NMR 10

http://www.nmrj.jp

Vol.

November 2019

B U L L E T I N O F T H E N U C L E A R M AG N E T I C R E S O N A N C E S O C I E T Y O F J A PA N

セルロース骨格を 13C 標識したカルボキシメチルセルロースの
13
C INADEQUATE スペクトル（a）[{Zn2(HPO4)2(H2PO4)}(ClbimH＋ )2・(H2PO4− )・(MeOH)]n の結晶構造（b）室温における 31P CP-MAS スペクトル（c）室温におけるガラス状 CP の超高速 1H-1H DQNMR スペクトル（d）ガラス状 CP の概略図

日本核磁気共鳴学会

The Nuclear Magnetic Resonance Society of Japan

表紙の図
（上段）
：セルロース骨格を 13C 標識したカルボキシメチルセルロース（DS ＝ 0.91）の 13C INADEQUATE スペクトル。
四種類の構成残基の相関ネットワークが確認できる。（苫小牧工業高等専門学校 応用化学・生物系 甲野 裕之
先生）
（下段）
：
（a）[{Zn2(HPO4)2(H2PO4)}(ClbimH ＋ )2・(H2PO4 − )・(MeOH)]n の結晶構造。紫：Zn、黄：P、赤：O、青：N、
黒：C を示す。水素は省略している。
（b）室温における 31P CP-MAS スペクトル。（c）室温におけるガラス状

CP の超高速 1H-1H DQNMR スペクトル（回転速度：70 kHz）。O–H と C–H（緑）、N–H と C–H（青）、N–H とO–H（黄）は、それぞれの相関を示している。（d）ガラス状 CP の概略図。緑は Zn2 ＋とリン酸から組み上がる
2 次元シートを表している。（徳島大学大学院 社会産業理工学研究部 犬飼 宗弘 先生）

NMR

BULLETIN OF THE NUCLEAR
M AG N E T I C R E S O N A N C E S O C I E T Y O F J A PA N

Vol.

10

November 2019日本核磁気共鳴学会
The Nuclear Magnetic Resonance Society of Japan

CONTENTS●会長メッセージ

新たな時代の日本核磁気共鳴学会… ………………………………………………………………………………………………… 5
加藤 晃一●追 悼 抄

追悼：荒田洋治先生−出会いの頃… ………………………………………………………………………………………………… 6
甲斐荘 正恒故荒田洋治先生を偲ぶ…………………………………………………………………………………………………………………… 10
阿久津 秀雄我が恩師 荒田洋治先生を偲ぶ… …………………………………………………………………………………………………… 12
加藤 晃一

●解

説

20 kHz 級 MAS 条件の D -HMQC & D -RINEPT… ……………………………………………………………………… 14
永島 裕樹

DFT 計算支援による天然物の NMR 解析……………………………………………………………………………………… 31
橋本 勝、福士 江里、Warren Hehre●トピックス

常磁性効果を活用した糖鎖の動的立体構造解析…………………………………………………………………………… 42
山口 拓実

多糖類の構造研究における NMR の有用性… ………………………………………………………………………………… 48
甲野 裕之

磁場配向 NMR −反磁性体の磁場応答を利用した構造解析−… …………………………………………………… 57
久住 亮介●技術レポート

生体分子レオロジー NMR の開発と応用… …………………………………………………………………………………… 64
森本 大智、菅瀬 謙治●研究報告

固体 2 Ｈ NMR による機能性材料中の分子運動の研究………………………………………………………………… 69
水野 元博

天然物の NMR 研究－立体化学決定および溶液中と膜中における配座解析………………………………… 76
松森 信明

NMR による生体高分子立体構造計算の基礎と最近の進展…………………………………………………………… 82
池谷 鉄兵● NMR 便利帳

ESR の基礎と応用… ……………………………………………………………………………………………………………………… 97
原 英之● NMR 史点描

封筒の裏… ………………………………………………………………………………………………………………………………………104
寺尾 武彦

NMR Vol.9 December 2018
● NMR 基礎講座

錯体結晶の固体 NMR… …………………………………………………………………………………………………………………108
犬飼 宗弘● NMR 研究室だより

室蘭工業大学における NMR の利用状況… ……………………………………………………………………………………113
馬渡 康輝●若手 NMR 研究会便り

第 20 回若手 NMR 研究会開催報告… ………………………………………………………………………………………………117
谷中 冴子●海外学会報告EUROISMAR 2019 参加報告書… …………………………………………………………………………………………………121
西澤 茉由

th

8 Asia-Pacific NMR Symposium 2019
参加報告書…………………………………………………………………………………………………………………………………123
朝倉 大河

NMR 学会からのお知らせ
1. 日本核磁気共鳴学会の決定事項… ……………………………………………………………………………………………125
2. ニュースレターの記録………………………………………………………………………………………………………………127
3. 日本核磁気共鳴学会規約…………………………………………………………………………………………………………129
4. 日本核磁気共鳴学会機関誌投稿規程…………………………………………………………………………………………133
5. 賛助会員名簿… …………………………………………………………………………………………………………………………135
6. 日本核磁気共鳴学会機関誌編集委員会委員名簿（2018 –2019 年度）… ………………………………………136
7. 編集後記… …………………………………………………………………………………………………………………………………137

5

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

会長メッセージ

日本核磁気共鳴学会会長

加藤 晃一
kkatonmr@ims.ac.jp

開催を予定しています。それに向けて、ISMAR

や 2 年目の秋を迎えました。この間に平成から令組織委員長の藤原敏道先生、AP NMR 組織委員長

和へと時代は移り、本学会にとってもいくつかのの内藤 晶先生を中心に、まさにオールジャパン

大きな出来事がありました。

の体制で開催に向けての準備が進められており、まず、昨年 9 月に北海道を襲った巨大地震の影

第 60 回 NMR 討論会世話人の片平正人先生は合同

響で、札幌で開催が予定されていた第 57 回 NMR

年会全体のプログラム委員長としてもご尽力され討論会が中止となりました。被災された地域のています。会員の皆様におかれましても、世界の方々に改めてお見舞い申し上げます。私を含めて

磁気共鳴研究者が集結するこの一大イベントに是参加を楽しみにされていた会員の皆様にとっては

非奮ってご参加いただき、国際的な交流を深める

大変残念な事態でありましたが、世話人の出村機会としていただけましたら幸いです。

誠先生の並々ならぬご尽力により、学会運営の混

また改めて申すまでもなく、若手の研究活動

乱を最小限に留めることができました。ご英断にを支援し、次世代を担う研究者を育成すること敬意を表するとともに、討論会の運営に関わられは本学会の重要な役割です。日本核磁気共鳴学会

た皆様に改めて御礼申し上げます。

では、若手の一層の活躍を願い、従来の若手ポス

そして悲しいことでありますが、昨年の秋から

ター賞、渡航費助成に加えて、NMR に関する研春にかけてお二人の名誉会員の先生方の訃報に接究成果が特に優れ、将来性が期待される若手研しました。昨年 10 月には NMR 討論会を創始され究者を顕彰する新たな取り組みを企画しつつあた藤原鎭男先生がご逝去され、そして 3 月には本ります。私は、今年 8 月のはじめに開催された第学会初代会長をつとめられました荒田洋治先生が20 回若手 NMR 研究会に講師として参加いたしま

鬼籍に入られました。我が国の核磁気共鳴研究のした。そこで、全国から集った若手が NMR 研究

黎明期よりその開拓と発展に多大な貢献をされ、の新たな方向性を模索し、異分野の若手研究者も本学会の設立にも深く関わられた先生方のご功績交えて夜遅くまで車座になって熱く語り合っていを偲び、改めて哀悼の意を表します。

