NMR
http://www.nmrj.jp

Bulletin of the Nuclear Magnetic
Resonance Society of Japan

13 No.1 August 2023

Vol.

会長メッセージ 藤原敏道
巻頭エッセイ 若松馨

総説論文：解説 上田卓見、齋尾智英、森本大智
NMR 講座：NMR 基礎講座 池上貴久、武田和行
NMR 講座：NMR 史点描 寺尾武彦
2022 年度学会顕彰：進歩賞
会員便り：研究室便り 川越聡一郎、越野広雪、三島正規
会員便り：若手ＮＭＲ研究会便り 山置佑大
会員便り：海外学会参加報告 Pooppadi Maxin Sayeesh

日本核磁気共鳴学会

The Nuclear Magnetic Resonance Society of Japan表紙の図（左上）: 徳島大学先端酵素学研究所

齋尾 智英先生

常磁性ランタノイドイオンを用いたタンパク質の構造解析 より（左下）: 京都大学大学院工学研究科（右）:森本 大智先生

NMR によるアミロイド形成の原子レベル機構解明 より
上田 卓見先生
GPCR の活性と直結する動的構造平衡の解明 より

東京大学大学院薬学系研究科

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1mL
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1mL
18,000アミノ酸混合物水溶液-UL-15N,d
1mL
30,000アミノ酸混合物水溶液-UL-13C,15N
1mL
35,000アミノ酸混合物水溶液-UL-13C,15N,d
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Cho CHA Dig
PC
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PC

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PC

30
20.1

Purplish brown color represents proper folding of Bacteriorhodopsin.

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Dch, Deoxycholate; Left lanes, total; Right lanes, supernatant◎ 多次元NMR、クライオ電子顕微鏡、X線回折、中性子線回折等による構造解析用タンパク質発現◎ 質量分析用安定同位体標識タンパク質発現

核酸

アミノ酸・ケト酸● 10%, 20% Phosphoramidites ( C, N, d)● NTPs / NMPs (13C, 15N, d) ● RNA・DNAオリゴマ合成
1315● L-Amino Acids ( C, 15N, d)●α-Keto Acids (13C, d)
13

その他

培地
● D-Glucose ( C, d) ● Salts ( N, d)● Deuterium Oxide 99.9atom%
13

15● Algal Amino Acids (13C, 15N, d)ing
ComSoon！Deuterated NDSB

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NMR
Bulletin of the Nuclear Magnetic
Resonance Society of Japan

Vol.

13

No.1

August 2023

日本核磁気共鳴学会

The Nuclear Magnetic Resonance Society of Japan

CONTENTS●会長メッセージ

NMR の発展と学会の役割………………………………………………………………………………………………………………… 3
藤原 敏道●巻頭エッセイ

ストレスを生む 2 種類の勘違い、他 2 題…………………………………………………………………………………………… 4
若松 馨●総説論文：解説

GPCR の活性と直結する動的構造平衡の解明… ……………………………………………………………………………… 6
上田 卓見

常磁性ランタノイドイオンを用いたタンパク質の構造解析… ……………………………………………………… 14
齋尾 智英

NMR によるアミロイド形成の原子レベル機構解明……………………………………………………………………… 24
森本 大智● NMR 講座：NMR 基礎講座

ベクトルモデルはどのぐらい信じてよいのか？…………………………………………………………………………… 32
池上 貴久

Q 値が高いと感度がよくなるのではなく、感度がよいと Q 値が高くなるのです… ……………………… 41
武田 和行● NMR 講座：NMR 史点描

第二次世界大戦と NMR 開発（下）… ……………………………………………………………………………………………… 46
寺尾 武彦● 2022 年度学会顕彰
進歩賞「進歩賞」について… ……………………………………………………………………………………………………………………… 50●会員便り：研究室便り

徳島大学 先端酵素学研究所 齋尾研究室… …………………………………………………………………………………… 51
川越 聡一郎

理化学研究所（和光地区）における分子構造解析ユニットの紹介………………………………………………… 53
越野 広雪

東京薬科大学薬学部 分子生物物理学教室……………………………………………………………………………………… 56
三島 正規、青山 洋史、武田 光広、永江 峰幸●会員便り：若手 NMR 研究会便り

第 22 回若手 NMR 研究会開催報告… ……………………………………………………………………………………………… 60
山置 佑大●会員便り：海外学会参加報告

EUROMAR 2023 参加報告書………………………………………………………………………………………………………… 63
Pooppadi Maxin Sayeesh

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

3

会長メッセージ

大阪大学蛋白質研究所

藤原 敏道
tfjwr@protein.osaka-u.ac.jp

してニュースレター発行なども行っている。本学る方法として、その装置も市販されて大学や民間会の役割の一つは、海外の関連学会・コミュニ

企業で利用されている。また、イメージング法とティと連携することである。国際磁気共鳴学会

しては医用に広く使われている。これは、NMR

ISMAR や生体系の磁気共鳴学会 ICMRBS、アジ法の感度や分解能などの性能が、この 80 年間にア太平洋地域の学会 APNMR の日本開催には、積実験を支える科学技術の発展とともに大きく向上

極的に協力してきた。2021 年 8 月には、ISMAR、したことによっている。例えば磁石の向上で、静APNMR、電子スピン共鳴の学会である SEST を

磁場強度は数十倍増大した。コンピュータなど IT

NMR 討論会と合同開催した。

技術の進歩で、複雑なパルス実験法が可能になり

NMR 分野と科学技術が進展するなかで、学会多次元 NMR などのデータ処理は高速化した。生のあり方もそれに合わせて変わる必要がある。コ体系への応用では、遺伝子工学で試料を同位体標

ロナ禍への対応にも迫られて 2021 年のオンライ識することが容易になり、複雑な系の解析が実用

ンでの開催では、最近の IT 技術で可能になった的になった。使う電磁波の周波数も高くなり、最会議方式に取り組んだ。学会誌や要旨集も電子

近は高磁場で核スピンと同時にサブミリ波で電子化して、効率化を進めている。これらは参加者・スピンも共鳴でき、DNP など高感度化に寄与し主催者の負担を軽くできる。また 2019 と 2021 年ている。光を用いた励起や観測では、さらに感度に SEST 年会と NMR 討論会を連携して開催など、が向上する。他方で科学技術の発展は、電子顕微

今後 NMR と関連分野の重点や学会間の協力関係

鏡など他の原子分解能の構造解析法の能力も向上も変化するだろう。他に、超高磁場マグネットやさせて、NMR の相対的重要性や利用法に大きな

高磁場 DNP などを利用する先端的大型 NMR 装影響を与えている。このような NMR 法の歴史を置については、有効活用のためにコミュニティで見ても、実験技術を支える科学技術の進歩とともの共同的な利用を要して、学会も関与しうるだろに、これからも NMR は大きく発展変化すると思う。もちろん、社会情勢から女性研究者の研究環える。

境向上や留学生や外国籍研究者への配慮も求めら

このような NMR 分野において、日本核磁気共れる。

鳴学会は、その基礎・応用研究や NMR 普及を進このように学会が関わることは、多くの会員がめる上で、研究者や利用者の交流を通じてコミュ

当事者であり、会員の協力や意見が求められる。

ニティへ貢献することが役割である。主な行事と今は理事、評議員が中心的に学会運営に関与してして、NMR 討論会を各地の研究者を世話人としいるが、若手や女性等からの提案も取り込みたて開催している。ここでは関連企業も含めた研究い。今後も学会活動を展開して、各会員の NMR

や情報の交流を行うとともに、若手賞やポスター

研究や利用などを促進して NMR の発展に貢献で賞などにより次世代の担い手を顕彰している。まきればと考えている。

た、若手会員の海外発表の援助や、情報交流と受領日：2023 年 7 月 8 日

13

巻

NMR は、物質の構造を原子スケールで解析す

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

NMR の発展と学会の役割

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

巻頭エッセイ

ストレスを生む 2 種類の勘違い、他 2 題
群馬大学名誉教授

若松 馨
kwakamats@gunma-u.ac.jp

2023 年 3 月をもって群馬大 学を退 職しました。

陰で続けられるのかもしれません。

NMR を主な手法とし、色々な研究をすることがで自分の対応能力を引き出すつもりで、対応案をきました。良い共同研究者（先生・スタッフ・学生

複数書き出し、一つずつ淡々と試していく。「自を含む、特に細田和男博士）と良い環境に恵まれた分が本当にやりたいこと」でなければ、「中止をお陰です。この場を借りて御礼申し上げます。また、意思決定する」のも立派な対応だと思います（フ多くの方々に大変ご迷惑をおかけしました。申し訳

リーズするよりも遙かにマシ）。また、他人にヘございませんでした。

ルプを頼むのも良いし、相談するだけでも気が楽になり、進みやすくなるでしょう。繰り返しますA.「2 種類の一見相反する勘違い」がストレスを生む
このことに、退職の 2 ヶ月前に気付いたので、が、これらのことに気付いたのは退職直前です。
もっと早く気付いていたらと思います。
なお、遭遇した事象に怒ったり、他人に当たり

参考までにシェアさせて下さい。

散らすのは「自分は対応能力がない人ですよ〜」

1. 自分の能力の過大評価と公言しているのと同じだと、私は感じるように「短時間にできると思ったのに、なかなか進まななりました（勿論、自戒を込めて）。

い」「もっとできるハズなのに何故？」などのイライラを感じたことがある方はいらっしゃると思います。
その「予想と現実との乖離」の原因は、「必要な第 59 回 NMR 討 論 会（2020 年 11 月 18 〜 20 日、準備（材料）の不足に尽きる」ということに作業高崎市）の準備には大きなプレッシャーを感じま

中に気が付く── ことが多かったです（この巻頭した。新型コロナ禍真っ盛りで、他の学会は軒並

エッセイもその例）。「やること一杯あったじゃ

みオンラインに移行していました。でも、対面でん。これじゃ、簡単に終わる訳ないじゃん。」と。

議論する場を提供したかったので、「公的な中止

必要な物を見極めながら地道に進み始めれば、イ

指令が発令されない限りは対面で実施しよう」とライラを感じる暇はなくなります（すぐに終わる

準備を進めました。結局、この期間とその前後訳ではありません）。

のみ感染者が減少してくれ、開催できただけでな

2. 自分の対応能力の過小評価

く、予想以上に多くの方々に参加していただけま「失敗したらどうしよう？」「起きた問題に自分した。また、「久々の対面学会が楽しかった〜」は対応できず、フリーズするかもしれない。」とという嬉しいお言葉も頂戴しました。

いう心配もストレスになります。

巻頭エッセイ
4

B.「ペナルティーを最小化する」という考え方

心 の 拠 り 所 に な っ た の は「Energy（Penalty）

しかし、実際は「大丈夫」！！

Minimization の考え方」でした。生体分子という予想外・期待外の事象に遭遇しても「対応できsimple な系ですら NOE、ファンデルワールス力、た」というのが私の経験です（自分に対応できな

二面角などの violation がゼロになる構造を計算す

いことは起こらない ──ようになっているらしるのは straightforward ではありません。「新型コい）。予想・期待が元々、間違っていることは多ロナ禍での対応」というある意味政治的な分野にく、新たな展開に喜ぶこともありました（恥ずか

おいて全員が納得する「解」（Penalty ＝ 0）は多分しい勘違いも沢山ありましたが）。自分の対応能存在しないでしょう。発症や心配というデメリッ

力は予想以上にあったな〜と思い返すこともあり

ト（Penalty）を最小化しつつ、対面開催のメリッます。一旦始めたことで発生するモーメントのおトを最大化する方針で準備しました。自分の場

受領日：2023 年 6 月 21 日

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

合、NMR をやっていなかったら、こういう考え

マストパラン X は G タンパク質を直接活性化す
ることを東島先生が示されたので、製薬会社に就この方針に切替えてからはプレッシャーは感じ

職後、GPCR よりも組織含量が圧倒的に高い Go

なくなりました。方針を説明できれば十分で、クタンパク質を牛脳から精製しました。学生の時にレームが付くのは織り込みずみ──と腹を括りまSDS-PAGE の経験すらなったのに、一回で精製しした。当然ながら「できる感染対策」は全て取ったので（α、β、γの 3 バンドのみ）、タンパク質たつもりです。ただ、主催社側が掛けられる手間の専門家であった同期は驚いていました。

には限界があるので、参加者が座る椅子は参加者

群馬大学では GPCR の部分ペプチドが G タンパに運んでいただき、誰の椅子かは各自に記入してク質αサブユニットを活性化することを見つけま

いただきました。

した。そこで、αサブユニットに結合した部分ペ
プチドの立体構造を決定しようとしましたが、こに議論していただき助かりました。群馬大学のス

れら 2 つを混ぜた瞬間に凝集沈殿するという問題

タッフだけでは気付かない点を指摘していただきに ぶ つ か り ま し た。Non-detergent sulfobetaine

ました。改めて御礼申し上げます。

（NDSB）という低分子化合物がタンパク質の変性や凝集を防止するという話を宮澤研後輩の河野俊C. 自分の興味を信じる之博士に教えて貰ったので、重水素化物が簡単に

小学 3 年生の家庭科の授業で「血の付いたハン合成できる choline-O-sulfate（COS）を合成したとカチをお湯で洗ってはいけません。なぜでしょ

ころ、NDSB よりも強く凝集を防止してくれました

う？」と質問されましたが、わかりませんでした。

。その後、新規 NDSB（NDSB の重水素化は困難）

血液にタンパク質が入っていること、タンパク質をいろいろ合成し、凝集防止活性・変性防止活性が熱で固まることは知っていましたが、それらをを調べましたが、相関が弱いように見え、かなり関連付けられなかった訳です。その時「理科って悩みました。結局、変性防止活性と凝集防止活性スゲ〜」と感動し、理科が好きになりました。

は全く別物であること、凝集防止活性にも 2 種類

月日は過ぎ、卒業研究配属になりました。宮澤あること、などがわかり、「こういう場合にはこの辰雄先生による研究室紹介に何となく参加したとこ

NDSB が良さそう」という感覚を掴むことができまろ、「ペプチドホルモンが受容体に結合した時の立した。総アミノ酸残基数が 600 を越えるタンパク質体構造を東島君が決定（しようと？したいと？）... 」

複合体を 500 MHz の装置で解析するのは不可能だという空耳が聞こえました。配属前に宮澤先生にと皆さん思われるでしょうが、適切な NDSB を添

よる NMR の講義は何故かマジメに勉強していて加し、熱変性を防止すると、複合体形成でシフト』ファラー・ベッ『パルスおよびフーリェ変換 NMR（する H- N HSQCシグナルを数多く観測できました

カー著、赤坂一之・井元敏明共訳）まで買って眺め。
（ N ユニフォームラベルのみ。 H ラベルはなし）ていました。でも、研究室に入ることは想像してい小学生の時に抱いた「タンパク質の熱凝集」へませんでした。GPCR のサンプルが手に入る時代での興味を失わずに良かった──と思っています。

1

15

15

2

はなかったので、東島先生のご指導の元、全重水
素化リン脂質を化学合成し、二重膜に結合したマ「NMR ってこんなこともできるんだ」と毎年驚ストパラン X というペプチドの構造を Transferred

かされます。日本核磁気共鳴学会の益々のご発展

NOE（TRNOE）の方法で決定しました。

を祈念いたします。

若松 馨（わかまつ・かおり）
1981 年 3 月 東京大学理学部生物化学科卒業
1986 年 3 月 東京大学大学院理学系研究科生物化学専攻博士課程修了（理学博士）
1986 年 4 月 武田薬品工業 研究所員
1990 年 4 月 群馬大学工学部生物化学工学科 講師
1992 年 4 月 群馬大学工学部生物化学工学科 助教授
2001 年
日本核磁気共鳴学会会員
2002 年 5 月 群馬大学工学部生物化学工学科 教授
2023 年 3 月 退職

13

巻

なお、開催方法の詳細については理事会の方々

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

方はできなかっただろうと思います。

5

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

総説論文：解説GPCR の活性と直結する動的構造平衡の解明
東京大学大学院薬学系研究科生命物理化学教室

上田 卓見
ueda@nmrlab.f.u-tokyo.ac.jp

1. 序

できる情報の量が限られることがボトルネックと

生体内においてタンパク質は、その構造をたえなる。本稿では、このようなボトルネックを解消

ず変化させることで機能している。例えばイオンする方法を新規に開発するとともに、開発した手チャネルは、膜貫通領域のポアが開いた状態と閉法を応用して、GPCR 等の活性に直結する動的構

じた状態を交換することで、適切なタイミングで

造平衡を解明してきた、我々の研究を紹介する。

適量のイオンを透過する。トランスポーターは膜外を向いた構造と膜内を向いた構造を交互に取る

2. GPCR のNMR 解析を可能とする手法の開発

ことで、膜間輸送を達成している。またハブタン

前章で述べたような性質を持つ GPCR の NMR

パク質とよばれるタンパク質は、結合部位が多様解析では、多次元 NMR スペクトルを高感度で迅な構造を取ることで、複数のエフェクター分子と速に測定することが必要である。一方、多次元

相互作用する。

NMR 測定では、インターフェログラムを得るた

NMR では、生理的条件に対応する溶液条件下

めに、展開時間を変えながら測定を多数回繰り返における、タンパク質の構造に関するオングスト

す必要がある。また、展開時間が大きいデータでローム単位の情報が得られる。さらに、複数のは、横緩和によりシグナルが減弱するため、S/N

立体構造の動的平衡状態にあるタンパク質におけが低い。そこで我々は、多次元 NMR の測定時間

る、交換速度や量比といった定量的な時空間情の短縮や感度の向上を可能とする、Co-ANAFOR

報を取得できる。このような NMR により得られ法を開発した （図 1）。Co-ANAFOR 法では、高る情報は、独自性が高く、また活性と直結する。

感度で検出できるインターフェログラムの前半

我々は NMR を用いて、G タンパク質共役型受容部分を実測した上で、HSQC 等の試料の性状解体（GPCR）等の重要な生理機能を担うタンパク

析のために日常的に測定されている、目的の情質における、活性と直結する動的構造平衡を解明

報は得られないが感度は高い実験から取得した

［1］

してきた

総説論文
解説
6

。

［2］

化学シフトを利用して、インターフェログラム

GPCR は様々な神経伝達物質やホルモン、脂質の 後 半 を 再 構 成 す る（ 図 1A）。Co-ANAFOR と、

メディエーター等の受容体として機能しており、Linear prediction や ANAFOR、HMS-IST 等 の 従

現在市販されている医薬品の 30％以上は GPCR を来の再構成法を比較した結果、Co-ANAFOR では標的とする。GPCR は生理的リガンドや作動薬のANAFOR や Linear prediction と 比 べ て ア ー テ ィ

結合により活性化すると、細胞内の G タンパク質

ファクトが顕著に減少しており（図 1B）、またシを活性化して、細胞内の cAMP やカルシウムイオ

グナル強度比が HMS-IST 法よりも正確であるこン等の濃度変化を引き起こして、シグナルを誘起とが示された（図 1C）。さらに、Co-ANAFOR をする。また、活性化した GPCR は GPCR キナーゼ

応用することで、GPCR であるケモカイン受容体

により細胞内がリン酸化された上で、アレスチン

CCR1 および CCR5 とケモカイン MIP-1αの結合を活性化して、内在化や MAP キナーゼの活性化

様式を、アミド基検出型の転移交差飽和法で解明

等の G タンパク質とは異なるシグナルを誘起する。

することが可能となった［3］。

GPCR を NMR 解析する上では、分子量が大き

また、複雑な構造平衡を規定する多数の速度定

いこと、収量および安定性が低いこと、また活性数を NMR シグナルから決定する上では、必要な体の発現に用いる昆虫細胞発現系において利用可

計算量が速度定数の数に対して累乗で増大して、能な安定同位体標識法が限られることから、取得実現不可能な程度となってしまう点が問題とな

受領日：2023 年 3 月 3 日

受理日：2023 年 7 月 10 日

編集委員：児嶋長次郎

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

痛作用を誘起する。一方、μOR によるアレスチ

いる交換モンテカルロ法を利用して、多数の速度

ンシグナルの活性化が、副作用を誘起すると考え定数を網羅的かつ効率的に探索して、NMR スペられている。近年上市された鎮痛剤のオリセリジ

クトルを再現する複雑な構造平衡モデルを推定す

ンは、μOR に作用して、G タンパク質をより強く。さらに、開発る方法を独自に開発した （図 2）

活性化することが知られている。このような薬物した方法を応用することで、β2 アドレナリン受容はバイアスリガンドと呼ばれ、望ましい薬効を持

［4］

［4］

体の構造平衡を解明することが可能となった。

つ薬物を開発する上で重要だと考えられている。
多くの GPCR について、逆作動薬が結合した

3. GPCR に特徴的なシグナル制御機構の解明

不活性型の構造と、完全作動薬と G タンパク質が結合した活性型の構造が解かれている。しかシグナルバイアスが挙げられる。モルヒネ系鎮痛し、アレスチン結合状態と G タンパク質結合状態

薬の標的分子である GPCR のμオピオイド受容体の GPCR の立体構造に明確な違いは見出されてお（μOR）は、モルヒネ等のリガンドにより活性化

らず、シグナルバイアスの機構も不明である。ますると、G タンパク質シグナルを活性化して、鎮

た最近、オリセリジンを含む複数の作動薬につい

図 1 Co-ANAFOR 法による多次元 NMR スペクトルの再構成。A. Co-ANAFOR の模式図。
B. 様々な手法で再構成した、プラストシアニンと光化学系 I の転移交差飽和実験のスペクト
ル。C. プラストシアニンと光化学系 I の転移交差飽和実験における、各シグナルの S/N 比に対する、実測データの一部から Co-ANAFOR もしくは hmsIST を用いて再構成したスペクトルにおけるシグナル強度比のプロット。

13

巻

GPCR を介する細胞内シグナルの特徴として、

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023る。そこで我々は、機械学習の分野で利用されて

7

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

図 2 交換モンテカルロ法を利用した、NMR シグナルの線形を再現する複雑な構造平衡モデルの推定。

て、μOR および G タンパク質との三者複合体の極低温電子顕微鏡構造が解かれたが、いずれのリ
ガンドが結合した構造においても、μOR と G タ［5］ンパク質の結合様式はほぼ同一である。そこで我々は、バイアスの程度が様々に異なる状態にお［6］
ける、μOR の動的な構造を NMR で解析した 。

μOR の膜貫通領域に位置する M245 等のシグナ
ルを、バイアスの程度が異なる各状態において観測した結果、バイアスの状態に応じて化学シフトが連続的に変化することが見出された（図 3A、

B）。これらの結果から、μOR が不活性型と複数の活性型の平衡状態にあり、G タンパク質、アレ
スチンの一方をより強く活性化する状態では、複数の活性型の平衡が一方に偏っていることが示唆された（図 3C）。この構造平衡における複数の活性型の割合とシグナルバイアスの測定値は良く対応したことから（図 3D）、μOR の構造平衡がシグナルバイアスを決定していることが示された。

4. 脂質による GPCR の活性制御機構の解明
細胞内では、GPCR は脂質二重膜中で機能する。アデノシン A 2A 受容体（A 2A AR）は、アデノシンにより活性化する、炎症反応等を制御する
総説論文
解説
8

図 3 μOR の薬効度とシグナルバイアスを規定する動的構造平衡。A. μOR の M245 の位置。B. 標準的完全作動薬結合状態（赤）、G タンパク質選択的部分作動薬
結合状態（青）、およびアレスチン選択的変異体の完全作動薬結合状態（緑）における、M245 の NMR シグナ
ル。C. μOR のシグナル伝達活性を規定する構造平衡1の模式図。D. 各状態における、M245 の H 化学シフトとシグナルバイアス指数のプロット。

GPCR であり、ドコサヘキサエン酸（DHA）およ
びアラキドン酸（ARA）に由来するアシル鎖を含む脂質二重膜環境で機能する。生体膜中における、DHA 鎖と ARA 鎖の割合は、食事や加齢、神経変性疾患等により変動することが知られている。したがって、脂質が A 2A AR の活性にどのように影響するか、また、その制御機構がアデノシン

9

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023
巻

13

図 4 脂質二重膜中の A 2A AR における、活性を規定する構造平衡。A-C. リガンドが A 2A AR のシグナル伝達活性および動的構造平衡に与える影響。A. メチオニン残基を変異導入した 106 番目の残基の位置。B. 逆作動薬・部
分作動薬・完全作動薬結合状態における M106 の NMR シグナル。C. 各状態の構造平衡の模式図と G タンパク質
活性化速度の相対値。D-F. 脂質が A 2A AR のシグナル伝達活性および動的構造平衡に与える影響。 D. 脂質組成が異なる rHDL に再構成した A 2A AR における、M106 の NMR シグナルの重ね合わせ。E. 各脂質組成における構
造平衡の模式図と、G タンパク質活性化速度の相対値。

等のリガンドとどのように異なるか、ということ（図 4B）、A 2A AR が不活性型と複数の活性型構造

が、生理的環境における A 2A AR の機能を理解するの平衡状態にあり、作動薬は不活性型と活性型の上で重要である。

平衡を後者に偏らせることが判明した（図 4C）。

脂 質 二 重 膜 中の 膜タンパク質 の NMR 解 析を次に、脂質の影響を調べるために、各種脂質組

行 う た め に は、 再 構 成 高 密 度 リ ポ タ ン パ ク 質

成の rHDL に再構成した A 2A AR について、部分作（rHDL、別名ナノディスク）が有効である。 rHDL

動薬存在下の NMR シグナルを観測した。その結は両親媒性へリックス構造を取るタンパク質が脂果、不活性型と活性型のシグナルの割合は脂質組

質二重膜構造を取り囲んだ、直径約 10 nm のディ成に影響されなかった一方、活性型の NMR シグ

スク状の粒子であり、脂質組成を制御しつつ、中ナルの化学シフトが各脂質組成における GTP 活に膜タンパク質を埋め込むことが可能である。そ

性化速度と対応して連続的に変化した（図 4D）。

こで我々は、rHDL 中のアデノシン A 2A 受容体のこ れ ら の 結 果 か ら、DHA 鎖 は、 作 動 薬 と 異 な［7］

活性が脂質で制御される機構を解析した。

り、複数の活性型の平衡を G タンパク質の活性化

まず、A 2A AR を DHA 鎖や ARA 鎖を含む rHDL、により有利な構造に偏らせることが示された（図およびどちらも含まない rHDL に再構成して、G4E）。複数の活性型の量比は G タンパク質活性化タンパク質活性化能を調べた。その結果、DHA

能と良く対応していたことから、この構造平衡の鎖が A 2A AR の G タンパク質活性化速度を正に制変化が A 2A AR のシグナル伝達活性を決定している御することが判明した。次に、薬物の影響を調べことが明らかになった。

