解 説
核共鳴振動分光の生物学分野への応用― 酵素活性中心のプローブとして ―依田芳卓
公益財団法人要 旨

高輝度光科学研究センター〒6795198 兵庫県佐用郡佐用町光都 111

核共鳴振動分光は複雑な構造を有する酵素のなかで，活性中心にある鉄の振動のみを抽出できるという大きな特徴をもつ。活性中心に金属をもつ金属酵素のなかで鉄酵素は水素を酸化還元するヒドロゲナーゼをはじめ，エネル
ギー問題食料問題医療などと密接に関わっているものが多い。本稿では，核共鳴振動分光について，その原理や特徴を説明するとともに，ヒドロゲナーゼやハロゲナーゼなどの酵素における活性中心の構造や電子状態を解明
し，反応性との相関に迫った最近の研究を紹介する。

が，電子状態の決定には EPR （ Electron

1. はじめにParamagnetic

Resonance）などが広く利用されてきた。ターゲットの金

酵素は生体内でさまざまな化学反応を促進する天然の触属イオンに着目した EXAFS（Extended XrayAbsorption

媒であり，高温高圧などの特別な環境を必要とせず，エネ

Fine Structure）やメスバウアー分光なども重要な役割をルギーを浪費しない反応をおこなう。ほとんどの場合，有果たしてきた。また，原子間の結合の様子から構造や電子害な副生成物を生成せず，その点でも環境に優しい。多く状態を探ることを目的として，赤外吸収分光およびラマンの酵素は巨大な分子量をもつタンパク質で，その中で活性分光などの振動分光が一般的におこなわれている。

中心は基質との直接的な触媒作用を担っており，活性部位

一方，金属酵素の活性中心を研究する特異な手法としてとも呼ばれている。その活性中心の構造働きを解明し，最近注目を集めているものに核共鳴振動分光がある2,3）。

それを模写した人工触媒の開発探索がさかんにおこなわ

核共鳴振動分光は，複雑な構造を有する酵素のなかで，れている。 2011 年に光合成をおこなうタンパク質の活性“活性中心にある金属イオンの振動のみを抽出できる”と中心の構造が明らかになり1），非常に大きなインパクトをいう大きな特徴をもつ。他の手法で得られた情報とあわせ与えたことは記憶に新しい。まさに，「自然から学ぶ」とて用いることにより，構造および電子状態に関して重要かいう言葉がぴったりと当てはまる研究分野である。

つ決定的な知見を与えている。次節以降では，この核共鳴酵素の中で活性中心に鉄銅亜鉛ニッケルマンガ

振動分光について，その原理や特徴を説明するとともに，ンなどの金属イオンを含むものは多く，金属酵素と呼ばれSPring 8 でおこなわれた最近の研究のなかから 2 つの事る。特に鉄を含む金属酵素で重要なものは枚挙にいとまが例を紹介する47）。

なく，水素を酸化還元するヒドロゲナーゼ，窒素固定をおこなうニトロゲナーゼ，DNA 合成に関わるリボヌクレオ
チドリダクターゼ，メタンをメタノールに転換するメタン

2. 核共鳴振動分光

モノオキシゲナーゼなどが挙げられる。ヒドロゲナーゼは

核共鳴振動分光は原子核の共鳴準位を経た X 線の非弾

クリーンな水素社会の実現に，ニトロゲナーゼは安価な窒性散乱である核共鳴非弾性散乱を利用し，着目する原子の素肥料の作製を通じて発展途上国の食糧問題の解決につな振動状態を求めることができる分光法である。 Nuclear

がる。リボヌクレオチドリダクターゼは抗がん剤の開発

resonance

vibrational

spectroscopy の頭文字をとってに，メタンモノオキシゲナーゼはシェールガスやメタンハ

NRVS と呼ばれることもある。また，この手法は非弾性

イドレート等から産出したメタンの容易な運搬に利用でき

散乱とも核共鳴振動分光とも呼称されるが，同一であり，る。これらの酵素を有効に活用できれば，社会に大きな恩

物理地学の分野では非弾性散乱，化学生物の分野では恵をもたらすと期待されている。

核共鳴振動分光と呼ばれることが多い。

金属酵素の触媒作用発現機構を理解するためには，反応

通常，原子核の準位のエネルギー幅は neV から meV 程の各段階における活性中心の構造および電子状態の解明が度と非常に狭いため，不確定性原理からその励起寿命は大きな鍵となる。広く知られるように，構造の決定には結nsec から msec 程度となる。酵素の核共鳴振動分光によく晶構造解析や NMR（Nuclear Magnetic Resonance）など用いられる鉄の同位体 57Fe の場合，第一励起準位の共鳴

