[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

カルボカチオンの華麗なリレー:ブラシラン類の新たな生合成経路

[スポンサーリンク]

反応経路の自動探索によりセスキテルペンのトリコブラシレノールの新たな全生合成経路が提唱された。

トリコブラシレノールの生合成経路

多彩で複雑なテルペン骨格は、テルペン環化酵素内で起こるカルボカチオンの連続的な移動により一挙に構築される。その過程はカルボカチオンの安定性に関する知見を与えるため、古来より研究されてきた。近年、計算化学の発展に伴い、様々なテルペン類の生合成経路が提唱されている[1]
ブラシラン類は天然に広く存在する、5/6員環骨格をもつセスキテルペンである(図1A)。特に骨格上のメチル基の数が、生合成前駆体のファネシル二リン酸(FPP)と異なる点で、他のセスキテルペン類には見られない稀有な構造をもつ[2]。その生合成はFPPから誘導される11員環のフムリルカチオン(IM2)を経由することが知られるが、その後の経路は未解明であった。2019年に東京大学の葛山らは、同位体標識実験によってブラシラン類の一種であるトリコブラシレノール(1)の生合成経路を推定した(図1B)[3]。彼らはIM2から生成した5/7/3員環骨格をもつIM6に対する水和反応が進行すると予想した。しかし、本生合成仮説は熱的に禁制なスプラ面型1,3-水素移動を伴う、高度に歪んだ遷移状態Aを経由しており、その妥当性の検証が待たれていた。
今回、千葉大学の佐藤と東京大学の内山らは人工力誘起反応法(AFIR)[4]を用いて反応経路を網羅的に探索することにより、1の生合成経路を新たに提唱した(図1C)。IM6からカルボカチオンが次々と移動する骨格転位により5/6員環骨格をもつIM7へ至る経路を発見した。

図1. (A) ブラシラン類の基本骨格 (B) 葛山らが提唱した1の生合成経路 (C) 今回の生合成経路

 

“DFT Study of a Missing Piece in Brasilane-Type Structure Biosynthesis: An Unusual Skeletal Rearrangement”
Sato, H.; Hashishin, T.; Kanazawa, J.; Miyamoto, K.; Uchiyama, M. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 19830–19834. DOI: 10.1021/jacs.0c09616

論文著者の紹介


研究者: 佐藤玄
研究者の経歴:
2013–2016 東京大学 大学院薬学系研究科 博士課程修了 (内山真伸教授)
2016–2018 千葉大学 大学院薬学研究員 特任研究員
2018–2020 千葉大学 大学院薬学研究員 特任助教
2020–           千葉大学 大学院薬学研究員 学術振興会 特別研究員(PD)
2021- 山梨大学 工学部 応用化学科 特任助教(PI)(JSPS 卓越研究員)
研究内容: 計算化学を用いたテルペンの生合成経路の探索

研究者: 内山真伸
研究者の経歴(一部抜粋):
1995–2001 東北大学 大学院薬学系研究科 助手 (坂本尚夫教授)
1998 東京大学 大学院薬学系研究科 博士課程修了 (首藤紘一教授)
2001–2003 東京大学 大学院薬学系研究科 助手
2003–2006 東京大学 大学院薬学系研究科 講師
2006–2010理化学研究所 中央研究所 准主任研究員
2010–           東京大学 大学院薬学系研究科 教授(本務)
2010–           理化学研究所 チームリーダー(兼務)
2013–           理化学研究所 開拓研究本部 内山元素化学研究室 主任研究員(兼務)
2019–           信州大学 先鋭材料研究所(RISM) 教授(クロスアポイントメント)
研究内容: 機能性アート錯体の創製とその応用、理論計算による反応設計、物質創製、機能創発など