るために、逆作動薬、完全作動薬、部分作動薬がそれぞれ結合した、rHDL 中の A 2A AR について、

5. GPCR 以外の膜タンパク質・高分子量タン

内在性ならびに膜貫通領域に導入した M106 等のパク質の機能解明

メチオニン残基の NMR シグナルを観測した（図我々は、GPCR 以外の膜タンパク質や高分子

4A、B）。その結果、部分作動薬存在下では、逆量タンパク質についても、活性を規定する構造

作動薬存在下で観測された不活性型に対応するシ平衡を NMR を用いて解明してきた。以下ではそ

グナルと、完全作動薬存在下で観測された活性型の中から、P2X 4 受容体の部分活性化機構に対応するシグナルが両方観測されたことから

CheA-CheY 複合体の温度依存的なシグナル伝達

［8］

と、

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1［9］を解明した研究を紹介する。

位置する L339 および L351 に導入したメチオニン

P2X4 受容体は、細胞外の ATP により開口して、残基、および細胞外領域と膜貫通領域を繋ぐ位置

各種陽イオンを透過する、リガンド依存型イオンに存在する A330 等の NMR シグナルを、アポ状チャネルである。慢性の神経障害性疼痛や炎症性態、ATP 結合状態、および α, β- メチレン ATP

疼痛などを制御しており、鎮痛薬の標的分子と考結合状態の各状態で観測した（図 5A、B）。そのえられている。α, β- メチレン ATP は、P2X4 受容結果、α, β- メチレン ATP 結合状態において、膜体を ATP より弱く、部分的に活性化することが貫通領域およびリガンド結合部位と膜貫通領域を知られている。このような P2X4 受容体を部分的繋ぐ領域が、アポ状態に対応する閉構造と ATPに活性化する薬は、副作用の少ない治療薬となる結合状態に対応する開構造の間を 100/s 以下のタことが期待される。

イムスケールで交換していることが明らかとなっ

制御機構

P2X4 受容体の ATP 存在下の結晶構造では、ATPた（図 5C）。

は細胞外領域に結合していて、アポ状態の結晶構造

NMR スペクトルから示唆される、α, β- メチと比べると膜貫通領域に近い領域が約 10Å拡大してレン ATP 結合状態の P2X4 受容体が開構造を取る

おり、膜貫通領域がポアを形成している。しかし、割合は、P2X4 受容体の電気生理実験における、

静的な閉状態と開状態立体構造だけでは、P2X4 受

α, β- メチレン ATP が誘起する電流の相対値（図容体の部分的活性化を理解することは難しい。

5D）と良く対応した。したがって、α, β- メチレ

我々は、rHDL 中の P2X4 受容体の細胞外領域にン ATP 結合状態では、開構造をとる P2X4 受容体位置する内在性のメチオニン残基、膜貫通領域にが少量存在することにより、部分的に活性化され

総説論文
解説
10

図 5 P2X4 受容体のイオン透過性を規定する構造平衡。A. P2X4 受容体上の NMR シグナルを観。B. アポ状態、ATP 結合状態、α, β - メチレン ATP 結合
測した残基の分布（PDB entry: 4DW1）状態における、rHDL 中の P2X4 受容体の A330、M339、M351 に由来する NMR シグナル。C.
NMR により解明した、各状態における P2X4 受容体の構造平衡。 D. P2X4 受容体を発現した細胞に対して ATP および α, β - メチレン ATP が作用した時に誘起される電流の大きさの相対値。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

ることが示された。

11

インタンパク質である CheA により制御される（図6B）。CheA の P1 ドメインにあるヒスチジン残基ことは必須の機能である。原核生物は、温度が最は、ATP と結合する P4 ドメインにより自己リン適な場所に向かって動く、走温性を備えている。

酸化された上で、リン酸を P2 ドメインに結合する

この走温性は、CheY タンパク質のリン酸化によCheY のアスパラギン酸残基に受け渡す（図 6B）。

り制御されており、リン酸化 CheY の濃度が低く

走 温 性のメカニズムを解明する上では、CheA-

なる方に向かうことで走温性が達成されることがCheY 複合体の動的な構造が温度でどのように変。CheY のリン酸化は、P1
知られている（図 6A）

化するかを明らかにすることが重要である。そこ〜 P5 の 5 つのドメインから構成されるマルチドメ

で我々は、283 K と 303 K の二つの温度で、CheA-

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

生物にとって、温度を検知して適切に応答する

巻

13

図 6 CheA-CheY 複合体の温度依存的なシグナル制御を規定する動的ドメイン間相互作用。A. 低温時における走温性の模式図。B. CheA-CheY 複合体のドメイン構成。C. 303 K および 283 K における、様々な濃度の CheY を添加した時の、CheAの Ile-5 の NMR シグナルの重ね合わせ（左）と、算出された CheA-CheY 相互作用の平衡定数の最適値および誤差（右）。D. 生理的な濃度における、CheA-CheY 複合体の平衡の模式図。E. シグナル伝達の数理モデルに CheA-CheY 複合体の平衡を追加して算出した、温度および誘引物質濃度の上昇に伴うリン酸化 CheY の濃度変化。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

CheY 相互作用の NMR 解析を行った。その結果、的環境に対応する条件における GPCR 等の動的構

CheA の P1 ドメインに位置する Ile-5 等の NMR シ

造平衡が、シグナル伝達活性と直結することが明

グナルが、CheY 添加に伴い非線形的に変化する

らかとなった。さらに、このような構造平衡の量こと、およびその様式が 283 K と 303 K では異な比や交換速度の情報は、細胞内シグナル伝達の数ること等が観測され、これらの結果から両温度に理モデルと組み合わせることが可能である。例え

おいて CheA-CheY 複合体が図 6C に示したようなば我々は、NMR により同定した β2 AR の作動薬

動的ドメイン間相互作用を形成することが示され結合に伴う不活性型と活性型の量比および交換速た。この動的ドメイン相互作用と、生理的環境に度の変化と、G タンパク質の活性化からアデニル

おける CheA と CheY の濃度を考慮すると、生体内酸シクラーゼによる cAMP 産生に至る各反応の速の CheA は、P2 ドメインのみで CheY と結合した、度定数の文献値を組み合わせることで、cAMP 濃

自己リン酸化反応が進行できる P1-CheY unbound

度変化をシミュレーションして、cAMP 濃度変化

state と、P1、P2 の 両 ド メイン で CheY と 結 合 しが秒単位の迅速なタイムスケールで生じることをた、リン酸転移反応が進行できる P1-CheY bound［10］
定量的に説明している （図 7）。さらに交換モン

state の平衡状態にあり、高温条件下では後者の割

テカルロ法を利用すれば、NMR の結果と細胞内。
合が増大すると考えられる（図 6D）

シグナル伝達のリアルタイム観測の結果を全て説そこでこのような CheA-CheY 複合体の平衡が明するような、動的構造平衡を組み込んだ細胞内

走温性シグナル制御に与える影響を見積もるため

シグナル全体の非常に複雑な数理モデルを構築すに、走温性シグナルの数理モデルに CheA-CheYることも可能である。このように、NMR により複合体の平衡を組み込んで、温度変化に伴うリン得られる動的構造平衡の情報は、それ自体で活性

酸化 CheY 濃度の変化をシミュレーションした。

と直結することに加えて、その時空間的な性質にその結果、CheA-CheY 複合体の平衡の変化に伴より立体構造情報と生化学や細胞生物学の知見をいリン酸化 CheY の濃度が十分変化した（図 6E）。

統合する能力を持つ。

したがって、CheA-CheY 複合体が、走温性の温

今後、NMR により、様々な生理的に重要な機度センサーとして機能しうることが示された。

能を担うタンパク質における活性を規定する動的構造平衡が解明されるとともに、その情報と機械

6. 展 望学習や情報科学を利用して、精緻な立体構造情報

以上のように、NMR を利用することで、生理と細胞生物学的な知見を統合した生理現象全体の総説論文
解説
図 7 β2 AR の構造平衡の交換速度と、G タンパク質活性化および cAMP 産生の速度の組み合わせによる、細胞内シグナル活性化のシミュレーション。
12

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

13日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

数理モデルが構築されること、さらに変異導入や化合物により動的構造平衡を制御する研究や、得られた数理モデルに基づいて細胞の機能を制御する研究が進展して、生命現象の理解や薬物の開発。
が大きく加速することが期待される（図 8）
引用文献［1］ Shimada, I., Ueda, T., Kofuku, Y., Eddy, MT.,
Wüthrich, K. GPCR drug discover y: integrating
solution NMR data with cr ystal and cr yo-EM
structures. Nat. Rev. Drug Discov. 18, 59-82 (2019).
［2］ Ueda, T., Yoshiura, C., Matsumoto, M., Kofuku, Y.,
Okude, J., Kondo, K., Shiraishi, Y., Takeuchi, K.,& Shimada I. Development of a method for reconstruction of crowded NMR spectra from undersampled time-domain data. J. Biomol. NMR 62, 3141 (2005).
［3］ Yoshiura, C., Ueda, T., Kofuku, Y., Matsumoto, M.,
Okude, J., Kondo, K., Shiraishi, Y., Takeuchi, K.,
Shimada, I., Elucidation of the CCR1- and CCR5binding modes of MIP-1a by application of an NMR
spectra reconstruction method to the transferredcross-saturation experiments , J. Biomol. NMR 63,
333-340 (2015).
［4］ Imai, S., Yokomizo, T., Kofuku, Y, Shiraishi, Y,
Ueda, T, *Shimada, I. Structural equilibrium underlying ligand-dependent activation of β2 -adrenoreceptor. Nat. Chem. Biol. 16, 430-439 (2020).
［5］ Zhuang, Y., Wang, Y., He, B., He, X., Zhou, XE.,
Guo, S., Rao, Q., Yang, J., Liu, J., Zhou, Q., Wang,
X., Liu, M., Liu, W., Jiang, X., Yang, D., Jiang, H.,

Shen, J., Melcher, K., Chen, H., Jiang, Y., Cheng,X., Wang, MW., Xie, X., Xu, HE., Molecular recognition of morphine and fentanyl by the human μ-opioid receptor. Cell 185, 4361-4375 (2022).
［6］ Okude, J., Ueda, T., Kofuku, Y., Sato, M., Nobuyama,N., Kondo, K., Shiraishi, Y., Mizumura, T., Onishi, K.,
Natsume, M., Maeda, M., Tsujishita, T., Kuranaga,T., Inoue, M., *Shimada, I., Conformational equilibrium of m-opioid receptor determines its efficacies
and functional selectivities , Angew. Chem. Int. Ed.
53, 13376-13379 (2015).
［7］ Mizumura, T., Kondo, K., Kofuku, Y., Natsume, M.,
Imai, S., Ueda, T., *Shimada, I., Activation of adenosine A 2A receptor by lipids from docosahexaenoic
acid revealed by NMR Sci. Adv. 6 , eaay 8544
(2020).
［8］ Minato, Y., Suzuki, S., Hara, T., Kofuku, Y., Kasuya,G., Fujiwara, Y., Igarashi, S., Suzuki, E., Nureki,
O., Hattori, M., Ueda, T., *Shimada, I., Conductance of P2X 4 purinergic receptor is determinedby conformational equilibrium in the transmembrane region , Proc. Natl. Acad. Sci. 113, 47414746 (2016).
［9］ Minato, Y., Ueda, T., Machiyama, A., Iwai, H., *Shimada,I., Dynamic domain arrangement of CheA-CheY
complex regulates bacterial thermotaxis, as revealed by NMR , Sci. Rep. 7, 16462 (2017).
［10］Kofuku, Y., Ueda, T., Okude, J., Shiraishi, Y., Kondo,K., Mizumura, T., Suzuki, S., Shimada, I., Functional dynamics of deuterated β2 - adrenergic receptor
in lipid bilayers revealed by NMR spectroscopy.
Angew. Chem. Int. Ed. 53, 13376-13379, (2014).

上田 卓見（うえだ・たくみ）

2000 年 3 月

東京大学 薬学部 卒業

2005 年 3 月

東京大学 大学院薬学系研究科博士後期課程 修了（薬学博士）

2005 年 4 月

社団法人バイオ産業情報化コンソーシアム 特別研究職員

2006 年 1 月

東京大学 大学院薬学系研究科生命物理化学教室 助教

2013 年 10 月

日本科学技術研究機構 さきがけ研究員（兼任、2017 年 3 月まで）

2019 年 5 月

東京大学 大学院薬学系研究科生命物理化学教室 准教授

13巻

図 8 NMR を中心とした研究展望の模式図。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

総説論文：解説

常磁性ランタノイドイオンを用いたタンパク質の構造解析
徳島大学先端酵素学研究所

齋尾 智英
saio@tokushima-u.ac.jp

はじめにい。本稿では、常磁性効果の原理的な内容は割愛

溶液中でのタンパク質の個々の原子核からの信し、ランタノイドイオンの固定化のためのタグの号を観測する NMR は、生体分子、特にタンパク質開発や、常磁性効果を用いた構造解析例についての溶液中での立体構造やその変化、相互作用など

いくつか紹介したい。

を観測する上で最も強力な解析ツールの一つである。核オーバーハウザー効果（NOE）から得られる

ランタノイドイオンから得られる常磁性効果〜 5 Å 程度の原子核間距離情報に基づくことによっ常磁性を持つ金属イオンとしては、ランタノイて、タンパク質の立体構造を高分解能で決定するドイオンに加え、鉄イオンや銅イオン、ニッケルことも可能である。さらに、重水素標識やメチルイオンなどが知られるが、なかでもランタノイド［1 ］、stereo-array isotope

イオンは常磁性中心として多用されてきた。そのlabeling（ SAIL ） な ど の 安 定 同 位 体 標 識 技 術

理由の一つは、常磁性効果の多様性が挙げられ

や transverse relaxation-optimized spectroscopy［5］
る 。ランタノイド族を構成する 15 元素のうち、選択的安定同位体標識［2］［3］（TROSY）、methyl-TROSY［4］などの測定技術の放射性を示す Pm

を除く 14 種類が NMR 解析に

開発によって、数十 kDa から数百 kDa の高分子

3＋3＋よく用いられるが、そのなかで、La と Lu は

量タンパク質に対する構造解析も可能になってい反磁性を示し、常磁性効果のないリファレンス

る。このように NMR 法は、種々の要素技術の開として用いられる。12 種類の常磁性ランタノイ

発の積み重ねによって高度化されてきた背景があ

ドイオンは、それぞれに固有の常磁性の特性を。
ると著者は認識している（図 1）

持つ。Gd

3＋

を除く常磁性ランタノイドイオンに

本稿では、生体高分子の NMR 解析における重よる常磁性効果は異方性を示し、pseudocontact

要な要素技術の一つとして、常磁性効果、特に常shift（PCS）や residual dipolar coupling（RDC）な

磁性ランタノイドイオンを用いた構造解析法につどを誘起する（図 2）。Gd

いて解説したい。常磁性ランタノイドイオンを用性であり、paramagnetic relaxation enhancement

いた解析については、本会誌においても八木宏昌（PRE）の観測や、ESR 測定などに用いられる（図博士の基礎講座で原理も含めた記述がなされてお2）。異方性を示すもののなかでも、Tb3＋ や Dy 3＋［5］

り、詳しくはそれらを参考にしていただきた

総説論文
解説
受領日：2023 年 5 月 9 日

受理日：2023 年 8 月 10 日

3＋の常磁性効果は等方のように比較的強い常磁性効果を示すものから、

図 1 構造解析技術の発展
143＋

編集委員：相沢智康

15

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

置（ランタノイドイオンからの距離・角度）の情報

すものなど多様である。このような多様性は、ラが取得される。このような長距離間の構造情報は、ンタノイドイオンの内殻軌道である 4f 軌道の電子タンパク質の複合体形成や構造変化などの評価に数の違いによるものであるが、一方で、最外殻電有益な情報を与える。アミド結合などの結合ベク子数はランタノイド族で共通しているため、ラントルについて角度情報を与える RDC は、配向媒体

タノイドイオンは互いに似通った化学的性質を有を用いることでも観測可能であるが、常磁性ランタするという特徴がある。この特性によって、異なノイドイオンを用いた場合には、ランタノイドイオ

るランタノイドイオンであっても、共通した配位ンを固定した部分が配向の基準となるため、マル環境によって固定することができ、多様な常磁性

チドメインタンパク質やタンパク質複合体の運動性効果を容易に使い分けることができる。

［7］を評価する上でも有益である 。PCS や RDC は 2

次元 NMR スペクトルから観測することができるたる等方的常磁性効果 PRE の観察では、2, 2, 6, 6-

め、比較的高感度かつ短時間の NMR 測定から 3 次

tetramethylpiperidine 1-oxyl（TEMPO）などの有元立体構造情報が得られる点が最大の利点の一つ

機ラジカルをラベルする方法もよく用いられるである。このため PCS や RDC は、高分子量タンパ

が、ランタノイドイオン、特に Gd

3＋

［8］

を用いた場

ク質

［12］

合には、常磁性中心から約 30 Å という、有機ラジのみならず、過渡的状態の構造解析

や細胞内で［13, 14］

カルの約 20 Å と比較してより広い範囲から PREなどにも用いられていのタンパク質構造解析［6 ］を観測することが可能であるやタンパク質複合体の立体構造解析［9 〜 11］。一方で、有機ラる。特に PCS は、スペクト上での変化量も大きい

ジカルは、アスコルビン酸を用いた還元処理によことから高精度での観測が可能であり、常磁性ラ

り反磁性リファレンスを取得できる点や、タグのンタノイドイオンを用いた測定においてよく用い市販品も入手しやすい点など、利便性の高さでのられる。

メリットは大きく、PRE 情報の取得において多く

タンパク質表面への常磁性金属の固定用いられる。ランタノイドイオンを用いるメリットの多くは、PCS や RDC などの異方性常磁性効

上述のような常磁性効果を用いた解析を行うた果の利用によってもたらされる。PCS は、ランタ

めには、常磁性ランタノイドイオンが対象タンパ

ノイドイオンからの観測核までの距離と角度に依ク質の特定の位置に固定される必要がある。タン

存した化学シフト変化として観測され、ランタノ

パク質に対するランタノイドイオンの位置が定イドイオンから〜 40 Å とういう広い範囲におい

まらない場合、常磁性効果、特に PCS や RDC なて観測される。PCS の定量解析からランタノイ

どの異方性常磁性効果が平均化され減弱し、得ドイオンを中心とした座標系における観測核の位られる情報精度が低下してしまう。そのため、構

PCS

RDC

z

z

3+

Ln
x

θ

r

H

1

H
3+

y

φ

Ln

r

N

15

NH

Θ

3+

15

+ Paramagnetic
lanthanide ion+ Diamagnetic
lanthanide ion
1N

JNH + ΔνRDC

JNH+ Diamagnetic
lanthanide ion

H

r

H

Φ

x

N

Ln

y

ΔδPCS
15

1

intensity

1PRE+ Diamagnetic
lanthanide ion+ Paramagnetic
lanthanide ion
1H

図 2 ランタノイドイオンから引き起こされる代表的な常磁性効果+ Paramagnetic
lanthanide ion

13

巻

距離に依存した信号の広幅化として観測され日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

Ce 3＋ や Eu 3＋ のように比較的弱い常磁性効果を示

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

造解析に異方性常磁性効果を利用する場合には特LBT を融合したタンパク質の N/C 末端から 5 〜に、ランタノイドイオンの固定が重要である。カ

10 Å の範囲に位置するタンパク質表面残基を Cys

ルシウムやマグネシウムを結合するタンパク質にに変異させることにより、2 点目の固定点を設計す

対しては、金属配位残基に変異を導入して常磁性る。ペプチド配列を用いたこの手法は、タンパク

ランタノイドイオンを固定することも可能である

質の NMR を専門とする研究者にとって入手しや［11, 15］、金属イオンを結合しないタンパク質へのすい材料を用いた簡便な方法でありながら、タン

適用は困難である。より多くの、金属イオンを結パク質に対するタグの運動性を低減させ、より強合しない一般的なタンパク質に対しても常磁性効

い異方性常磁性効果の観測を可能にした方法であ果を用いた解析を適用できるようにするため、ラる。後述のように、著者らはこの 2 点固定 LBT を

ンタノイドイオンを任意のタンパク質表面に固定用いて導入された常磁性ランタノイドイオンを用が［16, 17］するタグの開発が進められてきた。多くのラ［9, 10］い、タンパク質複合体の立体構造解析［24］

ンタノイド結合タグは、ペプチド性のものと、化

パク質−低分子リガンドの結合評価・構造解析

学合成されたキレート剤に大別される。ペプチドなどを実証することで、解析に十分な情報が取得性のタグは、カルシウム結合モチーフである EF ハ可能であることを示した。また、LBT とタンパ

3＋

ンドモチーフの配列を元に、Tb との結合に最適

ク質の融合コンストラクトの設計においては、3化（KD 57 nM）された 15 アミノ酸程度の配列が基〜 4 残基のスペーサー配列を挿入するが、そのス［18, 19］。このランタノイド結合ペプ

ペーサー配列の残基数を変えることでランタノイ

チドタグ（LBT）を用い、タンパク質末端へのクドイオンの位置が変わり、独立な常磁性データ［20, 21］

セットを取得することが可能である点も利点の一本となっているローニングによる融合、LBT とタンパク質表［22］

面に導入した Cys 残基間のジスルフィド結合

な

［10］

つである

。

どが提案された。しかし、いずれの場合も、LBT

2 点固定 LBT は、比較的簡便にランタノイドイ

はタンパク質に対して 1 箇所でのみ固定されていオンを固定でき、なおかつ十分な異方性常磁性るために、タンパク質に対する LBT の自由度が効果が得られるという利点がある一方で、用途高いという課題が残されていた。そこで著者らによっては LBT とランタノイドイオンの親和性

は、LBT をタンパク質の N 末端にクローニングにが不十分な場合も想定される。例えば、強い負電よって融合し、さらに LBT の N 末端に導入した荷を持つタンパク質や、核酸が観測系に存在す

Cys とタンパク質表面に導入した Cys の間をジスるような場合では、LBT から解離した遊離ラン

ルフィド結合によって繋ぐことによって、LBT を

タノイドイオンが影響を及ぼす場合もある。タ

2 箇所で対象タンパク質に固定する手法を提案しンパク質や核酸が高濃度で存在する細胞内での。
た （図 3）観察を目指す場合にも、同様の課題が想定され

［23］

総説論文
解説
図 3 LBT を用いたランタノイドの固定化と PCS 解析例
16やタンBULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

る。このような場合、より高い親和性でランタ［25］は高い。これまでに、EDTA 誘導体

タンパク質複合体解析への PCS の利用
タンパク質複合体の構造解析において、PCS はや 1, 4, 7,

複合体を形成するタンパク質の相対配置に関する

10 - tetraazacyclododecane -1, 4, 7, 10 - tetraacetic

情報を与える点において有用性が高い。一般的な［26, 27, 6］を用いたタグが提案

NMR 構造解析において主要な情報源となる NOEされてきた。DOTA はランタノイドイオンと KD

は〜 5 Å の原子核間の距離情報であるのに対し、acid（DOTA）類縁体− 25

M と い う 高 い 親 和 性 を 示 す た め、PCS は〜 40 Å という広範囲から観測され、その観測試料における遊離ランタノイドイオンの影響解析から定量的な距離・角度情報を取得することは実質的に無視できる。タグの運動性を抑えるたが可能である（図 2）。著者らは、2 点固定 LBT をめに、2 箇所のジスルフィド結合による固定化をす用いたタンパク質複合体の立体構造解析につい

10

〜 10

− 27

［6］

や、メチル基や芳香環などでタグ自る CLaNP-5て、オートファジーのアダプタータンパク質であ［9］る p62 の PB1 ドメイン 2 量体の固定でもランタノイドイオンの運動性を抑えた

シンによって複合体形成が誘導される FKBP-FRB［27］

や C1-tag

DOTA-M8などが開発されている。

、およびラパマイについての解析を報告した（図 4）。い

［10］

複合体

また、後には、細胞内などの還元的環境におけずれの場合も、複合体を形成する個々のタンパクるタグの利用を目指し、ジスルフィド結合に変え質については剛体として扱い、PCS の値に基づい

［28］

13

巻

体を嵩高くすることで 1 点のジスルフィド結合で［26］

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

ノイドイオンと結合する化学合成タグの有用性

17

やたドッキング計算を行なった。p62 PB1 は head-なども開発されている。DOTA-M8

to-tail の配向でホモ多量体を形成するが、NMR でや M8-CAM-I、C1-tag などは、ランタノイドとの解析のために、 head または tail にアミノの結合親和性が高く、タグとランタノイドイオン

酸変異を導入し、相互作用を阻害した変異体 2 種の結合−解離の交換が遅いために、ランタノイドを作製し、両者を混合することによって、2 量体の配位はタンパク質に結合する前に、タグのみにが形成されるように設計した（図 4A）。一方の変対して高温で行われる。そのため、遊離ランタノ

異体について 2 点固定 LBT を導入し、ランタノイ

イドイオンがタンパク質に与える影響がほぼ無視

ドイオンを固定した。Tm , Tb などの異方性常できるというメリットがある一方で、用いるラン

磁性効果を示すランタノイドイオンを用い、分子タノイドイオンごとにタグの付加反応から別途サ内および分子間 PCS を観測し、それに基づいてンプル調製をする必要があり、サンプル調製の手

Xplor-NIH を用いて剛体ドッキング計算を行なっ順は多くなる。それに対して、LBT を用いた系でた。PCS のみに基づいた計算においては、異なる

は、タンパク質に LBT を付加した後にランタノ配向を持つ複数のコンフォメーションが決定されイドイオンを導入、さらには除去することが可能たが、その理由として、PCS 情報の対称性が挙げであるため、複数セットのデータを取得する場合られた。PCS の理論式（式 1 ）からも示されるよの作業効率が高いというメリットがある。このよ

うに、PCS から得られる角度情報は縮退してお

うに、ペプチドタグやキレート剤タグなど、これり、1 つのランタノイドイオンから得られる PCSまでに多種のランタノイド結合タグが開発され、が挙げられた。PCSの理論式（式 1）からも⽰されるように、PCS から得られデータセットのみでは、磁化率テンソル軸上でのその多様な特性に基づいて用途に応じた使い分け

退しており、1
つのランタノイドイオンから得られる PCS データセットのみでは、磁対象位置でもデータが満たされてしまい、見分けが可能である。本稿では紙面の関係上ごく一部のでの対象位置でもデータが満たされてしまい、⾒分けることができない。
ることができない。

てチオエーテル結合で固定化する CLaNP-9［29］

M8-CAM-I

3＋

タグについての紹介のみとさせていただくが、さらに多くのタグが総説論文で紹介されているのΔδ PCS =［16, 17］で、ご興味のある方はご参照いただきたい。

ランタノイド結合タグの開発によって、任意のタンパク質に対して、特定の部位にランタノイドイ
オンの固定が可能になり、常磁性効果を用いた

NMR 解析が、より多くのタンパク質に適用でき
るようになった。以降のセクションでは、常磁性
ランタノイドイオンを用いたタンパク質の構造解
析、特に PCS を用いた構造解析例を紹介する。

3＋

1 &
3
#
Δχ ax (3 cos 2 ∂ − 1) + Δχ rh sin 2 ∂ cos 2ϕ !
212πr 3 $%
"

[式 1]

［式 1］
ここで、DdPCS は PCS 値、 r、¶、j は磁化率テンソル主軸座標系における観測
PCS
こDcこ で、PCS 値、r、∂ 、φ は 磁 化 率記、と DcΔδ
はDcはテンソルのaxial（軸）成分とrhombic（菱形）成axrh

