酵素を模倣した金属-硫黄化合物により窒素還元反応を実現 ~持続可能社会に寄与するエネルギー変換に向けた第一歩~

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2022-07-07 京都大学

大木靖弘 化学研究所教授、松岡優音 同大学院生、谷藤一樹 同助教らは、自然界の触媒(酵素)を模倣する金属-硫黄クラスター錯体を合成し、窒素分子(N2)の還元反応(シリル化反応)を実現しました。

大気の主成分であるN2の化学変換は、アミノ酸やDNAに含まれる窒素原子を供給するために必要な一方で、非常に難しい反応として知られています。自然界では、一部の微生物に存在する酵素ニトロゲナーゼだけがこの役割を担い、Fe-Mo-S-Cから構成される酵素活性中心(FeMoco)を用いてN2を還元します。FeMocoの触媒機能は、持続可能社会に向けた新しいN2還元法を開発する重要なヒントになりますが、複雑なFeMocoは構造と機能の関係を理解するのが難しく、またタンパク質から取り出すと触媒機能を失います。FeMocoに関連する従来の金属-硫黄化合物もN2を還元できなかったことから、N2還元作用の鍵となる要素は未解明のままでした。本研究では、N2が結合したFeMocoの予想構造およびタンパク質の一部機能を模した[Mo3S4Fe]錯体を合成し、これを触媒としてN2の還元反応を達成しました。この結果は、金属-硫黄化合物の可能性を切り拓くと同時に、自然界に学び、超えるための大きな第一歩といえます。

本研究成果は、2022年7月6日に、科学誌「Nature」にオンライン掲載されました。


本研究の模式図。FeMoco(酵素活性中心)の窒素結合状態やタンパク質の役割を予想し、模倣することで、金属-硫黄化合物による窒素分子の還元を実現した。

研究者のコメント

「進化の過程で淘汰されず生き残った自然界の構造や機能には、ある種の美しさや合理性が備わっています。中でも簡単に理解できない構造や機能を前にした時、我々はつい”神秘的な”、“複雑な”等の枕詞を添えて目を逸らしがちですが、ここでは大胆に単純化して解釈することを意識しました。我々の至らなさを認めつつも、物質のミクロな構造や機能は化学の言葉で書き下せるはずだ、と開き直るのが重要だと考えています。」(大木靖弘)

詳しい研究内容≫

研究者情報
研究者名:大木 靖弘
研究者名:谷藤 一樹

書誌情報
【DOI】
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04848-1

【書誌情報】
Yasuhiro Ohki, Kenichiro Munakata, Yuto Matsuoka, Ryota Hara, Mami Kachi, Keisuke Uchida, Mizuki Tada, Roger E. Cramer, W. M. C. Sameera, Tsutomu Takayama, Yoichi Sakai, Shogo Kuriyama, Yoshiaki Nishibayashi, Kazuki Tanifuji (2022). Nitrogen reduction by the Fe sites of synthetic [Mo₃S₄Fe] cubes. Nature, 607(7917), 86-90.

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