150 ● 放射光 May 2016 Vol.29 No.3
(C) 2016 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research解説 ■ 核共鳴振動分光の生物学分野への応用

Fig. 1(Color online) Time structure of the nuclear resonant scattering. The half lifetime for 57Fe is 98 ns.

エネルギーは 14.4 keV，そのエネルギー幅は 4.7 neV で，半減期寿命は 98nsec である。放射光 X 線の時間構造を利用することにより， Fig. 1 に示すように，電子によって瞬時におきる通常の散乱と原子核の準位を経た核共鳴散乱を時間的に切り分けることができる。例えば， SPring 8 に
おいて 57Fe の核共鳴振動分光で利用される蓄積リングのバ ン チ 構 造 C モ ー ド で は バ ン チ 間 隔 が 145.5nsec で あり8），半減期寿命と比較して長いために，核共鳴散乱のみをシグナルとして取り出すことが可能となっている。

Fig. 2(Color online) (a) Schematic view of the set up for nuclear
resonant vibrational spectroscopy. (b) Cryostat for coolingthe sample. The APD detector is placed as near as possible tothe sample. The sample cell with a Kapton ˆlm is shown in
the inset photo.

現在，核共鳴振動分光を利用できる核種は 57Fe，119Sn，151Eu ，149 Sm ，161 Dy ，83 Kr ，125 Te など多数存在するが，る。通常，酵素試料は検出器側にカプトンテープを貼った活性中心に存在し，かつ希薄な酵素試料で十分な強度が得

内寸，幅 3 mm，長さ12 mm，高さ 1 mm ほどのプラスチ

られるものは 57Fe である。119Sn を利用する試みも始まっ

ックセルに挿入される。酵素試料では放射線損傷の影響をているが，これまでの研究は 57Fe が圧倒的に多い。そこ軽減するために Fig. 2(b)に示すようにクライオスタットでで以下では 57Fe に絞って話を進める。なお，これらの元試料を冷却して測定をおこなう。また冷却により，溶媒中

素は同位体であるが，放射性ではない。

での動きが制限されスペクトルがクリアになるとともに，14.4 keV の 57Fe 共鳴エネルギーよりも高いエネルギー

マルチフォノンの影響が軽減される。 APD 検出器は大きの X 線が 57Fe を含む試料に入射した場合，ある断面積でな立体角をカバー出来るようにできるだけ試料に近づけてフォノンの生成を伴った核の励起が生じる。シングルフォ

設置される。入射 X 線のエネルギーを走査しながら強度ノンの過程だけを考慮した場合，生成したフォノンのエネを測定することにより， Fig. 3 に示すような非弾性散乱ス

ルギーは共鳴エネルギーと X 線のエネルギー差に等しくペクトルが得られる。

なる。また断面積はあるフォノンのエネルギーでは，フォスペクトルからモノクロメータの分解能関数をデコンボ

ノン部分状態密度に比例する9）。逆に共鳴エネルギーより

リューションするとともに，弾性散乱成分を差し引くと非も低いエネルギーの X 線が 57Fe を含む試料に入射した場

弾性散乱の断面積に比例するデータとなる。さらに調和振合，フォノンの消滅を伴った核の励起が生じる。この場合

動を仮定してマルチフォノンの寄与を差し引くと，シングも消滅したフォノンのエネルギーは共鳴エネルギーと X

ルフォノンの断面積に比例するデータとなり，そこから着線のエネルギー差となる。

目する鉄のフォノン部分状態密度を導出することができる。

核共鳴振動分光では 100 meV 程度のエネルギー走査を

核共鳴振動分光の大きな特徴として“活性中心にある鉄行う。Fig. 2(a)に示すように，ビームラインモノクロメーの振動のみを抽出できる”点がある。それは先に述べたよ

