学問の面白さ2019

酵素を創る
化学と生物学の境界線

渡辺 芳人

1976

東北大学理学部化学科

卒

1982

筑波大学化学系

1982-87

Michigan大、Princeton大1987

慶応大学医学部

1989

工業技術院化学技術研究所

博士

助手
主任研究員

1990

京都大学工学研究科

1994

分子科学研究所

2002

名古屋大学

2009

同 副総長兼務

2012

同 理事・副総長

2019.32019.4

助教授

教授

教授

停年
名古屋大学審議役・名誉教授

海外留学で得られるものは何だろうか？

国際的なスケールで活躍できる研究者としての鍛錬
異文化の体験・ 外国語（英語）の習得

異なる文化、多様な価値観・生活習慣、異なる発想©️Pixabay

全国中継されるカレッジフットボール©️Wikipedia

9万収容のスタジアム©️Pixabay

その大きさに圧倒されるナイアガラの滝

多様な価値観・生活習慣、異なる発想
レストランでの注文の仕方
学校給食
病院食
日本は村社会
アメリカでも日本人は集団を作る？

多様な価値観・生活習慣、異なる発想

外国語（英語）の習得
悩み多きaとthe

aとtheの基本を押さえた上で、もう少し詳しく
出典：マーク・ピーターセン著 (続)日本人の英語 岩波新書139
NHK英語でしゃべらないと（アスコム）2006年6月号

著作権等の都合により、ここに挿入されていた画像は削除しました

マーク・ピーターセン(1988) 続日本人の英語 岩波書店
アスコム NHK英語でしゃべらナイト 2006年6月号の画像

2008ノーベル賞週間から著作権等の都合により、ここに挿入されていた画像を削除しました

小林誠、南部陽一郎、下村脩、益川敏英の画像

下村脩先生の研究

研究のキーワード：海洋性発光物質
生物発光を示す生物はいくつか知られています．そのうちの一つがオワンクラゲ（Aequorea victoria）です．このクラゲの傘部には，外縁にそって約200の発光器が並んでおり，刺激を受けると緑色の光を放ちます．下村先生は，プリンストン大学在職中の昭和36年に，オワンクラゲの発光器中から緑色の発光に必要なタンパク質を2種類発見しました．
一つはイクオリン（aequorin）という発光タンパク質で，カルシウムイオンを添加すると青色の光を発します．もう一つが受賞対象となったgreen fluorescent protein（GFP）という蛍光タンパク質です．このGFP がイクオリンの発した青色の光を吸収して緑色の蛍光を発するため，クラゲは緑色の光を放つのです．

イクリオンがなぜ光る？

イクオリン（aequorin）
イクオリン ( Aequorin ) は、発光クラゲ Aequorea
aequoreaより単離された発光タンパク質で、分子状酸素の複合体として存在します。この複合体はカルシウムイオンと反応して470 nm にピークをもつ青い光を発生するという性質をもっている。

©️Wikipedia

イクリオンがなぜ光る？

イクオリン（aequorin）
イクオリン ( Aequorin ) は、発光クラゲ Aequorea
aequoreaより単離された発光タンパク質で、分子状酸素の複合体として存在します。この複合体はカルシウムイオンと反応して470 nm にピークをもつ青い光を発生するという性質をもっている。

