[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

ボロン酸エステル/ヒドラゾンの協働が実現する強固な細胞Click反応

2017年、アルバータ大学・Dennis G. Hallらは、細胞毒性の低いボロン酸とジオール間でのボロン酸エステル形成に注目し、これをヒドラゾン形成と組み合わせることで不可逆的に複合体を形成し、生細胞コンジュゲーションに応用することに成功した。

“Synergic “Click” Boronate/Thiosemicarbazone System for Fast and Irreversible Bioorthogonal Conjugation in Live Cells”
Akgun, B.; Li, C.; Hao, Y.; Lambkin, G.; Derda, E.; Hall, D. G.* J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 14285. DOI: 10.1021/jacs.7b08693

問題設定と解決した点

毒性の低い試薬で細胞内でも進行する生体直交反応は、生体分子の細胞内機能を理解するのに役立つツールである。特に低濃度・水系溶媒中で高い反応性・選択性を示し、副生成物なしで高収率で進行するような“クリック”ケミストリーは、開発の中心となっている。
このような反応開発を目指し、Hallらはボロン酸エステル形成に基づく新規な生体直交反応を報告した[1]。nopoldiol誘導体および2-メチル-5-カルボキシメチルフェニルボロン酸によって得られるボロン酸エステルの安定性は高いが、水中で逆反応がわずかに進行してしまうことが問題だった(下図)。

技術や手法のキモ

生体直交反応の文脈で用いられるイミン・ヒドラゾン・オキシム形成に注目し、それを第2の相乗的相互作用とすることでより安定な複合体を合成できると考え、試薬骨格の最適化を行った。

ジオール構造をnopodiolに固定し、様々なC=X結合を意図した相互作用部位構造の組み合わせ検討を行なったところ、オルト位にメチルケトンをもつボロン酸、フェニルヒドラジンよりも安定・安全だとする報告[4]があるチオセミカルバジドをnopodiolに2炭素リンカーで連結させた冒頭図のような組み合わせを最適構造として得た。反応を行ったところ、50 μM濃度で3.5時間以内に定量的な複合体形成が達成された。

主張の有効性検証

①生体条件下における複合体の安定性確認

ボロン酸+ジオールチオセミカルバジド試薬で複合体を組ませた後、別のボロン酸を過剰量加えて数日放置してもボロン酸の交換は観測されない。希釈条件、pH3及び9のバッファーに対しても安定であり、複合体の開裂は観測されなかった。

②反応の生体直行性の実証

ポリオール構造は糖をはじめとする様々な生体分子に存在する。そこでグルコース(8 mM)、フルクトース(300μM)、またはカテコール(0.1 μM)存在下にボロン酸+ジオールチオセミカルバジド試薬の複合体形成を行なったところ、夾雑物のある/なしで反応の結果が変わらなかった。このことから、生体ポリオールは反応に影響しないことが示された。
また、タンパク質の翻訳後修飾によってケトンおよびアルデヒド構造が導入されうることが近年報告されている[3][4]。それを模したグリオキシルアルデヒドに対しジオールチオセミカルバジド試薬を作用させたが、チオセミカルバゾンの形成は確認されなかった。

③生細胞への応用可能性

それぞれの試薬に対して細胞毒性試験を行ったところ、反応時間相当(18 h)の試験時間では目立った毒性は見られなかった。
その後、HEK293T細胞表面にSNAPタグ法を用いてボロン酸を固定したものを用意し、フルオレセイン結合型ジオールチオセミカルバジド試薬を反応させた。蛍光顕微鏡で観察したところ、細胞表面が蛍光標識されていることが分かった。ジオールを欠いたチオセミカルバジド試薬を代わりに用いたところ、表面蛍光が観測されないことから、両方の協働作用が標識に必須であることがわかる。

議論すべき点

  • PBS buffer、37℃という非常に温和な条件で進行し、金属も不要であるのは利点といえる。
  • 生体直交反応ではあるが、タンパク質の修飾に用いるには非天然アミノ酸の導入を必要とする。天然のアミノ酸からこのボロン酸へと変換するのは、現時点ではさすがに厳しいだろう。一般性を広げるには、より簡便な構造での実施が望まれる。

次に読むべき論文は?