タからの X 線を高分解能モノクロメータにより meV 程度

うに，核共鳴散乱が特定の同位体 57Fe の核の準位を経てに分光し，試料に照射する。核の準位を経た時間遅れを伴いることに由来する。酵素の分子量は小さいものでも 1

う X 線が試料側方に置かれた 1 nsec 程度もしくはそれ以万，大きいものでは数百万に達し，その活性中心だけの情下の優れた時間分解能をもつ APD 検出器などで記録され報をとらえることは通常，容易ではない。核共鳴振動分光

放射光 May 2016 Vol.29 No.3 ● 151

1996 年に報告された原見らによるヘモグロビンの研究があるが11） ，その後は化学合成された錯体やモデル化合物のスペクトルの解釈などの基礎的な研究に軸足を移していった12,13） 。 2006 年頃から酵素の活性中心に焦点を当てる
研 究 が Cramer 教 授 の グ ル ー プ な ど に よ っ て 始 め ら れた14,15）。測定の高度化や DFT 計算の発展により，近年になって未知の生物学的試料，特に酵素の活性中心の構造や電子状態について非常に有益な情報を与えると認識されつつある。

Fig. 3

Nuclear resonant vibrational spectrum for a polycrystalline
a-57Fe foil8).

3. ヒドロゲナーゼにおける水素架橋の分光学的証明水素をエネルギーの媒介とする水素社会は地球温暖化の脅威をなくし，都市の環境汚染を極小なものにすると期待では時間による切り分けをおこなっているため，鉄以外のされている。水素分子を可逆的に酸化還元するヒドロゲ

原子からのバックグランドが完全にフリーであることは大

ナーゼは，高価な白金を使用しない燃料電池電極として直きな魅力である。

接的にも，また人工触媒合成のヒントを与えるものとして

核共鳴振動分光のもうひとつの大きな特徴として“定量も，非常に多くの注目を集めてきた。ヒドロゲナーゼはク解析が可能である”ことが挙げられる。測定から導かれたリーンで持続可能な水素社会実現のため，その活性機構のフォノン部分状態密度はピーク位置だけでは無く，その強全容の解明が最も待たれる酵素のひとつである。この節で度も重要な情報をもつ。最近のめざましい密度汎関数法

は California 大学 Davis 校の Cramer 教授が主導しておこ（DFT）計算の発展により，活性中心近傍の複雑な系におなった核共鳴振動分光によるヒドロゲナーゼの研究を紹介

いても信頼性の高い基準振動解析が可能となっており，さする4）。

まざまな構造および電子状態のモデルに対してフォノン部

ヒドロゲナーゼは活性中心に［ FeFe ］の構造をもつ鉄分状態密度をシミュレートし，実験結果とあわせることがヒドロゲナーゼと［NiFe］の構造をもつニッケル鉄ヒド

可能である。振動モードのアサインを確かなものにするた

ロゲナーゼに分類される。より酸素耐性が強いとされるニ

めに，鉄と結合する炭素，酸素，窒素や硫黄などを同位体

ッケル鉄ヒドロゲナーゼの活性中心はニッケルと鉄を 2置換してピークエネルギーのシフトの有無やその量を測定

つのシステイン基が架橋するとともに，ニッケルにはさらすることが一般的である。代表的な振動分光である赤外吸に 2 つシステイン基が結合している。ニッケル鉄ヒドロ

収分光やラマン分光での遷移には双極子モーメントや分極

ゲナーゼは Ni SIa ， Ni C および NiR の 3 つの酸化還元率の変化が必要などの選択則があるが，核共鳴振動分光で状態をとる。その中間状態の構造や電子状態にはまだ多く

は 57Fe 核が変位する全ての振動モードが活性で選択則はの議論の余地が残されているが，最も還元された，活性のない。観測される振動モードの制限がないこともこの分光高い状態の Ni R は EPR サイレントで，強い光による状をより有用なものにしている。