論文の概要

筆者らはDFT計算とAFIR法を併用して、1の生合成における全反応経路を探索した。その結果、1は(i) 5/7/3員環の構築(IM2~IM5)、(ii) IM6bの骨格転位に伴う5/6員環の構築(IM6b~IM7a)、(iii) 生じたアリルカチオンIM8へのSN2’型の水和、の三段階で形成されることが分かった(図2A)。各構造のエネルギー計算により、これら全ての反応は室温下で容易に進行しうることが示唆された。
さらに固有反応座標(IRC)計算により(ii)の詳細な機構が提唱された(図2B)。IM6bのシクロプロピルカチオンの環拡大によるシクロブチルカチオンの形成(shoulder_6b–7a)、C8–C9結合の開裂(TS_6b–7a)、イソプロペニル基の1,2-転位(shoulder2_6b–7a)が一挙に起こり、IM7aを与える。これらの構造におけるC6,7,8,9炭素間の結合長と各炭素原子上のNPA電荷の分布も本機構を支持している。また、shoulder_6b–7aのC3位エピマー、IM7/IM8のC2位エピマーはそれぞれ同じブラシラン類のトレホランA, コノセファレノールの生合成における中間体となることが示唆された(図2C)。

図2. (A) 1の生合成経路 (B) (ii)のIRC計算 (C) 他のブラシレン類の推定生合成経路

以上、長らく不明であったトリコブラシレノールの生合成経路が計算化学を用いて提唱された。本研究により、天然物の生合成におけるカルボカチオンの新たな反応性が解明されることに期待したい。

用語説明

人工力誘起反応法(Artificial Force Induced Reaction; AFIR)
量子化学計算において、効率的に反応経路を探索する手法の一つ[4]。仮想的な力を加えて分子同士を接近させ両者が反応する過程を探索する。その際に得られた反応経路を元に本来の反応過程を予測する方法。
NPA (Natural Population Analysis)
Weihholdらが開発した、原子の電荷密度を見積もる手法[5]
固有反応座標(Intrinsic Reaction Coordinate; IRC)計算
ポテンシャルエネルギー曲面(Potential Energy Surface; PES)における鞍点である遷移状態から、エネルギーが最も減少する方向に構造を連続的に変化させることで、その遷移状態を経由する反応の原系と生成系を導く手法。

参考文献

  1. (a) Isegawa, M.; Maeda, S.; Tantillo, D. J.; Morokuma, K. Predicting Pathways for Terpene Formation from First Principles–Routes to Known and New Sesquiterpenes. Chem. Sci. 2014, 5, 1555–1560. DOI: 10.1039/c3sc53293c (b) Sato, H.; Teramoto, K.; Masumoto, Y.; Tezuka, N.; Sakai, K.; Ueda, S.; Totsuka, Y.; Shinada, T.; Nishiyama, M.; Wang, C.; Kuzuyama, T.; Uchiyama, M. “Cation-Stitching Cascade”: Exquisite Control of Terpene Cyclization in Cyclooctatin Biosynthesis. Sci. Rep. 2015, 5, 18471. DOI: 10.1038/srep18471 (c) Sato, H.; Narita, K.; Minami, A.; Yamazaki, M.; Wang, C.; Suemune, H.; Nagano, S.; Tomita, T.; Oikawa, H.; Uchiyama, M. Theoretical Study of Sesterfisherol Biosynthesis: Computational Prediction of Key Amino Acid Residue in Terpene Synthase. Sci. Rep. 2018, 8, 2473. DOI: 10.1038/s41598-018-20916-x (d) Sato, H.; Yamazaki, M.; Uchiyama, M. DFT Study on the Biosynthesis of Preasperterpenoid A: Role of Secondary Carbocations in the Carbocation Cascade. Chem. Pharm. Bull. 2020, 68, 487–490. DOI: 10.1248/cpb.c20-00037
  2. (a) Wu, Z.; Li, D.; Zeng, F.; Tong, Q.; Zheng, Y.; Liu, J.; Zhou, Q.; Li, X.-N.; Chen, C.; Lai, Y.; Zhu, H.; Zhang, Y. Brasilane Sesquiterpenoids and Dihydrobenzofuran Derivatives from Aspergillus Terreus [CFCC 81836]. Phytochemistry 2018156, 159–166. DOI: 1016/j.phytochem.2018.10.006(b) 他に5つのメチル基を有するセスキテルペンとしてpicrotoxane, marasmaneがあるが、数は限られている[3]
  3. Murai, K.; Lauterbach, L.; Teramoto, K.; Quan, Z.; Barra, L.; Yamamoto, T.; Nonaka, K.; Shiomi, K.; Nishiyama, M.; Kuzuyama, T.; Dickschat, J. S. An Unusual Skeletal Rearrangement in the Biosynthesis of the Sesquiterpene Trichobrasilenol from Trichoderma. Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 15046–15050. DOI: 10.1002/anie.201907964
  4. Maeda, S.; Ohno, K.; Morokuma, K. Systematic Exploration of the Mechanism of Chemical Reactions: the Global Reaction Route Mapping (GRRM) Strategy Using the ADDF and AFIR Methods. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 3683–3701. DOI: 10.1039/C3CP44063J
  5. Reed, A. E.; Weinstock, R. B.; Weinhold, F. Natural Population Analysis. Chem. Phys. 1985, 83, 735–746. DOI: 10.1063/1.449486
Avatar photo

山口 研究室

投稿者の記事一覧

早稲田大学山口研究室の抄録会からピックアップした研究紹介記事。

関連記事

  1. 分子の対称性が高いってどういうこと ?【化学者だって数学するっつ…
  2. 再転職の成功へ: 30代女性研究者が転職ミスマッチを克服した秘訣…
  3. 太陽電池を1から作ろう:色素増感太陽電池 実験キット
  4. 有機合成化学協会誌2020年8月号:E2212製法・ヘリセン・炭…
  5. 高分子鎖デザインがもたらすポリマーサイエンスの再創造 進化する高…
  6. 【日本精化】新卒採用情報(2024卒)
  7. 最新プリント配線板技術ロードマップセミナー開催発表!
  8. 学生に化学論文の書き方をどうやって教えるか?

注目情報

ピックアップ記事

  1. マテリアルズ・インフォマティクスのためのデータサイエンティスト入門
  2. AI分子生成による有機分子ハイスループット仮想スクリーニングの最前線
  3. 日本人化学者による卓越した化学研究
  4. 鉄触媒反応へのお誘い ~クロスカップリング反応を中心に~
  5. 2009年8月人気化学書籍ランキング
  6. 触媒なの? ?自殺する酵素?
  7. マイヤー・シュスター転位/ループ転位 Meyer-Schuster/Rupe Rearrangement
  8. 合同資源産業:ヨウ素化合物を作る新工場完成--長生村の千葉事業所 /千葉
  9. 二重可変領域を修飾先とする均質抗体―薬物複合体製造法
  10. 渡辺化学工業ってどんな会社?

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2021年2月
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728

注目情報

最新記事

「骨格編集」×「ナノカーボン合成」〜ナノカーボン合成の新戦略を実証〜

第719回のスポットライトリサーチは、名古屋大学大学院工学研究科(忍久保研究室)博士後期課程2年の平…

【書評】立体化学 はじめの一歩

立体化学は,分子の三次元構造を理解するための重要な分野であり,有機化学や…

水のシミュレーション入門 — 水分子を計算機の中でどう”描く”か —

身近なのに、計算機にとって手強い"水"。本記事では、点電荷モデルから機械学習まで、その"描き方"の進…

◆◇◆◇ 第36回フォーラム・イン・ドージン開催のご案内 ◆◇◆◇

同仁化学研究所が熊本から世界へ情報発信するフォーラム・イン・ドージンの開催ご案内です。今年は『な…

『力』による円偏光発光のon/off制御を単一分子レベルで実現

第718回のスポットライトリサーチは、東京科学大学 物質理工学院(相良研究室)博士後期課程2年の野中…

数日かかっていた反応機構解析を、わずか数分に!

機械学習ポテンシャルが変える計算化学の現在近年、DFT計算による反応機構解析は広く行われるよ…

海外ポスドクのオファーをもらう【アメリカで Ph.D. を取る: 進路編】

ポスドクとして海外に留学する場合、希望する研究室の教授に直接連絡を取り、面接などを通して適性を判断さ…

MDで観るトライボロジー 〜原子が擦れるその場をシミュレーション〜

軽くて強いのに摩耗に弱いチタン合金は、航空機や人工関節に広く使われています。原子が擦れ合うその場を分…

酸素を過酸化水素へ!可視光で駆動する有機高分子光カソード

第717回のスポットライトリサーチは、新潟大学大学院自然科学研究科(無機ナノ材料研究室)博士前期課程…

ペプチド合成におけるアスパルチミド化/Aspartimide Formation in Peptide Synthesis

⏱ 30秒サマリー 何をする反応か — Fmoc-SPPS のピペリジン…

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