テンソル主軸座標系における観測核の極座標表
PB1および FKBP-FRB の PCS に基づいた剛体ドッキング計算においては、⼤Δ
χax とΔχrh はΔχテンソルの axial（ 軸）成分記、所に収束する結果となったが、そのうちの1 箇所についてはタンパク質間の接触と rhombic（菱形）成分を表す。 p62 PB1 および箇所についてはタンパク質間の接触がなく、⾓度情報の縮退によるアーティファク
FKBP-FRB の PCS に基づいた剛体ドッキング計れた。このような縮退の問題を解消するためには、磁化率テンソルの軸が異なる

4 箇所に収束する
算においては、大きく分類してPCS
データを⽤いることが有効である。p62
PB1 の実験系でも、4 種のランタノータセットを⽤いたものの、それだけでは縮退を解消するには不⼗分であった。異オンを⽤いた場合、テンソル軸の x 軸、y 軸⽅向が 20~30°程度の範囲で多様［15 9］

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

結果となったが、そのうちの 1 箇所についてはタ

伴う化学シフト摂動から接触面に位置している

ンパク質間の接触があるが、残りの 3 箇所についアミノ酸を推定し、接触面についての束縛条件をてはタンパク質間の接触がなく、角度情報の縮退

加えることによって、最終的に 1 箇所に収束したによるアーティファクトであると考えられた。こ構造計算結果が得られている（図 4A）。一方で、のような縮退の問題を解消するためには、磁化率

PCS を用いたドッキング計算のデモンストレーテンソルの軸が異なる複数セットの PCS データ

ションとしては、PCS だけでは収束した解が得らを用いることが有効である。p62 PB1 の実験系でれないという点において不完全であった。タグをも、4 種のランタノイドイオンからのデータセッ

用いた PCS 解析においては、縮退の問題を解消

トを用いたものの、それだけでは縮退を解消するするためにはランタノイドの種類を変えるのみでには不十分であった。異なるランタノイドイオンは不十分であり、タグの固定部位を変更することを用いた場合、テンソル軸の x 軸、y 軸方向が 20が理想的と考えられるが、タグを固定する部位の［15, 9］、

選定には制約がある場合も多く、複数の固定部位

その点では縮退の解消に有効ではあるが、同じタを設計することが困難である場合も考えられる。

グを用いている場合には、常磁性金属の位置、すそこで、2 点固定 LBT を用いた解析において、独

なわち磁化率テンソル軸の中心は共通し、また z

立な PCS データセットを取得するためのより簡軸方向も共通していることが多いため、効果が限便な手法として著者らは、LBT とタンパク質間定的である。p62 PB1 の解析においては、結合にのスペーサー配列の長さを変更する方法を提案し〜 30°程度の範囲で多様性がある場合が多く

総説論文
解説

図 4 PCS を用いたタンパク質複合体の構造解析（A）PCS と化学シフト摂動に基づいた p62 PB1 二量体の解析。
（B）LBT のスペーサー配列を変えた 2 セットの PCS データに基づいた FKBP-FRB 二量体の解析。赤丸および青丸はランタ
ノイドイオンの位置を示す。

18

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1
［10］た

ンパク質の N または C 末端に連結し、その近傍に可能になる。NMR を用いた部位特異的な結合評

Cys 変異を導入することで、システインとのジス

価法としては、有機ラジカルスピンラベルからルフィド結合とペプチド結合での 2 点で固定する誘導される PRE に基づいて、スピンラベル導入

が、LBT とタンパク質の連結においては、3 〜 6

部位近傍への化合物の結合を評価する SLAPSTIC

残基程度のスペーサー配列が挿入される（図 3）。

（spin labels attached to protein side chains as a

通常、スペーサー配列は連結点間の距離に応じて

tool to identify interacting compounds）法が提案

最短の残基数が設定されるが、ここでは、
［最短

されていた

スペーサー長］＋ 1 アミノ酸を用いることで、十イオンを用いることで、さらに拡張性のある解析

分な異方性効果を保ちながら、金属の位置と、テが可能であることを示した

ンソル軸の方向が異なるデータセットを取得する

内シグナル伝達を仲介するアダプタータンパク質

ことができることが示された （図 4B）。スペー

Grb2 の SH2 ドメインと、それに結合するリガン

サー長を変えた 2 セットのデータを用いることにドを対象とした実証が行われた（図 5）。まず、ラ

よって、PCS のみに基づいて縮退を解消し、収束

ンタノイドイオンの中でも強い PRE 効果を誘導した計算結果が得られることが示された。

する Gd

［10］

［30］

。著者らは、常磁性ランタノイド
［24］

3＋

。ここでは、細胞を LBT によって SH2 に固定し、化合物混合溶液に少量加えて NMR 測定を行う。ここでリガンド結合評価への PRE と PCS の利用

化合物混合溶液の中に、目的タンパク質のランタ

常磁性ランタノイドイオンから得られる長距離

ノイド付近に結合するものが含まれれば、その化間の情報は、タンパク質−タンパク質複合体の構合物に由来する特定の信号について PRE による

造解析だけにとどまらず、タンパク質と低分子リ強度減少が観測される（図 5A）。結合が確認されガンドの結合評価や構造解析にも有用である。例

た化合物については、異方性常磁性ランタノイ

えばタンパク質に結合する化合物をスクリーニ

ドイオンを固定した SH2 を滴定することで PCS

ングする場合、常磁性プローブを使うことによっ情報を取得可能であり（図 5B）、PCS に基づいたて、単純な結合評価だけではなく、タンパク質のドッキング計算により SH2 との複合体モデルが

図 5 常磁性効果を使ったリガンド結合評価とリガンド−タンパク質複合体のドッキング（A）PRE 効果に基づいたリガンドの結合評価。常磁性ランタノイドイオンを固定したタンパ
ク質を少量加えて spinlock 測定を行い、PRE 効果から結合リガンドを特定する。（B）分子間PCS の観測。リガンドに常磁性ランタノイドイオンを固定したタンパク質を滴定し、リガンドの NMR 信号から PCS を観測する。
（C）PCS に基づいたドッキング計算。Grb2 SH2 を灰色のリボン、リガンド（pY-T-N ペプチド）を青色、緑色、橙色のスティック、ランタノイドイオ
ンを黄色の球体としてそれぞれ表示している。

13

巻

特定の部位に対する結合評価や結合様式の推定も
日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

。2 点固定 LBT においては、LBT 配列をタ19

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

構築可能である（図 5C） 。このように、LBT を［24］

まな場面においてコンフォメーション変化が重要

使って複数種のランタノイドイオンを固定できるになる場合も多い。このような、マルチドメイという特性を活かし、スクリーニングから構造評

ンタンパク質のコンフォメーション解析に対し価までに適用可能な手法が提案された。この手法て、著者らは常磁性ランタノイドプローブ法の適は、PCS を用いることによって、弱い結合を示す

用について報告した化合物であっても、結合の有無に止まらず目的タ

インから構成される大腸菌細胞壁合成酵素 MurD

ンパク質との複合体構造情報が比較的短期間の解を対象とした解析が行われた。MurD は、細胞析で得られるという利点がある。

壁合成酵素 mur ファミリーの一員であり、UDP-［31, 32］。ここでは、3 つのドメ

N-acetylmuramoyl-l-alanine（UMA）に D-Glu を 連

マルチドメインタンパク質の構造変化解析における PCS と ESR の利用

結する反応を担う酵素である。結晶構造解析か
らは、3 つのドメインのうち domain 3 が domain

タンパク質複合体、タンパク質−リガンド複

1-2 に対して開いた状態の open 状態、および閉合体に加えて、常磁性効果からの長距離情報がじた状態の closed 状態の少なくとも 2 状態が存在有効である構造解析に、マルチドメインタンパクすると推測されていた（図 6A）。まず、CLaNP-5

質のコンフォメーション解析が挙げられる。複タグ［33］によって常磁性ランタノイドイオンを数のドメインから構成されるマルチドメインタ

domain 2 に固定した。MurD の基質として知ら

ンパク質は、ドメインの相対的な配向（コンフォれる、ADP、ATP アナログ、UMA、および阻害

メーション）を変化させながら機能するものが多剤を加え、それぞれの条件における PCS を観測

いが、そのコンフォメーションの多様性や柔軟性したところ、基質や阻害剤などの結合に伴って、から、立体構造解析が困難である場合も多い。一domain 3 に由来する信号から顕著な PCS 変化が方で、基質の結合や酵素反応の制御など、さまざ観測された（図 6A）。この PCS 変化は、リガンド

総説論文
解説
図 6 常磁性タグを用いたマルチドメインタンパク質 MurD の解析（A）PCS に基づいた構造変化の解析。
（B）ESR DEER 測定によるコンフォメーション分布解析。

20

21

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

リガンドの結合評価と構造解析、マルチドメイン

化したことを示していた。興味深いことに、PCS

タンパク質の構造解析など、様々な場面に及ぶ。

解析の結果、ADP や ATP アナログ結合状態におさらに、常磁性ランタノイドプローブを用いた立

いて、MurD は開状態と閉状態の中間的な状態で体構造に基づいた信号帰属［36］やダイナミクス解［37］、細胞内での構造解析への適用［29, 14］

析の検討

存することで閉状態になることが明らかになっについても進められている。常磁性ランタノイド

た。MurD とリガンドの結合親和性を計測した結プローブ法は、かつては一部の金属結合タンパク

果、UMA と MurD の結合親和性は ATP アナログ

質についての適用が主体であったが、様々なラン存在下で増強し、D-Glu と MurD の結合親和性はタノイド結合タグの開発によって一般化されてきADP と UMA 存在下で増強することが示された。

た。最近では、非天然アミノ酸を用いたタグの導これらの結果は、MurD へのリガンドの結合が、入についても開発が進められており他のリガンドの結合に伴う MurD のコンフォメー

イン残基に依存しないタグ導入が可能になっていション変化によって制御されていることを示唆る。このように、常磁性ランタノイドプローブ法

し、MurD が複数の基質と特定の順序で結合し、は、多方面での技術開発に支えられ、より強力

効率的な酵素反応を可能にしているというメカニ

で、より普遍的なものになったと言える。昨今、ズムの存在を示唆するものである。

結晶構造解析技術が成熟し、クライオ電子顕微鏡

［38］

、システ

常磁性ランタノイドイオンを用いた MurD のコの技術や構造予測ツールの精度も格段に向上し、ンフォメーション解析について、著者らは NMR

タンパク質の立体構造はより身近なものになっ［32］

だ け で は な く ESR の 適 用 も 行 っ た。ここでた。それが故に、静的な安定状態の立体構造だ

は、MurD の domain 2 と domain 3 のそれぞれに、けでは理解が及ばない点が多々あることがより広CLaNP-5 を用いて Gd

3＋を固定し、ESR 測定、特く認知されるようになってきたと著者は感じていに double electron-electron resonance（DEER）測る。このような状況において、立体構造を基盤に

3＋

を用いた距

分子の動的な姿を捉え、機能を理解する研究の重離測定では、＜〜 8 nm（80 Å）の範囲における金要性と、そこでの溶液構造解析法に対する期待が定による距離測定が行われた。Gd［34］、そこからコ

高まっていると考える。今後、常磁性プローブを

ンフォメーション分布の情報を取得することが可含む NMR 構造解析技術の開発と、その適用によ能である。測定の結果、リガンドが結合しない

る学術の発展を期待する。そのためにも、常磁性

apo 状態の MurD においては、金属間距離は広範

タグの市販品の充実や、解析ソフトの充実など、囲な分布を示し、domain 3 が domain 2 に対して常磁性 NMR への参入障壁を下げる試みが必要と様々な配向で存在していることが示唆された。一されるだろう。

属間の距離分布の情報が得られ方で、阻害剤が結合した状態では、金属間距離の分布幅は減少し、阻害剤結合によってコンフォ

謝辞メーションの自由度が収束したことを示してい本稿で紹介した常磁性ランタノイドイオンを用た。MurD に対する MD シミュレーションや中性

いた著者の研究は、故 稲垣 冬彦 教授［北海道大子 散 乱 か ら も、apo MurD の domain 3 は 高 い コ

学］のご指導のもと開始・推進しました。ランタ

ンフォメーション自由度と運動性を持つことが示

ノイドイオンを用いた ESR への適用においては、［35, 32］。 さ ら に、MurD に つ い て の MD シ

石森 浩一郎 教授［北海道大学］のご指導のもと実ミュレーションからは、これまで知られていた開施しました。参考文献も限られるなか、試行錯誤

閉運動に加えて首振り運動があることが明らかにをする上で、稲垣教授、石森教授をはじめ、小橋なり、MurD のコンフォメーションダイナミクス

川 敬博 准教授［熊本大学］、久米田 博之 博士［北についての理解が深まった。

海道大学］、横地 政志 研究員［大阪大学］、およされたび稲垣研究室の方々から多大なるご指導、ご助言

終わりにをいただきました。本稿の執筆に際しては、八常磁性金属の適用は、NMR 解析における長距木 宏昌 博士［理化学研究所（現、旭化成ファーマ

離間の定量的情報の利用を可能にする。その適用株式会社）］から有益なご助言をいただきました。

は、タンパク質複合体の構造解析、タンパク質−

この場を借りて厚く御礼申し上げます。

13

巻

あ る semi-closed 状 態 を と り、ADP と UMA が 共

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023の結合に伴って MurD のコンフォメーションが変BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

総説論文
解説
22

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日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

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23

巻

13

齋尾 智英（さいお・ともひで）

2002 年 4 月〜 2006 年 3 月 北海道大学薬学部総合薬学科
2006 年 4 月〜 2008 年 3 月 北海道大学生命科学院生命医薬化学コース修士課程
2008 年 4 月〜 2011 年 3 月 北海道大学生命科学院生命医薬化学コース博士課程
2011 年 3 月

学位取得：博士（生命科学）

2011 年 4 月

北海道大学先端生命科学研究院、博士研究員

2011 年 10 月

Rutgers University, Postdoctoral associate2014 年 10 月

北海道大学大学院理学研究院 助教2014 年 10 月

JST、さきがけ研究員（兼任）2020 年 9 月

徳島大学先端酵素学研究所、教授、現在に至る

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

総説論文：解説NMR によるアミロイド形成の原子レベル機構解明
京都大学大学院工学研究科

森本 大智
morimoto@moleng.kyoto-u.ac.jp

1. はじめにのタンパク質のアミロイド形成を誘導することが神経細胞に異常な線維状のタンパク質凝集体でき、その形成過程を NMR 測定により追跡するこ［9, 10］。また、興味深いことに、レオロ（ ア ミ ロ イ ド ）が 蓄 積 す る こ と は、 ア ルツ ハ イとができた

マー病やパーキンソン病などの神経変性疾患の共ジー NMR 法を用いて SOD1 のアミロイド形成過程［1］

通した病理学的特徴である。そのため、アミロイドの形成や蓄積は神経変性疾患の発症や進行に［2］における過渡的な構造変化も捉え、線維形成中間［11］状態の構造特性も明らかにすることができた。

。アミロイド

本稿では、新しく構築したレオロジー NMR 法と形成の最も特徴的な点は、タンパク質の構造変化

それによって得られたアミロイド形成に関する原を伴う複数の反応によって進行する点であり、結子レベルの構造学的知見について解説する。

関連していると考えられている果として、アミロイド形成がほとんど見られないフェーズ（ラグフェーズ）、指数関数的に形成が進行するフェーズ（ログフェーズ）、そして形成従来のレオロジー NMR 法は［7, 12 〜 15］、インナーが止まるフェーズ（プラトーフェーズ）が観察さロッドを取り付けたサンプル管を電磁波照射とシ［3］。これまで、複雑なアミロイド形成の分

グナル検出を担うプローブに直接挿入する必要が子メカニズムを理解するために様々な速度論的モあり、測定ごとに NMR マグネットからプローブ

れる［4, 5］、アミロイド形成中を脱着する必要があった。しかし、極低温プローに起こる反応（モノマーからオリゴマー、オリゴ

ブの場合、コストや時間の観点から測定ごとのプ

マーから線維への状態変化）に関する原子レベル

ローブの脱着は現実的ではない。実際、プローの構造的知見は依然として不足している。

ブの脱着が不要なレオロジー NMR ハードウェア

デルが提案されてきたがアミロイド形成におけるタンパク質の過渡的な［8, 16, 17］が開発されているが、極低温プローブ搭載

構造変化をその場かつ原子分解能で捉える方法の NMR 装置への導入実績は報告されていない。

としてレオロジー NMR 法が挙げられる。レオロ

その中で我々は、通常の方法（リフトエアー）で

ジー NMR 法は 1990 年に高分子化学分野で確立

サンプル管を極低温プローブ搭載 NMR 装置に［6］された方法論であり 、剪断ストレスを試料に加入れ、その後インナーロッドを挿入するという、えながら NMR 測定ができる手法である。しかし、プローブ脱着を必要としない簡便なレオロジー、従来法ではNMR 法を開発した（図 1a）。外径 3 mm のガラス

NMR 感度が低いためタンパク質科学にほとんど利棒をサンプル管（外径 5 mm、内径 4.1 mm）に挿用されてこなかった。この NMR 感度の問題を克入することによって二重同心円管（クエットセ

服するため、2017 年に我々は極低温プローブ（プル）が構成できる（図 1b 上）。サンプル管（外管）

リアンプが約 20 K まで冷やされたプローブ）を利を NMR 装置デフォルト機能であるスピナースピ［9］。

ニングによって回転させることで、クエットセ

ポリユビキチン鎖（ヘキサユビキチン）およびルのギャップ（0.55 mm）内に入れた試料溶液にスーパーオキシドジスムターゼ 1（SOD1）は剪断

剪断流を発生させることができる（図 1b 下）。ス

ストレスを加えない生理条件（pH、温度、イオン

ピナースピニングの回転周波数は 7 Hz から 50 Hz

強度組成など）ではアミロイドを形成しないタンの整数値に設定することができる。このレオロ

パク質であるが、構築したレオロジー NMR 法にジー NMR 法のインナーロッドの扱い方はエアー

よって剪断ストレスを加えることにより、これら

プ ロ 株 式 会 社 の ホ ー ム ペ ー ジ（https://urheoe.

［7, 8］

生物学的研究は数例あるものの

総説論文
解説
24

2. 新規レオロジー NMR 法の実施方法

用した新規のレオロジー NMR 法を確立した

受領日：2023 年 5 月 29 日

受理日：2023 年 7 月 9 日

編集委員：栃尾尚哉

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

25

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023
巻

13

図 1 新規レオロジー NMR 法の模式図a, クライオプローブを用いたレオロジー NMR 法では、長さ調節ダイヤル（上）、樹脂製ロッド（中）、固定棒ホルダ（下）からなるインナーロッドをサンプル管に挿入する。固定棒ユニットの下端には 3 mm のガラス棒が接続されており、ガラス棒はサンプル管の中心に位置する。b, 3 mm のガラス棒を 5 mm のサンプル管（内径 4.1 mm）に挿入する。サンプル管はスピナースピニングにより回転させ、ガラス棒は静止させる（上）。スピナースピニングによりサンプル溶液中に剪断流が発生する（下）。図は D. Morimoto, et al., Curr. Protoc. 2022, 2,
1–15［26］を改変したものである。

airpro-net.com/wp-content/uploads/2020/06/

インナーロッドの長さを一定にするためすべて

uRheo_guide.pdf）にも記載されている。ここでの実験でサンプル管の深さは 2 cm に固定する。

は、タンパク質 NMR 研究者の立場からレオロ

2-1-5. リフトエアーでサンプル管を NMR 装置

ジー NMR 実験に関する詳細を解説する。

に投入する（図 2a 左）。投入後、ロックディス

2-1. NMR 装置にサンプル投入

プレイには比較的弱い（添加した D2O による）ロックシグナルが観測されるが、これはサンプ

2-1-1. NMR 装 置 の 目 標 測 定 温 度 を 設 定 す る。

ル溶液の一部がプローブの検出可能範囲外に位

高 温（40 ℃ 以 上 ）に な る と、 ア ッ パ ー シ ム ス

置しているためである。

タックが膨張し始めるためインナーロッドの固2-1-6. スピナースピニングが適切に動作するか定が不十分になる場合があるため注意が必要で確認する（図 3c）。この時点におけるスピナー

ある。

スピニングがうまくいかない場合は、NMR 装

2-1-2. 外径 5 mm のシゲミ社製 NMR サンプル管

置のエンジニアに問い合わせる必要がある。

に 5 –10％ D2O を含む 300μL のサンプルを入れ。300μL を大きく下回るとプロー
る（図 2a 左）

2-2. NMR 装置にインナーロッドを挿入

ブコイルの検出可能範囲に気液界面があるため

2-2-1. 固定棒ユニット（3 mm ガラス棒付き）を

磁場の均一性が不十分になり S/N が悪くなる。

。ガラ
樹脂製ロッドに接続する（図 2b 左、中）2-1-3. サンプル管内のサンプル溶液を脱気する

ス棒は蒸留水またはエタノールで軽く洗浄し、。NMR 測定時に気泡が発生す（図 2a 左から中）実験用ティッシュで軽く拭き完全に乾燥させる。

るのを防ぐため、NMR 装置に投入前に 5–10 分

2-2-2. インナーロッド（樹脂製ロッドに接続さ程度の脱気処理を行う。

れた固定棒ユニット）を NMR 装置に挿入する

2-1-4. サンプル管にセラミックスピナーを深さ

前に、挿入する部分（ガラス棒の下端から長さ2 cm のところで装着する（図 2a 中）。スピナー

調節ユニットの底までの領域）の長さをサンプ

回転中のサンプル管の振動を軽減するため、比ル管の底から NMR 装置のアッパーシムスタッ

較的重いスピナーを使用する。また、挿入する

クの上までの高さに合わせる（図 3b）。エアー

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

プロ株式会社のマニュアルに詳しく記載され2-2-4. 長さ調節ユニット（樹脂製ロッドの上端ているようにアッパーシムスタックの長さは部に装備）をアッパーシムスタックに装着す

NMR 装置の種類によって異なり、ガラス棒のる。アッパーシムスタック上面には数カ所突起

端がサンプル管の底面に密着することを防ぐたがあり、長さ調節ユニットにはその突起に合う

めにインナーロッドの挿入領域をわずかに短く穴が開いているので長さ調節ユニットの向きを（〜 1 cm）調整する必要がある。

調整してから挿入する。ガラス棒をサンプル管

2-2-3. インナーロッドを NMR 装置内に慎重にに挿入し終わると、強いロックシグナルが得ら挿入する。安全に挿入するため、固定棒ユニッ

れる（図 2b 右）。

トには 2 つのゴム製 O リングがあり、樹脂製
ロッドには複数（2 – 4 個）の位置決めガイドが2-3. インナーロッドの調整ある。固定棒ユニットと位置決めガイドの直径剪断流存在下において適切かつ再現性よくはアッパーシムスタックの穴の直径よりわずか

NMR を測定するためには、挿入したガラス棒がに小さく設計されているが、2 つのゴム製 O リ

サンプル管内の適切な深さに位置し（垂直位置、ングの直径はわずかに大きく、ゴムの弾性によ

図 3a）、正確に中央に位置する必要がある（水平りインナーロッドを装置に固定できる。ただ

位置、図 3d）。ガラス棒が深すぎて下端がサンし、インナーロッドの約 22 cm の下部領域（ガプル管の底に触れてしまうとスピナーは回転しなラス棒の先端から固定棒ユニットの最初のゴムい。一方、ガラス棒の位置が浅すぎる場合はガラ

リングまで）にはアシストがなく、この領域をス棒の下端がプローブの検出範囲に入るため、磁抜き挿しする際には細心の注意が必要である。

場の均一性を最適化することが難しくなり水消し

総説論文
解説

図 2 レオロジー NMR 測定のセットアップ
a, NMR 装置へのサンプル管の投入方法。左、外径 5mm のサンプル管に 5 – 10% D2O を含む 300μLの試料溶液を入れる。NMR 測定中に気泡が発生するのを防ぐため 5 – 10 分間脱気する。中央、サンプ
ル管にはセラミックスピナーを装着する。サンプル管の底はゲージのセンターラインから深さ 2 cm の位置にセットする。右、リフトエアーでサンプル管を NMR 装置に投入する。サンプル溶液の一部がプローブの検出範囲外に位置するためこの段階ではまだ比較的弱いロックシグナルが観測される。b, イン
ナーロッドの挿入方法。左、樹脂製ロッドに外径 3 mm のガラス棒を接続した固定棒ユニットを取り付ける。ガラス棒は毎回使用前に洗浄する。中央、インナーロッドを NMR 装置に慎重に挿入する。適切かつ安全に挿入するために、固定棒ユニットには 2 つのゴム製 Oリングが装着されており、樹脂製ロッドには複数の位置決めガイドが備え付けてある。ガラス棒が正しく挿入されるとサンプル管内（つまりNMR プローブコイル内）のサンプル溶液レベルが上昇し、ロックシグナルの強度が上昇する。図は D.
Morimoto, et al., Curr. Protoc. 2022, 2, 1–15［26］を改変したものである。

26

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

10 cm ゆっくり引き上げ、ガラス棒をサンプル

安定した層流ではなくなり実験の再現性が悪くな管から外す（図 3b の 1）。次に、白いネジを反る。また、適切な剪断流を得るためには挿入した

時計回りに回し、アッパーシムスタックに接続

ガラス棒が中央に位置する必要がある。中央に位するベースのロックを解除し（図 3b の 2）、取置していないと狭い隙間に生じる高い速度勾配やり外す（図 3b の 3）。長さ調節ダイヤルのロッ［18］

クを反時計回りに回転させて解除し（図 3b の渦形成を招いてしまう。

4）、ダイヤルも反時計回りに 180 度回転させ、ガラス棒の垂直位置の調整

挿入部位を約 0.6 cm 長くする（図 3b の 5）。逆の操作をおこない、インナーロッドを NMR 装入されていることを確認する（図 3a 1 行目）。

置に再挿入する。

2-3-2. インナーロッド挿入後、ロックシグナル

2-3-3. 長さ調節ユニットがアッパーシムスタッが 増 加 し た か 確 認 す る（ 図 3a 2 行 目 ）。 イ ン

クから浮いているかどうかを確認する（図 3a 3

ナーロッド挿入前後でロックシグナルに差が見行目）。浮いている場合は、挿入部が長すぎるられない場合、ガラス棒の垂直位置が浅すぎる

ため、挿入部分を短く調整し、その後、イン（1 cm 以上）可能性があるため、インナーロッ

ナーロッドの浮きを再確認する。

ドを長くする必要がある。調節中にインナー

2-3-4. スピナースピニングでサンプル管を回転

ロッドが捻れないように、インナーロッドを約させ、ガラス棒が適切な深さに挿入されている

図 3 レオロジー NMR 実験におけるガラス棒の垂直と水平位置の調整
a, NMR 装置に挿入するガラス棒の垂直位置を調整するためのフローチャート。サンプル内における渦の発生を防ぎ、磁場の均一性を高めるため、ガラス棒はサンプル管に適切な深さで挿入する必要がある。b, 調節ユニットを使用してガラス棒の垂直位置を調整する。1 ）インナーロッドをゆっ
くりと約 10 cm 引き上げ、ガラス棒をサンプル管から離す。2）アッパーシムスタックに接続しているベースのロックを解除する（白いネジを反時計回りに回転させる）。3）ベースを取り外す。4）長さ調節ダイヤルのロックを解除する（長さ調節ダイヤルを反時計回りに回転させる）。5）インナー
ロッドを短くまたは長くする（長さ調整ダイヤルをそれぞれ時計回りまたは反時計回りに回転させる）。インナーロッドを再び NMR 装置に挿入する場合は 1 から 4 の手順を逆に行う。c, スピナース
ピニング開始の手順。ソフトウェア topspin の BSMS コントロールバー（コマンド bsmsdisp）。1 ）スピニング速度を設定する（7 – 50 Hz）。初めの垂直位置調整では 7 Hz（最小速度）に設定する。2）「SPIN」をクリックし回転を開始する。3）「Measure」をクリックし実際の回転数をモニターする。
d, サンプル管内のガラス棒の水平位置を調整する前（左）と後（右）の代表的な水のプロファイル。
［26］
図は D. Morimoto, et al., Curr. Protoc. 2022, 2, 1–15を改変したものである。