る姿を目の当たりにし、その輪の中に加えてもらこのように本学会にとっては厳しい出来事が続いました。情報通信技術の進展は、日々の研究はきましたが、新しい時代の訪れとともに新たな息もとより、将来的には学会のあり方にも大きく影吹をもたらす活動も活発化しつつあります。木川響を与えることが予想されます。このたびの研究

隆則先生が世話人として準備を進められている第会を通じて、若手の皆さんの沸き立つアクティビ

58 回 NMR 討論会は、初めての試みとして電子ス

ティを頼もしく思うとともに、人と人とをつなぐ

ピンサイエンス学会との連合大会として開催され学会の役割について改めて深く考える機会を得まます。これは、再来年 8 月に大阪で開催される国した。

際会議に向けての布石としての意味合いもありま

このように未来につながる新たな胎動を感じるす。この国際会議は、第 60 回 NMR 討論会と第 60

高揚感を会員の皆様と分かちつつ、新しい時代を

回電子スピン学会年会に加えて、第 22 回国際磁迎えた日本核磁気共鳴学会の発展に微力を尽くし

気共鳴学会会議（ISMAR）と第 9 回アジア太平洋ていきたいと思います。引き続き、ご支援の程よ

NMR シンポジウム（AP NMR）の合同会議としてろしくお願い申し上げます。

2019 年仲秋10巻

日本核磁気共鳴学会の第 9 期会長を拝命しては

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

新たな時代の日本核磁気共鳴学会

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

追 悼 抄

追悼：荒田洋治先生−出会いの頃
東京都立大学名誉教授、首都大学東京客員教授

甲斐荘 正恒kainosho@tmu.ac.jp

荒田さん−以降、親しみを込めてこのように呼装置（Varian A60）を担当することになり、NMR

ばせて頂きます−は、我が国の高分解能 NMR 研の勉強を始めたばかりでした。その私が、内容究の黎明期より生体系を中心とした様々な研究活を十分理解できたとは思えませんが興味深く講動を主導され、また指導者として多くの人材育成

演を拝聴させて頂きました。翌 1965 年 9 月に藤に努められました。亡くなられてから既に半年余

原鎭男先生が主催された国際学会 International

りが過ぎましたが、かつて基礎研究を取り巻く状

Symposium on NMR に出席し、荒田さんの分

況が厳冬期にあった頃、共に切磋琢磨した日々を

子内回転運動に関して NMR から得られる熱力学

忘れることはできません。荒田さんを中心に、平parameter に関する堂々たる講演を含め、最先端

成 14 年に設立された日本核磁気共鳴学会は、我の研究成果を聞くことができ NMR への関心がおが国の NMR 研究の発展に多大な寄与を果たしておいに高まりました。とりわけ、荒田さんが後年きましたが、生体系 NMR 研究は現在大きな転換

留学することになる Oleg Jardetzky 教授（当時、期に差し掛かりつつあるように思われます。学Harvard Medical School）の選択的重水素化によ

会からの依頼を受けて、追悼文を寄せることを引るタンパク質 NMR 研究戦略に関する講演は、私き受けましたが、既に私は ISMAR（Internationalのその後の研究に決定的な影響を与えることにな

Society of Magnetic Resonance）に 訃 報 を 掲 載りました。因みに、本会議はその後 ISMAR とし［1］、また東京大学薬学部嶋田一夫氏による追て連綿と開催されることになりましたが、その先悼文も最近のファルマシア誌に掲載されており駆けとなる国際会議を、戦後復興の半ばにあったし［2］。荒田さんのお人柄に関しては、機能水

日本において、欧米から往時の NMR 界の泰斗を研究所長を務められた折に共同研究者として親交集めて開催に漕ぎつけたことは、昨年 98 歳の天を 深 め ら れ た William Price 氏（Western Sydney

寿を全うして亡くなられた藤原先生をはじめとす

ます

［3］

Univ.）が述べておられます。更に、学生時代にる我々の先達の稀なる識見と努力の賜物であるこ

荒田さんの薫陶を受けられた三森文行氏（国立環とは本学会員にとって忘れてはならないでしょ境研）、荻野孝史氏（獨協医科大学）による弔文がう［4, 5］

日本磁気共鳴医学会誌に掲載されており、本誌には加藤晃一氏、阿久津秀雄氏も弔文を寄せら

追
悼
抄
6

［6］

。来る 2021 年に、ISMAR が半世紀の時を経て再び日本の地で開催されることには、感慨の念を禁じ得ません。

れておられます。そこで、多少私事にわたる内容

本国際会議を挟んで、1966 年 9 月に宮城県民会となることをお許し頂き、本稿では半世紀に及ぶ館で開催されることになった第五回 NMR 討論会

荒田さんとの交流の端緒となった、出会いの頃には忘れることができません。この討論会におけるついて幾つかのエピソードを交えて振り返らせて私の不躾な振る舞いから、思いもかけず荒田さん

頂くことにしました。

をはじめ、幾人かの参加者の知遇を得ることに今を去ること 50 余年、1964 年 11 月に東京大学なったからです。その事情を簡潔に述べることに理学部で開催された「第四回核磁気共鳴討論会」

します。当時利用されていた赤外線吸収スペクトに出席したことが荒田さんとの邂逅の場となりま

ル解析に比べて、 H-NMR の vicinal spin coupling

した。この会議で、「アミノ酸−常磁性イオン水定数を利用する有機化合物の立体配座解析は遥か溶液の NMR」と題する荒田さんの講演を聞く機に優れており、多くの研究結果が報告されており会を得ました。私は、東京都立大学理学部を卒ました。しかしながら、この手法には当時は未解

業後、直ぐに味の素㈱中央研究所に就職し NMR

決の大きな問題がありました。それは、不斉炭

受領日：2019 年 10 月 8 日

1

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

protons）の 立 体 特 異 的 帰 属 法 が 確 立 し て い な

一 人 で Varian 社 が あ っ た Palo Alto に 辿 り 着 き、かったことです。例えば、α- アミノ酸の配座解Motel Flamingo にチェックインした途端にすっ析には、先ず置換基の相対的な 大きさ を考慮

かり心細くなったのです。そこで、やむなく荒田して優位配座を仮定し、その仮定に基づいてメチさんに連絡しようと考えました。Palo Alto にあるレンの立体帰属を行うことが一般的でした。この

Stanford の Jardetzky 研究室に留学中であることことから、不確実なメチレンシグナルの立体帰属を知っていたからです。電話帳で調べたところ、に基づく立体配座解析には曖昧さが避けられな

意外なことに Arata という苗字で掲載されていかったのです。詳しい内容は省きますが、ある重る人物は複数おりましたが、手始めに電話をした

鎮の研究室からの発表も典型的な一例でしたが、Y. Arata 氏は正解で奥様が出られたことで胸を偶然私自身が全く同じ化合物の立体配座を研究しなでおろしました。荒田さんは留守をされておらていたことが問題の発端となりました。私は立体れましたが、暫く後に大きな車で颯爽と現れた荒選択的重水素化により当該化合物のメチレンシグ

田さんは、すっかり現地に溶け込んでおられ少々

ナルの立体帰属を確定していたために、報告され驚かされたことを覚えております。NMR 討論会

た優位配座の仮定に基づく配座解析は誤りである

で何度か会話をしただけの私を、長年の知己のよことに直ちに気がつきました。そこで、矢も楯もうにご自宅に招いて頂き、お陰で窮地を脱するこ

たまらず立体帰属の根拠に関して演者に詰問してとができました。Jardetzky 研究室の大型の重水

しまいました。明らかに誤りである証拠を持って培養器等を見学し、ご家族と一緒に当時は未だ日いながら、そのような質問を直接演者にするのは本にはなかった大型スーパーに案内して頂いたり礼を失していると今では考えますが、当時は若気して米国生活の一端を垣間見ました。Varian 社での至りで思わず手を挙げてしまったのです。予想の情報収集も無事終えることができ、引き続きもしなかったことは、演者からではなく会場にお荒田さんの車に同乗して Asilomar に行き、13thられた重鎮が、怒りの形相で 優位配座の推定根ENC（Experimental NMR Conference）に出席し拠は構造化学の常識に基づいている と断定されました。この会議では、荒田さんが事務局と交渉たのです。そこで矛を収めれば良かったのです

