新しい金属酵素研究へのテラヘルツ電子スピン共鳴法の応用

太赫兹电子自旋共振方法在新型金属酶研究中的应用

基本信息

批准号：
21K18937
负责人：
堀谷正樹
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Saga University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

金属タンパク質の機能と金属中心の電子状態は密接に関わっており、様々な物理化学的手法によって金属タンパク質の電子状態研究が行われている。その中で電子スピン共鳴法（ESR）は特に利用されてきた分光法のひとつだが、市販の装置では半整数スピン系をもつ金属タンパク質のみしか測定対象とならなかった。これは測定に用いる周波数・磁場が低いためである。そこでこれまで高周波として市販より10倍高い周波数発振器、超電導磁石を用いたESR装置を開発してきた。しかし、金属タンパク質は大部分が水であり、さらに巨大生体分子の中にひとつだけしか金属イオンが含まれていない希薄スピン系であることから、感度の面で高周波数・強磁場ESR信号の観測が困難であった。今年度はこれを解決するため、テラヘルツジャイロトロン発振器を用いたESR装置を利用することとした。これを用いることで装置の感度は従来と変わらないが、照射するマイクロ波エネルギーが従来型ではμWオーダーであったものが、Wオーダーでの照射が可能となる。つまり信号の飽和が無いと仮定すれば、100万倍程度の高感度化が見込めるものである。これを用いてマッコウクジラ由来酸化型ミオグロビン（Fe3+ヘム）についてジャイロトロンESR測定を行った。その結果、500mWでは完全に信号が飽和して観測できないことが分かり、250mW以下の照射エネルギーで酸化型ミオグロビン由来ESR信号の観測に成功した。これはジャイロトロンを用いた初めての生体分子のESR信号観測である。次にグローブボックス内で作成した還元型ミオグロビン（Fe2+ヘム）について同様の測定を行った。こちらの信号はブロードであることが予想されており、今回強エネルギー照射条件ではベースラインのゆがみと信号強度が同程度になってしまうことが明らかになった。

金属蛋白的功能与金属中心的电子态密切相关，人们利用各种物理化学方法对金属蛋白的电子态进行了研究。其中，电子自旋共振（ESR）是一种特别使用的光谱方法，但市售设备只能测量具有半整数自旋系统的金属蛋白质。这是因为用于测量的频率和磁场较低。因此，我们开发了一种ESR装置，该装置使用超导磁体和比市售高频振荡器高10倍的高频振荡器。然而，由于金属蛋白主要是水，并且是巨大生物分子中只有一种金属离子的稀自旋系统，因此在灵敏度方面观察高频、高场ESR信号是困难的。今年，为了解决这个问题，我们决定使用采用太赫兹回旋振荡器的ESR器件。通过使用这一点，装置的灵敏度保持与以前相同，但照射的微波能量现在可以照射到W量级，而传统方法使用的微波能量为μW量级。换句话说，假设没有信号饱和，预计灵敏度将提高约100万倍。利用该技术，对源自抹香鲸的氧化肌红蛋白（Fe3+ 血红素）进行了回旋管 ESR 测量。结果，我们发现信号完全饱和，在 500 mW 下无法观察到，并且我们成功地在 250 mW 或更低的照射能量下观察到了源自氧化肌红蛋白的 ESR 信号。这是首次使用回旋管对生物分子进行 ESR 信号观测。接下来，对手套箱中制备的还原肌红蛋白（Fe2+ 血红素）进行类似的测量。该信号预计会很宽，现在已经清楚，在强能量照射条件下，基线失真和信号强度变得大致相同。