光化学反応中心のデノボタンパク質設計

Nature Communications volume 13、記事番号: 4937 (2022) この記事を引用

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天然の光合成タンパク質複合体は太陽光を捉えて、地球上の生命を支えるエネルギー的な触媒作用を引き起こします。 しかし、これらの天然のタンパク質構造は、複雑さと脆弱性という進化の遺産を引き継いでおり、これがタンパク質の再工学的取り組みを妨げ、光駆動電荷分離の基礎となる設計ルールをわかりにくくしています。 簡略化された光合成反応中心タンパク質のデノボ開発は、太陽エネルギーを効率的に燃料に変換するための新しい酵素を構築するために必要な実用的な工学原理を明らかにすることができます。 今回我々は、光合成反応中心の必須要素を組み込んだ多補因子タンパク質の合理的な設計、X線結晶構造、および電子伝達活性について報告する。 この安定性の高いモジュール式人工タンパク質フレームワークは、ナノメートルスケールの光化学電荷分離のために交換可能な酸化還元中心を用いて in vitro で再構成できます。 過渡吸収分光法は、光化学系 II のようなチロシンと金属クラスターの酸化を実証し、光活性化触媒に理想的な 100 ms を超える電荷分離寿命を測定しました。 この新たに設計された反応センターは、初期の合成光化学トライアドおよび修飾天然タンパク質における電荷分離のために確立された工学ガイドラインに基づいて構築されており、合成生物学がどのようにして太陽燃料生産用の遺伝子コード化された新世代の光発電触媒につながる可能性があるかを示しています。

人工光合成反応センターの新規構築は、生物学的電子伝達の理解をテストし、人間のニーズに直接向けることができる方法で光合成を再設計する手段を提供します。 天然の反応中心は、酸化還元補因子の鎖における電子移動速度を操作することにより、一方向の光活性化電荷分離を達成します1、2、3。 緑色植物やシアノバクテリアにおける直線的な電子の流れは、電子源としての水から始まり、化学エネルギーとして相当する H2 を生成し、その過程で O2 を放出します4,5。 酸素光合成体は、2 つの反応中心である光化学系 I および II (PSI および PSII) を使用して、水から抽出された電子ごとに 2 つの光子を吸収することにより、水の酸化とプロトン還元の間の幅広い酸化還元範囲にまたがります4,6,7。 原理的には、天然のクロロフィル色素によって吸収される単一の可視光子は、両方の反応を促進するのに十分なエネルギーを持っており、全体的な太陽から燃料へのエネルギー変換効率を向上させる方法を示唆しています4,8。 私たちの最終的な目標は、熱によるエネルギー損失を最小限に抑えながら、水の酸化とプロトンの還元をサポートする単一反応中心光合成システムを開発することです。

最近のデノボタンパク質設計の進歩により、相互の電子トンネル距離内での複数のさまざまな小分子と金属イオンの結合が容易になりました9、10、11、12、13、14、15。 人工タンパク質における太陽エネルギー変換の次の課題は、光子エネルギーを、燃料生産などの化学反応に使用できるほど長く持続する電荷分離状態に変換できる多段階の電子伝達チェーンを構築することです。 この目的を達成するために、私たちは光合成反応中心タンパク質の模型 (RC 模型) を設計し、複数の集合状態におけるその X 線結晶構造を解明しました。 RC 模型は長寿命の光活性化電荷分離を実現し、天然の反応中心の要素の多くを再現します。PSII の水酸化側を思わせるチロシンと金属クラスターの酸化、および Co ポルフィリンなどの低電位アクセプターの還元です。 H216,17 へのプロトン還元に関与することが知られています。

天然の光合成反応中心は、2つの電子伝達鎖の間に光活性化色素を固定することによって光化学的電荷分離を実現します。 一方の鎖は励起された色素に電子受容体を提供し、もう一方の鎖は電荷分離されたドナー-アクセプターペアを作成しながら顔料の基底状態を回復する電子供与体として機能します（図1a）。 電子受容鎖または電子供与鎖は、修飾天然タンパク質 18、19、20、21、22、23、24、25、26 および架橋ルテニウム トリスビピリジン誘導体を備えた新規タンパク質 15 で開発されてきましたが、私たちの設計は拡張された電子伝達鎖を凝縮しています。自然の反応中心は、DPA として象徴されるコアの基本的なドナー - 色素 - アクセプターの 3 つ組に集中します 27,28。