13

巻

2-3-1. インナーロッドが NMR 装置に適切に挿日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

が十分におこなえない。加えて、発生する流れは27

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

か確認する（図 3a 4 行目）。スピナースピニン

筋委縮性側索硬化症（ALS）関連タンパク質であグを開始するためには、topspin で BSMS コン

る SOD1 のアミロイド形成過程を原子レベルで解トロールスイートを開き、スピニング速度を析した。一般的に、アミロイドを形成する球状の最小値である 7 Hz に設定する（図 3c 1）。位置

タンパク質はオリゴマー化や線維形成する前に、調整の段階でサンプルに不必要な剪断力が加わその三次構造をアンフォールディングする

らないように、スピニング速度は可能な限りしたがって、アンフォールド状態の挙動（フォー

最小値に設定する。次に、「SPIN」ボタンをク

ルド状態からの形成とオリゴマー状態への移行）

リックして回転を開始する（図 3c 2）。即座にを追跡することはアミロイド形成における核形「Measure」ボタンをクリックし、実際のスピ

成メカニズムを理解する上で重要である。しかニング速度をモニターする。ガラス棒の底面がし、アンフォールド状態自体は生理的条件下（中サンプル管に直接触れていなければ、スピナー

性 pH、室温付近）では非常に限られた割合しかは 7 Hz の安定した回転を 30 秒間以上続けるは存在しないため直接解析することは困難である。

。
ずである（図 3c 3）

実際、アンフォールドした SOD1 は生理的条件下

［19］

。

［11］

において 0.5 ％しか存在しなかった
ガラス棒の水平位置の調整

総説論文
解説
28

。そこで、

我々はタンパク質のアンフォールディングを誘導

2-3-5. 通常の NMR 測定におけるチューニング、する尿素を用いた中程度の変性条件下で、SOD1

マッチング、シミングを行う。シミングはシムのフォールド状態とアンフォールド状態の NMR

自動最適化プログラムの topshim を使用できるシグナルを同時に追跡した（図 4a）。2 M 尿素存が 1 次元シミングのみをおこなう。ガラス棒が在下ではフォールド状態とアンフォールド状態はサンプル管に挿入されているため、3 次元シミ1

ングは困難である。

らそれぞれ 65％と 35％と見積もられた。つまり、

2-3-6. Bruker 社製 NMR 装置でデフォルト機能とこの条件において両状態を同時かつ十分な NMR

してあるコマンド topshim 3d rag map を実行し感度で追跡することができる。

H- 15N HSQC スペクトルのクロスピーク強度比かて、サンプル管内の水の 3 次元イメージ（図 3d）

この尿素存在下でレオロジー NMR 法を用いを測定する。測定したイメージの水平断面から、て溶液中に剪断流を発生させ、連続的に H- N

ガラス棒が適切に挿入されているか判断する（図HSQC スペクトルを測定すると、SOD1 のフォー3d）。水の 3 次元イメージは topshimData と名ルド状態とアンフォールド状態由来の NMR シグ

付けられたディレクトリに保存される。

ナルはいずれもシグモイド曲線様に減衰すること

2-2-7. ガラス棒が中心からずれている場合、イが観察された（図 4b）。実際、レオロジー NMR

ンナーロッドをゆっくり 10 cm ほど引き上げガ

実験後の溶液を透過型電子顕微鏡で観察するとア

ラス棒をサンプル管から外し、インナーロッド

ミロイド線維が形成されていることが確かめられを 90 度以下（反）時計回りに回転させインナーた

ロッドを NMR 装置に再度挿入する。

て異なる減衰プロファイルを示すことがわかった

2-3-8. サンプル管内の水の 3 次元イメージを再（図 4b）。そこで、定量的に減衰プロファイルの測定し、ガラス棒のセンタリングが改善された違いを解析するために修正シグモイド関数でデーかどうかを確認する。

タフィッティングし、減衰カーブの非対称性因子

2-3-9. ガラス棒のセンタリングが適切であれば、αと定数 C という二つのパラメータを得た。

1

15

［11］

。興味深いことに、状態および残基によっ

再度、1 次元シミングをおこない、手動で三次元

アンフォールド状態の非対称性因子αは全体的シミングをおこなう。その後、通常のタンパクに小さな値を示し、残基間で大きな差異がなかっ

質 NMR 実験と同様に、測定のセットアップに進た（図 4c 左上）。それに対し、フォールド状態のむ（90 度パルス長とパワーのキャリブレーショ

Gly78、Asp79、His80 は比較的大きな非対称性因

ン、パルスプログラム、スペクトル幅など）。

子αを示した（図 4c 左上）。これは、これらの残基の NMR シグナルが他の残基に比べて減衰が早3. SOD1 のアミロイド形成における多状態

かったこと意味する。フォールド状態では、こ同時構造解析

れらの残基は 3 10 ヘリックスを形成する。つまり、新規に構築したレオロジー NMR 法を用いて、3 10 ヘリックスが全体的なアンフォールディング

29

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023
巻

13

図 4 レオロジー NMR 法による SOD1 のアミロイド形成過程の追跡
a, 尿素存在下における SOD1 のアミロイド形成の模式図。アンフォールディングされた SOD1 はアミロイ
ドオリゴマーや線維の前駆体であるため、尿素によるアンフォールディングは SOD1 のアミロイド形成を促進する。尿素による中程度の変性条件下では、SOD1 のフォールド状態とアンフォールド状態の両方のNMR シグナルが検出可能である。b, 剪断流によるアミロイド形成過程における SOD1 のフォールド状態（左）とアンフォールド状態（右）のクロスピークの強度変化。c, ピーク強度減衰プロファイルを修正シグ
モイド関数でデータフィッティングして得られた減衰カーブの非対称性因子α（左上）と定数 C（右上）の残基に対するプロット。顕著に大きな値を示した残基をフォールド状態（左下、赤）、アンフォールド状態（右下、緑）にマッピングしている。

よりも前にアンフォールディングすることが示唆

は溶媒への露出または保護の程度に依存する。しされた（図 4c 左下）。

たがって、水素交換プロファイルはオリゴマー形

また、フォールド状態のいずれの残基も定数 C

成におけるモノマー分子同士の相互作用を知るたはほぼゼロの値を示したが、アンフォールド状態

めに有用な情報となる。オリゴマーはアンフォーの N 末端と C 末端にある残基でのみ大きな定数 C

ルド状態の分子が段階的に分子間相互作用するこを示した（図 4c 右上）。つまり、これらの残基のとによって形成され、結果的に水素交換プロファ

NMR シグナルがオリゴマーや線維状態においてイルは絶えず変化すると考えられる。

も検出されたことを意味しており、N 末端と C 末

実際、実験開始時とラグフェーズにおける水端にある残基はオリゴマーや線維状態でも柔軟に素交換を比較したところ、50 番付近の残基にお動くことができたと考えられる（図 4c 右下）。

いて相対的に水素交換が減少していた（図 5a 右これらの解析から、SOD1 のアミロイド形成過上）。水素交換が減少した残基は実験開始時に比程において、全体的なアンフォールディングの前

べてラグフェーズでより溶媒から保護されているに 3 10 ヘリックスのアンフォールディングが引きことを意味する。さらに、二種類のログフェーズ

起こることがわかり、オリゴマー状態や線維状で水素交換を測定し、比較したところ、28 番か態における柔軟な領域を特定することができた。

ら 50 番に存在する残基でアミロイド形成が進む

次に、どのようにアンフォールド状態がオリゴにつれて水素交換が減少していることが観察されマーを形成するかを調べるため、ほぼ完全にアンた（図 5a 右中央、右下）。これらの水素交換が減

フォールディングする条件（4 M 尿素存在下）で少した残基は、過去の研究で特定した線維コア構

水素交換実験（CLEANEX-PM）をおこなった。タ造を形成する残基と一致しており

ンパク質のアミドプロトンと水との間の水素交換

ド形成においてこれらの同定した残基を介して分

［20］

、アミロイ

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

子間で相互作用し、オリゴマーのコア構造を形成などの非凝集性タンパク質の剪断流による構造変することが示唆された。

化を解析することにも役立つことができるであ

このように新規レオロジー NMR 法を用いて、ろう。また、剪断流は高分子複合体溶液の粘度［23］や無機・有機化合物の結晶化促進［24, 25］にSOD1 のアミロイド形成過程における構造変化

上昇を、その場かつ原子分解能、そして複数の状態にも関係していることから幅広い研究分野に貢献す

ついて同時に追跡することができた（図 5b）。こる可能性がある。

のような時空間分解能の高い構造解析をおこなう

現在、本レオロジー NMR 法は NMR 感度ならことで複雑なアミロイドの形成機構のさらなる理びに分解能で世界最高を達成している。しかし、解に役立つことを期待する。

スピナー回転の回転数が制限されている点や、使用する NMR 試料管が開放系になり試料の蒸発が

4. おわりに問題になる点など、改善点が幾つも存在する。今クライオプローブを用いたレオロジー NMR 法
は、蛍光や円二色性などの他の方法では困難で後、より改良したレオロジー NMR 法の開発に従事したいと考える。

あったタンパク質凝集におけるアミノ酸および状態特異的な構造情報を原子分解能で追跡することが可能である。そのため、アミロイドβ、α- シヌ

本研究を実施するにあたり、京都大学大学院工クレイン、タウなど多くの神経変性疾患関連タン

学研究科 白川昌宏教授、京都大学大学院農学研

パク質の凝集をその場かつ高分解能で解明するこ

究科 菅瀬謙治教授、京都大学大学院医学研究科とに貢献できると考える。さらに、タンパク質凝Erik Walinda 助 教、IPF Ulrich Scheler 博 士、 ブ

［21］

集だけでなく、von Willebrand 因子

総説論文
解説
30

5. 謝 辞［22］や FimH

ルカージャパン株式会社 山本昭彦氏から多大な

図 5 アミロイド形成のフェーズ依存的な水素交換プロファイル
a, アミロイド形成の異なるフェーズにおける SOD1 のアミドプロトンと水の間の水素交換の変化。4 M
尿素が存在する条件下では SOD1 はほぼ完全にアンフォールド状態にある。左、レオロジー NMR 実験

におけるすべてのクロスピークのピーク強度の和の時間変化。中央、実験開始時とラグフェーズ（青）、ログフェーズ 1（緑）、ログフェーズ 2（赤）との水素交換の差。右、顕著に水素交換が実験前と比べて減少している残基を SOD1 のアンフォールド状態の構造にマッピング。b, レオロジー NMR 実験に基づいた SOD1 のアミロイド形成モデル。全体的なアンフォールディングの前に 3 10 ヘリックスがアンフォール
ディングし（赤）、50 番付近の残基を中心にオリゴマーの核を形成し（青）、N 末端と C 末端の領域はオリゴマー状態や線維状態において柔軟に動いている（緑）。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

る助言および指導を賜りました。また、本研究は
興財団、みずほ学術振興財団、服部報公会、豊田
理化学研究所、京都大学ジョン万プログラム、蛋
白質研究奨励会、ソルト・サイエンス研究財団の支援を受けました。

森本 大智（もりもと・だいち）

2009 年 京都大学工学部工業化学科 卒業、2011 〜 2014 年 日本学術振興会 特別研究員
DC1、2014 年 4 〜 8 月京都大学工学研究科 研究員、2014 年 9 月京都大学大学院工学研究科
助教（現職）、2015 年京都大学大学院工学研究科分子工学専攻 博士（工学）取得、2023 年 4月国立研究開発法人科学技術振興機構 創発的研究支援事業 創発研究者

13

巻

引用文献
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日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

科学研究費補助金、公益財団法人島津科学技術振［11］N. Iwakawa, D. Morimoto, E. Walinda, M. Shirakawa,
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31

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

NMR 講座：NMR 基礎講座

ベクトルモデルはどのぐらい信じてよいのか？
横浜市立大学・生命医科学研究科

池上 貴久
ikegamit@yokohama-cu.ac.jp

はじめに学に焼き直した磁化のベクトルモデルに至って

原子、そして、その中の核や電子の振る舞いをは、もはや数式のない描像のみの世界である。と古典力学で説明しようとしても、うまく説明でき

はいえ、化学 NMR や蛋白 NMR の分野では、もない場合がある。例えば、古典力学によれば、電うそれで十分であるようにも思われる。この記事

子が核の周りを回っているとすると、それは電では、文献を参考にしつつ、ベクトルモデルだけ

磁波のエネルギーを放出しながら回るはずなので本当に充分なのか、ベクトルモデルに持っていで、瞬く間にどんどん速度が落ちて核に吸い込まくために止むを得ず削られてしまった量子力学的れてしまうはずである。シンクロトロンで荷電粒要素をもう少し取り入れることはできないのか、子である電子を移動させると、電子は電磁波エネ

そのような改良型モデルはどのようなモデルなの

ルギーを放出しながら周回するので、常に電磁場かについて議論したい。

を通してエネルギーを供給し続けなければならな

まず以下の話の前に注意点を二つ記したい。

い（ここで放出された X 線は結晶構造解析などに一つ目は、個々のスピンと、それらを集めた磁利用できる）。しかし、量子力学によると、電子化とを区別しないといけないという点である。こは波動性も持つため、核に吸い込まれることなく

こでは前者を微視的スピンベクトル、後者を巨視

その周りを回り続けることができると説明され的磁化ベクトルと表すことにする。ベクトルと書［1］）。しかし、このように量子力

いたが、単なる矢印である。 スピン といえば学が正しいからと言って、磁気共鳴のすべてを量

微視的（ミクロ）で量子力学に基づいており、磁子力学で説明しようとすると、教科書や論文は数化といえば巨視的（マクロ）で古典力学に基づい式の嵐となり、生物・薬学・医学系の人はとてている。この両者を区別したい。

る（ド・ブロイ

NMR講座 NMR基礎講座

も MRI などの磁気共鳴を使いたいとは思わない

二つ目は、スピンとラーモア（Larmor）歳差運だろう。よってベクトルモデルや、コマの歳差運動を混同しないようにしないといけないという点動のような古典力学になぞらえながら磁気共鳴をである。しばしば書籍には「正電荷を持った核、理解することは、たとえそれが少しぐらい不正確

あるいは負電荷をもった電子が自転するのでスピであったとしても重要なことではないかと思われ

ン角運動量と磁気モーメントが生じる」と書かれる。実際、新しいパルス系列などのアイデアを思ている。なお、荒田先生の「NMR の書

い付く場合、それは無味乾燥な数学の行列から導と、実際には核は自転していないらしい（これをかれるのではなく、ベクトルモデルのような簡単読んだ時はショックを受けた）。このスピン角運なイメージから湧いてくるのではないだろうか？

動量は NMR 磁石の中に入れようが入れまいが存

NMR 現象を理解するのに、筆者が院生であった

在する。スピン量子数 1/2 のスピンは磁気双極子

30 年前は直積演算子（product operator）の表を（ミニ棒磁石）に例えることができ、これを NMR

理屈抜きに覚えさせられた。全てはこれを覚えて磁石の中に入れると、静磁場を軸として歳差運動から始まる。この直積演算子を使うと、論文に出すると考えることができる。その時の回転速度はてくるほとんどの、少なくとも溶液 NMR のパル

静磁場の大きさ B 0 に比例して、−γB 0（rad/s）

ス系列を理解することができる。この直積演算子となる［3］。これをラーモア歳差運動（図 1 の緑線）

は、もともとは密度行列を使った量子力学の説明と呼ぶが、自転になぞらえられるスピン（同図のから導き出されてはいるものの、その香りをほとオレンジ線）と混同しないようにしたい。

［2］

んど感じさせない。そして、それをさらに古典力32

受領日：2023 年 6 月 5 日

受理日：2023 年 8 月 3 日

編集委員：池谷鉄兵」による

まずの年齢であろう。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1$!° &!

𝐼𝐼" 1⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯3 𝐼𝐼'

さて、サンプルを NMR 磁石の中に入れて何もパルスを打っていない時の熱平衡状態に 90°I y パ
ルスを打つとどうなるのだろうか？ 30 年前、私は 2 つの教科書に出会った。一つには、図 4 左のような絵が描かれていた。スピンは歳差運動を続
図４
磁化 𝐼𝐼𝐼𝐼 をスピンベクトルで表した円
x 軸辺りに束ねられけているのであるが、全てが錐モデル（左）と T2 緩和（横緩和）によりそたような状態になっている。確かに個々のスピンのスピンベクトルが 𝑥𝑥/𝑦𝑦 平⾯上で散らばっを微視的ベクトルで表すと、それらの合計は x/yていく様⼦（右）平面上をともにほぼ同じ速度で z 軸を軸として回
さて、サンプルを NMR 磁⽯の中に⼊れて2 右のような巨視的磁転するので、その合計は図
何もパルスを打っていない時の熱平衡状態に化ベクトル I x となるだろう。そして、このスピン
90° 𝐼𝐼( パルスを打つとどうなるのだろうか？
（図 4 右）。
30ベクトルが時間とともにばらけてくる
年前、私は２つの教科書に出会った。⼀つ錐）が描かれており、その表面に沿うようにしてには、図４左のような絵が描かれていた。ス
すると、これらの合算である x/y 平面上の磁化ベ
ピンは歳差運動を続けているのであるが、全クトルの大きさはだんだんと小さくなる。これがてが 𝑥𝑥 軸辺りに束ねられたような状態になT 2 緩和による信号の広幅化を意味するそうであっている。確かに個々のスピンを微視的ベクる。その時は納得して大いに喜んだのであるが、トルで表すと、それらの合計は 𝑥𝑥/𝑦𝑦 平⾯上を
𝑧𝑧 軸を軸として回転ともにほぼ同じ速度でひとつ大きな疑問が残った。これでは熱平衡状態するので、その合計は図２右のような巨視的での磁化 I z の大きさと、90 °パルス直後の磁化 I x
磁化ベクトル 𝐼𝐼' となるだろう。そして、このの大きさが異なってしまうのではないかという点

たくさんのスピンが歳差運動（precession）してしいはずである。すると、図 4 のような描像は間いると書かれていた。この動きはすり鉢で味噌を違えているのではないだろうか？

解いてみた。
多くの教科書には、図 3 左のようなコーン（円である。しかし、実際にはこの二つの大きさは等することにも似ていることから「味噌擂り運動」

そして、また別の教科書を見てみると、今度とも呼ばれる。図 3 右の地球ゴマで遊んだ経験がは図 5 のような絵が描かれていた。これならば I z

あれば、歳差運動という奇妙な動きが実感できると x/y 平面上における磁化 I x の大きさが同じになのであるが、それに懐かしさを感じてしまった読者はまずまずの年齢であろう。

図 1 歳差運動しながら自転しているコマ（左）とよく似た振る舞いをしているとされるスピン（右）図 2 熱平衡状態の磁化（左）に 90 °パルスを y 軸が回転軸となるように打った結果（右）図 3 円錐に沿って歳差運動するスピンを表すベクト
ル（左）と自転しながら歳差運動する地球ゴマ（右）図 4 磁化 Ix をスピンベクトルで表した円錐モデル（左）と T2 緩和（横緩和）によりそのスピンベクトルが x/y 平面上で散らばっていく様子（右）13

巻のようになる（スピンは⼀種類であるので、のようになる（スピンは一種類であるので、厳密。
厳密には 2𝐼𝐼' 𝑆𝑆" のような“直積”ではないが）
2I
S
のような
直積
ではないが）。ところにはxz
ところで、図２の⽮印は巨視的磁化を表して2 の矢印は巨視的磁化を表しており、個々
で、図おり、個々のスピンを表しているわけではない。つまり、試料
1 mL 中にある 1017 個ほどのスピンを表しているわけではない。つまり、試1
その H 核スピンの集団の合計を表している。
17
1
料 1 mL 中 に あ る 10 個 ほ ど の H 核 ス ピ ン の 集
れでは、90°パルスを打った時の現象を、もし
90 °パルスを団の合計を表している。それでは、ミクロな⽬で⾒ることができれば、どのようになるのだろうかという疑問が湧く。そこで打った時の現象を、もしミクロな目で見ることが⼤昔、筆者が⼤学院で在籍していた京極研（蛋できれば、どのようになるのだろうかという疑問⽩研）にあったたくさんの蔵書を紐解いてみが湧く。そこで大昔、筆者が大学院で在籍していた。
た京極研（蛋白研）にあったたくさんの蔵書を紐33

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

図２ 熱平衡状態の磁化（左）に 90° パルス
90を°パルスを打つとスピンはどうなるのか？
𝑦𝑦 軸が回転軸となるように打った結果（右）NMR 磁石の中に入っている水試料に 1H の 90 °1
HのNMRy磁⽯の中に⼊っている⽔試料にパルスを軸が回転軸となるように打った時の挙90° パルスを 𝑦𝑦 軸が回転軸となるように打動は図 2 のように表される。これを直積演算子でった時の挙動は図２のように表される。これ表すとを直積演算⼦で表すと