  • 細胞内化学反応を行っている例[5][6]。今回の報告では細胞表面反応にとどまっているが、細胞内で使うにはさらにどのような改良が必要かを考える情報になればいい。

参考文献

  1. Akgun, B.; Hall, D. G. Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 3909. doi:10.1002/anie.201510321
  2. Bandyopadhyay, A.; Cambray, S.; Gao, J. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139 , 871. DOI: 10.1021/jacs.6b11115
  3. Matthews, M. L.; He, L.; Horning, B. D.; Olson, E. J.; Correia, B. E.; Yates, J. R.; Dawson, P. E.; Cravatt, B. F. Nat. Chem. 2017, 9, 234. doi:10.1038/nchem.2645
  4. Prescher, J. A.; Bertozzi, C. R. Nat. Chem. Biol. 2005, 1, 13. doi:10.1038/nchembio0605-13
  5. Agarwal, P.; Beahm, B. J.; Shieh, P.; Bertozzi, C. R. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11504. doi:10.1002/anie.201504249
  6. Li, S.; Wang, L.; Yu, F.; Zhu, Z.; Shobaki, D.; Chen, H.; Wang, M.; Wang, J.; Qin, G.; Erasquin, U. J.; Ren, L.; Wang, Y.; Cai, C. Chem. Sci. 2017, 8, 2107. doi:10.1039/C6SC02297A
The following two tabs change content below.
cosine

cosine

博士(薬学)。Chem-Station副代表。現在国立大学教員として勤務中。専門は有機合成化学、主に触媒開発研究。 関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。 素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。

関連記事

  1. 【速報】ノーベル化学賞2013は「分子動力学シミュレーション」に…
  2. 既存の農薬で乾燥耐性のある植物を育てる
  3. ゲームを研究に応用? タンパク質の構造計算ゲーム「Foldit」…
  4. 研究者よ景色を描け!
  5. 2010年人気記事ランキング
  6. 化学にインスパイアされたジュエリー
  7. 多成分反応で交互ポリペプチドを合成
  8. 異分野交流のススメ:ヨーロッパ若手研究者交流会参加体験より

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 染色体分裂で活躍するタンパク質“コンデンシン”の正体は分子モーターだった!
  2. 2013年ノーベル化学賞は誰の手に?トムソンロイター版
  3. 合成化学の”バイブル”を手に入れよう
  4. 近傍PCET戦略でアルコキシラジカルを生成する
  5. 夏:今年もスズメバチ防護服の製造ピーク
  6. カガン・モランダーカップリング Kagan-Molander Coupling
  7. 「パキシル」服用の自殺者増加 副作用の疑い
  8. 氷河期に大量のメタン放出 十勝沖の海底研究で判明
  9. 第九回 均一系触媒で石油化学に変革を目指すー山下誠講師
  10. 「大津会議」参加体験レポート

関連商品

注目情報

注目情報

最新記事

博士課程に進学したあなたへ

どういった心構えで研究生活を送るべきかについて、昨年ですが面白い記事がNatureに出ていたので、紹…

【書籍】フロンティア軌道論で理解する有機化学

「軌道の見方がわかる!有機反応を一貫して軌道論に基づいて解説。新しい有機化学を切り拓く読者へ…

少量の塩基だけでアルコールとアルキンをつなぐ

カリウムtert-ブトキシドを触媒とするα-アルキルケトン合成法が報告された。遷移金属を用いず、高い…

日本薬学会第139年会 付設展示会ケムステキャンペーン

日本化学会年会では毎年恒例の付設展示会ケムステキャンペーンを行いました。さて、本日から日本薬…

論文・学会発表に役立つ! 研究者のためのIllustrator素材集: 素材アレンジで描画とデザインをマスターしよう!

概要Adobe Illustratorを用いたイラスト作成の入門書。すぐに使えるイラスト素材…

シアノヒドリンをカルボン酸アミドで触媒的に水和する

第190回目のスポットライトリサーチは、神田 智哉(かんだ ともや)さんにお願いしました。神…

Chem-Station Twitter

PAGE TOP