ヴィンセント・L・ペコラロ

ミシガン大学の教授である ヴィンセント・L・ペコラロは、生物無機化学と無機化学の研究者です。マンガン、バナジウム、メタラクラウン化学の化学と生化学の専門家です 。アメリカ科学振興協会のフェローです。

ペコラロは1956年8月にニューヨーク州フリーポートで生まれ、その後すぐに家族でカリフォルニアに移住し、幼少期のほとんどをそこで過ごした。^[1] 高校卒業後、カリフォルニア大学ロサンゼルス校で学業を続け 、1977年に生化学の学士号を取得して卒業し、カリフォルニア大学バークレー校でケン・レイモンドのもとで化学の博士号を取得。博士号取得後、ウィスコンシン大学マディソン校でW・ウォレス・クレランドのもとで3年間のポスドク研究員を務めた。1984年、 ミシガン大学化学科の助教授に任命された。

メタラクラウンは、金属イオンと非金属を繰り返し単位として含む環状化合物の一種です。Vincent L. Pecoraro と Myoung Soo Lah は 1989 年に最初のメタラクラウンを報告し、それ以来、これらの化合物は数多くの新しい用途を持つ独自の研究分野に成長しました。^[2] これらの化合物の最も興味深い側面の 1 つは、その多様性です。新しい配位子や異なる金属をフレームワークに組み込むことで環のサイズを変更でき、これにより内部の空洞のサイズも変化します。^[3] そのため、メタラクラウンの構造を調整し、溶媒などの環境を変更することで、特定のイオンを選択的に中心に捕捉することができます。^[4] これらの独自の特性と、メタラクラウン合成に伴う固有のグリーン性(通常、高収率、ワンステップ、無害な溶媒) により、これは Pecoraro グループや世界中の多くの他の科学者にとって、今でも活発な研究テーマとなっています。

Pecoraro グループは現在、選択的結合を持つメタラクラウンをさまざまな生物学的用途に使用することに取り組んでいます。1 つの用途は、医用画像診断にメタラクラウンを使用することです。現在、MRI では、キレート リガンドと組み合わせて造影剤としてガドリニウム(Gd) が使用されています。残念ながら、Gd がキレート剤から解放されると、Gd は人体に対して非常に有毒になります。 ^[5] これらのガドリニウム キレートは多くの健康被害をもたらし、死に至ることさえありますが、これはまれな発生であり、通常は腎臓の問題を抱える患者にのみ見られます。^[6] 幸いなことに、この同じ金属は、メタラクラウン モチーフに選択的かつ非常に強力に捕捉することもできます。^[7] 現在、グループは、このシステムを、体内で見られるさまざまな条件、たとえばさまざまな pH や、メタラクラウンに結合する可能性のあるさまざまな化合物や金属にさらして、有毒な Gd がメタラクラウンから置換されないようにすることに取り組んでいます。^[1] 体内でのメタラクラウンのその他の潜在的な用途としては、RNAとDNAの重要な結合成分であるリン酸ジエステルの加水分解が挙げられる。

ペコラログループのメタラクラウンに関する研究のもう一つの分野は、単分子磁石としての応用に焦点を当てています。メタラクリプテートは、マンガン酸化物が中央に閉じ込められた3次元のメタラクラウンと考えることができます。 ^{[8]この化合物の最も興味深い点は、この分子が}単分子磁石 のように機能することです。^[8] 現在、グループは、メモリストレージデバイスへの応用を最終目標として、このシステムを完全に理解するための研究を続けています。

ランタニド分離の研究^[9]

ペコラログループは、マンガン（Mn）ベースの酵素に特に興味を持って、生物系におけるマンガンの役割も研究しています。これらの酵素は、抗酸化物質（スーパーオキシドディスムターゼ）^[10]として作用したり 、細胞を酸化ダメージから保護したりする（カタラーゼ）など、体内でさまざまな重要な役割を果たしています。^[11]グループはまた、水の酸化を触媒する酸素発生複合体についても研究しています。この化合物は、 _CO2と水を糖に変換する植物の光合成において重要な役割を果たしています。 ^[12]

Pecoraro グループは、まずモデル システムを作成して研究することで、これらのマンガンベースの化合物にアプローチしました。グループは、Mn 原子が酸素発生錯体(OEC) で見られるのと同じ間隔を持ち、同様の配位子環境も持つ二マンガン錯体を合成することができました。この化合物は、カタラーゼと同様の触媒活性を持つことも示されています。^[13] このシステムから得られた情報により、OEC の発生方法に関する新しい提案が生まれました。1 つのメカニズムは、水素抽出による OEC の連続酸化です。^[14] グループは、熱力学計算と模擬システムの研究を使用してこのメ​​カニズムの実行可能性をテストし、これが実際に可能なメカニズムであることを発見しました。^[14] この二量体システムは、さまざまな異なるマンガンの酸化状態で存在することもわかりました。これらの酸化状態は、カタラーゼにも存在することが示されています。マンガンの 1 つに水酸化物が結合するのを観察すると、非対称の二量体が生成されます。^[15]