してくれたために、同室に宿泊し、途中で購入しが、私は立体選択的重水素化によるメチレンプロ

た美味しいオレンジを食べながら親交を深めるこ

トンの立体選択的帰属の結果は、発表とは異なるとができました。間違いなく、このことが米国出と追い打ちをかけてしまったので、会場は大変気張の最大の成果となったのです。

まずい雰囲気に包まれてしまいました。ここに荒田さんが留学を終え帰国されると、入れ替至って、私も拙いと思いましたが、時既に遅しでわるように私が渡米することになりました。留した。この大失敗に関して、懇親会の席上中西香

学前の慌ただしく、また不安な時期に、多量の爾先生（東北大学）や通和夫氏（塩野義製薬研）等

英会話テープ（何度聞いても全く聞き取れず断から個人的に温かい励ましの言葉を頂き、その後念）やカリフォルニアの運転免許の筆記試験問

長い間親しくさせて頂く切っ掛けとなりました。

題のコピー（渡米前に日本での免許獲得を目論

荒田さんは、 事件 に関して折に触れ、尾鰭をみ、川崎自動車教習所に通うも指導員と大喧嘩

つけて面白おかしく話をされては、私を当惑させし断念）等を頂き、親身にお世話頂きました。おて楽しんでおられました。

陰様で、東大薬学部におられる頃から共同研究

さ て、 当 時 私 が 使 用 し て い た 100 MHz 装 置を続けていた京極好正先生（阪大蛋白研）のお世（Varian HA-100）を FT-NMR（Varian XL-100）に更話 で 留 学 す る こ と に な っ た Caltech（California

新する予算がついたために、1972 年の 4 月末にInstitute of Technology）の Sunney Chan 教 授 の

米国 Palo Alto に出張したことが荒田さんと、よ

元で 1973-75 年迄の二年間の博士研究員生活を恙り親しく交流する機会となりました。XL-100 はなく過ごすことができました。その間、沢山のGyrocode Decoupler と称する簡易型の周波数合

方 々 が Los Angeles 郊 外 の Pasadena に あ っ た 我成器を備えた、斬新な FT-NMR 装置であったたが家に立ち寄ってくれましたが、1975 年の 16th

めに購入前に装置性能等を調査せよとの社命がENC（Asilomar）に参加するために訪れた荒田さあったのです。これが私にとっては生まれて初んと森島績氏（京大工学部）の訪問の記憶は特に10

巻

めての海外出張でした。San Francisco 空港から
日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

素に隣接したメチレンプロトン（diastereotopic

7

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

鮮明です。そのわけは、森島さんの来訪予定日

味配糖体アウクビン（aucubin；東北大学の天然に Chan さんから電話があり、Paul Lauterbur（後物有機化学者藤瀬新一郎教授が長年にわたり構年、MRI の原理の発明で Nobel 賞を受賞）教授を造決定に取り組んだ化合物です）と蔗糖に由来す

連れて来ることになったためです。森島さんかる見事な { H}- C NMR シグナルが観測できましら、Los Angels 空港に着いたとの連絡があった

た。1976 年初頭のことです。この結果に力を得時に、その話をすると、レンタカーを飛ばしてて、様々な食品・化成品、微生物発酵液、生きたくるので是非引き留めて置いてくれと頼まれたままの蚕、鳥卵の孵化過程等、まさに手あたり次のです。空港から Pasadena 迄は距離こそ余りあ13
31
第に C- や P-NMR を測定し、その結果を毎週のりませんが、米国で最初に整備された Pasadena

ように御茶ノ水の山の上ホテルのロビーで荒田さFreeway は路幅の狭い曲がりくねった高速道です

んに報告しては感想を伺いました。その際、荒田ので、夜間の運転は危険です。私の心配をよそさんからは只の一度も もう少しまともな研究をに、我が家に無事に到着した森島さんを交えてしたらどうか 等といった否定的なコメントは一大いに盛り上がりました。森島さんは翌日には切無く、 ドンドン徹底的にやれ とけしかけら

Caltech で長時間のセミナーを終え、合流した荒れるばかりでした。おまけに、藤原鎭男先生迄も田さんも一緒に San Diego 郊外の砂漠地帯にある

私の測定結果を荒田さんから聞くと、 これは不Anza-Borrego State Park に出かけたことも忘れ

均一な系の状態を各成分に分離せずに調べる新しられません。実は、前夜の森島さんの深夜迄の情

い化学の流れ− Gross chemistry −の NMR 版だ

熱的な discussion のためにすっかり睡眠不足となと、一緒になって太鼓を叩いてくれました。藤り、帰路に私が居眠り運転状態をして危うく谷底

原先生は、このような正統的とは云えない研究はに転落するところでした。私の家族を含め、全員評価されない謹厳実直な先生と思っておりましたの命を危険にさらすことになり、今も申し訳ないので、私にとっては予想外のコメントでした。こと思っております。

の ハチャメチャな研究 の噂は、幾つかの論文

13

75 年秋に二年間の留学生活を終え、味の素中

を Tetrahedron 誌等に速報として発表したために

央研究所に復職しましたが、カルチャーショッ

国外にまで広がり、当時 Columbia 大学に移ってクには悩まされました。荒田さんから、二年間留おられた中西香爾先生も、本当かどうかは定かで学すれば日本に戻り社会復帰するには最低一年間はありませんが、 貴君の研究は New York では大は掛かると覚悟せよとの助言を頂いておりまし変な話題になっている とますます勇気づけてく

たが、まさにその通り帰国後には居心地の悪いれました。実際に、中西先生は 78 年 7 月に Zürich

日々が続くことになりました。この危機をなんとで 開 催 さ れ た 4th IUPAC Congress of Pesticideか克服できたのも荒田さんのお陰です。留学先

Chemistry に私を招待して頂き、発表の機会を与の Chan 研究室では脂質二重膜で囲まれた小胞体

えて頂きました。私にとって、36 歳にして初め（lipid vesicle）の物性に関する NMR 研究をしておての大きな国際会議での講演となりました。そのりましたが、通常の水溶液とは全く異なる不均一後、同年 9 月には藤原先生が組織委員長、荒田さ

な分散系 NMR 測定や解析は一筋縄では行かず、んが実行委員長を務められた 8th ICMRBS での講手を焼く一方で多大な興味を持ちました。帰国

演、更には様々なセミナーや学会への招待講演が後、留学経験を活かした新しい研究方向を模索す

続き忙しく過ごしている内に、カルチャーショッ

るなかで、初めての冬を漫然と迎えることになり

クもいつの間にか消え去っておりました。

追悼抄

ました。ある日、自宅裏庭のアオキの赤い実をぼ

闇雲に NMR 測定を試みることにもそろそろ限

んやり眺めていたら、突然この実丸ごとの NMR

界を感じ始めた頃、見計らったかのように荒田さスペクトルを測定したら細胞質に溶存している低んは東大薬学部でタンパク質の結晶構造解析を研

分子物質のシグナルが観測されるのではないかと究されておられた三井幸雄氏を紹介してくれましの妄想が浮かびました。当時は C-NMR では標た。当時、京都大学農学部の廣海啓太郎先生を中準的に使われていた 12 mm NMR 試料管は、丸ご心として、欧米に比べ著しく立ち遅れていた、我と一粒のアオキ果実を入れるには最適の大きさでが国のタンパク質科学の興隆をはかるために、放す。早速 F 外部ロックを持つ XL-100 で測定した線菌由来のセリンプロテアーゼ阻害タンパク質

