研究トピックス

​酸化還元還元反応は、生命活動・物質開発・環境などあらゆる場面において、基本的かつ重要な化学反応です。我々は、「生体酸化還元」「化学的酸化還元」「電気的酸化還元」に焦点を当てながら、生命現象の人工的な制御方法の開発や有機合成化学における有用な触媒開発などに取り組んでいます。

e

-

Arai Lab.

​Biolodical redox

Chemical redox

生体分子の酸化還元

化学的酸化還元

電気的酸化還元

Electrochemical redox

e

-

-

e

/ ER内在酸化還元酵素のモデル化 (有機合成研究・生化学研究)

01

「人工分子を用いて生命現象を制御できるか?」

酸化的な環境にある細胞小器官の一つ、小胞体(ER)の酸化還元恒常性は様々なER内在酸化還元酵素(ORase)によって保たれています。例えば、グルタチオンペルオキシダーゼ(GPx)ファミリー、プロテインジスルフィドイソメラーゼ(PDI)ファミリーはそれぞれ活性酸素種(ROS)に対する抗酸化反応と新生タンパク質のジスルフィド架橋をコントロールしています。これらの機能を化学的に模倣することは、フォールディング病(アルツハイマー病など)やROSによる癌化の抑制の観点から重要です。我々は高い酸化還元活性を有する有機セレン化合物の合成と生物学的応用に焦点を当て、研究を行っています。

 

 

Protein Disulfide Isomerase (PDI)
Glutathione peroxidase (GPx)

02

タンパク質フォールディング機構解明 (生物物理学研究・生化学研究)

「タンパク質はどのように折りたたまる(フォールディングする)のか?」

細胞において、タンパク質はアミノ酸がペプチド結合で連なった鎖として合成されます。しかしタンパク質は普通、ある特定の三次元立体構造に折りたたまれて(フォールディングして)初めて生理機能を発揮するため、ただの鎖状のペプチド鎖では生理学的に意味がありません。タンパク質は構造をもたないアンフォールド状態(U)から天然状態(N)へPDIをはじめとする小胞体(ER)内在品質管理タンパク質などのフォールディング酵素の助けを借りて効率よくフォールディングします。我々の興味は、「タンパク質がどのようにフォールディングするか?」だけでなく「フォールディング酵素がどのように反応を補助するのか?」というに点にあります。ミスフォールディングによる疾患の原因解明に関わる重要な研究テーマです。

03

/ マイクロフローリアクターを用いた有機合成 (有機合成研究・合成テクノロジー開発)

「フラスコからの脱却-流れの中での化学反応!」

一辺あたり1mm以下の流路を有するマイクロフローリアクターはその高い表面積対体積比、短い拡散距離、迅速な熱伝導と物質移動によって効率的で安全な有機反応を可能にします。一方、電気化学反応はその陽極(anode)と陰極(cathod)が化学薬品の代わりにそれぞれ酸化剤および還元剤の役割を果たすため、酸化還元反応が伴う有機合成においては環境配慮型の手法とされています。つまり、マイクロフローリアクターと電解リアクターを合体させたデバイスは合成効率と環境保全の観点からとても有用であると考えられます。我々は最近、上の図に示したような電解マイクロリアクター(ECMR)を作成しました。ECMRはFEPマイクロフローチャネルが白金電極で挟まれた構造をもち、チャネルにおける短い拡散距離が効果的な電解反応を実現します。我々は現在ECMRを用いて新しい電解有機反応の開発や酸化還元酵素等の生体分子の電気化学的制御手法の開発を試みています。