彼のグループは、バナジウムの生体無機用途への応用に関心を持っています。バナジウムは、特定の海洋動物の酵素中に天然に存在します。これらの酵素の1つであるニトロゲナーゼは、窒素ガスをアンモニアに変換する役割を担っており、植物が利用することができ、これは植物の発育に不可欠です。^[16] もう1つのタイプであるハロペルオキシダーゼは、海水から臭素を過酸化水素とともに取り込み、有機臭素化合物に変換します。^[17] これらのユニークなバナジウム錯体は、他のものと同様、キノコなどの陸生生物に含まれています。さらに、これらの化合物は、血糖コントロールを改善することで糖尿病患者を助けることがわかっているため、人間にとっても非常に有用である可能性があります。^[18] ペコラログループは、バナジウムのこれらの興味深い用途を取り上げ、より深く理解するための研究を開始しました。特に、ハロペルオキシダーゼが研究の主な焦点となっています。まず、研究グループはバナジウムハロペルオキシダーゼを模倣したバナジウム錯体を合成し、そのメカニズムの理解に努めました。このシステムは反応を効率的に触媒しただけでなく、貴重な速度論的データを収集し、以下に示すような触媒サイクルを提案することができました。 ^[19] この情報から、触媒作用が起こるには酸/塩基が必要であることがわかりました。この情報を基に、これらの錯体が自然に活性化されてハロゲン化物の酸化を可能にする仕組みを理解するための取り組みが進められています。^[20] また、研究グループはこれらのバナジウムベースのハロペルオキシダーゼの不活性型の構造を解明しようと取り組んでいます。^[1] この情報は、これらのバナジウムハロペルオキシダーゼがこれらの生物系でどのように発見され、機能するかについて重要な洞察を提供し、研究グループはバナジウム化合物を糖尿病治療に応用することに一歩近づくことになります。

同研究グループは、体内での重金属の役割とその毒性を軽減する方法についての研究も行っている。鉛や水銀などの重金属は人体に有毒であり、水俣病などの命に関わる病気を引き起こす可能性がある。^[21] 残念ながら、人体はこれらの金属に対して本質的に無防備である。水銀と鉛の問題は、酵素内で亜鉛を置換し、反応を停止させることである。また、硫黄と強く配位し、システインを含むタンパク質のミスフォールディングを引き起こすことが多い。 ヒ素もまた、 DNA内の窒素を置換し、その望ましい必要な役割から逸脱するため、懸念される金属である。これらすべての金属は、他の多くの金属と同様に、深刻な健康への影響を及ぼします。人間にはこれらの重金属に対処する方法はありませんが、細菌はこれらの金属を除去して毒性の副作用を防ぐ方法を開発していることがわかっています。この情報がペコラロ研究グループのモチベーションとなっています。

初期の研究は、これらの重金属のペプチドへの結合を理解することに焦点が当てられてきました。ヒ素(As)、水銀(Hg)、カドミウム(Cd) はすべて、さまざまなペプチドを含むシステムで使用されました。ヒ素は、主に三角錐または四面体の形状を介して、速度論的にも熱力学的にも好ましい方法でペプチドに結合することがわかりました。^[22] 一方、水銀は、直線形状を介して別々のペプチド内の2つの硫黄原子に結合し、2本鎖のコイルドコイルの形成を引き起こすことがわかりました。^[23] また、段階的凝集-脱プロトン化と呼ばれる特定の条件下では、水銀が3つの硫黄と結合して、中央にHgがある3本鎖のコイルドコイルを生成できることが示されました。^[24] カドミウムは、これらのシステムで研究された最後の重金属でした。 Cdも3つの別々の硫黄に結合することがわかったが、2本鎖コイルドコイル内で直線的な結合形状を形成しない点でHgシステムとは似ていない。^[25] 得られた情報は、これらの重金属がタンパク質とその折り畳みにどのように干渉するかについての貴重な情報を与える。これは、体内での重金属結合を理解し、潜在的に解決するための第一歩である。

少なくとも全タンパク質の 3 分の 1 には、少なくとも 1 つの金属が含まれています。これらのタンパク質の例をいくつか上に示します (カタラーゼと酸素発生複合体)。これらの金属タンパク質が、加水分解結合の切断から植物の光合成の役割まで、さまざまな役割を果たしていることを考えると、金属の役割について実際に理解されていることがいかに少ないかは、むしろ驚くべきことです。この問題に対処するために、Pecoraro グループは de novoまたは「ゼロから」のタンパク質設計に着手しました。この方法論により、独自のアミノ酸配列、金属の結合部位、そして最終的にタンパク質またはそれぞれの金属ペプチドの折り畳みが可能になります。Pecoraro グループは、金属の環境を変えることで、最終的に触媒活性、速度、結合強度など、金属が関与するすべてのプロセスに劇的な影響がもたらされると信じているため、結合部位の配置に特に関心を持っています。 ^[26]

彼のグループは、初の二金属人工タンパク質を作成した。このタンパク質には、安定性のための水銀と触媒活性のための亜鉛が含まれており、天然タンパク質のさまざまな加水分解反応を実行できることが証明されている。 ^{[27]ほとんどの合成化合物が天然}タンパク質、特に炭酸脱水酵素 と同様の機能を発揮できないのに対し、この人工金属タンパク質は、世界で最も速く、触媒活性の高いタンパク質の1つである炭酸脱水酵素と同様の能力を示し、優れている。 ^[27]

• ホレス・H・ラッカム財団フェロー（1985）
• イーライリリー財団フェロー（1985）
• GD サール 生物医学研究学者 (1986-1989)
• アルフレッド・P・スローンフェロー（1989-1990）
• 学部教育における優秀賞（1991年）
• ACS アクロン支部化学優秀賞 (1995)
• テキサスA&M大学フロンティア講師（1996年）
• メアリー・カップ ヴァージニア・コモンウェルス大学講師 (1997)
• オクラホマ大学カーチャー講師（1999）
• デュケイン大学ピットコン講師（2004）
• アレクサンダー・フォン・フンボルト米国上級科学者賞 (1998-99)
• 生物学における金属ゴードン会議議長（2000年）
• アメリカ科学振興協会フェロー（2000年）
• マーガレット・アンド・ハーマン・ソコル科学教授賞（2004-5）
• ブレーズ・パスカル国際教育研究機構 (2010-2012)
• 台湾国家講師（2010）
• ACSフェロー（2010）
• ヴァナディス賞（2010年）