新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 2

平成 25 年 10 月

第 1 回公開シンポジウム 開催報告藤井 正明

（東工大資源研・総括班、事務局）とが明らかになっており、まさしく柔らかな分子系であり、多くの質問が出された。発表の後には研究交流

本特定領域研究の第 1 回公開シンポジウムが、平成会が開かれ、そこでも参加者の間で熱い討論が続けら

25 年 10 月 5 日（土）に、キャンパスイノベーションれた。

センター東京（東京都港区芝浦）で開催された。本シシンポジウムのプログラムは以下のとおりであった。

ンポジウムは、今年度発足する本特定領域研究の内容を、関連する研究分野の方々に広く知っていただくこプログラムとを目的に開催されたものである。また、現在本領域

14:00

本特定領域研究のねらいの公募研究が募集されており、本シンポジウムはその(経過、研究構想、公募方針)説明会としての性格もあった。

田原
14:25

最初に、田原太平領域代表から、本特定領域研究の全体についての説明が行われた。どのような考えで申太平 (理研)

A01 柔らかな分子系解析項目について
北尾

14:50

請に至ったか、領域全体としてどのような研究を目指すのかが説明された。さらに、公募の方針について具彰朗（東大分生研）

A02 柔らかな分子系計測項目について
泰久 (阪大院理)水谷体的な説明がなされた。続いて、北尾彰朗 A01 班班長、

15:15

水谷泰久 A02 班班長、神取秀樹 A03 班班長から、各A03 柔らかな分子系計測項目について神取班の研究概要について説明が行われた。
休憩をはさみ、後半部では各研究項目から 1 名ずつ

秀樹(名工大)15:40

コーヒーブレイク

16:10

研究構想 1

森田明弘 (東北大院理)研究構想の発表が行われた。A01 項目からは森田明弘

16:40

研究構想 2

高橋聡 (東北大多元研)

氏（東北大院理）が溶液・高分子の界面に関する理論

17:10

研究構想 3

村橋哲郎 (分子研)研究の構想を紹介した。界面は従来実験が困難で未知17:40

まとめの部分が多かったのであるが、田原代表の開発した新18:00- 研究交流会

たな非線形分光法により一気に解明が進みつつある研
シンポジウムには研究者、大学院生、合わせて 152究課題である。その理解にはシャープな理論が不可欠であり、森田氏の理論と計算により SFG 発生、界面名の参加があった。会場には立ち見が出るほどの盛況

輸送、反応場としての界面に関して最新の成果が講演であり、本新学術領域研究に対する分野の興味の強さされた。

を象徴していた。

A02 項目からは、高橋聡氏（東北大多元研）が、一最後に、シンポジウムの開催、進行をお手伝いいた

分子計測によるタンパク質のフォールディング運動にだいた、東工大分光化学部門のスタッフ、秘書、大学関する研究を発表した。高橋氏は様々な工夫を凝らし院生のみなさんに事務局を代表して深く感謝する。

た新たな顕微分光装置を用いてタンパク質のフォールディングの測定を行っており、20 マイクロ秒から数十秒に渡るタンパク質の運動を蛍光検出により観測に成功している。一分子の選別装置との結合など野心的な研究構想も提示され、多くの質問が向けられた。
A03 項目からは村橋哲郎氏（分子研）が柔らかな有機多核金属複合体の創成に関する研究が講演された。
近年様々な構造の超分子錯体が創成されているが、できるだけ弱い結合相互作用を用いる点がポイントである。ここではπ—配位結合を連続させるという新たな着想で創成された例が報告された。この連続多点π配位結合は交換、スライドなど特異な動的な挙動があるこ3

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 2

平成 25 年 10 月

業績紹介：二次元蛍光寿命相関分光法の開発
石井 邦彦 （理研・A02 計画研究分担者）
田原 太平 （理研・A02 計画研究代表者）

た）、完全な形でフルペーパーにまとめるまでに 4 年を費やした。これは主に、二次元マップの適切な解析法の確立に時間を要したためである。特に、重なり合っ論 文 題 目 ： "Two-Dimensional Fluorescence Lifetime

た蛍光減衰曲線を指数関数減衰成分の和に変換する逆Correlation Spectroscopy. 1. Principle"

ラプラス変換（これにより各状態の寄与を可視化でき著者：Kunihiko Ishii and Tahei Tahara

る）の不安定性に手を焼き、結局最大エントロピー法、雑誌巻号：J. Phys. Chem. B 117, 11414-11422 (2013).

行列ランクの制限、グローバルフィッティングを組み

論 文 題 目 ： "Two-Dimensional Fluorescence Lifetime

合わせた独自の解析法を作り出すことで信頼できる結Correlation Spectroscopy. 2. Application"

果を得ることができた。論文を 2 報に分けたのはこの

著者：Kunihiko Ishii and Tahei Tahara

ためであり、“2. Application”のかなりの部分がこの解雑誌巻号：J. Phys. Chem. B 117, 11423-11432 (2013).