態変化があるためラマン分光が使えず，また水素との結合

核共鳴振動分光で用意する酵素試料は結晶化されているであるため，その同定は困難であった。最近おこなわれた必要はない。また不対電子が必要な EPR とは対照的に，結晶構造解析が示唆する Fig. 4b （ Ni ( m H ) Fe ）の構造を

どのようなスピン状態，酸化状態でも観測可能である。まはじめ16），これまで Fig. 4c（HNi(mH)Fe），Fig. 4d NiFe

た，赤外吸収分光が不得意とする水溶液中でも測定が可能( h2 H2 ）などの構造が提案されてきた。また仮に水素架である。ラマン分光でみられるような，強い光による不安

橋された構造をとった場合でも， Ni サイトのスピン状態

定な状態の試料の状態変化もないため，酵素の反応中間体や水素が Ni と Fe のどちらと強く結合しているかに関しの測 定に利 用可 能であ る。 入射強 度は通 常利 用さ れるては不明であった。

SPring8 の核共鳴散乱ビームラインにおいて，0.5 mm×

試 料 に は 硫 酸 還 元 細 菌 Desulfovibrio vulgaris Miyazaki

1.2 mm のビームサイズで 2 × 109 cps 程度と放射光 X 線

F 株から単離，精製されたニッケル鉄ヒドロゲナーゼが結晶構造解析に用いられるアンジュレータ X 線に比べて用いられた。核共鳴振動分光のため 57Fe をエンリッチ

4 桁程度弱く，これまで放射線損傷は報告されていない。

し，水素で還元した試料と重水素で還元した試料の 2 種

核共鳴振動分光は1995年，PFAR において瀬戸らによ類が用意された。実験は SPring8 核共鳴散乱ビームライって初めておこなわれた10）。その時に測定された 57Fe 単

ン BL09XU およびロングアンジュレータを有する理研物

体のスペクトルが Fig. 3 である。生物学的分野への応用は

理 科 学 ビ ー ム ラ イ ン BL19LXU で お こ な わ れ た 。 測 定

152 ● 放射光 May 2016 Vol.29 No.3

解説 ■ 核共鳴振動分光の生物学分野への応用

中，試料はクライオスタットで 50K 程度に保たれた。

つの鉄硫黄クラスターが存在するが，その振動モードはFig. 5a に測定データから導出されたフォノン部分状態密420 cm－1 以下に現れることがわかっており17），420 cm－1度を示す。 D2O で還元したヒドロゲナーゼの結果が赤の以上の領域には水素の酸化還元に直接寄与する Fig. 4 に示

ライン， H2O で還元したヒドロゲナーゼの結果が青のラされた活性中心からの振動モードが現れている。以前の結インである。高波数の領域は 4 倍した状態密度もあわせ果とも一致するが， 549 cm－1 にピークをもつ Fe CO のて示してある。このヒドロゲナーゼには電子伝達を担う 3

伸縮モードをはじめ，420 cm－1 から620 cm－1 の領域の振動モードは Fe と CO および Fe と CN が関わる振動モー
ドとアサインされた。 Fig. 5b， 5c に示す DFT による計算にも現れているが，重水素の場合と水素の場合でプロファ
イルが異なるのはこれらの振動と FeD および FeH の振動とのカップリングの結果である。
この測定データで特筆すべきは，重水素の場合にはなく水素の場合に観測された 675 cm－1 のピークである。このピークはニッケルと鉄を支点とする架橋した水素（ H－）の振り子モードとアサインされた。重水素でこの波数にピークがないのは DFT 計算でも示されているが，質量数の違いからピークが低波数にシフトして他の振動モードと重複したためである。この振り子モードは水素架橋した活性中心を模したモデル化合物でもクリアに観測されており，
DFT 計算により理論的にも確認されている4） 。その結Fig. 4(Color online) The Ni-R reduced state of [NiFe]hydrogenase. (a) X-ray structure of the Desulfovibrio vulgaris Miyazaki F[NiFe]-hydrogenase active site15). (bd)Some of the structures proposed for isoelectronic Ni-R
forms4).