©️Wikipedia

イクリオンがなぜ光る？

©️Wikipediaイクリオンがなぜ光る？

©️Wikipedia

イクリオンが蛋白質

化学発光

なぜ光る？

違うものの見方イクオリンの構造イクオリンの構造イクオリンとGFPの構造

イクオリン（aequorin）と GFP

GFPの構造GFPの構造GFP

著作権等の都合により、ここに挿入されていた画像は削除しました
下村脩ノーベル賞受賞講演の画像

トレオニン
チロシン
グリシン

アミノ酸と蛋白質の関係を復習してみよう

トレオニン

グリシン

GFPはこうして使われている
GFPのもつ大きな特徴は，GFPの遺伝子をクラゲ以外の生物に導入すると，作られたGFP がひとりでに蛍光を発するようになる点です．

GFPとその改変体の水溶液の放つ蛍光（左）CFP（cyan; 青緑色の蛍光）（中）GFP（green; 緑色の蛍光）（右）YFP（yellow; 黄色の蛍光）

GFPの蛍光を用いて可視化したシロイヌナズナ花粉管中のミトコンドリア

生体で働いている金属イオン

生体で働いている金属イオンの代表例
ヘモグロビン(Hb)はどんな構造をしている？

赤血球（酸素を運ぶ）

生体で働いている金属イオンの代表例
ヘモグロビン(Hb)はどんな構造をしている？

x4

筋肉中で酸素の貯蔵を行っているミオグロビン(Mb,単体で作用)も構
造はほとんど同じ

ミオグロビン(Mb) のもっと詳しい構造を見てみる

もっと詳しい構造を見てみる

スーパーオキシド(活性酸素)マラソン選手はなぜ高地トレーニングをするのか？

https://beauty-health-training.com/kouti-training-kouka-2474
http://www.nigorigo-1700.com/

http://sciencejournal.livedoor.biz/archives/3739850.html

なぜ慶応の医学部で助手になれたのか？
• 肝臓で薬物などを代謝する酵素のモデル研究をやっていた。
• この酵素はヘモグロビンの仲間で、鉄イオンが重要な役割を果たしている。

著作権等の都合により、ここに挿入されていた画像は削除しました

TABI LABO［生命の神秘、胎盤のエキス「プラセンタ」を使った化粧品がスゴい・・・］の画像
https://tabi-labo.com/257239/placenta

https://tabi-labo.com/257239/placenta

研究のモチベーション
L29H/H64L

F43H/H64L

H64D

Mb

過酸化水素依存型ミオグロビンミュータントによる有機基質の選択的酸化酸素貯蔵蛋白質ミオグロビンのヘム近傍構造
MeS

H218O2Me
S
O

ミュータント

毎分の回転数

myoglobin
L29H/H64L
F43H/H64L
H64D/V68A

0.13
5.5
47
120

18O含量

92
97
96-活性中心の改変

ミオグロビン (Mb)

様々な金属錯体に置き換える

ミオグロビン (Mb)

様々な金属錯体に置き換える

ミオグロビン (Mb)

Mb•FeIII(Schiff base)

Mb•CuII(Sal-Phe)

Mb•RhIII(Phebox)

Inorg. Chem. (2004, 2007), JACS (2005), Pro. Nat. Acad. Sci. (2006), Angew. Chem.(2004, 2006), Organometallics (2007)私どもの研究例（フェリチン）Subunit

3-回対称軸24-mer
8 nm

480 kDa
500 倍のK2PdCl4

還元剤

apo-FrNaBH4

apo-ferritin
K2PdCl4+
Pd•apo-ferritin +K2PdCl4
NaBH4

私どもの研究例（フェリチン）極低温電顕像（Pd•apo-ferritin）
クラスターのサイズ

Pd

apo-ferritin

Freqency (%)

30
20

100

1.0

2.0

3.04.0直径 (nm)10 nm

d = 2.0 ± 0.3 nm

私どもの研究例（フェリチン）C=C二重結合の水素分子による還元

H 2CHCCHN

RH2Pd0H 3CO

TOF / h80
60
40H2CCHNROHi Prt Bu

Gly–OMe
Ala–OMe

200Conditions; [Pd]=30M, [Substrate]=3mM, H2=1atom, in 0.07M NaCl/D2O, for 1h, pD=7.6

私どもの研究例（フェリチン）アミノ酸と結びつく金属イオン

金属イオンと結びつくアミノ酸（@フェリチン）

様々な量のPdイオンを加える
結晶の図

50Pd2+•apo-Fr

100Pd2+•apo-Fr

200Pd2+•apo-Fr私どもの研究例（フェリチン）Pd2+が結合している様子（結晶構造）: Pd Atom

50Pd2+•apo-Fr

100Pd2+•apo-Fr

200Pd2+•apo-Fr

Pd: 144 ヶ所/フェリチン

Pd: 192ヶ所/フェリチン

Pd: 264ヶ所/フェリチン

Rfact: 16.7 % Rfree: 18.7 %Rfact: 21.5 % Rfree: 26.2 %Rfact: 24.9 % Rfree: 29.5 %私どもの研究例（フェリチン）