NMR講座 NMR基礎講座

⼩さくなる。これが T2 緩和による信号の広幅は ± 1⁄2 である。よって、スピンが 𝑧𝑧 軸に⼦（図４とは異なる表現）化を意味するそうである。その時は納得して対して 54.7°（実は、マジック⾓）傾いている
⼤いに喜んだのであるが、ひとつ⼤きな疑問
ピンベクトルが時間とともにばらけてくるℏ を省略）。代表的な 𝐼𝐼 =れる（簡単のためと仮定すると、図６のように⼤きさに辻褄がそして、また別の教科書を⾒てみると、今
BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETICRESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1
が残った。
これでは熱平衡状態での磁化
𝑥𝑥/𝑦𝑦
図４右）
。すると、
これらの合算である
合ってくる。
なお、この図６で𝑧𝑧 核を考えた場合、この値は軸に対してマジック⾓𝜃𝜃 だけ傾い1⁄図６
2 𝐼𝐼"のの1H√3⁄2𝑥𝑥, 𝑦𝑦 ⽅向の⾓度は図５のような絵が描かれていた。これな
90°
パルス直後の磁化
𝐼𝐼
の⼤きさ
⼤きさと、
⾯上の磁化ベクトルの⼤きさはだんだんと𝑧𝑧, x/𝑦𝑦
たスピン⾓運動量全体（⽔⾊）とその𝑧𝑧 大きさを見てみると、これは軸に沿った⾓運動量
運動量の⼤きさを⾒てみると、これは√2⁄2 となり、z 軸方' となる。⼀⽅、静磁場る。しかし、T 2 緩和によるスピンのx/y 平面上で𝑥𝑥/𝑦𝑦 平⾯上における磁化
𝐼𝐼' の⼤らば 𝐼𝐼" とが異なってしまうのではないかという点であ⁄2 である。よって、スピンがさくなる。
これが T2 緩和による信号の広幅⁄2 𝑧𝑧とは⼤きさが異なる。
成分
±
1
軸に
は
𝑧𝑧
軸⽅向の
1
となり、
の散らばりは、どのように説明すればよいのだろ
向の 1/2 とは大きさが異なる。実はパルスを打っ
T2 緩和によるス
きさが同じになる。しかし、る。しかし、実際にはこの⼆つの⼤きさは等を意味するそうである。その時は納得して対して 54.7°（実は、マジック⾓）傾いている
実はパルスを打っていない状態でも 𝑥𝑥, 𝑦𝑦 軸
平⾯上での散らばりは、どのよう
ピンの 𝑥𝑥/𝑦𝑦しいはずである。すると、図x, y 軸方向の角運動量を測るとていない状態でもうか？
4 のような描像
いに喜んだのであるが、ひとつ⼤きな疑問
緩和だけでなくT1 緩和（縦緩和）
また、T2⽅向の⾓運動量を測るとその⼤きさはと仮定すると、図６のように⼤きさに辻褄が± 1⁄2に説明すればよいのだろうか？
[7] であることが分かっている［7］±1/2。
その大きさは
この疑問は長らく頭の中にくすぶり続けたがよは間違えているのではないだろうか？
𝐼𝐼" の残った。これでは熱平衡状態での磁化
T1 緩和では、本当にも考えないといけない。
𝑥𝑥, 𝑦𝑦 ⽅向の⾓合ってくる。
なお、
この図６で。よって、図６のであることが分かっている
𝐼𝐼' の⼤きさ
きさと、90° パルス直後の磁化下のコーンから上のコーンに向かって、ある運動量の⼤きさを⾒てみると、これは𝑦𝑦 軸⽅向の⾓運動量と⾒るのは6 の √2⁄2 を x, y 軸方向の角運動量と見√2⁄2 を 𝑥𝑥,よって、図く分からず、スピンと磁化の描像を何度も摩り替
この疑問は⻑らく頭の中にくすぶり続けた
異なってしまうのではないかという点であいはその逆向きにスピンがジャンプするのだ
𝑧𝑧 軸⽅向の1⁄2 とは⼤きさが異なる。
となり、間違いである。
るのは間違いである。
えながら、これが前者の「量子」と後者の「古典」がよく分からず、スピンと磁化の描像を何度。しかし、実際にはこの⼆つの⼤きさは等
ろうか？ジャンプすると仮定すると、そのジ
𝑥𝑥, 𝑦𝑦 軸
実はパルスを打っていない状態でもも摩り替えながら、
これが前者の「量⼦」と後T緩和だけでなくT 1 緩和（縦緩和）も考
また、の間の違いであり、混ぜることはできないのだ2
いはずである。すると、図4 のような描像
ャンプの途中経路はどうなっているのだろう
⽅向の⾓運動量を測るとその⼤きさは ± 1⁄2
者の「古典」の間の違いであり、混ぜることは[7]
えないといけない。
と、自分に言い聞かせて納得していた。しかし、間違えているのではないだろうか？
か？
。よって、図６のT 1 緩和では、本当に下のコーであることが分かっている
できないのだと、⾃分に⾔い聞かせて納得し
⁄
2
𝑥𝑥,
𝑦𝑦
軸⽅向の⾓運動量と⾒るのはを√2ンから上のコーンに向かって、あるいはその逆向探してみると、この疑問に答えてくれるような文ていた。しかし、探してみると、
この疑問に答静磁場［に平7］⾏・反平⾏モデル
間違いである。
4〜、私
きにスピンがジャンプするのだろうか？ ジャン
献や教科書はいくつか見つかるものでえてくれるような⽂献や教科書はいくつか⾒
私の理解が正しいかどうかつかるもので[4-7],の理解が正しいかどうかははっきりしないが、以プすると仮定すると、そのジャンプの途中経路はそもそも上記とは異なる像も教科書に描かははっきりしないが、以下にそれらを⾃習のれていた。個々のスピンがコーンの表⾯に沿下にそれらを自習の意味も含めてまとめてみた。
どうなっているのだろうか？
意味も含めてまとめてみた。
図５ 円錐モデルで表した 𝐼𝐼𝐼𝐼 熱平衡状態って歳差運動しているのではなく、静磁場にの様（左）と 90° パルスを打った直後の 𝐼𝐼𝐼𝐼沿ってスピンベクトルが上向きか下向きに完円錐モデル
静磁場に平行・反平行モデル
円錐モデル⼦（図４とは異なる表現）
全に揃っているような図である（図７）。前者
図 3 で掲げた円錐モデルであるが、これはどのそもそも上記とは異なる像も教科書に描かれてを α スピン、後者を β スピンと呼ぶ。
図３で掲げた円錐モデルであるが、これはそして、また別の教科書を⾒てみると、今𝜃𝜃 だけ傾い
図６ 𝑧𝑧 軸に対してマジック⾓ような背景により生まれたのだろうか？ 量子力いた。個々のスピンがコーンの表面に沿って歳差
どのような背景により⽣まれたのだろうか？
度は図５のような絵が描かれていた。これな
𝐼𝐼𝐼𝐼 熱平衡状態５円錐モデルで表した
𝑧𝑧, x/𝑦𝑦
たスピン⾓運動量全体（⽔⾊）とその運動しているのではなく、静磁場に沿ってスピン
I𝐼𝐼𝐼𝐼の核がス
量⼦⼒学によると、スピン量⼦数
𝐼𝐼学によると、スピン量子数
𝐼𝐼' の⼤パルスを打った直後のの様 I の核がスピンをもっ左）と 90° らば
" と 𝑥𝑥/𝑦𝑦 平⾯上における磁化成分
ピンをもっていたとすると、スピン全体の⼤ていたとすると、スピン全体の大きさベクトルが上向きか下向きに完全に揃っているよT2 緩和によるス（スピン角
きさが同じになる。しかし、（図４とは異なる表現）
𝑥𝑥/𝑦𝑦 平⾯上での散らばりは、どのようピンの運動量）と表さ （簡単のためℏをきさ（スピン⾓運動量）はは 8𝐼𝐼(𝐼𝐼 + 1) と表される。前者を αスピン、後者を（図T71）
緩和だけでなく緩和（縦緩和）また、T2うな図であるに説明すればよいのだろうか？
そして、また別の教科書を⾒てみると、今1
T1 緩和では、本当にも考えないといけない。
𝑧𝑧 軸に対してマジック⾓𝜃𝜃 だけ傾い図６
I ＝ 1/2 の H核を考えた場合、
βスピンと呼ぶ。
省略）
。代表的な
𝐼𝐼 =
のため ℏ を省略）。代表的なは図５のような絵が描かれていた。これな下のコーンから上のコーンに向かって、ある𝑧𝑧, x/𝑦𝑦
たスピン⾓運動量全体（⽔⾊）とその核を考えた場合、この値はz 軸に沿っ
この値は √3⁄2 となる。一方、静磁場
ここで、少し量子力学を通してスピンというも平⾯上における磁化
𝐼𝐼' の⼤ば 𝐼𝐼" と 𝑥𝑥/𝑦𝑦 この疑問は⻑らく頭の中にくすぶり続けた
いはその逆向きにスピンがジャンプするのだ
成分
軸に沿った⾓運動量⽅、静磁場 𝑧𝑧がよく分からず、スピンと磁化の描像を何度± 1/2 である。よって、スピンが zた角運動量はのを見てみる。簡単のため、スピン量子数 1/2 のT2 緩和によるスさが同じになる。しかし、ろうか？ジャンプすると仮定すると、そのジある。よって、スピンが 𝑧𝑧 軸に
1
13
15
も摩り替えながら、
これが前者の「量⼦」と後ンの 𝑥𝑥/𝑦𝑦 平⾯上での散らばりは、どのよう軸に対して 54.7°（実は、マジック角）
H, T
C,
N を例にとる。この原子核ひとつを静磁ャンプの途中経路はどうなっているのだろう
T2 緩和だけでなくまた、傾いている
1 緩和（縦緩和）（実は、マジック⾓）傾いている者の「古典」の間の違いであり、混ぜることは説明すればよいのだろうか？
か？
T
緩和では、本当にも考えないといけない。
1と仮定すると、図 6 のように大きさに辻褄が合っ
場の中に入れると、スピンと静磁場との間のゼーと、図６のように⼤きさに辻褄ができないのだと、⾃分に⾔い聞かせて納得し下のコーンから上のコーンに向かって、ある
𝑥𝑥,
𝑦𝑦
⽅向の⾓
。なお、この図６で
6でx, y 方向の角運動量のてくる。なお、この図
マン（ Zeeman）相互作用により、エネルギーのていた。
しかし、探してみると、
この疑問に答この疑問は⻑らく頭の中にくすぶり続けた
静磁場に平⾏・反平⾏モデル
いはその逆向きにスピンがジャンプするのだ⁄2
きさを⾒てみると、これは√2えてくれるような⽂献や教科書はいくつか⾒よく分からず、スピンと磁化の描像を何度低い αスピンか、エネルギーの高い βスピンか
ろうか？ジャンプすると仮定すると、そのジ⽅向の1⁄2つかるものでとは⼤きさが異なる。
[4-7], 私の理解が正しいかどうか
摩り替えながら、
これが前者の「量⼦」と後のどちらかの状態になるとされている。この α
そもそも上記とは異なる像も教科書に描か
ャンプの途中経路はどうなっているのだろう
𝑥𝑥, 𝑦𝑦 混ぜることは軸を打っていない状態でもははっきりしないが、以下にそれらを⾃習のの「古典」の間の違いであり、れていた。個々のスピンがコーンの表⾯に沿か？
スピンと βスピンを入れ替えるには、両者のエ± 1⁄2
動量を測るとその⼤きさは意味も含めてまとめてみた。
きないのだと、⾃分に⾔い聞かせて納得し[7]って歳差運動しているのではなく、静磁場に
。
よって、
図６の
が分かっている
ネルギー差に相当する周波数をもつ電磁波を与えいた。しかし、探してみると、この疑問に答沿ってスピンベクトルが上向きか下向きに完
静磁場に平⾏・
反平⾏モデル𝑦𝑦
軸⽅向の⾓運動量と⾒るのは円錐モデルてくれるような⽂献や教科書はいくつか⾒∆ E ＝ hνの式かるとよい。アインシュタインの全に揃っているような図である（図７）。前者
る。
かるもので[4-7], 私の理解が正しいかどうか∆ E が分かれば、その与えら、そのエネルギー差を α スピン、後者をβ スピンと呼ぶ。
そもそも上記とは異なる像も教科書に描か図３で掲げた円錐モデルであるが、これははっきりしないが、以下にそれらを⾃習のれていた。個々のスピンがコーンの表⾯に沿るべき電磁波の周波数νも決まる。ここで、ゼーどのような背景により⽣まれたのだろうか？
味も含めてまとめてみた。
って歳差運動しているのではなく、静磁場にマンエネルギーは、−γℏB 0 I z であることが分量⼦⼒学によると、スピン量⼦数 I の核がス沿ってスピンベクトルが上向きか下向きに完錐モデル ピンをもっていたとすると、スピン全体の⼤図 5 円錐モデルで表した Iz 熱平衡状態（左）と 90°パ
全に揃っているような図である（図７）
。前者
+ 1)を
と表さ
きさ（スピン⾓運動量）は8𝐼𝐼(𝐼𝐼（図4 とは異なる表現）
ルスを打った直後の Ix の様子
α スピン、後者を β スピンと呼ぶ。
図３で掲げた円錐モデルであるが、これはのような背景により⽣まれたのだろうか？
⼦⼒学によると、スピン量⼦数 I の核がスンをもっていたとすると、スピン全体の⼤さ（スピン⾓運動量）は 8𝐼𝐼(𝐼𝐼 + 1) と表さに対してマジック⾓ 𝜃𝜃 だけ傾い
運動量全体（⽔⾊）とその 𝑧𝑧, x/𝑦𝑦

緩和だけでなく T1 緩和（縦緩和）といけない。T1 緩和では、本当に
図 6 z 軸に対してマジック角θだけ傾いたスピン角から上のコーンに向かって、ある運動量全体（水色）とその z, x/y 成分
向きにスピンがジャンプするのだ
34
ャンプすると仮定すると、そのジ中経路はどうなっているのだろう

図 7 静磁場に対して平行・反平行に配向したスピン
ベクトル

35

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

x, y が混合した項が入ってくる。x を | α＞状態、yスピンの I z ＝− 1/2 をそれぞれ代入すると、 ∆ E

を | β＞状態に置き換えると、図 8 左は、エネル＝−γℏB 0 となる。ω＝−γB 0 であるので、 ∆ E

ギーの、つまり I z の固有状態を表していることに＝ℏω＝ hνとなる（500 MHz NMR の H の場合のなる。そして、固有値であるエネルギー値がそれ。この周波数の電磁波を与えると、νは 500 MHz）

ぞれ x, y 軸との切片（楕円の長軸と短軸）から計

いわゆる共鳴がおき、スピンは α状態から β状算できる。一方、図 8 右では、すぐに長軸と短軸態に遷移し、今度は逆に同じ量のエネルギーをの長さを求めることは難しい。求めるには、座標

放出しながら β状態は α状態に遷移する。しかを回転させて左図のようにしなければならない。

し、実際にこのようにスピンが 180 °引っくり返

これを数学的に行うには、行列の対角化などを使るような現象が起きているのだろうか？ そして、う。ここで出てくる固有値がエネルギー値に、固NMR はそのようなジャンプを検出しているのだ

有関数が座標の回転に相当する。

1

Dynamic nuclear polarization（DNP［8］）の研究

ブに備えられた検出コイルへの電磁誘導として検ではしばしば、さまざまな方法を使って分極率を出されているはずであるが、そのラーモア歳差運

上げる、つまりαスピンの βスピンに対する比動はどこに消えてしまったのだろうか？

率を増やす話が出てくる。しかし、本当に静磁場いずれにしても、このようにエネルギー差を算

中のスピンは、この I z ＝ 1/2 の |α＞状態と I z ＝

出することが NMR にとっても非常に重要である− 1/2 の | β＞状態しかとらないのだろうか？ そので、このスピン状態をエネルギーの固有関数として、この数の差だけが感度に直結するのだろう

して表現できれば、それぞれの固有状態がエネルか？ 熱平衡状態の時に、静磁場に対してちょっ

ギー状態を、そして、その固有値がエネルギー値とだけ傾いているようなスピン、例えば、円錐を与えるので都合がよい。その時の演算子は特別モデルで出てきたような、z 軸からマジック角だにハミルトニアン H ＝−γℏB 0 I z と呼ばれる。こけ傾いたようなスピンは一つもないのだろうか？

こで面白い点は、ハミルトニアンに I z が含まれ実際には、その重ね合わせの状態 |ψ＞＝ cα |αていることである。これはスピンの角運動量演算＞＋ cβ | β＞もとるらしい。しかし、これを I z に子の z 成分であるが、ゼーマン相互作用にはスピ沿って観測すると、不思議なことに、|cα| の確率

ン角運動量のうち静磁場に沿った成分 I z のみが寄で |α＞状態に、|cβ| の確率で |β＞状態に収縮し与するので、H には I z だけが含まれる。したがってしまう。量子力学では、初めの状態はいくつかて、エネルギーの固有状態と I z の固有状態は一致の固有状態の重ね合わせであっても、それを観測する。

してしまうと、ある 1 つの固有状態に収縮するら22

ここで固有関数という単語が出てきたが、これしい（コペンハーゲン解釈による波束の収縮）（多はしばしば図 8 のような楕円の式やグラフで説明

世界解釈のように、「α and β状態」がコヒーレンされる。図 8 左では x, y 軸が固有状態の基底（座スを失って「α or β状態」になるなど、他の解釈標）となっている。一方、右ではそうはなっていも存在する）。よって、スピンを静磁場に沿って観ない。両者は同じ楕円を表してはいるものの、固測した際に、上向きか下向きに収縮することから、有状態の基底ではない右図では、楕円の式の中におそらく図 7 のような極端な向きにスピンベクトルを揃えた描像が生まれたのだろう。ただし、後述するように、多数のスピンの集団を扱う NMR
では、観測してもこの波束の収縮は起きない。
上のように書くと、もともと |cα| の確率で |α＞
2

状態のスピンが存在し、そして、残りのスピン
は | cβ| ＝ 1 − | cα| の確率で | β＞状態にあるもの
2

2と勘違いしてしまう。それが、全てのスピンベクトルが静磁場に平行か反平行かに並ぶ図 7 のイ
メージに結びついているのかもしれない。しかし、実際はそうではなく、一つのスピンが |α＞状
図8

異なる座標（基底）で表した楕円の式

態と |β＞状態の両方を 同時に とり、観測して初13

巻

ろうか？ 実際にはラーモア歳差運動が、プロー

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

かっているので、これに αスピンの I z ＝ 1/2、βBULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

めて |cα| : |cβ| の比率でそれぞれの状態に収縮す
22が 10 − 10 m）。

る。常識的に考えると、一つの物が二つ以上の状

なかなかイメージとして捉えるのが難しいが、態を同時にもつことはなさそうに思われるが、量Levitt の書籍［7］ に分かりやすい記述があったので

子力学はそうなっていると説いており、物理でそ

超訳してみる。

れを学んだ人の中にも、初めは半信半疑ながらも―― たまたま完全な | β＞状態にあるスピン

徐々に洗脳されていき、いつしかそれが当然のよを選び出し、z 軸に沿って角運動量を観測する

うに知識化してしまっている人が多いようにも思と− 1/2 と返ってくる（厳密には−ℏ/2）。しえる。

かし、x 軸に沿って角運動量を観測すると、＋

図 9 は高校物理で習うヤングの実験としてお馴

1/2 あるいは − 1/2 がランダムに返ってくる。

染みである。この二つのスリットに波を通すと二スピン自身も答えを知らない。スピンに角運動

つの波が干渉し合って、後ろの壁には縞模様が見量の z 軸成分を尋ねたら、自信をもって− 1/2

える。今は、電子銃から発射される電子をどんどと答えてくる。しかし、x 軸成分を尋ねたら「Iん少なくし、電子一個ずつを飛ばせるまでになっ

don t know」と言い、＋ 1/2 か− 1/2 のどちらた。一般常識からすると、発射された一個の電子かをランダムに返してくる。このような不確定は左右 どちらか のスリットを通るものと予想

性は人間が理解できることではない。よって、される。ところが実験結果によると、後ろの壁にベクトルモデルは完全に正確とは言い難い。し［9］。一つの電子が、照射された瞬かし、あのアインシュタインでさえ「神はサイ

間は一つの粒子だったかもしれないが、スリット

コロを振らない」と言ってなかなか妥協しなが近づくと左図の本物の波のように振る舞い、二かった。次に、たまたま完全な | x ＞状態のスピ

つのスリットを同時にすり抜けたようである。そンを選び出し、x 軸に沿って角運動量を観測すして、自分自身で干渉してしまっている。ところ

ると＋ 1/2 と返ってくる。しかし、z 軸に沿っが、ポラロイドなどを使って、電子がどちらのスて角運動量を観測すると、＋ 1/2 あるいは−

リットを通過するのかを覗き見すると干渉縞は消1/2 がランダムに返ってくる。スピン自身も答える。このように、スピンも観測するまでは波のえを知らない。スピンに角運動量の x 軸成分をように振る舞い、同時に二つ以上の固有状態を重尋ねたら、自信をもって＋ 1/2 と答えてくる。

ね合わせてとることができるが、ある一個のスピ

しかし、z 軸成分を尋ねたら「I don t know」とンを観測するとそのスピンは波動性を失い、粒子

言い、＋ 1/2 か − 1/2 のどちらかをランダムに性を顕していずれかの状態に収縮する。なお、電答えてくる。 ――

干渉縞ができた子のように小さい粒子であると、これまでの実験結果は上記をすべて支持するのであるが、対量子力学にあまり深入りせずにもっと簡単に

象物がどんどん大きくなり、例えば図の「とびね

表現できないのか？

ずみ」の大きさになると、これが分身の術を使っ以上をまとめると、マクロな磁化ベクトルは古て波に変身し、二つの隙間を同時に通ることは、

典力学の範疇で議論しても問題はない。しかし、きっとないように思われる。実際、とびねずみがことスピンとなると、これは厳密には量子力学で− 29m ぐらいであり、ないと説明できないのであるが、磁気共鳴に限っ

スリットの幅に対して小さ過ぎる（原子の大きさては、古典力学で擬似的に表現しても良いので

波に変身した時の波長は 10
NMR講座 NMR基礎講座［4, 5］はないか、と文献には書かれている

由にひとつは、磁気共鳴は多数のスピンの集団を扱うため、観測しても波束の収縮が起きないためである。また、歳差運動の式はスピンで計算しても、磁化で計算しても、コマの歳差運動の式によく合致してしまう。しかし、この微視的状態でのベクトルモデルであっても、できるだけ本来の量
図 9 海岸へ打ち寄せる波（左）と照射する光量を減らして 1 個ずつの光子になるようにしても干渉縞が生じる様子（右）36。その理

子力学での描像に近づけるにはどうすれば良いのだろうか？
そこで考案された 1 スピンのベクトルモデルは

37

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

極に向かせて、南半球はスカスカ、北半球をバラ量を観測した時に＋ 1/2 という答が必ず返ってく

色にすることを目指している。
このモデルをもとに、これまでいろいろな教科

か− 1/2 が返ってくるが、その確率は 50 ％ ずつ書に描かれてきたスピンのイメージをもう一度見である。± 1/2 以外の答は返ってこない。図 10

直してみよう。まず、スピンを静磁場の中に入れは、ある H 核スピンを表すベクトルを描いていた際に、静磁場に対して平行と反平行に分かれてる。サンプルの中には多数の分子があるが、その配向するとされていたが、なぜ方位磁石とは異な分子の中の同じ位置にある H 核スピンは、同じり、反対向きのスピンが半分近くもあるのかという

化学シフト値をもっている。これらのスピンベク

疑問に答える必要がなくなる。そもそも、そのよ

トルの終点をピンクの点で天球上に示した。よっうに極端な二分極はしていないのである。ただし、て、球の中心から天球上のそれぞれの点までスピ

シュテルン・ゲルラッハの実験のように、スピンをンベクトルが伸びている。このベクトルに沿って一個一個観測した場合には、その直後に波束の収角運動量を観測すると＋ 1/2 が必ず得られる。

縮が起こるので、このようなケースを除く

1

1

［10］

。

静磁場がない状態では、このスピンベクトル

この針山のような天球は、パルスを打つ前からはランダムにさまざまな向きをとっている（図 10

すでに z 軸周りにラーモア歳差運動をしている。

左）。これらのベクトルを合算しても、磁化に相個々のスピンベクトルは静磁場となす角を維持し当する巨視的ベクトルは生じない。しかし、静磁

たままであるので、天球全体が回っているよう

場の中に置くと、静磁場と同じ向きを向いたベクに見えるはずである。90°I y パルスはスピン全体

トルがほんの少しだけ増える（図 10 右）。それはの向きを＋ z から一斉に＋ x に変える（図 11）。たゼーマン相互作用により、I z ＝ 1/2 をもつスピン

だし、スピン同士の相対的な位置関係は変えなの方が少しだけ安定なためである。ただし、全てい。ちょうど天球全体が 90°傾いたような状況にのスピンベクトルが静磁場に沿って平行か反平行なる。しかし、それでも元の z 軸を軸としてラーの極端な向きに配向するわけではない。いろいろ

モア歳差運動を続ける。このモデルにより I z と I x

な向きを向いているベクトルを全て足し合わせたの大きさが異なってしまうという問題は解消され時に、ほんの少しだけ＋ z 成分が大きくなるようた。また、全てのスピンベクトルの合算である巨に、ベクトルの傾きがおよそ T 1 秒ぐらいかけて視的磁化にパルスを当てたと考えた場合と同じ結＋ z 方向になびくのである。南半球と北半球での果になる。

ベクトル終点の密度を比べると、北半球の方が少90 °パルスを打った直後は、スピンベクトルがし多いような散らばり具合である。図 10 はそれ

なにげなく＋ x 方向を多く向いている状態にあるでもまだ極端に描いている方で、もし実際の分極が、これが z 軸周りにラーモア歳差運動している率で描いたとすると、10 万に 1 個程度の割合で北うちに、だんだんと x/y 平面上に均等に散らばる半球側が勝つぐらいの微妙さなので、どれほど目ようになる。これは、個々のスピンのラーモア歳の良い人でも分極しているようには見えない。こ差運動の速さに少しずつ違いが生じるためであれが NMR が悲劇的に低感度である理由である。

り、T 2 緩和にあたる。分子がさまざまな方向をしかし、DNP は全てのスピンベクトルをほぼ北向いているため、化学シフトの異方性から生じる
局所磁場や周りの H 核スピンとの双極子相互作
1

図 10 同じ化学シフト値をもつスピン集団を仮定し17た天球図。本来は分子数に相当する 10 個ほどの点を打たないといけない。
（左）静磁場がない時、スピンはランダムにあちこちを向いている。
（右）静磁場の中では＋z 向きの方が少し多くなる。

図 11 熱平衡状態（左）に 90 °パルスを y 軸が回転軸となるように打った直後の結果（右）13

巻る向きを表す。ベクトルと直交する方向では 1/2

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

次のように定義されている。ベクトルは、角運動

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

用から生じる局所磁場もさまざまな向きを向いてを考えてみる。それぞれのスピンにα状態 |↑〉といる。そのため個々のスピンが感じる実際の磁場

β状態 |↓〉があるので、考えられる組み合わせは（静磁場＋局所磁場）の大きさも分子のブラウン|↑↑〉, |↑↓〉, |↓↑〉, |↓↓〉である。ここで、それぞれ運動（そのうちの回転拡散）とともに変動してしのスピンを観測するのでなく、いつもの NMR のまう。これがラーモア歳差運動の回転速度に分子ように、全体（といっても、ここではたった二つによって違いが生じる原因である。

だけではあるが）をまとめて観測する。その結果

反転回復法で 180°パルスを打った時には、天0 が得られたとする。|↑〉と |↓〉状態の固有値は球全体が上下逆さまになったようになると考えるそれぞれ 1/2 と− 1/2 であるので、観測値が 0 と。そして、− z 向きが勝っていたスピ（図 12 左））に収縮したこということは、系が（ |↑↓〉＋ |↓↑〉

ンベクトルの向きが、その後の T 1 緩和によりじになる。ここで興味深いことは、観測値 0 にマッ

わじわと＋ z 方向に向きを変えていく（図 12 右）。

チした状態になるには、個々のスピン状態に対しゼーマン相互作用により＋ z 方向の方が少し安定てまで収縮する必要がないということである。たなためである。これらのスピンベクトルを全て合だし、もし 1 を観測するならば、系が |↑↑〉に収縮計してみると、ちょうど下向きの巨視的磁化ベク

したことになり、これでは、両方のスピンがα状

トルが、だんだんと上向きの磁化ベクトルに変化

態に収縮したことになってしまう。しかし、実際していく様が捉えられるだろう。下向きの円錐上の NMR では 10 個ほどもスピンがあるので、そに張り付いていたスピンベクトルが上向きの円錐の全てがα状態となって観測されてしまうような

上に急にジャンプするわけでもなければ、完全に確率は 0 ではないが事実上無いに等しい。実際に− z 方向を向いていたβスピンが急に＋ z 向きのは、ある磁化 I x を観測し、それによって全体としαスピンにひっくり返るわけでもない。

17て系に収縮が起きているのであろうが、10 個のこのように、ここで紹介した 1 スピンのベクト

スピンのうち半分が ＋ 1/2 を与え、残りの半分のルモデルは、これまでの筆者の疑問にかなり答え

スピンが− 1/2 を与えるような重ね合わせの状態てくれた。もちろん、量子力学で語るべきものをになっている。そのパターンには天文学的な数のベクトルという古典的なもので無理やり表していバリエーションがあるだろう。このように、ひとるので、不正確な点があることは否めない。例えつひとつを観測しない限りは、個々のスピンはαば、この矢印に直交する方向の角運動量は不定なかβ状態には収縮しない。ある一つのスピンの立がらも ± 1/2 として存在するが、それをこの矢場から見てみると、集団の中に紛れ込んで自分の印だけで表すことは難しい。

個人情報（＋ 1/2 or − 1/2）がばれないのであれ

しかし、個々のスピンを観測するのではなく、ば、波の状態をそのまま維持し、スピン各自が必

一般的な NMR, MRI, ESR のように磁化としてス

ずしもひとつの固有状態に固まる必要はないのでピン全体をまとめて観測するのであれば、個々のある。このようにスピンに限らず、量子性を示す

スピン状態に収縮は起こらない。もし観測のたび

小さなものは個性がばれない範囲内であれば波のに個々のスピンが固有状態に収縮してしまった

ように振る舞う。しかし、どんなにばれないようとしたら、積算はなかなか難しいであろう。しに、たとえ騙してでも覗き見すると、一瞬にしてかし、なぜ個々のスピン状態に収縮が起こらな粒子に変化してしまう。FID は集団を合計した結いのだろう？ ここで、たった二つのスピンだけ

果としての信号であり、人間がどんなに頑張って

NMR講座 NMR基礎講座

も FID から個々のスピン状態まではあばけないことをスピン達は知っていて、すると彼らは常に波の状態を楽しむのだろうか。

2 量子では何が起こっているのか？
これまでは 1H などの 1 つのスピンを考えてきた。例えば、磁化 I x をミクロに見ると、実際にはいろいろな方向を向いたスピンが一杯いるが、総図 12 反転回復法により、− z 方向に反転したスピン（左）が熱平衡状態（右）に回復する T1 緩和の様子

38

17

じて＋ x 方向を向いている I スピンが少しだけ多い。同様に S z と言えば、＋ z 方向を向いている S

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

39

スピンが少しだけ多い。もちろん、x, y 方向やあでは、2 スピン以上を表す直積（I x と S z を行列で表した時に、それの外積にあたる行列）2I x S z は、
どのような意味をもつのだろうか？ しばしば、I x , S z などは磁化と称されるのに対して、2I x S z となるとコヒーレンスと称される。辞書には「一貫性、干渉性」という意味が載っているだけで、よく理解できない。しかし、これも Levitt さんは［7］