Fig. 5

果，振り子モードが観測されたことはニッケルと鉄に水素が架橋されていることを示す大きな直接的証拠ということができる。
FT IR や結晶構造解析などの結果から提案された活性(Color online) NiHFe-hydride wag exposed in the reduced state Ni-R of [NiFe]-hydrogenase4). (ac) Highfrequency NRVS for [NiFe]-hydrogenase reduced in H2O (blue trace) and D2O (red trace; a) and the corresponding 57Fe PVDOS simulations given for the representative DFT models VIS (b) and VS (c). (d, e)
Representative DFT-optimized models VIS (d) and VS (e) for the Ni-R active site.

放射光 May 2016 Vol.29 No.3 ● 153Fig. 7

Fig. 6(Color online) Experimental NRVS for Ni-R and DFT-calculated spectra for 6 kinds of high-spin models4). H/Disotopomers are given in blue/red.

Catalytic cycle of aKG-dependent NHFe enzymes5).
Hydrogen-atom abstraction (bottom left) and subsequent
rebound hydroxylation or halogenation (left).

鉄酵素は，ハロゲン化，水酸化，閉環反応などのさまざまな酸化反応を触媒し，フェニルアラニン代謝，神経伝達物
質の産生，低酸素応答，二次代謝産物の生合成など，多くの重要な生物学的過程に関与していることが知られてい中心のモデルおよびその亜種のモデル， 6 種類に対してる。この節では Stanford 大学の Solomon 教授が主導してDFT 計算をおこなった。 4 つはニッケルに水素分子が結おこなった核共鳴振動分光によるハロゲナーゼ反応中間体合したモデル I ，鉄に水素分子が結合したモデル II （ Fig.

の研究を紹介する5）。

4d ），水素が架橋したモデル III （ Fig. 4b ），ニッケルに架Fig. 7 にハロゲン化を促すハロゲナーゼ SyrB2（シリン

橋した水素ともうひとつ水素が結合したモデル IV （ Fig.

ゴマイシン生合成酵素 2）をはじめとする aKG 依存単核4c ）である。 VI と V は Fig. 5d ， 5e に示す様な，モデル

非ヘム鉄酵素の触媒サイクルを示す。図中，で示された

III のシステイン基の硫黄に水素が結合したモデルであ反応中間体として，ハイスピン鉄が酸素と二重結合したる。また， 6 種類それぞれのモデルに対してニッケルがFe ( IV )＝ O が捕捉されていたが，その構造は不明のまま

ロースピンの場合（ S）と，ハイスピン（ T ）の場合が計であった。また天然基質 L トレオニン（ L Thr ）の場合算された。

は水素原子の引き抜きに続いてハロゲン化を引き起こす一その中で実験と最も一致したものは Fig. 5b ， 5c に示す

方，非天然性基質 Lノルバリン（ LNva）の場合には水ように水素架橋があり，ニッケルがロースピンである VIS

素原子の引き抜きに続いてヒドロキシル化を引き起こすこと VS で あ っ た 。 ハ イ ス ピ ン の 計 算 結 果 を Fig. 6 に 示 すとが知られていた。しかし，どうしてそのような選択性がが，どのモデルの場合でも，実験結果とはそのプロファイ

あるのかは謎であった。

ルが大きく異なっている。その結果，ニッケルはロースピ

試料には細菌 Pseudomonas syringae pv. Syringae より単ンであることが確かめられた。またロースピンの場合の離，精製されたハロゲナーゼ SyrB2 が用いられた。核共DFT 計算はニッケルが鉄よりも，より水素と強く結合し鳴振動分光のために 57Fe がエンリッチされた。また，比ていることを示唆していた。

較のために活性中心にある Fe(IV)に Cl－ と Br－ が結合し以上，核共鳴振動分光による結果により，最も中心的なた 2 種類の試料（SyrB2Cl，SyrB2Br）が用意された。

役割を果たすニッケル鉄ヒドロゲナーゼの還元状態にお測定は APS のビームライン 3ID および SPring8 の核共

いて，活性中心はニッケルと鉄が水素（ H－ ）で架橋されていることを初めて分光学的に示すことができた。また，

鳴散乱ビームライン BL09XU で試料を低温に保持しておこなわれた。

ニッケルはロースピンであり，ニッケルが鉄よりもより水Fig. 8 に測定データから導出されたフォノン部分状態密素と強く結合していることを示唆しており，ヒドロゲナー度を示す。波数領域を図にあるように 3 つに分けると，

