2024年7月8日
東京工業大学
東北大学
筑波大学
理化学研究所
【要点】
○化学反応中の分子の構造変化をリアルタイムかつ原子レベルで追跡することに成功。
○タンパク質結晶の中に、反応が起こる「場」を作り出し、溶液中のような状態を再現。
○さまざまな化合物が引き起こす化学反応を可視化し、新しい分子の機能を設計するための開発ツールとして期待。
【概要】
東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系のマイティ・バスデブ特任助教と上野隆史教授（兼 同 科学技術創成研究院 自律システム材料学研究センター）のグループは、東北大学 多元物質科学研究所の南後恵理子教授（兼 理化学研究所 放射光科学研究センター チームリーダー）、筑波大学 計算科学研究センターの庄司光男教授らの研究グループと共同で、化学反応性を持つ金属錯体（用語1）をタンパク質結晶（用語2）に固定化し、X線自由電子レーザー（XFEL）（用語3）と量子古典混合（QM/MM）計算（用語4）を用いて化学反応中の金属錯体の構造変化をナノ秒レベルで原子分解能追跡し、反応機構を解明する技術を開発した。
人工分子反応（用語5）の追跡手法は多数報告されているが、反応の際に生じる活性種の構造変化を実時間・原子レベルで追跡することは困難であった。本研究では、タンパク質結晶の細孔中に水分子が多く存在することに着目し、あたかも溶液中のようなタンパク質環境に金属錯体のマンガンカルボニル錯体（Mn(CO)3）を固定化し、結晶を保持しながら光照射で金属–CO結合の開裂反応を駆動させることに成功した。XFELを用いて、Mn(CO)3錯体を固定化したリゾチーム結晶（用語6）へ光を照射し、反応開始後のわずかな時間（10ナノ秒、100ナノ秒、1マイクロ秒後）の構造変化を観察した。この結果、CO配位子が選択的に順次解離していくことが明らかになった。さらに、QM/MM計算により、リゾチームのタンパク質環境によって反応が制御されていることを明らかにした。安定なタンパク質結晶の細孔を利用したこの手法は、さまざまな低分子化合物が起こす化学反応を可視化し、反応機構を理解するための基盤技術として、「有用な分子触媒の設計」や「複雑な分子反応メカニズムの理解」へ貢献すると期待される。
本成果は、自然科学分野の学術誌「Nature Communications（ネイチャーコミュニケーションズ）」のオンライン版で6月29日（現地時間）に公開された。
【掲載論文】
【題名】
Real-time observation of a metal complex-driven reaction intermediate using a porous protein crystal and serial femtosecond crystallography
【掲載誌】
Nature Communications
【DOI】
10.1038/s41467-024-49814-9