実にうまく説明している。磁化 I x があったとする。個々のスピンをひとつずつ観測したとす
ると、＋ x 方向に収縮するスピンが少しだけ多い

x 方向に偏ってなびいているような状態）。よって、全体として I x という磁化が生じ、これが電磁らない本来は量子力学で語るべき対象を、古典物

誘導を通して検出コイルに電圧を生じさせる。一理の描像でかなり説明することができる。しか方、2I x S z というコヒーレンスが、例えば核種 I

し、すべてをそれで見てしまうと、何とも味気なから S への磁化移動のための INEPT パルス系列

い。サンプルにパルスを一発あてて画面上に FIDによって作られたとする。この場合、磁化 I x とはが現れた時、個々のスピンは量子の重ね合わせ状

異なり、＋ x 方向を向いている I スピンが特に多態を維持している、つまり同時に複数の状態を合いわけではないそうである。しかし、もし I スピ

わせもっている。さらにもう少し複雑なパルス系

ンを観測してたまたま＋ x を向いていたら、その列を使って、量子もつれの状態も作ることができ時は、隣の S スピンが＋ z を向いている確率が高る。それが実際に目の前で起こっていると想像すいだけとのことである。なぜそのような相関が生るだけで、これまでの単調な「90 °パルス長決めじるのか？ 同じ＋ x 向きの I スピンでも、隣の S」の操作にも、なにかしらのロマ（俗称：p1 決め）

スピンがα状態の場合と、β状態の場合とでラーンを感じないだろうか？ 少し大げさではあるが、モア歳差運動の速度が異なるためである。そのた

この不思議な自然法則を創造した神にひれ伏してめ 1/（2 J ）時間だけ待つと、この二種類がちょう

しまいそうになる。

ど逆方向になるように分かれる。

ここに挙げたスピンベクトルの天球は、量子コ

こうして考えると、2I x S z は磁化とは呼ばず、ンピュータの分野では Bloch 球（ブロッホ球）とま た、 電 磁 誘 導 を 通 し て I の FID を 生 む こ ともして一般的な教科書に描かれており、特に目新しないことが分かる。S スピンを無視すると、＋ x

いものではない。また、量子コンピュータとしてを向いている I スピンが特に多いわけでもないの最初に素因数分解を実現した手段は NMR であっで、電磁誘導は起こらない。しかし、ちゃんとた

anti-phase が観えるではないかと言われそうであ

然のごとく強く、これは今後の DNP の成功と相るが、それは 2I x S z が J-coupling を通してどんど

まって、より強く意識されていくようになるかもん I y になっていき、その I y が観えているためであしれない。そのような中で、できるだけ量子の概る。その時は、＋ y を向いている I スピンが確か

念を保ちつつ、しかし、それでも簡単なイメージに多いので、磁化が生まれて電磁誘導が生じる。

で磁気共鳴を説明する方法はないものだろうかと

FID のスタートが 1/（2J ）だけ遅れたようになる探した結果、意外にもたくさん文献が見つかっので、フーリエ変換すると数学的に anti-phase にた（しかし、実際には 30 年近くもかかってしまっ

見えてしまうだけである。

たが ...）。そこで、これから NMR を学ぶ人達に［11］。このように NMR と量子の結びつきは当是非とも紹介したく筆をとった次第である（実はさいごにチュートリアルコースの講演者はこの基礎講座を

以上のようなスピンベクトルのモデルを使っ書く義務があった）。できるだけ理解しやすいよて NMR 現象を考えると、スピンという訳のわか

うにと思い、学術誌らしからぬ稚拙な表現をあえ13

巻（図 11 右の天球図のように、スピンベクトルが＋図 13 （左）− I y スピンには、S スピンがα状態のもの（青色）とβ状態のもの（桃色）がある。この初期時点（右）1/(2 J)
では、− y 方向を向いた I スピンが多い。
時間後の様子。I スピンの回転座標系で表しているため、青色と桃色の磁化ベクトルはお互いに逆方向に± 90°回っているように見える。

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

ちこちを向いているのも、まずまずいる。それ

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1て使った箇所もあるが、なんとかそこは容赦していただきたい。実際にはもっと笑いながら理解できるような例えがいっぱいあるが、さすがにそれは学会誌上では控えておく。
筆者は大学では（失礼ながら）ぞっとするような（虫ではなく） 蟲 のホルマリン漬けを観て模写するような授業ばかりに熱中してしまい、授業では量子はおろか物理っぽい言葉すら聞いたことがなかった（というより教養での単位を落とした）。よって、物理をしっかりと学習した方からいろいろと教わりたいと思っているし、尋ねた
いことが山ほどある。これを機会に、あまり難し
くなりすぎない？ 範囲内で話が盛り上がればと願ってやまない。
参考文献［1］ L. de Broglie (1925) Recherche sur la théorie desquanta. Ann. de Phys. 3 (10): 22-128.
［2］ 荒田洋治（2000）「NMR の書」丸善出版 .
［3］ Rabi, I.I., Zacharias, J.R., Millman, S., and Kusch, P.

NMR講座 NMR基礎講座
40(1938) A new method of measuring nuclear magnetic moment. Phys. Rev. 53, 318.
［4］ Williamson, M.P. (2019) Drawing single NMR
spins and understanding relaxation. Nat. Prod.
Commun. 14 (5), 1934578X19849790.
［5］ Hanson, L.G. (2008) Is quantum mechanics necessary
for understanding magnetic resonance? Concepts
Magn. Reson. 32A (5), 329-340.
［6］ Keeler, J. (2010) Understanding NMR Spectroscopy,
第 2 版 . Chichester, U.K: Wiley.
［7］ Levitt, M.H. (2008) Spin Dynamics: Basics of
Nuclear Magnetic Resonance, 第 2 版 . Chichester,
England ; Hoboken, NJ: Wiley.
［8］ DNP は Dynamic Nuclear Polarization の略であり、Desiring North Pole の略ではない。
［9］ YouTube「日立 外村彰 二重スリット」などの検索で実験の動画を視ることができる。
［10］Gerlach, W. and Stern, O. (1922) Der experimentelle Nachweis der Richtungsquantelung im Magnetfeld. Z. Für Phys., 9 (1), 349-352.
［11］Vandersypen, L.M.K., Stef fen, M., Breyta, G.,
Yannoni, C.S., Sherwood, M.H. and Chuang. I.L.
(2001) Experimental realization of Shor s quantum
factoring algorithm using nuclear magnetic resonance. Nature 414, 883-887.

池上 貴久（いけがみ・たかひさ）

1991 年 3 月

大阪大学 理学部 生物学科 卒業

1991 年 4 月

株式会社日立製作所 計測器事業部 入社

1994 年 4 月

大阪大学 大学院理学研究科 生物化学 修士課程 入学

1996 年 4 月

奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科 教務職員
（翌年より）助手

1999 年 3 月

博士号取得（理学生物化学 大阪大学）

2000 年 11 月

フランクフルト大学（Prof. Griesinger）JSPS 海外特別研究員

2001 年 10 月

ゲッティンゲン マックスプランク研究所 同上

2002 年 3 月

大阪大学 蛋白質研究所 助教授（准教授）2014 年 4 月

横浜市立大学 生命医科学研究科 教授 現在に至る

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

41

NMR 講座：NMR 基礎講座

京都大学大学院理学研究科

武田 和行
takeda.kazuyuki.7m@kyoto-u.ac.jp

序

ここでいう雑音とは熱雑音、別名 Johnson 雑音のことである。熱雑音の電力は、コイルの抵抗値

頭に浮かんでは雑事に忙殺されて流れ消えゆくと温度に比例する。したがって、雑音を減らすのこと川の如し。第 61 回 NMR 討論会のチュートリに必要なのは、抵抗を小さくすることか温度を下

アルコースでは、頭の片隅で流れに揉まれて熟げること、あるいは両方ともやることである。通成（腐乱でなければいいのだが …）された妄想の

常、意図的に電気抵抗を加えてプローブの回路を（2）テンソル、（3）核
中から、（1）Q 値と感度、組むことはしない。つまり抵抗を下げるというこのモーメントを取り上げ、お話しさせていただいとは、回路に残留する抵抗を極力減らすというこた。以下はその要約である。

とになる。コイルの材質を伝導率の高い銅とか銀とかにするというのが一つの手であり、また電線

Q 値と感度を太くして抵抗率を小さくする、というのも理に装置、たとえば NMR プローブ、が high-Q であかなっている。

る、と聞くと、何か凄そう、性能が良さそうな冷却と断熱に関わる技術的なことはさておき、気がする。クライオプローブの Q 値が高くて感もし回路の温度を下げることができれば熱雑音が度いい、とか。NMR 初心者の学生時代、周りの低減する。ついでに抵抗値も下がり、さらに熱雑

先輩・先生が「プローブの Q が何とかかんとか」、音が低減する。共振回路の Q 値は、ざっくり言っと言っているのをしばしば聞いた。「Q が高いとて抵抗に反比例する。したがって、雑音を減らす

良い」とか「細い電線使って回路を組むと Q が下ために損失（抵抗）を減らし、温度を下げた特典

がるから太いのを使え」とか。当時は、Q というとしてさらに抵抗値が下がった結果として、回記号に魔性のようなものを感じ、不思議な気がし路の Q 値が上がる、ということになる。Q 値が上（！）とでも命ていた。Q 値の代わりにもし「A 値」

がった場合でも、信号電圧は Q 倍、雑音電圧も Q

名されていたら印象は違ったかもしれない。現在

倍、ということ自体は変わらない。Q 倍されるこは Q に、それほどマジカルな香りを感じることはとになる雑音自体が元に比べて低減しているのが無くなってきたように思う。というのも、性能のポイントである。Q 値が高いと感度がいい、とい良いプローブの Q 値が高いのは結果であって、Q

うのは原因と結果の取り違えで、感度がいいと Q

値が高いこと自体は感度が良くなる直接的な原因

値が高くなっている、というのが適切である。

［1］

ではないことを学んだからである。

歳差運動する核磁化によって検出コイルに発テンソルについて生する誘導起電力（electromotive force: emf）の

高校生の時、数学ではじめてベクトルと言う言

振幅を V とする。Q 値が Q の（！）共振回路を組葉を聞いた時、何だこれ？ と思った。こんなカ

むと、コイルの両端から取り出される電圧の振幅

タカナ人生で初めて聞いたぞ、と。そのうちに、は QV となる（導出は省略）。ただしここで、だか

矢印みたいに方向と長さを持つ量だな、と納得しら感度が Q 倍になる？ というのは勘違いである。

て慣れ、何の違和感も感じなくなった。そして大

なぜなら、コイルに発生する雑音起電力の振幅も学でテンソルと言う言葉を聞いて再び、何だ、こQ 倍されるからである。回路は起電力を忠実に Qのカタカナは！ そして固体 NMR を学び始める

倍するのみで、どの成分が「信号」の起電力でどと、テンソルのオンパレード。そして月日は流の成分が「雑音」の起電力なのかは知る由もない。

れ、慣れたような、慣れないような。

受領日：2023 年 6 月 13 日

受理日：2023 年 7 月 8 日

編集委員：西山裕介

13巻

日々 NMR を愛でていると、さまざまな疑問が日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

Q 値が高いと感度がよくなるのではなく、感度がよいと Q 値が高くなるのですBULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

最近、物理学者の知人におすすめされた Kip［2］Thorne の教科書

すると、（ A・C ）（B・D）という数になる。ベクトをパラパラみてたら、冒頭かル A と B をひっくるめて考えれば、C と D というらいきなりテンソルの解説。しかも、目からウロ

任意の 2 つのベクトルを受け取って数値（ A・C ）コな斬新な説明であった。Kip Thorne によると、（B・D）を返す、2 階のテンソルとみなして OK、テンソルとは、関数の一種らしい。関数も中学ということになる。

生くらいの時、「関（かん）する数（かず）ってなん

2 階 の テ ン ソ ル は い ろ ん な 分 野 で 出 て く る。

だ？」と思ったが、よくよく勉強してみると、「箱

NMR でもテンソルといえば 2 階のテンソルがほのようなものを想像してみよう。そこに数値を入

とんどである。化学遮へい（chemical shielding）

れたら、ある規則にしたがって、何か別の数値がテンソルも 2 階である。この場合、受け取る 2 個

箱から出てくるとしよう。このとき、その規則をのベクトルは、（ i ）外部磁場と（ii）興味ある方関数とよぶ」ということで何となく納得。そして、向、となる。つまり、遮へい磁場自体は、外部関数としてのテンソルとは：「n 個のベクトルを入磁場というベクトルを受けてベクトルを返す関

れたら、ある規則にしたがって数値が出てくる関数。また遮へい磁場は、外部磁場に平行とは限ら数を想像してみよう。そして入出力に線形の関係ない。どの方向にどれだけ成分を持っているか？

がある、としよう。このとき、この関数を n 階の興味ある方向のベクトルと内積をとって数値を求テンソルと呼ぶ」と。斬新。ちょっと感激した。

めればよい。なお、遮へい磁場によってもたらさ

図 1 に、このやり方にならった 3 階のテンソルの導れる共鳴条件の変化は化学シフトと呼ばれる。

2 階のテンソルは（直交座標系では）3 × 3 行列

入例を示す。
その意味で、ベクトルは 1 階のテンソルであで 表 現 で き る。9 つ の 成 分 を も つ 3 × 3 行 列 を、る、ということもできる。あるベクトル A を考えトレースと対称成分と反対称成分に分離して考える。何か別の任意のベクトル B を受け取って、内るのが常套手段である。化学シフトテンソルの場

積 A・B を計算してみる。その結果は数である。つ合、トレースが等方化学シフト、対称成分が化学

まり A は任意のベクトル B を一つ受け取って数値

シフト異方性に対応する。では残りの反対称成分を返すという、上記の 1 階のテンソルの定義に当は？ 化学シフトに寄与しない！ 2 階のテンソルでてはまる。

表現できる弾性体の変形の場合、トレースは膨張

次に2つのベクトルAとBのそれぞれについ（あるいは収縮）、対称成分はシアー、反対称成分て、任意のベクトル C と D と内積をとって、A・は回転に対応する。ここで、物体が単に回転する

C と B・D という 2 つの数を求め、これらを掛け算

ときには変形を伴わない点が示唆に富んでいる。

NMR講座 NMR基礎講座
図 1 文献［2］にならった、3 階のテンソルの導入。
42

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

つまり、物体を全体的に傾けてもストレスは加わ極子（2 ＝ 8）、電気が単極子（2 ＝ 1）、電気四極らないということである。NMR 討論会のチュー子（2 ＝ 4）、 電 気 十 六 極 子（2 ＝ 16）、 ら し い。

に例えて説明し

2 k で k が奇数なら磁気、偶数なら電気、というのた。つまり、変顔が 2 階のテンソルであると近似

0

2

4

はどういうことだろう？

的に考えるならば（注：実際は違う）、トレース

原子核の電気的エネルギーは、原子核内部の陽は形を保って膨らむ（あるいは縮む）効果、対称子に起因する正電荷と原子核外部の電子に起因す

成分は顔を両手で挟んで逆方向にずらす効果、反る負電荷の静電相互作用で与えられる。一方、原

対称成分は顔を傾ける効果に対応する。そして顔子核の磁気的エネルギーは、原子核内部の陽子にを傾けることによる変顔の効果はない（図 2）。

起因する電流と原子核外部の電子に起因する電流の相互作用で与えられる。両者ともに多重極展開

核のモーメント

すると、電気的エネルギー・磁気的エネルギーの

NMR のメインプレーヤーは、原子核スピンだ0（a）電気単極子（電荷 , 2 ＝ 1）と静電ポテンシャ

双極子（magnetic dipole）モーメントである。とルの相互作用ころが勉強を続けると、スピン量子数 1 以上の原

NMR に直接的な影響なし。
1

子核には電気四極子（electric quadrupole）モー（b）電気双極子モーメント（2 ＝ 2）と静電ポテン

メントがあり、四極子核の NMR にとって重要でシャルの 1 階導関数（電場）の相互作用あると学ぶ。そこで疑問：「磁気」共鳴なのに「電相互作用の正味の効果を考えるときに、全座気」ってどういうこと？ また逆に、原子核の「電標で積分を実行することになる。だが、被積気」双極子モーメントと電場で、核磁気共鳴なら分関数は奇関数であることが示される。よっぬ「核電気共鳴」みたいなことはできるのか（注：て、積分はキャンセルしてゼロになるため、できません）？ 昔の、分子ビームを使った NMR

この項の寄与はない。したがって、電気双極の文献には磁気八極子（magnetic octupole）モー子モーメントと電場による核電気共鳴はでき

メントの存在を示すデータも載っている。さらにない。
2

電気十六極子（electric hexadecapole）モーメント（c）電気四極子モーメント（2 ＝ 4）と静電ポテンに関する論文もある。つまり、NMR で重要な原

シャルの 2 階導関数（電場勾配）の相互作用

子核のモーメントは、磁気が双極子（2 ＝ 2）、八上と同様、全座標で積分して正味の効果を考

1

図 2 （a）弾性体の変形は膨張（収縮）・シアー・回転の寄与の総和として表現できる。（b）変顔による変形を近似的に 2 階のテンソルとみなした場合の膨張・シアー・回転の寄与。

13

巻と習う。原子核スピンの最も重要な属性は、磁気それぞれは、以下の成分に分離される：

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

トリアルではこの点を、変顔

3

43

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

える。ここで被積分関数は偶関数であり、積ントと磁場の相互作用は、Zeeman 相互作用

分は有限値になる。この項の寄与はある。

とも呼ばれている。

（d）電気八極子モーメントと静電ポテンシャルの3 階導関数（電場勾配の勾配）の相互作用

ンシャルの 2 階導関数（磁場勾配）の相互作用

被積分関数は奇関数で積分は消滅。この項の電気の場合は残留するこの積分は磁気では消寄与は無い。

滅。したがってこの項の寄与は無い。
0（e）磁気単極子（2 ＝ 1）とベクトルポテンシャ
ルの相互作用なお、四極子相互作用を論じるときに、ハミル
トニアンの係数（分数）の分母に I（ 2I − 1）とい

磁気単極子は存在が確認されていない？
1

NMR講座 NMR基礎講座
442（g）磁気四極子モーメント（2 ＝ 4）とベクトルポテ

う項が現れる。ここで I はスピン量子数である。

（ f ）磁気双極子モーメント（2 ＝ 2）とベクトルポ

昔からずっと、I ＝ 1/2 ならゼロの割り算だ！ 許テンシャルの 1 階導関数（磁場）の相互作用されない、どうしよう！？ と思っていた。もちろ

上の（b）を考えると、積分がキャンセルすん分母に 2I − 1 が現れるのは、I ＞ 1/2 の場合に、る！？ と思うかもしれない。だが電気と磁気という条件付きなので大丈夫なのだが、どうにもでは対称性が逆転する異なることに注意が

気持ち悪く思っていた。白状すれば初学者のとき必要である。電場ベクトルの鏡像は反転すに、導出済みの四極子相互作用ハミルトニアンがる。つまり鏡に映した電場ベクトルは前後与えられて、とりあえず受け入れよう、となっが入れ替わる。これを、電場ベクトルは極て、そのまま長く時が過ぎてしまった。このスッ性（polar）であるという。これに対して磁場キリしない気持ちは、随分後になって導出そのもベクトルは軸性（axial）である。磁場がルー

の（

［3］

の第 3 章、演習問題）を学んで、解消した。

プ電流によって生成すると考え、電流のルー

四極子相互作用ハミルトニアンの導出にはウィプを鏡に映してみる。その結果、鏡の世界で

グナー・エッカルトの定理が使われる。そして生成する磁場は、こちらの世界と同じ方向で

3I 2− I（ I ＋ 1）が（分母ではなく）分子に現れる、あって、電場のように反転しない。ここか

この時点で、スピン 1/2 のときはゼロになるので

ら、対称性による積分の消滅則が電場と磁場

四極子相互作用もゼロ、ということで議論は終で逆転する。磁気双極子モーメントと磁場の了。スピン＞ 1/2 のときには続きがある。四極子

相互作用は、消滅しない。磁気双極子モーメ

相互作用ハミルトニアンを表現するための式変形

図 3 （a）鏡に顔を映した様子。
（b）では鏡に電場ベクトルを映してみる。電場ベ
クトルは極性ベクトルの一例であり、その鏡像は前後が反転する。（c）一方、磁場ベクトルは軸性ベクトルの一種である。磁場が電流のループ（渦）によって生じるとする。ループ電流の鏡像によって生じる磁場は（電場とは異なり）反転しない！

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

で I（2I − 1）が移項されて分母に移動する。もはおわりに分野におけるこれまでの蓄積、そして現在なおて、分母に出てくる 2I − 1 に対して I ＝ 1/2 と代続く発展を思えば、NMR って学ぶことが多過ぎ入することもあり得ない。ゼロの割り算の心配はて、しかも難しいこともたくさんあり、なかな

無用である。

か大変です。第 61 回 NMR 討論会にてチュートリ
アル講師を拝命したこの機会に、自称 NMR 大好
き人間として、自分自身が悩んだことを白状しつつ、楽しく説明を試みました。講師を任命してくは Q 倍。雑音も Q 倍。よって、Q 値のみが上がる

れた高知大学の山田さんに感謝。今回は上記の通ことによる感度のゲインは無い。回路の熱雑音のり、適当に選んだ 3 つのトピックを中心に解説し二乗平均は温度と抵抗に比例する。したがって抵ました。ネタはまだたくさんあって、身内の学生抗を減らすか、あるいは温度を下げると雑音が減さんに対しては日常的にレクチャーしています。

る。すなわち感度が上昇する。しかも、温度を下

もしも、NMR の基礎を深く学びたい意欲的な若げると抵抗も減少するため、さらに雑音が減少しい方々が国内に多くいれば（hopefully! ）、ぜひまて感度が上がる。Q 値も上昇する。なぜなら Q 値たの機会にお目にかかりましょう〜。

は抵抗に反比例するため。Q 値が高いから感度がなお第 61 回 NMR 討論会チュートリアル時にいいのではなく、感度を上げた結果として Q 値が使った資料は、以下のサイトからダウンロードで

高くなる。

きます：

n 階 の テ ン ソ ル は、n 個 の ベ ク ト ル を 引 数 にとって数値を返す線形の関数である。2 階のテンソルである化学シフトテンソルは、トレース・対称・反対称成分に分離して考えるのが良い。ト
レースが等方化学シフト、対称成分が異方性に対応する。反対称成分の寄与は無い。また、弾性体の変形とのアナロジーを考えるのが有用である。
原子核のモーメントで存在するのは電気が 1、4、16…極子、磁気が 2、8、…極子である。消滅するモーメントは奇関数の積分がゼロになること

http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/bun/resources/
nmr61-tutorial/tutorial-nmr61-2022.html
参考文献［1］ D.I. Hoult, B. Bhakar, NMR Signal Reception: Virtual Photons and Coherent Spontaneous, Concepts
Magn. Reson. 9 (1997) 277-297.
［2］ K.S. Thorne, R.D. Blandfold, Modern ClassicalPhysics: Optics, Fluids, Plasmas, Elasticity, Relativity, and Statistical Physics, Princeton Univ Pr, 2017.
［3］ J.J. Sakurai, Modern Quantum Mechanics, AddisonWesley, 1993.

と関係がある。電場は極性ベクトル、磁場は軸性ベクトルであるために偶奇が逆転する。

武田 和行（たけだ・かずゆき）

1995 年 3 月

京都大学理学部 卒業

1997 年 3 月

京都大学大学院理学研究科博士前期課程（修士課程）化学専攻 修了

2000 年 3 月

京都大学大学院理学研究科博士後期課程（博士課程）研究指導認定退学

2004 年 4 月

大阪大学大学院基礎工学研究科 COE 特任助手

2004 年 10 月

大阪大学大学院基礎工学研究科 助手

2007 年 9 月

京都大学大学院理学研究科 講師

2015 年 11 月

京都大学大学院理学研究科 准教授

13巻

プローブ共振回路の Q 値が高くなると、信号

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

やこの時点で話は完全に I ＞ 1/2 限定となってい

まとめ

45

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

NMR 講座：NMR 史点描

第二次世界大戦とNMR 開発（下）
京都大学

寺尾 武彦
terao@beige.plala.or.jp

NMR講座 NMR史点描
46

前号で述べたように、米国においては戦時研究重要な遺産の一つが、戦時中のレーダー開発にが NMR 開発に大きな役割を果たした。Bloch は伴うマイクロ波技術の大幅な進歩である。戦前の

否応なく習得させられたラジオ波技術がそのまま電波技術では 500 MHz 程度までの周波数しか扱

NMR の検出に使えることに気づいた。Hahn の場えなかったが、終戦時には 30 GHz あたりまで扱

合もレーダー・ソナーのエコー観察とパルス技術

えるようになった。Rabi は、レーダー開発を牽に携わった経験がスピンエコーおよび 90 °パルス

引したばかりでなく、マイクロ波の研究成果を纏の発見に繋がった。また、Purcell の場合は新ためるプロジェクトを立ち上げ、MIT 放射線研究に生じた異分野間の人的交流が大きな意味をもっ所叢書（MIT Radiation Laboratory Series、全 28

た：Rabi や彼の学生たちとの交流を通じて磁気共巻、1947 〜 1953）を刊行した。この叢書は、戦鳴に強い興味をもつようになり、Pound と Torrey

後、マイクロ波技術を物理や化学の研究に、あるという優秀な共同研究者に出会うこともできた。

いは通信やテレビ放送に応用しようとする人たち

さらに、彼はレーダーの実験を通じて NMR のア

にとってバイブル的な書物となり、これらの分野

イデアを生み出すことができた。

の発展に大きく貢献した。

アメリカ物理学会が 1968 年に Bloch に対して

しかし、戦争直後にマイクロ波共鳴の研究で先行った Weiner によるインタビューの中で、彼は行したのは、戦時研究で直接マイクロ波技術を身次のように語っている：に付けた研究者たちだった。その例をいくつか紹…軍事研究に携わった人は、それまであまりよ介する。すべてコロンビア大学で、Rabi の学生でく知らなかった科学分野に触れることになりまあったり彼と関係のあった人たちである：

した。物理学は戦後すぐに急激に発展しました

Townes（ メ ー ザ ー、 レ ー ザ ー の 発 明 に よ り、が、私はその発展の少なくとも一部はこの現象

1964 年ノーベル賞受賞）はアンモニア分子のマイによるものと思っています。私自身は疑いもな

クロ波（〜 24 GHz）分光を行って、1946 年にそく当てはまりますが、他の人たちも同じ経験をの反転振動を調べたのち、1954 年には誘導放出していると確信しています。彼らはあまりにもによるマイクロ波の発信器・増幅器すなわちメー

狭い分野で研究していたのですが、関わろうとザーを発明した。

はまったく考えもしなかった他の分野に入り込

Rabi らは、1947 年に水素原子の基底状態の超

むことを強いられました。彼らはただ戦争のた

微細分裂（〜 1.4 GHz）を測定し、分裂の大きさ

めにそうしたのですが、後にそれが非常に重要がフェルミの公式から計算した値より僅かながらであることが分かったのです。

十分有意に大きいことを発見した。また、同年

Purcell も同様の発言をしている。米国におけ

Kusch（異常磁気モーメントの発見により 1955 年

る戦時研究が戦後の科学を急速に発展させた要因

ノーベル賞受賞）らが、ガリウム原子線に共鳴法

は、様々なバックグラウンドをもつ多数の科学者を適用して電子の磁気モーメントを精密に求めたが同じ場所に集結し、異分野間で継続的な交流が結果は、1 ボーア磁子より 0.1 ％あまり大きかっ生まれたことと、それまで狭い分野で仕事をしてた。 さ ら に、Lamb（ ラ ム シ フ ト の 発 見 に よ り