Site1

Glu45

His49

Site3
Glu53

Cys48
Arg52

Site2

apo-Fr

50Pd2+•apo-Fr

100Pd2+•apo-Fr: Cd 原子200Pd2+•apo-Fr: Pd原子: 水分子

私どもの研究例（フェリチン）私どもの研究例（フェリチン）Pd(allyl)が入ったフェリチン
透析による精製

Pd(allyl)•apo-Fr詳細な構造3-fold Channel

Accumulation Center
3-fold Channel

Pd2
Pd1

Pd4

Pd3

His49
Cys126

Cys48

His114

Glu45
Accumulation Center

Pd-Pd : 3.68

2.14

Pd-Pd : 3.12

2.35
2.472.38

2.30
2.56

2.16
2.31

私どもの研究例（フェリチン）ba+NaOH

pH9-10、 50°C で12時間反応

生成物

原料ba

ノーベル賞 (2010)

著作権等の都合により、ここに挿入されていた画像は削除しました

Eテレ「サイエンスZERO」2010年10月16日放送「ノーベル化学賞！クロスカップリングへの軌跡」の画像

ノーベル賞 (2010)

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Eテレ「サイエンスZERO」2010年10月16日放送「ノーベル化学賞！クロスカップリングへの軌跡」の画像

著作権等の都合により、ここ挿入されていた画像は削除しました

中日新聞記事「ベンゼンからフェノール 室温で合成」の画像

Benzene Hydroxylation by P450BM3
OH

PFC925140120

201008015601040520098101112Reaction Conditions
1) 20 mM Tris-HCl buffer pH=7.42) 100 μM Dummy substrate
3) 0.5 μM P450BM34) 10 mM Benzene5) 5 mM NADPH

Coupling efficiency / %10 min0HPLC chart

Alkyl-chain length of PFCsBenzene
PFC9Abs. at 271 nm

Product-formation rate / min-1

P450BM3OH

120 / min-1
Heme

Active site in P450BM3

time / min
Angew. Chem. Int. Ed., (2013) in press.

Undergraduate
programs

Graduate
programs

ApplicantsApplicants

Accepted

Accepted
Enrollees

Enrollees

Nagoya University Program for Academic
Exchange (NUPACE) Enrollees (1996–2017)
Start ofG30

- 200

- 100

Student Numbers

- 150

- 50

AcademicYearAcademic Destination of G30 Graduates (40) in 2016
Nagoya University (Japan):

20

University of Wollongong (Aus):

University of Tokyo (Japan):2

University of Melbourne (Aus): 2

Kyoto University (Japan):1

Polytechnic University of Valencia (Spain):1

University of Amsterdam (NL):

2Imperial College London (UK):1

University of Michigan (USA):

2

Swiss Federal Institute of Technology—

Heidelberg University (Ger):

1

University of North Carolina (USA):

1

Icahn School of Medicine at Mount Sinai (USA) : 1

University of Toronto (Can):

1

Delft University of Technology (NL):

1

University of Oxford (UK):1

優秀な外国人
教職員獲得
優秀な留学生獲得

1

ETH (Switzerland):

日本人学生の英語力強化
英語教育見直、講義の英語化
外国人教職員・学生にとって生活しやすい
キャンパス環境

国際的に競争力のある大学づくり

2

世界の舞台で活躍する学生の育成

Joint Degree 拡大皆さんも英語で論文を書くんですよ国際的なスケールで活躍できる研究者としての鍛錬
異文化の体験・外国語（英語）の習得

悩み多きaとthe
aとtheの基本を押さえた上で、もう少し詳しく（出典：マーク・ピーターセン著 (続)日本人の英語 岩波書店139
NHK英語でしゃべらないと（アスコム）2006年6月号）

著作権等の都合により、ここに挿入されていた画像は削除しました
マーク・ピーターセン(1988) 続日本人の英語 岩波書店
アスコム NHK英語でしゃべらナイト 2006年6月号の画像

悩み多きaとtheProf. Watanabe is working on a PC.
Prof. Watanabe is working on PCs.
Prof. Watanabe is working on the PC.
Prof. Watanabe is working on the PCs.

上記の文章は、シチュエーションによって意味が異なる。
その違いを考えよう。
秘書が僕にかかってきた電話を受けた。
ケース１） 秘書は、相手がどんな人か知らない。
ケース２） 相手は、僕の部屋に時々来る同僚。

悩み多きaとtheProf. Watanabe is working on a PC.
Prof. Watanabe is working on PCs.
Prof. Watanabe is working on the PC.

秘書が僕にかかってきた電話を受けた。
ケース１） 秘書は、相手がどんな人か知らない。
ケース２） 相手は、僕の部屋に時々来る同僚。

Prof. Watanabe is working on the PCs.

©️HUMAN PICTOGRAM2.0©️Pixabay