析法の説明に向けられている。図には、これによって得られたヘアピン DNA の開閉ダイナミクスの観測結

上記 2 報の論文は、我々が数年にわたって開発を進果を示している。苦労の甲斐あって、この 2 報の論文めてきた二次元蛍光寿命相関分光法（2D-FLCS）の原は 2 名の査読者に高く評価され、2 報とも改訂なしで理と実際についてまとめたものである。我々の研究は、受理されることとなった。

「単一分子分光法を使えば複雑な分子の自発的な構造

本論文で 2D-FLCS の基本的な骨格はほぼ完成した変化をリアルタイムで追跡できるのではないか？」とが、ここでターゲットにしている複雑な分子の自発的いう発想を出発点としている。顕微分光関連技術の発な構造変化は、本学術領域の中心的なテーマの一つに展により、このような実験は実現不可能ではなくなっなると予想される。今後本学術領域で 2D-FLCS を応用てきているが、単一分子レベルでの分光実験から有意した柔らかな分子系の研究とそのための手法の拡張をな分子情報を得ることは依然として難しく、時間分解進めていく計画である。

能・状態分解能などの点で大きな制限がある。我々は以前に、一分子の蛍光信号から可能な限り多くの情報を得る目的で時間相関光子計数法（TCSPC）を導入し、蛍光寿命の揺らぎの相関関数を計測する方法を報告した[1]。しかし、複数の状態が関与する複雑なダイナミクスに対して、状態選別的に高い時間分解能で構造変化を解析することはできていなかった。
本論文では、TCSPC を用いた蛍光相関分光データの包括的な解析方法を提案し、その有用性を実際の実験データに即して検討した。アイディアの核心は、蛍光強度の２点相関関数を各光子の励起‐発光遅延時間を用いて二次元展開することで、情報ロスのない解析を可能にした点にある。このようにして得られる二次元マップには、異なる蛍光寿命をもつ状態間の相関の情図報が完全に保存されている。後はこのマップを適切に2D-FLCS によるヘアピン DNA の測定結果．二次元蛍光寿命相関マップの時間変化（上図）とその解釈（下図）．

解析して各状態の寄与を分離すれば、蛍光相関分光法が本来持つマイクロ秒以下の時間分解能で状態選別的引用文献に構造変化を解析することができることになる。

[1] K. Ishii and T. Tahara, J. Phys. Chem. B 114,12383-12391 (2010).

この着想を得たのは 2009 年春のことで、その後二次元展開法についての短い論文を一報出したが[2]（この[2] K. Ishii and T. Tahara, Chem. Phys. Lett. 519-520,

論文は受理されるまでに二度他誌でリジェクトされ130-133 (2012).

4

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 2

平成 25 年 10 月

業績紹介：ヘモグロビンの Perutz 機構のリアルタイム観測に成功
石川 春人 （阪大院理・A02 計画研究分担者）
水野 操 （阪大院理・A02 計画研究分担者）
水谷 泰久 （阪大院理・A02 計画研究代表者）の光解離を起こし、それによって生じたαサブユニットでの構造変化がβサブユニットへどのように伝搬するかをサブユニット選択的に観測することができる。
時間分解共鳴ラマンスペクトルには、Fe ヘム由来の論文題目："Intersubunit communication via changes in

バンドおよび Ni ヘム由来のバンドともに波数の変化

hemoglobinbyが観測された。Fe ヘム由来のバンドの変化は、その時

time-resolved resonance Raman spectroscopy: Direct

定数が通常のヘモグロビンから得られた値と一致し、observation of the Perutz mechanism"

これは Ni 置換がタンパク質ダイナミクスに影響を与著者：Kenta Yamada, Haruto Ishikawa, Misao Mizuno,えていないことを示している。また、Ni ヘムに由来す

Naoya Shibayama, and Yasuhisa Mizutani

るバンドの変化は、時定数を約 20 µs とする単一の指雑誌巻号：J. Phys. Chem. B 117, 12461–12468 (2013).