いた科学者がまったく未経験の分野に強制的に関1955 年ノーベル賞受賞）らが水素原子ビームの磁わらせられたことにより新たな知識や技術を獲得

気共鳴実験を行ない、ディラックの電子論では縮したこと、そして戦時研究が非常に有用な遺産を退しているはずの二つのエネルギー準位 2 S ½ と残したことであろう。

2 2 P½ が僅かに分裂（〜 1 GHz）していることを発

受領日：2023 年 7 月 6 日

受理日：2023 年 7 月 6 日

2

編集委員：村上美和

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

なくなった上に、ライデンにスペースも無くなり、び、間もなく、Schwinger、Feynman、朝永らに

Gorter は、1942 年 4 月に Negative Result of anより、これらの説明を可能にする新たな場の量子

Attempt to Observe Nuclear Magnetic Resonance論が構築された（この三人は 1965 年ノーベル賞受in Solids と題する論文を投稿して、NMR の実験賞）。戦前に Rabi らが開発した分子線共鳴法が、の続行を断念した。

戦時研究で発達したマイクロ波技術を取り込むこ

他方、大学院で短波の発振器の研究を行ったカとにより、原子の微細構造や超微細構造を精密にザン大学の Zavoisky は、ラジオ波を使って物質測定する強力な手段になり得たことが、このようの研究をすることに興味を抱いた。彼は物質の電な大きな成果をもたらすことに繋がった。

磁波吸収に非常に高感度なグリッド電流法と名付けた検出法を考案し、装置を製作した。Rabi の鳴周波数を正確な時計の基準として使うことを提分子線法に関心を持っていた Zavoisky は凝縮系案した。実際にセシウム原子線（共鳴周波数 : 〜

で NMR を実現したいと考えた。Gorter が熱測定

9 GHz）を用いて原子時計を実現させた一人であによる試みを行なって失敗した情報が少し遅れてる Zacharias は、1954 年に「原子泉」とよばれる

カザン大学に届いたが、彼は自分の高感度の装置

画期的に原子時計の精度を向上させる方法を提案

を使えば、電磁波の吸収信号を検出できると確信した。Ramsey（ラムゼー共鳴、水素メーザーのしていた。水のプロトンの NMR を探すことにし開発により、1989 年ノーベル賞受賞）も 1949 年

たが、T 1 が長すぎるのではないかと心配し、銅に大幅に精度を改善させるラムゼー共鳴法を開発

塩とマンガン塩の濃厚溶液で実験した。信号のしている。現在、標準時刻を作るのに、原子泉と観測にはガルバノメーターを使用した。1941 年

ラムゼー共鳴を取り入れたセシウム原子時計が使

5 〜 6 月に信号が観測できたと思われたが、再現われている。

性に乏しかった。この実験は突然余儀なく中止さ次にヨーロッパの事情を見てみよう：

れることになった。1941 年 6 月にドイツ軍のソ連よく知られているように、アムステルダム大学の侵攻が始まり、モスクワ、レニングラードの科学

Gorter は、1942 年に NMR の電磁的検出を試みた

アカデミー研究所のメンバーの多くがカザン大学

が失敗に終わった。しかし、以前に本欄で述べたに避難してきて、Zavoisky の実験室も彼らの住まように、私の分析が正しいとすれば、彼は実際にいになってしまったのだった。それに先駆け、モは信号を見ていたと考えられ、いろいろ試行錯誤

スクワからやってきた科学アカデミーの委員たち

すれば確証が得られた可能性も高かったと思われが NMR の実験中にノックもせずに入ってきて、る。しかし、当時は第二次世界大戦の真っ最中でざっと見渡してここにあるものはすべて手製でああり、しかもオランダはドイツに占領されていて、り科学的に無価値だと言って、1 年半かけて作っ

きわめて厳しい状況下にあった。次第に実験をた装置をゴミのように捨ててしまった。もう 2、行っていたライデンとの間を行き来するのも儘なら

3 ヶ月実験が続けられれば、再現性の問題を解決

図 1 I. I. Rabi（1898 〜 1988）

図 2 E. Zavoisky（1907 〜 1976）

13

巻

また、Rabi は戦争末期に、原子線磁気共鳴の共日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

見した。これら三つの実験結果は大きな反響を呼47

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

して NMR の確実な観測に成功していたかもしれ

することは不可能であった。そのうえ、1941 年

ない。

12 月に太平洋戦争が起こり、その後半年ほどでこのようにヨーロッパでの NMR の開発は戦争要員の減少、物資の欠乏などが始まったため、この影響をまともに受けて不幸な結果となった。他のプロジェクトは中止に追い込まれた。この例ば方、EPR は戦時中にヨーロッパで誕生し、戦後す

かりでなく、一般に科学研究は、とくに物理学にぐにヨーロッパで発展を遂げた：

おいては軍事研究の影響も大きく、1940 〜 45 年

初めて EPR を行ったのは Zavoisky だった。生

NMR講座 NMR史点描
48の間ほとんど完全に中断された。

き る の に 必 死 の 生 活 が 続 い た あ と、1943 年 に外国文献も経済封鎖のため 1941 年夏ごろからなって戦局が好転したため、彼は研究を再開す

入手できなくなり、戦時中ももちろんその状況はることができた。ただし、今回は NMR ではなく続いた。 終戦後も今度は連合軍総司令部（GHQ）

EPR の観測を目指し、1943 年末に装置の重要なの占領政策のため、1948 年初めまで外国文献は改良を行った：電磁石に代えてソレノイドコイ

一切入らなかった。こうして 6 年半にわたり学問

ルを用いて磁場を発生させ、掃引可能にすると共的な鎖国状態が続いた。

に、小さなコイルを追加し、磁場変調を可能にし伊藤順吉（後に大阪大学基礎工学部教授）は大た。また、周波数可変（0.5 〜 17 MHz）の発振器

阪帝国大学卒業後、菊池研で戦前より原子核物理を製作し、信号を増幅してオッシロスコープで観学の研究を行い、苦労してサイクロトロンを製測できるようにした。こうして 1944 年に含水塩作したが、終戦の年の 12 月に GHQ によって破壊

化銅、硫酸銅、硫酸マンガンなどで EPR 信号のされ、大阪湾に投棄された。大学卒業後の総ての観測に成功した。

努力の結集は完全にゼロとなった。伊藤は、研究

英国では、オックスフォード大学クラレンドンに必要な物資はおろか、明日の食糧にも事欠く状研究所の Griffiths、Bleaney らが戦時研究に動員況の中で、無力感に打ちひしがれていた。そんなされ、レーダー開発の研究に従事した。Griffiths

中、多分 1946 年始め頃、菊池研で共にクライス

はその経験を生かし、1946 年に磁場中において 1

トロンを作った渡瀬 譲（後に大阪市立大学学長）〜 3 cm の波長で強磁性金属の透磁率を測定した。

との会話の中で、Rabi が分子線で行った磁気共鳴

彼はその中で後に FMR（強磁性共鳴）として知らが固体でできないだろうかという話になった。それるようになる現象を発見した。1947 年には 3 〜

して強磁性体で電子の磁気共鳴を検出する試みを10 cm の波長を使って EPR 測定を行っている。他

やってみようということになったが、結局、実行

方、Bleaney は 1946 年よりマイクロ波を使ったア

するには至らなかった。伊藤は、その理由を「多ンモニア分子の分光研究を行なったのち、1948

分、他に雑用が生じてそれにかまけてしまったか

年に EPR を使って常磁性塩の性質を研究した。

らであったろう」あるいは「磁気共鳴の物理的意

以後の Bleaney のグループの EPR 研究の発展は素義をよく検討し、その重要性を認識していなかっ晴らしく、EPR の基礎は彼らによって確立され、たことが、敗戦の沈滞状態のもとでも敢えて実験

オックスフォードは EPR 研究の主要な世界的拠を行う気力を起こし得なかった原因であったろ点となった。

う」と言っている。

最後に、日本の事情については以前の本欄の記

1948 年 1 月になって、東京を皮切りに、徐々に事「わが国の NMR 事始め」で既に述べたが、こ全国で学術文献が閲覧できるようになった。伊藤

こに簡潔にまとめておきたい：

は Physical Review 誌などを読んで、一時やろうと

戦前、大阪帝国大学の菊地正士の研究室では分した強磁性共鳴は既に行われており、さらに凝縮

子線磁気共鳴の研究計画が進んでいて、装置の建系の磁気共鳴である NMR と EPR も開発されてい設は幾多の困難を乗り越えながら完成に近づいてることを初めて知った。

いた。最後の段階で、表面イオン効果を用いる検伊藤は共同研究者とともに NMR を始めること出器に使うタングステンの細線を作製するため、にした。彼らは菊地研究室に転がっていた鉄材で線引きの工程が必要であった。その際に不純物が磁石を作り、これにコイルを手巻きした。電磁石

混入すると、微弱な分子線の検出には使えないこの電源には有り合わせの自動車用の蓄電池を使っとが分かった。しかし、戦時態勢に切り替わった

た。彼らはまもなく NMR と FMR で結果を得て、時代に、特別にコンタミの生じない線引きを依頼

1949 年の 10 月の物理学会年会で発表している。こBULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

野に真剣に取り組み、新たな視点を獲得すれば、

以上、アメリカ、ヨーロッパ、日本における新しい世界が開ける可能性は少なからずありそう

NMR およびその周辺分野の開発研究に対する戦争の影響をまとめてみた。やはり、戦場となった国とならなかった国、戦勝国と敗戦国の差は大きい。とくに NMR は本土が戦場にならなかった戦
勝国アメリカで誕生した。この有利な条件のもとで、研究者たちが戦時研究で得た新たな知識や技術、あるいは異分野間で深めた人的交流が有効に働き、NMR の誕生へと繋がった。ただ、この新たな経験や交流は戦時における強制力によってもたされたものである。自分の専門とまったく無関
それが大きな成果を生む可能性があるとしても、なかなかできるものではない。もし我々がまった
く不案内な分野を経験することによって、考えもしなかった展開を求めるとすれば、現在の専門分
野に軸足を残しながら、できるだけ異なる分野にも関わってみることが現実的であろうか。たとえば、若い人であれば、ポスドクとしての留学先に、今までやってきたことと関連はあるが大きく異なる分野の先生を選ぶとか、一般の研究者であれば、相当離れた分野の先生と共同研究するとか、結果を考えずに未経験の領域を経験してみてはどうだろうか。狭い範囲で仕事をしていると、型にはまった研究に埋没しがちである。異なる分

主な参考文献［1］ 寺尾武彦（2021）NMR 史点描：第二次世界大戦とNMR 開発（上）、Bull. NMR Soc. Japan, 11, 50-53.
［2］ Inter view of Felix Bloch by Charles Weiner on1968 August 15, Niels Bohr Librar y & Archives,
American Institute of Physics, College Park, MD,
USA, https://www.aip.org/histor y-programs/
niels-bohr-library/oral-histories/4510.
［3］ Rigden, J. S. (2000) Rabi: Scientist and Citizen,
Cambridge, MA and London, Harvard University
Press.
［4］ 寺 尾 武 彦（2013）NMR 史 点 描：Gorter の 失 敗（中）、Bull. NMR Soc. Japan, 4, 99-101.
［5］ Kochelaev, B. I. and Yablokov, Y. V. (1995) The
Beginning of Paramagnetic Resonance , World
Scientific.
［6］ 廣田 襄（2018）磁気共鳴の開拓者たち（4）Bleaney,
Abragam と Oxford グループの EPR への貢献 , 電子スピンサイエンス , 31, 121-124.
［7］ Griffiths, J. H. E. (1946) Anomalous High-frequency Resistance of Ferromagnetic Metals, Nature,
158, 670-671.
［8］ 寺尾武彦（2017）NMR 史点描：わが国の NMR 事
始め、Bull. NMR Soc. Japan, 8, 79-83.
図の出典
図 1 https://orologi.forumfree.it/?t=74506746
図 2 https://eng.kpfu.ru/bez-rubriki/scientific-regimentyevgeny-zavoisky-discovers-electronparamagneticresonance/

寺尾 武彦（てらお・たけひこ）

1966 年、京都大学理学部物理学科卒業。1973 年、京都大学理学博士。1975 年、京都大学
理学部（化学科）講師。同助教授、同教授を経て、1995 年、京都大学大学院理学研究科教授。2005 年、定年退職、京都大学名誉教授。2008 年、ISMAR Fellow。2011 年、日本核磁気共鳴学会名誉会員。2022 年、瑞宝中綬章受章。

13

巻

係な分野に自分の意思で飛び込むことは、たとえに思える。

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

れがわが国最初の NMR、FMR の報告となった。

49

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

2022 年度学会顕彰：進歩賞「進歩賞」について
当学会は 2020 年度に、「若手研究者を顕彰する

各審査員の審査結果を得て、2022 年 6 月 21 日、ことによって、人材育成を通じて NMR 分野の発審査員全員および伊藤展に資すること」を目的とする「進歩賞」を創設

選考委員会委員長）、竹内しました。本賞の対象者は「NMR に関する研究

事、オブザーバ）、藤原敏道会長（オブザーバ）で成果が特に優れ、将来性が十分期待される 45 歳

選考委員会（オンライン）を開き、さらに詳しく

未満の本会一般会員」となっています。

総合的に議論しました。その結果、選考委員会は隆理事（各賞担当理事、恒理事（各賞担当理2022 年度（第三回目）の受賞候補者として 2 名の2022 年度選考の経緯方を選出し、理事会に報告しました。

理事会で推挙された 5 名の委員と各賞担当理事

その後理事会での承認を経て下記の 2 名の受賞からなる選考委員会を設立いたしました。続い者が決定されました。選考結果は 8/22 のニューて、応募書類をもとに、各審査員が過去 2 年間のスレターにて本会員全員に配信されました。本当審査形式にならって 10 点満点で絶対評価を行いにおめでとうございました。

ました。その際の点数の基準は、10 点（非常に優秀）／ 8 点（優秀）／ 6 点（標準）／ 4 点（やや力不（順不同）足）／ 2 点（力不足）としました。各審査員にはコ

上田卓見 氏（Takumi UEDA）、東京大学

メントも付していただきました。

森本大智 氏（Daichi MORIMOTO）、京都大学選考委員会審査員（五十音順、敬称略）

上記の受賞者には NMR 討論会（高知）にて受賞

浅野敦志（防衛大学校）

講演を行っていただきました。さらに、会期中の高橋栄夫（横浜市立大学）

表彰式にて、表彰状および後援企業の「日本電子村上美和（京都大学）

株式会社」「ブルカージャパン株式会社」からのご三島正規（東京薬科大学）

厚志の報奨金と盾の副賞が贈られました（写真）。

若松馨（群馬大学）

進歩賞授与規定の詳細につきましては、HP をご覧ください。

2022年度学会顕彰 進歩賞

写真 左から
竹内恒理事

＊
＊

50

伊藤隆理事、藤原敏道学会長、上田卓見、森本大智、末松浩人（＊ 1）、八島秀仁（＊ 2）、

1 日本電子株式会社 NM 事業ユニット長
2 ブルカージャパン株式会社バイオスピン事業部長

選考委員代表：伊藤隆・竹内恒BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

51

会員便り：研究室便り

徳島大学 先端酵素学研究所 分子生命科学分野

川越 聡一郎kawagoe@tokushima-u.ac.jp

今年度より徳島大学先端酵素学研究所の分子生命科学分野に助教として着任した、川越聡一郎と申します。この度は、私が所属する齋尾研究室を紹介する機会をいただきありがとうございます。この場

巻

13をお借りして、関係者の方々に感謝申し上げます。

齋尾研究室の歴史
分子生命科学分野は、北海道大学の石森浩一郎
先生の研究室で助教をされていた齋尾智英先生の異動に伴い、2020 年 9 月、徳島大学先端酵素学研究所に新設されました。私も当時石森研究室に所属しており、4 月中旬、齋尾助教に呼び出され、「徳島に行きませんか。
」と提案されたことを覚えています。それに対して、学会か講習会があるの」と答えましかな？ と思い、二つ返事で「はい。
たが、教授として異動することを伝えられたのは

写真 1 NMR の前での集合写真。中列右から 2 番目が筆者。後列真ん中が齋尾教授。

いきたいと考えています。

その後でした。
研究室新設時の人員は齋尾教授と私の 2 名のみ

人員とともに設備も徐々に充実してきました。

でしたが、その後助教として松崎元紀さん、研究

NMR は Bruker Avance Ⅲ 500 MHz を導入し、高員として熊代宗弘さん（学振 PD）と服部良一さ

速 タ ン パ ク 質 液 体 ク ロ マ ト グ ラ フ ィ ー、SEC-

ん、大学院生には石森研究室から委託研究学生

MALS、One-W、蛍光ストップトフローや種々のとして参画している川向ほの香さん（学振 DC1）、分光計などを設置しています。さらに、学内共用

さらに技術補佐員 5 名と、学部生 5 名が加わり、機器の ITC、円二色性分散計（CD）、共焦点顕微

この 3 年弱で 16 人まで規模を拡大できています。

鏡などを利用して研究を進めています。また、学当研究室は研究所所属のため、学部生が毎年定内の藤井節朗記念医科学センターには、整備され期的に配属されるわけではありませんが、医学たオープンラボスペースがあります。そのため、科 3 年次の 10 ヶ月にわたる医学研究実習や、希徳島大学への異動直後から、レンタルラボで実験望した研究室での活動に 1 年次から参加できるをしながら、研究室のセットアップを行うことがStudent Lab の制度を利用し、学部生も当研究室

でき、研究活動をストップさせることなく、スに参画してくれています。また、医学科 4 年と 5

ムーズにラボを立ち上げられました。

年の間に 3 年間の Ph.D. コースに進学し医学博士

学外施設も積極的に利用しており、特に北海道（PhD）を取得する MD-PhD コースの制度も整え

大学先端 NMR ファシリティおよび大阪大学 蛋白質

られており、人数自体は少ないものの、意欲的な研究所の高磁場 NMR 装置、高エネルギー加速器

学生たちが研究室に活気を与えてくれています。

研究機構の SAXS、cryo-EM、広島大学の放射光スタッフ側としては、基礎研究の素養を持つ臨床CD や分子科学研究所の ESR などを活用して研究を医の教育とともに、医学の見識をバックグラウン

進めています。特に、北大の NMR 装置はリモートドにして基礎研究を進めていく研究者を輩出してで測定のセットアップが可能であるだけでなく、管

受領日：2023 年 6 月 17 日

受理日：2023 年 7 月 21 日

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

徳島大学 先端酵素学研究所 齋尾研究室

編集委員：鳥澤拓也

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

写真 2 齋尾研究室の研究内容

理者の久米田博之先生からの技術的・学術的なサ造」というワードはあえて含めていない、「分子ポートを受けられる点が魅力だと感じています。

生命科学分野」と齋尾教授によって命名されています。独自に構築した動的構造解析法によって、研究内容

タンパク質の動態を実際に見たように説明するだ

齋尾研究室では、細胞内タンパク質の恒常性を管理する分子シャペロンやストレス応答のシステ

けでなく、タンパク質、ひいては生命現象の自在な操作をゆくゆくは実現させたいものです。

ムについて、その分子メカニズムの解明を目指しています。具体的には、シャペロンの複合体形

会員便り
研究室便り
52

まとめ

成、ストレスセンサーの多量体化、天然変性タン

当研究室の特色として、共同研究の多さが挙げ

パク質の液 – 液相分離といった弱く動的で巨大なられます。生命システムを理解するためには多角会合体形成を対象としたプロジェクトが複数走っ的な解析が不可欠であるため、外部施設や、様々ています。そのような動的タンパク質複合体の仕な専門性を持つ共同研究者の方の協力を受けなが組みを解明するため、NMR だけでなく、速度論

ら研究を進めています。それと同時に、外部機関

解析、アミノ酸選択標識、常磁性ランタノイドからの研究者・学生の受け入れも積極的に行なっ

イオン、ESR や SAXS など他の手法を組み合わせており、その際には実験だけでなく、徳島のグた構造解析法の開発に取り組んでおり、最近でルメも堪能してもらうようにしています。徳島はは、複合体構造をもとにした相分離操作ツールの決して都会ではありませんが、川と山に囲まれた設計にも着手しています。立体構造決定を目標と穏やかな環境は、集中して研究をするにはもってした研究ではなく、生命現象・生命システムを理こいです。この徳島の地から魅力的なサイエンス

解し、それを制御するための構造生物学研究を推を発信できるよう、研究室メンバー、共同研究の進したいという思いから、当研究室の名称は「構方々一丸となって研究に邁進していきます。

川越 聡一郎（かわごえ・そういちろう）
2016 年 3 月 北海道大学 理学部 化学科 卒業
2016 年 4 月 北海道大学大学院総合化学院 総合化学専攻修士課程 入学2018 年 4 月 塩野義製薬株式会社 創薬化学研究所 入社
2020 年 3 月 同上 退社
2020 年 4 月 北海道大学大学院総合化学院 総合化学専攻博士後期課程 入学
2023 年 3 月 博士号取得（理学 北海道大学）
2023 年 4 月 徳島大学 先端酵素学研究所 助教 現在に至る

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

53

会員便り：研究室便り

国立研究開発法人理化学研究所 環境資源科学研究センター 分子構造解析ユニット

越野 広雪
koshino@riken.jp

1. はじめに合成化学を専門とする研究者が各 1 名、大学から外研で来ている研修生などとアシスタントで構成

人の理化学研究所において 1988 年に研究支援部

されている。環境資源科学研究センターは 2013

門として機器工作系と分析解析系からなる研究基

年に植物科学、触媒化学、ケミカルバイオロジー

盤技術部に分子構造解析室が立ち上げられたことの分野が融合してできた戦略センターの一つで、に始まる。筆者は 1992 年に NMR、質量分析、X拠点を横浜と和光の両方に持っている。環境資源

線結晶構造解析の 3 つに関する研究支援を担当し科学研究センターは現中期計画においては、革新ていた分子構造解析室に研究員として採用され、的植物バイオ、共生・環境ソリューションズ、代

主に NMR を担当することになり、2000 年には前謝ゲノムエンジニアリング、先進機能触媒エン任の鵜澤洵室長から分子構造解析室の運営を引き

ジニアリング、新機能性ポリマー、先端技術プ継ぐことになった。当時の担当者は NMR が 3 名、ラットフォームの 6 つのプロジェクトを推進して質量分析 1 名、X 線結晶構造解析が 2 名であった。

いる。当ユニットは先端技術プラットフォームに

その後は理化学研究所も独立行政法人、国立研究参画し、センター内に留まらず、理化学研究所の開発法人と変遷する中、研究支援部門も何度も改有機化合物の構造解析に関連する研究支援業務を組があったが、途中 X 線結晶構造解析が分かれ、NMR と質量分析を中心に行ない、同時に関連すそちらは現在は創発物性科学研究センターの物質る分野の研究開発や所内外との共同研究を積極的評価支援チームに引き継がれている。分子構造解に推進している［1］。

析室の NMR と質量分析の研究支援は 2015 年から
は環境資源科学研究センターの分子構造解析ユ2. 装置の紹介

ニットにて継続されている。2023 年度の時点で溶液 NMR では日本電子製の ECZ 600 を依頼測室員は NMR 担当が 2 名、質量分析が 3 名、その定と解析、共同研究などに利用している。通常は

他分光学と計算化学を専門とし機能性分子の設計

SuperCOOL プローブを用いて運用している。依と合成を行う研究者と天然有機化合物などの有機頼測定と解析の対象は様々で、筆者が得意とす

図 1 ECZ600 型 NMR 装置
受領日：2023 年 7 月 31 日

受理日：2023 年 8 月 2 日

編集委員：福士江里

13

巻

現在の分子構造解析ユニットのルーツは特殊法

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

理化学研究所（和光地区）における分子構造解析ユニットの紹介

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

る天然有機化合物の構造解析から、糖鎖、機能性
物質、合成中間体、有機金属錯体、合成高分子など多彩である。タンパク質などの生体高分子は理研で高磁場の装置が充実している横浜の NMR
施設の利用 を勧めている。ECZ600 の分光計は3 ch 仕様で HCX プローブがあるので、1H-13C-31P、
1

H-13C-29Si、1H-13C-77Se などの 3 重共鳴の測定に対応可能である。希少なプローブとしては、5 mmの低周波核用で PFG に対応したプローブを持っ図 2 ECZ500 型 NMR 装置ている。こちらは導入当初は、 H- Y の相関から
189

有機金属錯体の解析に利用していたが、最近では
183

W の 1H 観測による HMBC などの高感度検出に利用している。 H- F-X の 3 重共鳴の測定には通119

常はオープンアクセスで運用している ECZ500 とECZ400 が該当する 3 ch 仕様で対応しているので、それらの装置で依頼測定にも対応している。その他少し古い装置になるが溶液 NMR では ECA500と V500 をオープンアクセスで利用してもらっている。なお NMR の測定室は様々な経緯から著者の居室とは異なる 3 箇所の建物に分散している。
固体 NMR の依頼測定にも対応しているが、和光地区の現存装置は CMX400 でかなり老朽化しているため、対応できることに限りがあり、和光地区にてユーザーから試料を預かり、固体 NMR
図 3 Cyclic IMS 質量分析装置の担当者である仲村高志技師（特別嘱託）が兼務している横浜の方で ECZ400 を利用させてもらって研究支援に利用している。その他、マイク ロ イ メ ー ジ ン グ 用 に WB 500 MHz の SCM に

MRTechnology 社の分光計を組み合わせた装置がある。
質量分析装置は Waters 社製の Cyclic IMS を昨年度末に導入し、イオンモビリィティーによる異性体の分離と MS/MS による構造解析への利用などが期待される。その他少し古くなったが LC/

MS/MS に 利 用 し て い る Waters 社 製 の SYNAPTG2 と GC/MS に利用している日本電子製の飛行時
間型の JMS-T100GCV などを共同利用機器として会員便り運用し依頼分析を含む研究支援に対応している。
その他、円二色性分散計（CD）として日本分光
製の J-1500 を共同利用機器として管理している。

研究室便り

当ユニットの管理する機器は共同利用機器として理研に所属する全ての研究員等が利用できるシステムとなっている。

3. 研究開発その他
図 4 開発中のバルク高温超伝導 NMR 装置
54

ユニットの方針として、スタッフには研究支援

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

は必須だが、自由に研究開発の課題設定をしても説などを参照していただければ幸いである［4, 5］。
その他、コロナ禍で 3 年間中断していたが毎の課題としてバルク高温超伝導体を用いた NMR/

年、 理 研 シ ン ポ ジ ウ ム「 分 子 構 造 解 析：MS とMRI 装置の開発を行なっている 。最近実用化

NMR の基礎と実践」と理研シンポジウム「分析・レベルの高分解能な H NMR スペクトルが取得で解析技術と化学の最先端」をそれぞれ 6 月と 12 月

きるようになった。著者は NMR を用いた天然有に開催している。退職するまでは継続予定だが、機化合物などの有機化合物の構造解析を専門としあと何年できるか？ いやそれ以上に現在の NMRているが、研究開発としては立体化学を考慮してによる研究支援業務に後継担当者が不在だという

13

C NMR 化学シフト値を予測する機能とシフト値

現実がある。まだ公募はされていないが、興味あから部分構造を検索し構造推定する機能を有するる方は是非ご連絡頂きたい。

1

CAST/CNMR システムの開発に共同研究として携
［3］

わってきた

。CAST/CNMR に登録するデータるが、その過程で文献にて報告される構造決定や

NMR の帰属に多くの間違いがあることを明らかにしてきた。そのため最近は構造訂正研究に興味を持って NMR データを見る習慣になってしまっている。構造訂正研究に関連する話題の詳細は解

越野 広雪（こしの・ひろゆき）

1985 年 北海道大学農学部農芸化学科卒業
1990 年 北海道大学大学院農学研究科博士課程修了
1990 年 理化学研究所・基礎科学特別研究員
1992 年 理化学研究所・分子構造解析室・研究員
2000 年 理化学研究所・分子構造解析室・室長
2003 年 独立行政法人理化学研究所・物質構造解析チーム・チームリーダー（この間、改組で所属名称は数回変更）

2015 年 国立研究開発法人理化学研究所・環境資源科学研究センター・技術基盤部門・分子構造解析ユニット・ユニットリーダー
現在に至る

13

巻

は厳密に評価した上でデータベースに登録してい参考文献等［1］ http://www2.riken.jp/mct/index.html［2］ https://www.riken.jp/pr/closeup/2022/20220303_
1/index.html［3］ https://www.jeol.co.jp/products/scientific/nmr_
software/CAST_C.html［4］ 越野広雪 , 構造訂正された化合物の構造解析に学
ぶ , 日本核磁気共鳴学会機関 , 2018, 9, 8-15.
［5］ 越野広雪 , NMR による正しい構造解析に必要な知識と心掛け , ぶんせき , 2023, 3, 88-95.