ゼの活性機構全容の解明に大きな助けとなるとともに，人

領域 1 と 2 では SyrB2Cl のスペクトル強度が強いのに対工触媒設計の際のヒントとなると期待される。

し て ， 領 域 3 で は SyrB2 Br の 強 度 が 強 く ， さ ら に
SyrB2Cl と比べると低波数にシフトしていることが分か

4. ハロゲナーゼ反応中間体の解明
活性中心にヘム鉄ではない鉄をひとつ有する単核非ヘム

154 ● 放射光 May 2016 Vol.29 No.3

る。これまでに提案された種々の 6 配位の構造の中間反応体のモデルに対して DFT 計算をおこなったが，これらの特徴を再現することはできなかった。一方， Fig. 9 に計

解説 ■ 核共鳴振動分光の生物学分野への応用

Fig. 8Fig. 9Fig. 10

DFT-predicted normal modes of 1CpgX. Four normal
modes of the ˆve-coordinate TBP Fe(IV)＝O structure areshown5).

Fig. 11( Color online ) Hydrogen-atom abstraction reaction
coordinates5). Energies (given as DE, DG in kJmol－1) forthe p-trajectory (1ThrCl, green numerals and levels) andthe s-trajectory (orange numerals and levels) are shown.
Reactants are on the left; energies for the transition state(where the Fe has developed S＝5/2 spin character) are
given at the top; structures of Fe(III)OH products are displayed on the right, showing the p-product 1ThrFe(III)
OH (with hydrogen-bonding interactions indicated) set up
for chlorination and the s-product set up for hydroxylation.
Distances are given in Å.

(Color online) NRVS PVDOS spectra of SyrB2Cl and
SyrB2Br5). Regions 3, 2 and 1 that contain intense features
are indicated at the top.

(Color online) DFT-predicted PVDOS NRVS spectra ofˆve-coordinate TBP structural candidate 1CpgX for the Fe(IV)＝O intermediate of SyrB25). Vertical bars represent
relative calculated mode-composition factors of vibrationalmodes, and brackets at top correspond to energy regions
from Fig. 8. Inset, peak intensity contributions (from thethree bracketed regions) to the overall PVDOS envelope.

カ ル は イ オ ン 半 径 を 考 慮 す る と Cl 基 が OH 基 よ り 0.05
nm 近く存在するのに対して，非天然性基質の場合には，逆に OH 基が Cl 基より 0.05 nm 近くに存在することがわかった。この結果，基質によるこの距離の違いが，基質に算結果を示すように，5 配位の三方両錐形構造をもつモデ

よるハロゲン化とヒドロキシル化という選択性を与えると

ルのみ，この特徴を再現することができた。Fig. 10には，理解された。一方，6 配位のモデルではこのような反応過計算でのそれぞれのピークに対応する振動モードを示す。

程の違いは説明できなかった。

この 5 配位のモデルを仮定して，水素原子の引き抜く

以上，核共鳴振動分光により，単核非ヘム鉄酵素である

反応過程を Turbomole 6.3 を用いた QM / MM 法によりシハロゲナーゼの活性中心の反応中間体の構造を特定するこ

ミュレートすると，Fig. 11左に示すように，天然基質 Lトとができた。その構造は計算によるシミュレーションで予

レオニン（ LThr）の場合は Fe(IV)＝ O の結合方向は基測されていた 6 配位ではなく，5 配位の三方両錐形構造で質の C H 結合方向に対して垂直であり， p 電子軌道が引あった。また，得られた構造により，長い間謎であったハ

き抜きに寄与するのに対して，非天然性基質 L ノルバリ

ロゲナーゼの基質による選択性を明瞭に説明することに成ン（LNva）の場合は Fe(IV)＝O の結合方向は基質の C

功した。この結果は他の酵素の触媒反応においても，構造H 結合方向に対して平行であり，s 電子軌道が引き抜きにと反応性の相関についての深い洞察を与えるものと期待さ寄与することがわかった。水素引き抜きの反応の結果，れる。

