[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

[スポンサーリンク]

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

[amazonjs asin=”1561591610″ locale=”JP” title=”Bioconjugation: Protein Coupling Techniques for the Biomedical Sciences”] [amazonjs asin=”1617373540″ locale=”JP” title=”Bioconjugation Protocols: Strategies and Methods (Methods in Molecular Biology)”] [amazonjs asin=”1617791504″ locale=”JP” title=”Bioconjugation Protocols: Strategies and Methods (Methods in Molecular Biology)”]

関連リンク

 

Avatar photo

goatfish

投稿者の記事一覧

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. ちょっと変わったイオン液体
  2. 2010年ノーベル化学賞ーお祭り編
  3. リン–リン単結合を有する化合物のアルケンに対する1,2-付加反応…
  4. 有機レドックスフロー電池 (ORFB)の新展開:オリゴマー活物質…
  5. 三脚型トリプチセン超分子足場を用いて一重項分裂を促進する配置へと…
  6. 有機化学者のラブコメ&ミステリー!?:「ラブ・ケミスト…
  7. 「anti-マルコフニコフ型水和反応を室温で進行させる触媒」エー…
  8. 日本化学会 第103春季年会 付設展示会ケムステキャンペーン P…

注目情報

ピックアップ記事

  1. 未来の病気診断はケータイで!?
  2. タミフルの新規合成法・その2
  3. ケック マクロラクトン化 Keck Macrolactonization
  4. 第33回「セレンディピティを計画的に創出する」合田圭介 教授
  5. 亜鉛クロロフィル zinc chlorophyll
  6. 化学大手、原油高で原料多様化・ナフサ依存下げる
  7. 魅惑の薫り、漂う香り、つんざく臭い
  8. 消光団分子の「ねじれ」の制御による新たな蛍光プローブの分子設計法の確立
  9. 第18回次世代を担う有機化学シンポジウム
  10. 素材・化学で「どう作るか」を高度化する共同研究拠点、産総研が3カ所で整備

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2018年1月
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031  

注目情報

最新記事

有機合成化学協会誌2025年1月号:完全キャップ化メッセンジャーRNA・COVID-19経口治療薬・発光機能分子・感圧化学センサー・キュバンScaffold Editing

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2025年1月号がオンライン公開されています。…

配位子が酸化??触媒サイクルに参加!!

C(sp3)–Hヒドロキシ化に効果的に働く、ヘテロレプティックなルテニウム(II)触媒が報告された。…

精密質量計算の盲点:不正確なデータ提出を防ぐために

ご存じの通り、近年では化学の世界でもデータ駆動アプローチが重要視されています。高精度質量分析(HRM…

第71回「分子制御で楽しく固体化学を開拓する」林正太郎教授

第71回目の研究者インタビューです! 今回は第51回ケムステVシンポ「光化学最前線2025」の講演者…

第70回「ケイ素はなぜ生体組織に必要なのか?」城﨑由紀准教授

第70回目の研究者インタビューです! 今回は第52回ケムステVシンポ「生体関連セラミックス科学が切り…

第69回「見えないものを見えるようにする」野々山貴行准教授

第69回目の研究者インタビューです! 今回は第52回ケムステVシンポ「生体関連セラミックス科学が切り…

第68回「表面・界面の科学からバイオセラミックスの未来に輝きを」多賀谷 基博 准教授

第68回目の研究者インタビューです! 今回は第52回ケムステVシンポ「生体関連セラミックス科学が切り…

配座制御が鍵!(–)-Rauvomine Bの全合成

シクロプロパン環をもつインドールアルカロイド(–)-rauvomine Bの初の全合成が達成された。…

岩田浩明 Hiroaki IWATA

岩田浩明(いわたひろあき)は、日本のデータサイエンティスト・計算科学者である。鳥取大学医学部 教授。…

人羅勇気 Yuki HITORA

人羅 勇気(ひとら ゆうき, 1987年5月3日-)は、日本の化学者である。熊本大学大学院生命科学研…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP