タンパク質カゴ内に「金属ゼロ」の触媒を創出~持続可能なバイオ触媒技術として期待~

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2025-05-20 東京科学大学

東京科学大学の研究チームは、金属を一切使用せず、フェリチン内にヒスチジン残基を精密配置することで、ペルオキシダーゼ様反応を実現した。従来のオリゴヒスチジン集合体に比べ約80倍の高い触媒効率を示し、この効果は「孤立環境効果」によるものと判明。X線結晶解析と理論計算により反応メカニズムも解明された。金属資源に依存せず高効率なバイオ触媒として、医療診断や環境分野などでの応用が期待されている。

タンパク質カゴ内に「金属ゼロ」の触媒を創出~持続可能なバイオ触媒技術として期待~図1. タンパク質カゴであるフェリチンの中で生じる、過酸化水素が関与するペルオキシダーゼ様反応。

<関連情報>

フェリチンケージを用いて設計した金属を含まない人工ペルオキシダーゼによるバイオインスパイアード触媒反応 An Artificial Metal-Free Peroxidase Designed Using a Ferritin Cage for Bioinspired Catalysis

Jiaxin Tian, Basudev Maity, Tadaomi Furuta, Tiezheng Pan, Takafumi Ueno
Angewandte Chemie International Edition  Published: 24 April 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202504608

Abstract

Developing artificial enzymes is challenging because it requires precise design of active sites with well-arranged amino acid residues. Histidine-rich oligopeptides have been recently shown to exhibit peroxidase-mimetic activities, but their catalytic function relies on maintaining unique supramolecular structures. This work demonstrates the design of a specific array of histidine residues on the internal surface of the ferritin cage to function as an active center for catalysis. The crystal structures of the ferritin mutants revealed histidine–histidine interactions, forming well-defined histidine clusters (His-clusters). These mutants exhibit peroxidase-mimetic activities by oxidizing 3,3′,5,5′-tetramethylbenzidine (TMB) in the presence of hydrogen peroxide. Molecular dynamics simulations further highlight the co-localization of TMB and hydrogen peroxide at the histidine-rich clusters, indicating that the confined environment of the ferritin cage enhances their interactions. This study presents a simple yet effective approach to design metal-free artificial enzymes, paving the way for innovations in bioinspired catalysis.

生物化学工学
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