Fig. 11右に示すように，天然基質の場合には基質中のラジ放射光 May 2016 Vol.29 No.3 ● 155

4)

5. 今後の展開
核共鳴振動分光は酵素の活性中心を元素選択的にプローブする手法である。“活性中心にある鉄の振動のみを抽出5)できる”，“選択則がなく定量分析可能である”などのさま
ざまな特徴を有する。 DFT 計算の発展と相まってその有用性が認識されつつあり，紹介したような興味深い研究も6)おこなわれている。
一方，実験データとモデル計算との比較が必要であり，

7)

他の手法との相補的な利用は不可欠である。また，核共鳴振動分光では巨大分子量の酵素 1 分子に 1 個から数個しかない鉄からのシグナルは微弱となる。その結果，観測し8)

たい振動モードが測定可能かどうかはシグナルと検出器のノイズレベルとのせめぎあいとなる。振動モードにもよる

9)が，通常利用される SPring8 の核共鳴散乱ビームライン
においては鉄 1 mmol/L の濃度がおおむね測定限界となっている。また，エネルギー分解能においては meV 程度であり，ラマン分光における典型的な分解能0.1 meV に比べ

10)
11)

て 1 桁程度劣っている。
一部でロングアンジュレータの利用などが始っている

12)が，さまざまな工夫により検出感度が向上すれば，観測可
能な試料振動モードが格段に増えると期待される。また，高分解能化が進めば，モードによっては微小である同位体置換によるピークエネルギーのシフトの判別が容易に

13)
14)

なるとともに，重複する振動モードを分離することが可能となり，その有用性も増すと期待される。また，蓄積リングの低エミッタンス化により，今後バンチモードに制約が15)できる可能性も考慮し，その影響を最小限に抑えるための装置開発を進める必要がある。
本稿で研究例を示した酵素以外にも，窒素固定をおこなうニトロゲナーゼ，DNA 合成に関わるリボヌクレオチド
リダクターゼ，メタンをメタノールに転換するメタンモノ
オキシゲナーゼ，ミトコンドリアで電子伝達系に関わるシ
トクロム c，および，呼吸末端酵素のシトクロム酸化酵素

16)
17)

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著者紹介など鉄を活性中心にもつ興味深いタンパク質は多数存在す

依田芳卓る。今後，核共鳴振動分光によりこれらの酵素の詳細な活(公財)高輝度光科学研究センター 利用研
究促進部門 主幹研究員
Email: yoda＠spring8.or.jp
専門核共鳴散乱，放射光物理［略歴］
1991 年東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻博士課程途中退学， 1999 年東京大学にて博士(工学)。東京大学工学部文部技官，同助手，高輝度光科学研究センター
副主幹研究員を経て2004年 4 月より現職

性機構が解明され，それらの知見がより良い社会の構築に役立つことを期待したい。

参考文献
1)

Y. Umena, K. Kawakami, J. R. Shen and N. Kamiya: Nature
473, 55 (2011).
2) 依田芳卓RADIOISOTOPES 63, 317 (2014).
3) 太田雄大，瀬戸誠日本結晶学会誌 56, 329 (2014).

156 ● 放射光 May 2016 Vol.29 No.3

解説 ■ 核共鳴振動分光の生物学分野への応用

Nuclear resonant vibrational spectroscopy and its
application to the biological research― Probe for the active center of enzymes ―Yoshitaka YODA
Abstract

Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI)
111 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 6795198 Japan

Nuclear resonant vibrational spectroscopy is a site-selective technique allowing the observation of
only the vibrational modes of Fe in the active ceter of the enzymes, which makes it ideal forstudying active center without interference from protein backbone modes. Many iron-dependent
enzymes including hydrogenase, which catalyse both production and consumption of H2, have aclose relation to the energies, environments, medical and so on. The principle and features of thenuclear resonant vibrational spectroscopy and its application to the hydrogenase and halogenase
is introduced. The structures and electronic states of there active centers and its relation to theactivities were elucidated.

放射光 May 2016 Vol.29 No.3 ● 157