数関数でよくフィットできた。これは、αサブユニッ

quaternarystructuresrevealed

トでリガンド脱離後に起きた構造変化が、サブユニッ
ヒトヘモグロビンは赤血球に含まれる酸素運搬体タト接触部位を介してβサブユニットに約 20 µs で伝播

ンパク質で、αおよびβサブユニットが 2 つずつ会合しすることを意味する。また、ヘムとそれに配位したヒた四量体構造をとっている。その酸素運搬に重要な性スチジン残基間の伸縮振動バンドには、2 種類のサブ質は協同的酸素親和性であり、その発現機構の理解にユニットに共通して時定数約 20 µs の変化があることは、ひとつのサブユニットで起きた構造変化が隣接しも明らかになった。興味深いことに、過去の研究で、たサブユニットにどのように伝搬するかを明らかにす

サブユニット接触部位にも時定数 20 µs の変化があるることが必要である。われわれは、時間分解共鳴ラマことが報告されている。これらの時定数の一致は、サン分光法を用いて、サブユニット間の構造変化の伝搬

ブユニット接触部位に変化が起きると四次構造が変化を観測することに成功した。

し、2 種類のサブユニットともにヘムとポリペプチド

本研究では、サブユニット間を伝播する構造変化を間の相互作用が同期して変化することを示している。

追跡するために、αサブユニットのヘムはそのまま（Fe

これは、「四次構造の変化がヘムの酸素親和性に変化をヘム）で、βサブユニットのヘムを Ni ヘムに置換した、与え、ヘモグロビンは協同性をもつ」とする Max Perutz

混成ヘモグロビンを作製し、測定に用いた。この混成が提案した協同性発現機構から予想される変化そのもヘモグロビンはダイナミクス観測のうえで 2 つの利点のであり、この機構をリアルタイム観測したものと考をもっている。ひとつは Fe ヘムとは異なり、Ni ヘムえることができる。には酸素や一酸化炭素などのガス分子リガンドが結合ヘモグロビンの協同性は、構造変化、すなわち分子しないという点である。ヘモグロビンの構造ダイナミの柔らかさが機能を生む典型例である。今後はこの研クス研究では、ヘムに結合した一酸化炭素が光励起に究を発展させ、構造変化の伝搬機構をより詳しく明ら

よって解離するという性質を利用し、リガンド解離をかにしていきたいと考えている。

トリガーとした構造変化を追跡するやり方が一般的である。混成ヘモグロビンを用いることで、Fe ヘムを含みリガンドの光解離が起きるサブユニットと Ni ヘムを含みリガンドの光解離の起きないサブユニットをヘムグロビン分子内に共存させることができ、サブユニット間の構造変化の伝搬を調べることができる。もうひとつは、Fe ヘムと Ni ヘムとは吸収帯の極大波長が20 nm 近く異なるので、共鳴効果によって、ヘモグロビン分子内で 2 種類のサブユニットを選択的に観測可

図 1. サブユニット接触部位に変化が起きると四次構造が変化し、2 種類のサブユニットともにヘムとポリペプチド間の相互作用が同期して変化することが、本研究から明らかになった。

能であるという点である。混成ヘモグロビンがもつこれらの性質を利用すると、αサブユニットでリガンド5

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター  No.
 2平成 25 年 10 月!

k¢ ÜQñt×§½JA03 Û½ÀÊò ã ñPtê²JA01 Ó·½ÀSÏÊò   AgNO3C60R

Photoresponsive Molecular Tube"

2+N Ag NNRÖïºö"Facile Catch and Release of Fullerenes Using aRRRRRRCD3CN

R

ÎÊöNorifumi Kishi, Munetaka Akita, Motoshi Kamiya,Shigehiko Hayashi, Hsiu-Fu Hsu, Michito Yoshizawa*íÔiöJ. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 12976–12979.
A6;56;ew¯*56;]v*')L(¨ Ag(I).0I}ò'*56;\+"å.0IYÚ']Zw¹Ø(xzeÚôáTvôu¥c&c¬3EKIsà`©ñZ«é(+( R = -OC2H 4OCH3 )2•NO3–2!C60

 "[dUô!C60 ]varÓÃ DFT ÓÃ(º¹­\@H76& DDS Ä$ãÐË

N Ag Nõ]ÌÆÉe'*  ,[dáTÇj
9CK?

Þ¹[dÐ8.BI456;\¤j­

N1(*Åónm 9CK?®Áèó]v C60 68:2I4¼OVµ')ëèª[d+Ùô-I;D7I³,*á*¿+ñnõòa)b)

TvóîláTo Pd(II).0IÌÆÉe')M2L4 ÆáTÇj1@7Fzä¹´+>DKGI C60 ,Þ¹[d*,Ñ\*[1,2]RmáTvó»ÈNáTo Ag(I).0I,µ*ÒáTÇj9CK?ô '*>DKGIð[d'Z«}'*\^$bñnóò  C60 ,[dáTÇj9CK?ô xzeÚöa) ¡î ' b) Wînmetal ion2Z«}'* Ag(I).0I

G-7;=;EF¨£|¦Z,«}*9GCK?[d+ C60 zä¹\+*

2guest(>DKGI\,Ý{ìC60 ,[d9CK?ô hvligand( Ag(0)!ZßYf,_µáTÇj9CK?