ところ、アオキの成熟果実に多量に含まれる苦SSI（Streptomyces subtilisin inhibitor）を共通ター

13

19

8

1

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

辞し、東京都立大学助教授として赴任することに的に研究するというユニークなプロジェクトが立なりました。その後、当時は若手のタンパク質

ち上がっておりました。三井さんは、その中心メ

科学研究者の登竜門でもあった第 31 回タンパク

ンバーとして活躍されておられましたが、たまた

質構造討論会（1980. 10. 16）で、SSI の NMR 研究

ま私の高校の先輩であることもわかり、 SSI 研究に関する報告を行うことができ、構造生物学の班 と称されたこのプロジェクトへのお誘いを頂

NMR 研究者としてのスタートを切ることができきました。このことが、長期的な展望を見失いかました。思い返してみれば、これまで紆余曲折をけていた私が安定同位体利用 NMR 研究へと立ち経つつも半世紀余り研究生活を続けてこられたの戻る決定的な転機となりました。1978 年末に京は、大きな転機に差し掛かった折には必ず荒田さ

都で開催された SSI 班会議において、主鎖カルボんが手を差し伸べてくれたこと、また荒田さんとニル炭素 C-NMR シグナルの帰属手法（

共に築き上げてきた国内外の研究者との交流の賜

13

13

15

C, N-

二重標識法 ）、 更 に は [1- C]-Met と [ N]-Val に13

15

物であることは間違いありません。

1980 年 9 月、Bendor で の ICMRBS を 終 え、 荒SSI を利用する、SSI-subtilisin 複合体中の切断結田さんと一緒に Marceill 駅に移動しました。私は合（Met -Val ）の電子状態に関する NMR 研究手

Caltech 時代の友人を Grenoble に訪ね、荒田さん

法に関する提案を致しました。班員の皆さんは、は別途 Paris に向かう予定でした。一人駅のホー

私の提案の独創性は理解して頂けたものの、そのムに荒田さんは降りて周囲の風景を写真に撮って実現性に関しては大いに疑いをもっておられたといたところ、何の前触れもなく電車が動き出したのことです。しかしながら、翌 79 年 6 月に東京大のです。荒田さんの荷物は車内にありますので、学理学部の向山光昭教授の研究室で修士課程を終

車窓越しに困惑した顔を見合わせるしかなかった

えたばかりの優秀な新入研究員辻尚志氏が加わっことを、今となっては懐かしく思い出します。電たことで、僅か一年足らずの間に、等価なダイ

車はホームを変更するために動いただけで別のマーとして分子量 23 kDa の SSI の主鎖カルボニル

ホームに戻り幸い事なきを得ましたが。邯鄲の夢

炭素 C-NMR シグナルの帰属手法の開発、更にの如く一瞬の内に過ぎた研究人生ですが、その源

は分子量 78 kDa の（2：2）SSI-subtilisin 複合体中流を求めれば荒田さんとの出会いの頃に遡ることの Met の C-NMR シグナルの測定に成功しましがおわかり頂けることでしょう。掛け替えのないた。この結果、複合体における切断結合（scissile

友、畏友荒田さんが突然亡くなられたことは、日bond）に関する詳細な構造情報を入手することが本の NMR 研究にとっても大きな喪失であり、たでき、従来の X 線解析結果で提案されていた切断だ呆然と立ち尽くすばかりです。

73

74

13

73

13

結合の歪に関する明確な結論を得ることができました。この成果をもって、1980 年 9 月に地中海の小島 Bendor（France）で開催された 9th ICMRBSに参加し、SSI に関する研究成果を poster 発表しました。ところが、会場で思いがけず口頭での追加発表を依頼され、満足な資料もなく口頭発表をしなくてはならず、困り切ったことを覚えております。帰国直後の 1980 年 10 月 1 日に、合計 16 年余り在籍した味の素㈱中央研究所の主任研究員を

文 献［1］ Masatsune Kainosho, https://www.weizmann.
ac.il/ISMAR/yoji-arata-1934-2019-1［2］ 嶋田一夫，ファルマシア，55 (10), 960–961 (2019).
［3］ William Price, ANZMAGazine, 7, 12 (2019).
［4］ 三森文行，日磁医誌 , 39 (3), 69 –70 (2019).
［5］ 荻野孝史，日磁医誌 , 39 (3), 70 –71 (2019).
［6］ 日本核磁気共鳴学会，Bull. NMR Soc. Japan, 9, 6 –7
(2018).

10

巻より特定のペプチド結合を選択的に二重標識した

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

ゲットとして選定し、様々な専門的観点から多角

9

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

追 悼 抄

故荒田洋治先生を偲ぶ
大阪大学名誉教授、横浜市立大学客員教授

阿久津 秀雄akutsu@yokohama-cu.ac.jp

私にとって荒田洋治先生は故藤原鎭男先生とのCorrelation Spectroscopy の方が効率がよいとい関係を抜きにして考えられません。藤原先生はう J. Dadok らの考えを発展させたシステムを荒田

わが国において最初の核磁気共鳴装置を作製し、先生が発表しました。これを聞いて私達も京極研

NMR 討論会の立ち上げとその後の発展に寄与さの PS-100（JEOL）NMR 装置に自作の相関システ

れました。荒田先生は藤原先生の下で仕事を始め

ムを構築して試してみたものです。

られ、その後を受けてわが国の NMR 分野の国際

私は生体膜系に興味を持っていましたので、荒的な発展に尽くされました。その生涯にはわが国

田先生が大きな系の NMR への挑戦として免疫グにおける NMR 研究を立ち上げた研究室の使命感

ロブリン IgG の解析に取り組み始めたことに共が流れているように感じられました。

感を覚えていました。その頃、私はスイスバー

私は大阪大学蛋白質研究所京極研究室に採用

ゼル大学 J. Seelig 教授の下で選択的に重水素化さされた 1972 年から NMR 討論会に参加するようれた脂質二重膜と金属イオンの相互作用についになった改宗組で、藤原先生は雲の上の人でして固体 NMR による研究を行いました。この方法た。荒田先生は Jardetzky 研究室から戻って、そを自分の研究に取り入れるために、帰国して FX-

こでの経験を生き生きと語っていたのが印象に100（JEOL）を固体 NMR 用に改造して、主に 31P

残っています。彼我の研究環境の違いに危機感をを使ってウイルスや細胞等の大きな系の解析に取抱いているようでした。重水をドラム缶で買ってり組みました。1984 年のインド Goa で開催され湯水のように使っているという話は有名です。荒

た第 11 回 ICMRBS（生体系磁気共鳴国際会議）で田先生の話は私たちにいろいろな形で影響を与えはインタクトなλファージの中での DNA ダイナました。例えば、タンパク質のアミドプロトンをミックスについて報告しました。これは私の視点

観測する際に軽水信号の影響を除く際には、全からの Arataism へのアプローチでした。この学

信 号 を 同 時 に 取 り 扱 う pulse-Fourier Transform

会では、たまたま荒田、甲斐荘両先生が泊まって（pFT）法よりも軽水信号を除いてスキャンする

いた部屋の向かいが私の部屋であったため、3 人

追
悼
抄
写真
10

受領日：2019 年 9 月 13 日

インド、ゴアの街角で（1984 年）

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

時、リケジョとは思えない華やかな女子学生と二ゴアの海岸や街なかにも繰り出してインドの奥深人で現れ、蛋白研中の噂になりました。勿論、おい哲学的雰囲気に触れることができました。写真

