活性中心に金属を用いることで、金属タンパク質は多様な機能を発揮します。結晶構造解析をはじめとする構造生物学的手法によって金属タンパク質の機能発現機構の解明を目指しています。

左図は、私がこの道を歩むキッカケとなった金属酵素である暗所作動型プロトクロロフィリド還元酵素 (DPOR) の結晶構造です。

ヒドロゲナーゼは活性中心に複雑な金属クラスターを有しています。
細胞内でヒドロゲナーゼの活性中心が作られる仕組みを研究しています。

ヒドロゲナーゼの金属クラスターには一酸化炭素が含まれています。
この一酸化炭素はHypXという酵素によって生合成されます。
左図は、HypXの結晶構造です。中央にスティックモデルで示しているのが補酵素Aです。一酸化炭素を生合成する反応はこれまでにも報告例がありますが、HypXは、金属が関与しない・酸素の有無に影響しない・補酵素Aを利用する という全く新しい生合成酵素であることを発見しました。

生物は驚くほどたくさんの種類の金属を利用しています。
必要な金属を必要な場所に運ぶための仕組みを研究しています。

左図は、コリネバクテリアが細胞の外でヘム（ピンク色のスティックモデル）を獲得するために作るタンパク質HtaBです。ジフテリア菌はヒトに感染すると赤血球中のヘモグロビンからヘムを抜き取り、鉄源として利用することで増殖します。このときにHtaBを使っていると考えられます。

生物は恒常性を維持するために、さまざまな方法で環境を感知しています。
金属や光に応答するセンサータンパク質に着目しています。

左はヘム濃度を感知するセンサータンパク質PefRの構造です。
PefRはヘムを結合するとDNAに結合できなくなります。

近年、タンパク質を人工的に改変する、あるいは機械学習等を利用してデザインするという研究が盛んです。タンパク質を改変するというアイデアは古く、ヘムタンパク質を改変して新規な酵素を作る研究なども広く知られています。

左は鉄硫黄クラスターを有する電子伝達タンパク質フェレドキシン（左）と鉄をガリウムに置換したガリウム置換型フェレドキシン（右）の結晶構造をそれぞれ示しています。