( áTÇj9CK?'*56;]v[d\(9CK?ô q1@7FÚ[1]¸)0K@I/I<ÂoÚ¶yËp,* C60 Õ~U[dZ«}'>DKGI C60 ,[dáTÇj9CK?ô

*\hË*%(!C60 NáTv 1 ¾âæC60 õ],-7;=;EFM|¦*#g±Í´µ°ñnôòáTv¾âæ#f9CK?(+çoX

[1] N. Kishi, M. Yoshizawa, et al., J. Am. Chem. Soc. 133,

(9CK?´ C60

11438-11441 (2011).

*  [ d U   Ú  NMR,ESI-TOF MS, UV-vis '([2] N. Kishi, M. Yoshizawa, et al., Chem. Eur. J. 19,

6313-6320 (2013).

6

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 2

平成 25 年 10 月

TSRC Workshop on Protein Dynamics 参加報告
北尾 彰朗

動力学・QM/MM・理論モデル・時分割 X 線・中性子（東大分生研・総括班）

散乱・Mössbauer・蛍光・共鳴ラマンや様々な先端的2013 年 8 月 5 日から 9 日まで行われた TSRCな分光法がありました。歴史的な経緯もあって、分光

Workshop on Protein Dynamics に参加してきました

や NMR の分野からの参加者が多いといえます。しかので、その様子をご報告します。TSRC (Telluride

し、参加している研究者のほとんどは、複数の実験やScience Research Center) Workshop は 、 米 国

実験－理論計算の共同研究をおこなっています。特にColorado 州 Telluride で 1984 年から行われている分実験結果に対しては、ほぼ必ずそれに対応する理論計子科学のワークショップです。現在は 1-2 月と 6 月-8算の結果が示されるなど、理論と実験の協奏はタンパ

月にかけて 40 件程度のワークショップが開催されてク質分野ではかなり進んでいるのが現状です。

いるようです。通常は、クローズドな研究会で、30 名分光や時分割関係の研究者が多いこともあり、光受程度の参加者が未発表の研究成果も含めて時間をかけ容タンパク質や膜タンパク質を対象とした研究が多くて密に議論を深めるという形をとります。Protein

見受けられました。また、水和とタンパク質ダイナミDynamics のワークショップは今回一人あたり 45 分クスという古典的な話題も健在でした。水和に関しての持ち時間でしたが、中には参加者が 10 名程度で、は、参加者それぞれが一家言あるということもあり、一人当たり 2-3 時間かけて議論するワークショップも議論が盛り上がったのが印象的でした。また、いくつあるそうです。

かの問題に関しては、異なる手法で得られた結果が一

Telluride は元々鉱山の開発に由来する山あいの町

見矛盾しているように思われました。今後これらの問ですが、現在では高級スキーリゾートとして知られて題がどう解明されていくのか楽しみです。

います。俳優の Tom Cruise が家をもっているなどセレブタウンとしても有名です。中心部は標高 2700ｍ弱、周りを取り囲む山々は 3700-4300ｍの高地にあります

ワークショップは最後に 2 年後のオーガナイザーを決定して終了しました。次回の 2015 年は、倭氏（名大院理）がオーガナイザーを担当してくださいます。

ので、通常月曜から始まり金曜で終了するワークショ

Telluride の町は小さいので、日本人からすると、どうップの中間くらいに高山病の症状がひどくなる参加者しても食事のバリエーションが限られます。1 週間くが見受けられます。私自身は、初回の参加（2009 年）

らいがちょうどよい滞在期間で、終わってほっとしまの際に高山病の症状が強かったことに懲りて、2 回目した。

から高山病に効くという薬を携行してでかけています。
Protein Dynamics のワークショップは 2 年ごとに行われています。ワークショップの 4 人のオーガナイ
ザー（日本 1 名、ヨーロッパ 1 名、米国 2 名）の内 1
名を 2007、2009 年は水谷泰久氏（阪大院理・総括班）が、2011、2013 年は私が務めました。日本からは、私以外に、片岡幹雄氏（奈良先端大）、水谷氏、林重彦氏（京大院理・計画研究代表者）、倭剛久氏（名大院理）、西坂崇之氏（学習院大理）が参加しました。また本領域 の 海 外 評 価 委 員 で あ る Paul E. Champion 氏（Northeastern 大）と John E. Straub 氏（Boston 大）
も Protein Dynamics ワークショップの常連であり、今回も参加されていました。

水谷泰久氏（左：阪大院理・総括班）と林重彦氏（右：クローズドな会合であるため、個別の研究内容につ京大院理・計画研究代表者）。ワークショップが終わっいては述べませんが、全体の雰囲気はお伝えしたいとてほっとしたところ。

思います。研究に使われている手法としては、NMR・
光ピンセットをはじめとする様々な 1 分子計測・分子7