弟子さんを教育するために伴われたわけで、何のはそのような折りに甲斐荘先生に撮ってもらった問題もありませんが、荒田先生に持っていた先入巡礼風景です。写真からも想像できますが荒田先

観とのコントラストがなんともメルヘンチックで生は大変思慮深く、インドでマラリヤ等のさまざした。学生の指導ではいつもの謹厳な先生でした

まな病魔から身を守る術をよく研究し、身につけが、うちうちに集まった時に冷やかすと笑みがこていました。何の備えもない私は半日寝込む羽目

ぼれてきました。

になりましたが、荒田、甲斐荘両先生は帰国までピンピンとしておりました。

荒田先生は東大薬学部教授の頃から若手のための国際ワークショップに取り組み、世界の第一線で活躍していた研究者を次々と招聘して日本の若に IgG 研究を展開され、次々と成果を花開かせま

手研究者が顔見知りになり、国際感覚をつける機した。IgG に取り組んでいる自分の姿を荒田先生

会をつくりました。また、難産であった、NMR

はよくドンキホーテに喩えておりましたが、私討論会の発展としての日本核磁気共鳴学会の創立には刻苦勉励して己が求める NMR の理想を極めに尽力し、その初代会長としてわが国の NMR コ

んとする求道者のように見えました。痩躯と謹厳ミュニティーの発展に貢献しました。

な相貌がその思いを強くさせたのかもしれませ藤原鎭男先生が中心となって立ち上げた日本のん。しかし、謹厳な荒田先生の巧まざるサプライ

NMR 分光学とそのコミュニティーの発展に対すズに出会うこともあります。荒田先生は蛋白研る使命感を荒田洋治先生は最後まで持ち続け、全の NMR 装置を時々使いに来ておりました。あるうされたと思います。

10

巻

その後、荒田先生は東大薬学部に移り、本格的

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

でいろいろ話をする機会に恵まれました。また、

11

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

追 悼 抄

我が恩師 荒田洋治先生を偲ぶ
自然科学研究機構 生命創成探究センター
名古屋市立大学 大学院薬学研究科

加藤 晃一
kkatonmr@ims.ac.jp

3 月 5 日の穏やかな朝に、荒田洋治先生のご逝めています。

去の報に接したことは私にとってまさに晴天の霹

博士課程進学を機に、私は荒田先生のもとで靂でした。現会長のつとめとして、初代会長の訃

NMR による抗体分子の構造研究に取り組ませて報をともかく配信はしたものの、私自身は学会のいただくことになりました。抗体は分子量 15 万活動とは別次元の、極めて個人的な喪失感を禁じを越える巨大な糖タンパク質で、当時の NMR の得ない想いでおりました。そしてその想いは時間アプローチ法でこれを研究対象とすることは、荒が経過しても薄らぐ兆しは見えません。追悼文を

唐無稽とも思える試みでした。しかも、荒田先生

寄せるこの機会に、私の恩師である荒田洋治先生

が当初対象としていた抗体試料は骨髄腫患者の検との思い出を振り返らせていただきたいと思いま

体から単離されたものでした。したがって、安定す。

同位体標識技術はおろか、アミノ酸配列の情報す

荒田先生との出会いは昭和 61 年（1986 年）の春

1ら手にすることなく、1 次元 H NMR による地道でした。当時、東京大学薬学部の修士課程の学生な研究が丹念に進められていました。幸い、私がとして私が所属していた薬品物理化学教室に、坪博士課程の研究テーマを決めるときには、アミノ

井正道教授の後任として荒田洋治先生が理学部生

酸配列がわかっている一連のモノクローナル抗体

物化学科から着任されました。当時の研究室は、を研究室で扱うことができる状況になっており、

主に振動分光学を専門としていた旧坪井研のス

都立大学（当時）の甲斐荘先生のお力添えもあっタッフと学生、そこに配属してきた薬学部学生とて、ほどなくアミノ酸選択的な安定同位体標識も日本女子大学からの受託学生、そして荒田先生とできるようになりました。

ともに理学部から加わった大学院生といった極め

当時、荒田先生の教授室には、大小の 2 人の金てヘテロな集団から構成されていました。ちなみ太郎が抗体の四次構造を支えている様子を描いに、荒田先生は当時、「サイエンスの本質はヘテた手作りの cartoon（図 1：IgG の像）が飾られてロジニアス」としばしば口にされていました。異いました。おそらくそれが荒田先生の抗体構造

分野融合が推進される現在の潮流の中で、私は荒の直感的描像であり、私たちはこの判じ絵にこ

田先生のこの言葉をある種の感慨を持って噛みしめられた作業仮説の検証に向けて標識試料の調製と NMR 計測に明け暮れる日々を送っていました。荒田先生は、抗体のような大きな系を扱うためには愚直一徹、ドン・キホーテの精神で行こうと私たち学生をエンカレッジされていました。私たちが取り組んでいた研究の主な部分は、1 次元

C NMR の 1 つのピークの帰属のために 1 種類の13標識抗体を調製して計測するという、今にして思追えばかなり気の長いアプローチ法ですが、個々の悼

ピークの帰属の成否を荒田先生とともに一喜一憂

抄

しながら実験していたことは良き思い出です。そして、東京都臨床医学総合研究所より嶋田一夫先
図 1 東大ご在職時に教授室に飾られていた抗体の概念図

12

受領日：2019 年 9 月 21 日

生を研究室に迎えられ、さらに西村千秋学兄もス
タッフに加わり、荒田研の研究は急速に充実発展BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

写真 2 ご退職後の悠々自適のひととき（2005 年夏
御徒町のぽん多にて）

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

写真 1 東大薬学部の退官記念誌（平成６年）より

13

巻

10

していきました。

取り入れて抗体の構造研究を展開されてきまし

一方その頃、海外では多次元 NMR を主体とした。荒田先生は、抗体の NMR 研究に着手されてたタンパク質の溶液内 3 次元構造の決定手法が確

まだ間もない時期に、国内外の著名な免疫学者と立され、生体分子の NMR 研究の大きな流れが形

人的ネットワークを構築されていました。こうし成されつつありました。荒田先生はこうしたトレ

たことは今にして思えば驚くばかりですが、おそンドにはあえて背を向けられ、研究において独自

らく「愚直一徹」を実践された荒田先生のお人柄のスタイルを貫くことに徹底的にこだわっておらが多くの人達を惹きつけ、このような交流を可能れました。当時、荒田先生は薬学部の物理化学のにしたのだと思います。研究者としての意気地と講義の中で、谷崎潤一郎の「陰翳礼讃」や世阿弥

豊かな好奇心とが渾然一体となった妙境を荒田先の「風姿花伝」の一節を紹介されて、科学のあり

生は楽しんでおられたことでしょう。

ようと研究者の精神について学部学生に真摯に問いかけられていました。

荒田先生のもとで培われた抗体の NMR 研究
は、嶋田先生のグループで活発に展開されている

その一方で、荒田先生は海外の第一線の研究者

膜タンパク質の構造ダイナミクス研究へと発展すを頻繁に招かれ、我が国の NMR 研究者、特に若るとともに、私たちが取り組んでいる糖鎖の生命手研究者との交流の場を設けることに並々ならぬ分子構造学研究へと受け継がれています。そして情熱を注がれました。また、意気投合した数多く

何より、私たちは荒田先生のもとで NMR の技術の共同研究者との交流を通じて、結晶構造解析、論を越えた研究の精神を深く学ばせていただきま分子モデリング、溶液散乱、質量分析、糖鎖プロした。この想いを次世代へとつなぐことをお約束

ファイリングなど、NMR 以外の手法も積極的にしつつ、改めて哀悼の誠を捧げます。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