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

らっている。NMR 担当の仲村高志技師は 20 年来［2］55

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

会員便り：研究室便り

東京薬科大学薬学部 分子生物物理学教室
東京薬科大学薬学部 分子生物物理学教室

三島 正規、青山 洋史、武田 光広、永江 峰幸
mmisima@toyaku.ac.jp

1. はじめにす。これから推進していく課題である、構造生

東京薬科大学は、1880 年（明治 13 年）に創設さ

物学、分光学・イメージング技術の開発、そしれた日本初の薬剤師教育機関である東京薬舗学校てこれらのためのケミカルバイオロジー的な手を前身としており、140 年以上の歴史を重ねる日法の開発等を包括する学問分野として Molecular

本最古の私立の薬科大学です。1976 年に八王子Biophysics が最も相応しいと考えました。6 年制

市へキャンパスを移転し、1994 年には生命科学の薬学部において、臨床教育の割合が年々増して部が開設され現在に至ります。キャンパスは平山

いく中で、基盤となるサイエンスを担い、基礎と城址公園に隣接し、周りは森に囲まれ、しばしば臨床の両輪のうち、基礎の部分の一端を、責任をウサギ等の野生動物が出没するほど自然に恵まれもって担当する心構えも込められています。2022。また薬用植物園は私立薬科大とています（図 1）

年度からは永江、2023 年度からは武田が加わりしては最大の広さを有し、無料で一般に公開されました。旧分子機能解析学教室からのスタッフでていることから、地元の皆様に、見学や散策等ある青山も含め計 4 人の体制です。

で親しまれています。2023 年度は、薬学部 2,700
名、生命科学部 943 名の学生が在籍し、薬学部・

2. 東京薬科大学における NMR 設備等

生命科学部合わせて計 66 の教室 / 研究室が、基東京薬科大学には、中央分析センターが設置さ礎から臨床まで多岐にわたる教育、研究を推進しれており、担当教員の深谷晴彦助手と技術職員 1ています。これまでに薬学・生命科学に関わる多名が共通機器を管理しています。2022 年度から様な人材を輩出し、4 万人を超える卒業生が各界は三島がセンター長を務めています。中央分析セで活躍しています。また近年、高大連携を年々増ンター内には 2 台の NMR、600 MHz（ JEOL JNM-

加させており現在 13 校の理科担当教員と連携し、ECZ 600R）、 500 MHz（ Bruker AVANCE Ⅲ HD

高校生の理科教育にも貢献しています。

500）が稼働しています（図 2）。

薬学部、分子生物物理学教室は 2021 年に三島これら NMR の他にも、質量分析装置 ESI-QTOFが着任し、立ち上げた教室です。
「分子生物物理（日本ウォーターズ

XEVO g2-XS）、質量分析装

学」は、分子の振る舞いの観点から生命を理解す

置 MALDI-TOF（Bruker autoflex Max）、 次 世 代る 学 問 分 野 で あ る Molecular Biophysics の 訳 でシーケンサー（イルミナ

NextSeq 2000）、元素分析（Elementar Vrio EL）、単結晶 X 線構造解析
装置（リガクXtaLAB Synergy-R）が稼働しており、学内・学外の研究試料に関して、主に分子構会員便り造の解析に大きく貢献しています。
また薬学部の共通機器として 400 MHz の NMR（Bruker AVANCE Ⅲ、Bruker AVANCE Ⅲ HD、

研究室便り

計 2 台）が稼働しています。中央分析センター
を含め、これらの装置は、有機化学、天然物化学、生化学の研究において重宝されていますが、
私たち分子生物物理学教室が目指すタンパク質の NMR 研究にとっては、検出感度、使用できる
図 1 東京薬科大学、正門

56

受領日：2023 年 6 月 22 日

受理日：2023 年 8 月 6 日

チャネル数の観点から、十分とはいえません。そ編集委員：菊地淳

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

学生配属の際の説明では、「分子生物物理学教

浜の理化学研究所および大阪大学の蛋白質研究所

室は、分子レベルで生命現象を理解し、薬の働きの高磁場 NMR 装置を利用させて頂いています。

を理解する、また薬の候補等の合成を行う実験系

また株式会社クライオシップと、同社の神野智の研究室である」と説明しています。最新の多次司さんにも NMR 利用ではお世話になっておりま

元 NMR 法と X 線結晶構造解析法を利用して、創す。今後、学生さんにも最先端の NMR 測定に直薬標的となるタンパク質の立体構造を多面的に解接取り組んでもらい、将来を担う若手 NMR 研究

析し、それらを標的とした薬剤候補化合物をデザ者を育成する観点からも、東京薬科大学にも生体インし、さらに合成や評価も行う、この流れを 1

高分子用の高磁場 NMR 装置を導入する必要があ

つの大きなテーマとして掲げています。また、基ると考えています。

礎科学を担う教室として、基礎の研究テーマにも力を入れており、その中でも特に最近、注力して

3. 研究活動

研究しているのが、光センサータンパク質の構造
生物学的解析です。RcaE は、シアノバクテリア

武田、永江）と学部学生 8 名が在籍しています。

の光センサータンパク質で緑色 / 赤色光照射によ

各教員の専門・得意とする手法は、それぞれ、

りその構造が変化します。この際、発色団である

NMR 法、有機合成、NMR 法、X 線結晶構造解析

フィコシアノビリンの脱プロトン化が極大吸収と異なりますが、連携して研究テーマに取り組ん

波長制御に重要であり、実際にプロトン化状態でいます。大学のリニューアル工事にともない、の変化が起こっていることを X 線結晶構造解析と研究スペースは、最も歴史のある（古びた）研究

NMR 法を利用して明らかにしています［1, 2］。さ1 号館から、2022 年度の後半にリニューアル工事

らに RcaE タンパク質中にある発色団フィコシア済みの研究 2 号館へと移りました。これに伴い新ノビリンの NMR 信号を完全に帰属することがでたに、結晶化室、細胞培養のためのスペースを確きれば、フィコシアノビリンの電子状態を理解す

保し、また移転前同様、分子生物学・生化学実験

るうえで有力な情報となり、極大吸収波長の制御や有機合成に必要な装置を設置し、一連の体制をの理解が進むはずです。しかし、均一標識を施し。
確立しています（図 3）

た RcaE 試料を用いた NMR スペクトルから帰属を行うことは、信号の複雑さから困難でした。そこで青山が、フィコシアノビリンの代謝における
15
13
前駆体である 5- アミノレブリン酸の N かつ C

選択的標識体をグリシンから合成し［3］、武田はそ
1513の N かつ C 選択的標識 5 - アミノレブリン酸を

図 3 分子生物物理学教室の実験室の一部。

図 2 中央分析センターに設置された JEOL JNM-ECZ
600R、Bruker AVANCE Ⅲ HD 500。

低温チャンバーに設置されたクロマトシステム、大型のソニケーター、大型高速冷却遠心機、大型超遠心機、オート
クレーブ等が並ぶ。大型の振とう培養装置 3 台もこの部屋の左手奥で稼働。結晶化室が左隣、有機合成の部屋が右隣にあり、別途、学生の居室が存在する。

13

巻

分子生物物理学教室は、教員 4 名（三島、青山、

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023のため、東京都立大学の伊藤隆先生の研究室、横57

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

タンパク質発現（培養）に用いることで、異なるパターンの N 均一標識かつ C 選択標識のフィ1513

コシアノビリンをもった RcaE 標識体の調製を行いました。これらを用いた各種 NMR 測定を行い、フィコシアノビリンの帰属がほぼ完了してい。RcaE タンパク質内でのフィる状況です（図 4）
コシアノビリン周辺の環境は、永江による X 線結晶構造解析から、緑色光吸収型と赤色光吸収型で大きく異なることも明らかになっており、ここに
フィコシアノビリンのプロトン化状態の変化をもたらす鍵の 1 つがありそうです。こういった光センサータンパク質の理解と応用は、将来、遺伝子発現やシグナル伝達を非侵襲的かつ自由に制御する技術として有用であると期待しています。

5. 今後の展望
薬学部の 4 年制から 6 年制への移行にともない、企業での活躍や、企業・アカデミアでの研究志向の学生は少なくなり、地域の薬局等での活躍を希望する学生が多くなってきています。薬剤師養成のためのタイトなカリキュラムの中、4 〜 6 年
生の学部の段階で研究に取り組む時間が（そもそも時間割の上で）少ない点が課題ですが、薬剤師としての就職状況は良好で、毎年多くの薬剤師を輩出しています。一方で、このような状況の中、

図 4 発色団フィコシアノビリンの帰属に向けた選択的標識前駆体の利用。

（上段）作成した 5 - アミノレブリン酸の選択的標識体 2 種を示す。
（中段）5 - アミノレブリン酸を用いて得られた選択的標識フィコシアノビリン。
（下段）選択的標識フィコシ
アノビリンの HNC 三重共鳴から得られたそれぞれのスペクトル。

本学薬学研究科では博士課程の定員の充足率が100 ％を超える状況が続いており、大学院生が研ますが、今後、NMR を軸とした分子生物物理学

究活動を盛り立てている点が特徴です。開設した研究を発信、人材を育成していく所存です。

ばかりの当教室では博士課程の学生さんは未だ誕生しておりませんが、他の基礎の教室では、研究に没頭する大学院生の姿が見られます。大学人にとって、研究を通して学生に研究・学問の楽しさを伝え、将来の研究を支える研究者、すなわち後継者を育成することは、大切なことだと考えています。分子生物物理学教室はスタートしたばかりで、試行錯誤を繰り返しながら日々過ごしており

会員便り
研究室便り
58

文 献
［1］ Nagae T, Unno M, Koizumi T, Miyanoiri Y, Fujisawa
T, Masui K, Kamo T, Wada K, Eki T, Ito Y, Hirose
Y, Mishima M. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 118
e2024583118 (2021).
［2］ 永江峰幸、青山洋史、三島正規 日本核磁気共鳴学会機関誌 2022 年度 第 12 巻 2 号 69-74.
［3］ Aoyama H, Iizuka Y, Kawanishi R, Shibatomi K,
Arakawa Y, Tsuji H, Hirose Y, Mishima M. Tetrahedron
Lett. 123, 154570, (2023).

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2001 年 3 月

奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科

2001 年 4 月

横浜市立大学（木原記念生命科学振興財団）博士研究員

2001 年 12 月

奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科 助手

2006 年 4 月

東京都立大学（首都大学東京）理学研究科（理工学研究科）准教授

2007 年 2 月〜 10 月 日本学術振興会海外特別研究員 派遣先 欧州分子生物学研究所（EMBL Heidelberg）

2021 年 4 月

東京薬科大学 薬学部 教授

青山 洋史（あおやま・ひろし）

2003 年 3 月

岐阜大学大学院 工学研究科 物質工学専攻 博士後期課程修了（博士（工学））2003 年 4 月

科学技術振興機構 研究員

2006 年 1 月

理化学研究所 研究員

2006 年 8 月

東京大学 助教

2011 年 4 月

東京薬科大学 薬学部 講師

2013 年 4 月

東京薬科大学 薬学部 准教授

武田 光広（たけだ・みつひろ）

2005 年 3 月

東京大学大学院 薬学系研究科 博士課程卒業

2005 年 4 月

科学技術振興機構 CREST 研究員

2007 年 2 月

名古屋大学大学院 理学研究科附属構造生物学研究センター研究員

2011 年 8 月

同センター 特任助教

2015 年 4 月

熊本大学大学院 生命科学研究部 助教

2023 年 4 月

東京薬科大学 薬学部 講師

永江 峰幸（ながえ・たかゆき）

2012 年 3 月

名古屋大学 大学院工学研究科 化学生物工学専攻
博士後期課程 修了（博士（工学））2012 年 4 月

名古屋大学 大学院工学研究科 中核的研究機関研究員

2014 年 4 月

高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所 博士研究員

同 6月2016 年 4 月

名古屋大学 シンクロトロン光研究センター 特任助教
名古屋大学 シンクロトロン光研究センター
シンクロトロン光利用研究部門 特任助教

2019 年 4 月

名古屋大学 シンクロトロン光研究センター
シンクロトロン光利用研究部門 助教

2022 年 4 月

東京薬科大学 薬学部 助教

13巻

分子生物学専攻 博士後期課程修了（博士（バイオサイエンス））

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

三島 正規（みしま・まさき）

59

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

会員便り：若手 NMR 研究会便り

第 22 回若手 NMR 研究会開催報告
京都大学 エネルギー理工学研究所 助教

山置 佑大
yamaoki.yudai.7n@kyoto-u.ac.jp

はじめに

ギー理工学研究所の山置と近藤敬子博士が世話人

2022 年 9 月 12 日 〜 13 日 の 2 日 間、 第 22 回 若 手を務めました。また会期中の運営に関しては、京NMR 研究会がオンライン会議ツール Zoom およ

都大学エネルギー理工学研究所の片平正人研究

び Gather Town を使用して開催されました。若手室の博士課程、修士課程の学生さん（TU、TEO、

NMR 研究会は、NMR を用いて研究を行う学生や

阪本、八木、川上、松尾、森田、計、大賀、兎若手研究者が集まり、議論や交流を深める勉強会

澤、増永（敬称略））11 名が担当しました。

です。これから NMR を使い始める学生や、自身

第 22 回は、第 21 回に続いてオンラインでの開の研究をさらに発展させたい若手研究者、様々な催となりました。若手会の醍醐味の 1 つはやはり分野で活躍されている研究者の方々に幅広く参加

合宿形式での参加者同士の交流であるため、ギリしていただき、NMR についての実践的な方法やギリまで現地開催の可能性を検討しましたが、参最先端の利用法などを議論し、世代を越えたつな

加者の安全を最優先とし、オンライン開催に踏みがりを築ける場を提供することを目指しています。

切りました。

ここでは実行委員を代表し、開催までの道のりや、

一方で、オンライン開催ではありますが、なる

会期中の様子についてご報告したいと思います。

べく参加者同士が交流しやすい形式を考え、会期中は Gather Town というオンライン会議システム

開催にあたってでバーチャル空間の会場を用意しました。Gather

第 22 回 若 手 NMR 研 究 会 は、 京 都 大 学 エ ネ ル

Town では、参加者が自身の分身となるアバター

会員便り
若手NMR 研究会便り
写真 1 Zoom での集合写真。参加者の皆様、講師の先生方、多くの方々のおかげで盛会のう
ちに終えることができました。
60

受領日：2023 年 6 月 12 日

受理日：2023 年 7 月 19 日

編集委員：川村出BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

「デジタル化時代の NMR データサイエンス展望」

き、近くにいるアバター間でのみビデオ通話が可

招待講演 5

能となっています。これにより、現地開催の時の楊井 伸浩 先生（九州大学）

ようなすれ違いざまの挨拶や、ちょっとした研究「トリプレットを用いた生体関連分子の超核偏極」の打ち合わせなどの気軽な交流ができるように準招待講演 6

備しました。

田巻 初 先生（大阪大学）

オンライン開催のメリットとして、参加費や移「MAS 固体 NMR によるタンパク質構造解析」

動時間などの負担が減ることで、より多くの方に招待講演 7

ご参加いただけた点があるかと思います。多くの

八木 宏昌 先生（理化学研究所）

先生方、学生さんにお声がけをさせていただき、「In-cell NMR; 細胞内環境でタンパク質を測る」

最終的に 125 名の研究者にご参加いただきましポスター発表・懇親会

た。参加者は大学院生、博士研究員等の若い世代
ま た、 第 22 回 若 手 NMR 研 究 会 は 蛋 白 研 セ ミ

9 月 13 日（火）招待講演 8ナー 基礎から学ぶ最新 NMR 解析法の第 5 回ワー

日比野 絵美 先生（名古屋大学）

クショップと連続した日程で共同開催とし、互い「液−液相分離への NMR のアプローチを考える」に同じオンライン会場を使用することで、これま招待講演 9で若手 NMR 研究会に参加したことのない人にも

古川 亜矢子 先生（横浜市立大学）

多数ご参加いただくことができました。

「二本鎖 DNA の動的構造解析」

第 22 回 は「NMR に よ る 多 彩 な 生 体 試 料 へ の招待講演 10

アプローチ」をテーマとして、NMR を活用して

森本 大智 先生（京都大学）

様々な生体分子の研究を展開されている先生方、「溶液 NMR 法を用いたタンパク質のその場観察」

またそのための NMR 手法開発を進めておられる
先生方にご講演をお願いし、これからの NMR 研

会期中の様子究の可能性について学び、議論できる場となるよ第 22 回は NMR の多様なアプリケーションの可う企画しました。最終的に以下のようなプログラ

能性を議論すべく、様々な標的分子に対するアプ

ムに決定しました。

ローチについてご講演いただきました。初日は、永田崇先生による基礎講座からスタートしまし9 月 12 日（月）た。溶液 NMR 法によるタンパク質の立体構造解基礎講座

析について、測定と解析のエッセンスやコツにつ永田 崇 先生（京都大学）

いて基礎から最新の自動化の取り組みまで含めて「タンパク質の NMR シグナルの帰属・構造解析

講義していただきました。招待講演は大山貴子先の基礎〜自動化の時代〜」

生の核酸の構造解析に関するご講演から始まり、

招待講演 1

特に 150 残基を超えるような長鎖 RNA の構造を

大山 貴子 先生（理化学研究所）

解析していく手法についてご紹介いただきまし「長鎖 RNA の NMR 解析」

た。続く山口拓実先生には、様々な糖鎖の動態を

招待講演 2

理解するための NMR と MD を組み合わせたアプ

山口 拓実 先生（北陸先端科学技術大学院大学）

ローチをお話しいただき、ランタノイドイオン等「オリゴ糖鎖の立体構造・ダイナミクスの解析とを駆使した研究例もご紹介いただきました。

制御」

午後は、リグニンなどの植物バイオマス由来の招待講演 3成分の構造解析について飛松裕基先生にご講演い飛松 裕基 先生（京都大学）

ただき、それらが形成する細胞壁超分子構造の解「NMR 法を活用した木質バイオマスの構造・形

析に対する固体 NMR 法を用いた取り組みなども成・利用研究」

ご紹介いただきました。菊地淳先生にはパターン

招待講演 4

認識と多変量解析について、基礎となる考え方か菊地 淳 先生（理化学研究所）

ら丁寧にご説明いただき、バイオマスや海水、食13

巻

から教員まで幅広い年齢層となりました。

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023を操作することで会場を自由に移動することがで

61

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

品などの複雑な混合系の解析、評価に応用する研ム修飾によって二重鎖 DNA の塩基対の動的構造究についてご講演いただきました。楊井伸浩先生

がどのように変化するのかを、プロトン交換速度には、独自の偏極剤を用いた光励起三重項を利用

解析や緩和分散法を組み合わせた解析から明らか

する triplet-DNP 法についてご講演いただき、初にした研究についてご講演いただきました。最後

めて固体から液体へと偏極を移した最新の研究成に、森本大智先生より、Rheo-NMR 法による生体果についてもご紹介いただきました。田巻初先生

内での流動性や ATP などの細胞内分子の存在下とには、MAS 固体 NMR 法について、溶液 NMR 法

いった生体内環境を再現した条件でのアミロイドとの違いといった基礎的な部分から最新のアミロ性蛋白質の解析についてご講演いただきました。

イド線維構造の解析への応用例まで実物のロー

どのご講演に対しても若手会らしく修士、博士

ターなども示しながら丁寧にご講演していただき

課程の大学院生からの質問が多数あり、シニアのました。八木先生には in-cell NMR 法について、先生も交えて活発に交流・ディスカッションが行基礎となる様々な技術のご説明から、生細胞内にわれました。

おける蛋白質の状態の解析、内在性分子との相互作用解析を駆使して酵素の反応機構を明らかにした研究についてご講演いただきました。

第 22 回研究会を振り返って
第 22 回若手 NMR 研究会は、多くの方々のご協

1 日目の招待講演の後は、一般参加者の交流

力の下で盛会のうちに終えることができました。

のきっかけとしてポスター発表の時間も設けまご参加いただきました皆様、ご講演いただいた先した。合計 15 件の発表があり、Gather Town の生方、ご支援・ご協力をいただきました京都大マップにあるポスター発表会場に移動し、自身の学エネルギー理工学研究所、大阪大学蛋白質研究分身であるアバターを操作しながら各ポスター

所、次世代 NMR ワーキンググループの皆様に、ブースへ移動し、発表・ディスカッションを行いこの場をお借りして心より御礼申し上げます。

ました。ポスター発表後はそのまま Gather Town

最 後 に、 次 回 の 第 23 回 若 手 NMR 研 究 会は大内で懇親会に移行しました。ポスターブース以外

阪大学 田巻初様が中心となり開催される予定とでもマップ上で近くにいる参加者どうしでは通話なっております。ご参加、ご講演、ご宣伝等、引ができるので、研究の話から雑談まで会場のあちき続き当研究会にお力をお貸しいただけますと幸

こちで会話が弾んでいました。

いです。

2 日目は日比野絵美先生のご講演から始まり、
液−液相分離を起こしているタンパク質の解析に

第 22 回若手 NMR 研究会ホームページ

おいて NMR 法でどのように情報を得ることがで

http://www.iae.kyoto-u.ac.jp/bio/22nd_wakateNMR/

きるのか、NMR 法ならではの利点などをご紹介

wakate_about.html

いただきました。古川亜矢子先生には、エピゲノ

会員便り
若手NMR 研究会便り
62

写真 2 Gather Town 内に作成された第 22 回若手 NMR 研究会会場の様子。招待講演中のため、左側の講演会
場に参加者が集まっている。ポスター発表と懇親会は右側の会場で行われた。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

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会員便り：海外学会参加報告

Postdoctoral Researcher, Department of ChemistryTokyo Metropolitan University, Japan

Pooppadi Maxin Sayeesh
sayeesh@tmu.ac.jp

Drosophila adapter protein Drk (Poster No-072).

working under the guidance of Prof. Yutaka Ito,

My poster is mainly based on the NMR studies

Department of Chemistr y, Tokyo Metropolitanof Src homology domains of adapter protein

University, Japan.

Drk. In a brief: Drk, a Drosophila homologue ofth

I participated in the 19 European Magnetic

human GRB2, binds towards the phosphotyrosine

Resonance Congress, which was held in Glasgow,

residue of Sev via its SH2 domain, while the N- andthth

Scotland, from July 9 to 13 . I was for tunate

C-terminal SH3 domains (Drk-NSH3 and Drk-CSH3,

to succeed in my application for the Youngrespectively) are responsible for the interaction

Researcher Travel Grant provided by the Japan

with proline-rich motifs of Son of sevenless (Sos)

NMR Society, which partially covered my travel

or Daughter of Sevenless (Dos). Isolated Drk-

expenses. I would like to thank Prof. Toshimichi

NSH3 is in a conformational equilibrium between

Fujiwara, the Chairman of the Japan NMR Society,the fold and unfolded states, and it interacts withand the selection committee for their consistent

the PxxPxR motifs in Sos. Drk-CSH3 is supposed

support in the arrangement of this travel grant.

to bind the PxxxRxxKP motifs in Dos. To identify

The conference was hosted in the hear t of

the functional differences between the two SH3

Glasgow, Scotland s cultural and commercial

domains, structure determination of Drk-CSH3 ascapital at the Scottish Events Campus (SEC),

well as the NMR titration experiments with Sos -anda splendid venue conveniently located nearDos-derived peptides were performed.

Glasgow Airport. The opening ceremony startedthDuring the conference, I actively participatedon the 9 of July with a welcome reception in thein discussions with numerous delegates, and I

Glasgow city center. The conference program

also had the oppor tunity to receive insightful

was thoughtfully organised, featuring plenar ycomments and suggestions during my poster

sessions as well as parallel sessions and tutorials.

presentation. This interaction left me feeling

The tutorial section included best practices inhighly motivated, and I m eager to delve intoscientific publishing and ar tificial intelligence
applied to magnetic resonance and foundationsof machine learning. During the plenary section,
I could learn about the new trending ideas andtopics. During the parallel sessions, my focus was
directed toward topics based on Solution NMR
methods. Additionally, the poster presentations
spanned three days, from July 10th to 12th between
3:45 pm to 5:45 pm and more than 400 posters
were presented.
In this opportunity, I presented a poster entitledInteraction of N-and C-terminal SH3 domains of
ニュースレター掲載日：2023 年 8 月 17 日

Venue-Scottish event campus

13

巻

Myself Dr.P.M.Sayeesh, postdoctoral fellow

日本核磁気共鳴学会 NMR 2023

EUROMAR 2023 参加報告書

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2023 Vol.13 No.1

During the poster presentation

the new ideas and perspectives that I gained

played a crucial role in enabling me to attend andfrom the conference. I would like to take thisparticipate in such a fruitful and enriching event.

moment to express my gratitude to the JapanNMR Society for their generous support throughthe Young Research Travel Grant. This support

会員便り
海外学会参加報告
64

Reference［1］ Sayeesh, P.M. et al. Biochem. Biophys. Res. Commun.
625, 87-93 (2022).

NMR
Bulletin of the Nuclear Magnetic
Resonance Society of Japan

Vol.13 No.1
2023 年 8 月 25 日発行
発行：日本核磁気共鳴学会

編

集：NMR 学会機関誌編集室 株式会社クバプロ〒 102 - 0072 東京都千代田区飯田橋 3 -11-15 - 6F

TEL：03 - 3238 -1689 FAX：03 - 3238 -1837