ではあまり反応が進行しません。そこで彼らは次なる触媒としてflavinを選定しました。flavinはα置換アセテートの脱炭酸反応を触媒することが知られていますが、二電子移動反応です。一電子移動反応には不向きであると直感的に思われますが、実はこれが良かったようです。

反応機構: フラビンがSETで触媒している

Limitationは?

気になる官能基許容性はというと、

LysとHis→酸性条件にすれば反応が進行する。

Tyr→低活性なflavin触媒を用いれば反応が進行しますが、やはり低収率です。Tyrは潜在的に酸化されやすいので致し方ないのですかね。

Cys、Met、Trp→これらを有するペプチド/タンパク質は論文中に出てきませんでした。Cysは今回の反応剤にマイケルアクセプターを用いているので難しそうです。MetやTrpはチオエーテルやインドールの酸化反応が優先的に進行してしまうのでしょうか。

上記以外のアミノ酸残基では良好に反応が進行するようですね。

インスリンの官能基化

本手法の応用として彼らはインスリンへの官能基化を試みています。

インスリンは二本のペプチド鎖(A-chain、B-chain)がジスルフィドで架橋された構造です。つまりC末端が二箇所あるタンパク質であり、またこの二本のペプチド鎖には4つのグルタミン酸残基を有しています。しかも本反応系では不得意であるチロシン残基も4つあるという、なんともチャレンジングなターゲットです。

しかし実際には彼らの手法を試してみると、A-chain優先的にC末端の官能基化が達成されました。もちろんジスルフィドも、グルタミン酸のカルボン酸も、他のヘテロ原子も保持されたままです。

インスリンへの応用(出典: Fig. 4)

 

B-chainではなくA-chain優先的に反応が進行する理由として彼らは二つの可能性について言及しています。

一つは単純にA-chainのC末端の方がB-chainのそれより酸化しやすいということ。もう一つは、A-chainのC末端近辺の疎水的な面に光触媒が局在し、近接効果でA-chainのC末端優先的に反応が進行するという可能性。どちらについても根拠は示されていないので推測の域は出ませんが、A-chainとB-chainで差が見られるのは非常に面白いですね。

おわりに

今回報告を含め、bioconjugation法で完璧なものは未だ存在しません。どのタンパク質の、どの部位に修飾したいのか、ということを考えて適切な方法を採用するというのが現状であり、そのため、新たなbioconjugation法の確立は未だ重要なトピックだと思います。

また今回の報告はbioconjugation法への応用でしたが、今後はbioorthogonal反応や、生細胞中でのnativeなタンパク質へのラベル化などに応用されていくのでしょうか?この先の展開も気になりますね。それでは今回はこの辺で。

参考文献

[1]Sato, S.; Nakamura, H. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 8681. DOI:10.1002/anie.201303831

 

関連書籍

関連リンク

 

The following two tabs change content below.
goatfish

goatfish

専門は有機化学です。有機合成と運動さえできればもう何もいりません。

関連記事

  1. 人工DNAを複製可能な生物ができた!
  2. 炭素を1つスズに置き換えてみたらどうなる?
  3. 学会会場でiPadを活用する①~手書きの講演ノートを取ろう!~
  4. 軽量・透明・断熱!エアロゲル(aerogel)を身近に
  5. ビュッヒ・フラッシュクロマト用カートリッジもれなくプレゼント!
  6. あなたはどっち? 絶対立体配置
  7. ここまでできる!?「DNA折り紙」の最先端 ② ~巨大な平面構造…
  8. 研究室でDIY!~光反応装置をつくろう~

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 【書籍】『これから論文を書く若者のために』
  2. 肩こりにはラベンダーを
  3. 福井 謙一 Kenichi Fukui
  4. “follow”は便利!
  5. 二酸化セレン Selenium Dioxide
  6. もっと化学に光を! 今さらですが今年は光のアニバーサリーイヤー
  7. ディスコデルモライド /Discodermolide
  8. 2011年イグノーベル賞決定!「わさび警報装置」
  9. 文具に凝るといふことを化学者もしてみむとてするなり : ② 「ポスト・イット アドバンス」
  10. アミドをエステルに変化させる触媒

関連商品

注目情報

注目情報

最新記事

アメリカ大学院留学:実験TAと成績評価の裏側

前回、アメリカの大学院でのティーチングアシスタント(TA)について、講義TAの様子を紹介しました(ア…

有機合成化学協会誌 紹介記事シリーズ

有機合成化学に関わる方ならばおなじみの有機合成化学協会誌。有機合成化学協会の会員誌であり、様々な有機…

固体NMR

固体NMR(Solid State NMR)とは、核磁気共鳴 (NMR) 分光法の一種で固体そのもの…

NMRの基礎知識【測定・解析編】

本シリーズでは、NMRの原理から実例までをできるだけ分かりやすくご紹介したいと思います。前回の【原理…

「人工知能時代」と人間の仕事

デジタル技術の進歩は著しく、特に、人工知能(AI)と呼ばれる機械学習システムの進歩は、世界の労働者の…

特定の刺激でタンパク質放出速度を制御できるスマート超分子ヒドロゲルの開発

第134回のスポットライトリサーチは、京都大学大学院 工学研究科 合成·生物化学専攻 浜地研究室の重…

Chem-Station Twitter

PAGE TOP