解説

20 kHz 級 MAS 条件の D-HMQC & D-RINEPT
産業技術総合研究所

触媒化学融合研究センター

永島 裕樹
nagashima-hiroki@aist.go.jp

1. はじめにHeteronuclear dipolar (DIS) recoupling によって達成する Dipolar-mediated Heteronuclear Multiple Quantum

Correlation (D-HMQC)と Dipolar-mediated Refocused Insensitive Nuclei Enhanced by Polarization Transfer (DRINEPT)は、近年、四極⼦核を含む相関実験において、実験条件設定の簡便さと種々のロバスト性[1]から CPMAS の代わりに使⽤され、様々な材料への適⽤が進んでおり、２次元相関実験のみならず、

核間距離測定やフィルター法としての利⽤も⼤変有効である。特に⾼速 MAS ( ≧ 40 kHz)を組み合わせることで、1H と四極⼦核の相関実験を効率よく達成でき、これまで得られなかった構造情報の取得に成功している。⼀⽅で、1H を含まない相関実験の場合には低〜中速 MAS 条件(≦ 20 kHz)で達成可能であり、試料量も稼げることから 3.2 mm あるいは 4 mm の試料管を⽤いて実施されている。本

記事では、20 kHz 以下の MAS 条件での D-HMQC と D-RINEPT を利⽤した 1/2 核と半整数四極⼦核の相関実験を解説する。また、必然的に DIS recoupling の知識が必要になるため、最初に簡潔に解説する。具体的な事例は著者のリール⼤学での博⼠課程中の研究結果を主に取り上げるが、関連したトピックにも触れていきたい。

2. Heteronuclear dipolar (DIS) recoupling

はじめに D-HMQC あるいは D-RINEPT で使⽤される DIS recoupling について説明する。これまで多くの Recoupling sequence が提案されているが、⽬的に適したものを選ぶことが実験達成の鍵になる。

全ての DIS recoupling を詳細に説明することは厳しいので、ここでは MH. Levitt et al. が発展させた

Symmetry 理論 (C𝑁𝑁𝑁𝑁$% , R𝑁𝑁𝑁𝑁$% ) [2]を導⼊して、いくつかを説明する。Symmetry 理論は規約テンソルの回転の定義に基づいて、MAS などによる空間回転によって⽣じる2𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙 𝑙個の Space components 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚−𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙 𝑙𝑙 𝑙 𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 と RF 磁場によるスピン回転によって⽣じる2𝜆𝜆𝜆𝜆 𝜆𝜆個の Spin components 𝜇𝜇𝜇𝜇 𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇
1,,,+𝜆𝜆𝜆𝜆 を使って Recoupling あるいは Decoupling を説明する。

まず、MAS 条件の相互作⽤表⽰中の各スピン相互作⽤の l, m, l, µ の値を Table.1 に⽰す。

𝐑𝐑𝐑𝐑𝐑𝐑𝐑𝐑𝝂𝝂𝝂𝝂𝒏𝒏𝒏𝒏 sequence
今回は DIS recoupling によく使⽤されるR𝑁𝑁𝑁𝑁$% (Fig.1b)に着⽬する。⼀般的に R𝑁𝑁𝑁𝑁$% は C𝑁𝑁𝑁𝑁$% よりも、望みのスピン相互作⽤を recouple し、欲しくないスピン相互作⽤を効率よく decouple する傾向にある。

R𝑁𝑁𝑁𝑁$% は次のように構築する。

(x 軸周りに in180the
度回転させるものを選ぶ必要がある)(i) Components
R 5 elementofの選択
spin interactions
interaction frame under MAS. The spatial components
Table.1for𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋exact
magic angle spinningR:5
in の作成the case of l = 2
with m⁄𝑁𝑁𝑁𝑁 の符号を逆転させた(ii)= 0 disappear
位相 𝜙𝜙𝜙𝜙 𝜙: component
rank
Space
Spin rank(iii)
R𝑁𝑁𝑁𝑁$% = ;R 5 R:5Space< を構築する(RN/2 回繰り返す)
5 R 5 のペアをInteraction
=/?

l

λ

m

解

ここで重要な３つのsymmetry0number (N, 𝜋𝜋𝜋𝜋, n)が登場した。NはR𝑁𝑁𝑁𝑁$% の R-1,は0,RFδ
0
1 element の個数、ν
1 位相
iso

説

⁄𝑁𝑁𝑁𝑁)と結びつき、n は 2R𝑁𝑁𝑁𝑁$% 全体の⻑さ(𝑛𝑛𝑛𝑛𝜏𝜏𝜏𝜏(𝜙𝜙𝜙𝜙 𝜙 𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋CSA)に関係し、これから-2, C-1,
1, 2
1 RF 磁場強度は 𝜔𝜔𝜔𝜔-E1,=0,𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁
1 C ⁄2𝑛𝑛𝑛𝑛-1, 1, 2の選択でも変わり、もし-2, -1,element
R elementに0,270(単純なpDIIpulse の場合) で与えられる。𝜔𝜔𝜔𝜔
2
2
1, o2-90o
E は R-2,- ⁄𝑛𝑛𝑛𝑛-1,となる。実際の実験では-1, 0, 1
DISp pulse を選択した場合には𝜔𝜔𝜔𝜔21, 2
1
R𝑁𝑁𝑁𝑁$% を 1/2 核のみに照射
composite
E = 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁C2,

JII
0
0
0
する場合、1/2核に対して 𝜔𝜔𝜔𝜔E0を決定すれば良いので、四極⼦核を含む
CPMASに⽐べて実験条件の設
-

0%
0
1
1, 0, 1IS定が単純である。ここで、R𝑁𝑁𝑁𝑁$ の recoupling あるいは decoupling がどのように⽣じるのか確認する。
J

14

Spin componentμInteraction
frame
Hamiltonian(詳しい導出はRef[3]を参照)は
R𝑁𝑁𝑁𝑁$% の2019
年 9 月 12
日 受理日：
2019 年
10 月 1 日 編集委員：西山裕介
受領日：
GHIJK (𝑡𝑡𝑡𝑡Q )exp V𝑖𝑖𝑖𝑖
GHIJK L𝑡𝑡𝑡𝑡N O = 𝐻𝐻𝐻𝐻
𝐻𝐻𝐻𝐻

2𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜆𝜆𝜆𝜆𝑁𝑁𝑁𝑁Y𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛𝑛𝑛 − 𝜇𝜇𝜇𝜇𝜋𝜋𝜋𝜋 − Z[
𝑁𝑁𝑁𝑁
2

せることで、1H と四極⼦核の相関実験を効率よく達成でき、これまで得られなかった構造情報の取得に成功している。⼀⽅で、1H を含まない相関実験の場合には低〜中速 MAS 条件(≦ 20 kHz)で達成

BULLETIN OF THE NUCLEAR 3.2
MAGNETICRESONANCESOCIETY OF JAPAN 2019 Vol.10
可能であり、試料量も稼げることからmm あるいは
4 mmの試料管を⽤いて実施されている。本15

記事では、20 kHz 以下の MAS 条件での D-HMQC と D-RINEPT を利⽤した 1/2 核と半整数四極⼦核のる。具体的な事例は著者のリール⼤学での博⼠課程中の研究結果を主に取り上げるが、関連したトピックにも触れていきたい。

2. Heteronuclear dipolar (DIS) recoupling

はじめに D-HMQC あるいは D-RINEPT で使⽤される DIS recoupling について説明する。これまで多くの Recoupling sequence が提案されているが、⽬的に適したものを選ぶことが実験達成の鍵になる。

全ての DIS recoupling を詳細に説明することは厳しいので、ここでは MH. Levitt et al. が発展させた

Symmetry 理論 (C𝑁𝑁𝑁𝑁$% , R𝑁𝑁𝑁𝑁$% ) [2]を導⼊して、いくつかを説明する。Symmetry 理論は規約テンソルの回転の定義に基づいて、MAS などによる空間回転によって⽣じる2𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙 𝑙個の Space components 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚

hierarchyof Rあるいは
sequence.
(a) R element(e.g. simple π pulse, Windowed π pulse, Composite
Fig.1
1,,,+𝜆𝜆𝜆𝜆Generalを使ってRecoupling
Decouplingを説明する。

π pulse, Adiabatic inversion pulse). (b) RN n sequence which is composed of N/2 phase alternating RɸR´ɸ
まず、MAS 条件の相互作⽤表⽰中の各スピン相互作⽤の l, m, l, µ の値を Table.1 に⽰す。
pairs. A selection of time points is indicated as tq (q = 0, ..., N-1). The whole sequence spans exactly nrotational periods. (c) Supercycle. 120° phase shift supercycle ([RN nv ]0 [RN nv ]120 [RN nv ]240) and phase inversion
𝐑𝐑𝐑𝐑𝐑𝐑𝐑𝐑𝝂𝝂𝝂𝝂𝒏𝒏𝒏𝒏 sequence
supercycle(RN nv RN nv ’ ) are commonly utilized for DIS recoupling sequence.
v

今回は DIS recoupling によく使⽤されるR𝑁𝑁𝑁𝑁$% (Fig.1b)に着⽬する。⼀般的に R𝑁𝑁𝑁𝑁$% は C𝑁𝑁𝑁𝑁$% よりも、望みのスピン相互作⽤を recouple し、欲しくないスピン相互作⽤を効率よく decouple する傾向にある。

R𝑁𝑁𝑁𝑁$% は次のように構築する。
(i)

(ii)

(iii)

R 5 element の選択 (x 軸周りに 180 度回転させるものを選ぶ必要がある)

位相 𝜙𝜙𝜙𝜙 𝜙 𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋 ⁄𝑁𝑁𝑁𝑁 の符号を逆転させた R:5 の作成
R𝑁𝑁𝑁𝑁$% = ;R 5 R:5 <=/?

を構築する(R 5 R:5 のペアを N/2 回繰り返す)

ここで重要な３つの symmetry number (N, 𝜋𝜋𝜋𝜋, n)が登場した。N はR𝑁𝑁𝑁𝑁$% の R element の個数、ν は RF 位相(𝜙𝜙𝜙𝜙 𝜙 𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋 ⁄𝑁𝑁𝑁𝑁)と結びつき、n は R𝑁𝑁𝑁𝑁$% 全体の⻑さ(𝑛𝑛𝑛𝑛𝜏𝜏𝜏𝜏C )に関係し、これから RF 磁場強度は 𝜔𝜔𝜔𝜔E = 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁C ⁄2𝑛𝑛𝑛𝑛(単純なp pulse の場合) で与えられる。𝜔𝜔𝜔𝜔E は R element の選択でも変わり、もし R element に 270o-90ocomposite p pulse を選択した場合には𝜔𝜔𝜔𝜔E = 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁C ⁄𝑛𝑛𝑛𝑛 となる。実際の実験では R𝑁𝑁𝑁𝑁$% を 1/2 核のみに照射する場合、1/2 核に対して 𝜔𝜔𝜔𝜔E を決定すれば良いので、四極⼦核を含む CPMAS に⽐べて実験条件の設定が単純である。ここで、R𝑁𝑁𝑁𝑁$% の recoupling あるいは decoupling がどのように⽣じるのか確認する。
R𝑁𝑁𝑁𝑁$% の Interaction frame Hamiltonian (詳しい導出は Ref[3]を参照)は𝜆𝜆𝜆𝜆𝑁𝑁𝑁𝑁
2𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋
GHIJK (𝑡𝑡𝑡𝑡Q )exp V𝑖𝑖𝑖𝑖
GHIJK L𝑡𝑡𝑡𝑡N O = 𝐻𝐻𝐻𝐻
Y𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛𝑛𝑛 − 𝜇𝜇𝜇𝜇𝜋𝜋𝜋𝜋 − Z[
𝐻𝐻𝐻𝐻
2
𝑁𝑁𝑁𝑁
ここで 𝜋𝜋𝜋𝜋 は Fig.1b に⽰すように𝑡𝑡𝑡𝑡N = 𝑡𝑡𝑡𝑡Q + 𝜋𝜋𝜋𝜋𝜏𝜏𝜏𝜏\ として 𝜋𝜋𝜋𝜋 = 0, . . . , 𝑁𝑁𝑁𝑁 𝑁𝑁 である。続いて、1st order average(E)d e fg________
GHIJK
Hamiltonian Y𝐻𝐻𝐻𝐻= 𝑇𝑇𝑇𝑇 aE ∫d ee
e

GHIJK (𝑡𝑡𝑡𝑡)𝑑𝑑𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡Z をとると、次の選択則が導かれる。
𝐻𝐻𝐻𝐻
(E)

________
GHIJK
𝐻𝐻𝐻𝐻

= 0 if 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛𝑛𝑛 − 𝜇𝜇𝜇𝜇𝜋𝜋𝜋𝜋 ≠=?

∙ 𝑍𝑍𝑍𝑍J

ここで、 l が偶数の場合 𝑍𝑍𝑍𝑍J = 0, ±2, ±4, . .. 、奇数の場合 𝑍𝑍𝑍𝑍J = ±1, ±3, ±5, . ..となる。実際、後述する(E)________
˜uHIJK
R18p? = {180pQ 180apQ }s の DIS coupling と CSA に関して、{𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙} = {2, ±2, 1, ∓1}の値から 𝐻𝐻𝐻𝐻
0 v𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛𝑛𝑛 − 𝜇𝜇𝜇𝜇𝜋𝜋𝜋𝜋 = ±9 =

=
?

1

≠

∙ 𝑍𝑍𝑍𝑍J x と な る 。 対 照 的 に 、 Homonuclear dipolar (DII) coupling に 関 し て は(E)________u˜HIJK = 0 (𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛𝑛𝑛 − 𝜇𝜇𝜇𝜇𝜋𝜋𝜋𝜋 ≠∙ 𝑍𝑍𝑍𝑍J )となる。従って、R18p? の照射は DIS、
{𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙} = {2, 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚}において、 𝐻𝐻𝐻𝐻

CSA recoupling と同時に DII decoupling が達成されることを意味する。

(E)________
˜uHIJK⼀ ⽅ 、 R16pz の 場 合 、 DIS coupling と CSA に 関 し て は {𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙} = {2, ±1, 1, ∓1} か ら 𝐻𝐻𝐻𝐻

0 v𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛𝑛𝑛 − 𝜇𝜇𝜇𝜇𝜋𝜋𝜋𝜋 = ±8 ==?

0 v𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛𝑛𝑛 − 𝜇𝜇𝜇𝜇𝜋𝜋𝜋𝜋 = ±16 =(E)________
˜uHIJK∙ 𝑍𝑍𝑍𝑍J xとなるが、DII coupling に関しても{𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙} = {2, ±2, 2, ∓2}から𝐻𝐻𝐻𝐻

=
?

≠
≠

∙ 𝑍𝑍𝑍𝑍J x と な り 、 DIS 、 DII 、 CSA recoupling が ⽣ じ る 。 す な わ ち R16pz は DII

decoupling が伴わないため、DII coupling が⼤きい場合には使⽤しないほうが良い。上記の議論は各ス

ピン相互作⽤に対して Space-Spin Selection (SSS) diagram で図にまとめるとわかりやすい[2]。同様に 2nd(?)________
GHIJK
order average Hamiltonian 𝐻𝐻𝐻𝐻についても選択則が導かれ、R𝑁𝑁𝑁𝑁$% の性能に影響を与えるが、ここでは取り扱わない。次に DIS recoupling の各性質について述べる。

10

巻−𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙 𝑙𝑙 𝑙 𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 と RF 磁場によるスピン回転によって⽣じる2𝜆𝜆𝜆𝜆 𝜆𝜆個の Spin components 𝜇𝜇𝜇𝜇 𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

相関実験を解説する。また、必然的に DIS recoupling の知識が必要になるため、最初に簡潔に解説す0 v𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛𝑛𝑛 − 𝜇𝜇𝜇𝜇𝜋𝜋𝜋𝜋 = ±16 ==?

∙ 𝑍𝑍𝑍𝑍J x と な り 、 DIS 、 DII 、 CSA recoupling が ⽣ じ る 。 す な わ ち R16pz は DII

decoupling が伴わないため、DII coupling が⼤きい場合には使⽤しないほうが良い。上記の議論は各ス

BULLETIN Space-Spin
OF THE NUCLEARMAGNETICRESONANCESOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10 [2]。同様に 2nd
ピン相互作⽤に対してSelection(SSS) diagram
で図にまとめるとわかりやすい(?)________
GHIJK
order average Hamiltonian 𝐻𝐻𝐻𝐻についても選択則が導かれ、R𝑁𝑁𝑁𝑁$% の性能に影響を与えるが、ここでは取り扱わない。次に DIS recoupling の各性質について述べる。

G 𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑰𝑰𝑰𝑰𝑰𝑰𝑰𝑰
Recoupled DIS Hamiltonian _______
𝑯𝑯𝑯𝑯(𝟏𝟏𝟏𝟏)(E)______
GÄ,ÅÇ
1 チャンネル のR𝑁𝑁𝑁𝑁$% 照射の場合、Longitudinal two spin order あるいは Single quantum の 𝐻𝐻𝐻𝐻
(E)______
GÄ,ÅÇ
る。実際にR4E? とR18p? の𝐻𝐻𝐻𝐻
GÄ,ÅÇ
𝐻𝐻𝐻𝐻
R4E? ： ______

(E)

はそれぞれ

を作

|I|Ñ?
= 𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üá 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá (Longitudinal two spin order)

(E)
|I|Ñ?
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
GÄ,ÅÇ = 𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ
𝐻𝐻𝐻𝐻âcosL2𝛾𝛾𝛾𝛾éèO2𝐼𝐼𝐼𝐼Üê 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá − sinL2𝛾𝛾𝛾𝛾éèO2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá î (Single quantum)
R18p? ： ______

Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ Ä,ÅÇ
である。ここで、ΩÄ,ÅÇéè = ;𝛼𝛼𝛼𝛼éè , 𝛽𝛽𝛽𝛽éè , 𝛾𝛾𝛾𝛾éè < は Principle axis system(PAS)と Rotor fixed frame 間の Euler

angle を表す。𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ は Effective dipolar coupling といい、 DIS recoupling によって異なり、R4E? では|I|Ñ?

𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ

|I|

Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
= 𝑏𝑏𝑏𝑏ÅÇ sin? L𝛽𝛽𝛽𝛽éè
O cosL2𝛾𝛾𝛾𝛾éè
O、R18p? では 𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ
E
ü

|I|Ñ?

Ä,ÅÇ
= 𝜅𝜅𝜅𝜅 ü 𝑏𝑏𝑏𝑏ÅÇ sin? L𝛽𝛽𝛽𝛽éèO となる。𝜅𝜅𝜅𝜅 は後述する
z√?

Scaling factor、𝑏𝑏𝑏𝑏ÅÇ = − ü£e •® ©¶ は Heteronuclear dipolar coupling constant である。CPMAS のような ZeroK § § ℏ•¶

(E)______
GÄ,ÅÇ を得るには、R𝑁𝑁𝑁𝑁$%¶ とR𝑁𝑁𝑁𝑁$%™ を
quantum (flip-flop)あるいは Double quantum (flip-flip or flop-flop)の 𝐻𝐻𝐻𝐻

各々のチャンネルに同時に照射する Dual symmetry sequence R𝑁𝑁𝑁𝑁$ ¶ ™ にしなければならない[3]。例えば、% ,%に該当すると考えられる。また、1 チャンネル のR𝑁𝑁𝑁𝑁$% 照射の場合、
MAS 条件の COMPOZER[4]はC8E,ap?

CSA は {𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙} が DIS coupling と同じなので、CSA と DIS の Recoupling は同時に⽣じる。Recoupled
CSA Hamiltonian は(E)|I|Ñ? ÜG´¨≠ = 𝜔𝜔𝜔𝜔´ÇÆ
𝐻𝐻𝐻𝐻
𝐼𝐼𝐼𝐼á
R4E? ： ______

(E)
|I|Ñ?
Ä,ÅÇ Ü
Ä,ÅÇ Ü
G´¨≠ = 𝜔𝜔𝜔𝜔´¨≠
𝐻𝐻𝐻𝐻âcosL2𝛾𝛾𝛾𝛾éèO𝐼𝐼𝐼𝐼ê + sinL2𝛾𝛾𝛾𝛾éèO𝐼𝐼𝐼𝐼ì î
R18p? ： ______
(E)

(E)

GÄ,ÅÇ
で あ る の で 、 Longitudinal two spin order ______
𝐻𝐻𝐻𝐻
(E)

______
GÄ,ÅÇ
Quantum 𝐻𝐻𝐻𝐻

(E)______G´¨≠
では 𝐻𝐻𝐻𝐻(E)______
GÄ,ÅÇ
と不可換 Ø𝐻𝐻𝐻𝐻

G´¨≠
で は ______
𝐻𝐻𝐻𝐻
(E)

G´ÇÆ
, ______
𝐻𝐻𝐻𝐻(E)______
GÄ,ÅÇ
と 可 換 Ø𝐻𝐻𝐻𝐻(E)______G´ÇÆ
, 𝐻𝐻𝐻𝐻∞ = 0 、 Single∞ ≠ 0 になるため、照射核に⼤きな CSA が存在する場合には Longitudinal two spin order が感度的に有利になる。

Dipolar truncation
Dipolar truncation とは i スピンと j スピンに強い相互作⽤があり、なおかつ i スピンと k スピンに弱
(E)
(E)
(E)
____________
GÄ,ÅÇ の効果が抑制される現象であGÄ,ÅÇ ∞ ≠ 0 である場合、𝐻𝐻𝐻𝐻
GÄ,ÅÇ , ______
𝐻𝐻𝐻𝐻
い相互作⽤があるときに、Ø𝐻𝐻𝐻𝐻(𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊)(𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊)(𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊)

る。すなわち、i スピンと k スピンの弱い相互作⽤は消えたように振る舞う。従って、Dipolar2

truncation は⻑距離相関の妨げとなるため、特に 13C ラベルを⽤いての DII recoupling 実験の場合には⼤きな問題となる。⼀⽅、DIS recoupling の場合、Dipolar truncation は Longitudinal two spin order の場合に
(E)

(E)

(E)

(E)

__________________
GÄ,ÅÇ , ______
GÄ,ÅÇ ∞ = 0Z、Single quantum の場合に⽣じるYØ𝐻𝐻𝐻𝐻
GÄ,ÅÇ ∞ ≠ 0Z。そのたGÄ,ÅÇ , 𝐻𝐻𝐻𝐻
𝐻𝐻𝐻𝐻
は⽣じなくYØ𝐻𝐻𝐻𝐻(𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊)(𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊)(𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊)(𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊)

め、⾃然存在⽐が⾼い核に対して、DIS recoupling を使い分けることで、⻑距離相関と近接相関のコン

トロールが可能になると考える。

γ-encoding

解

(E)
Ä,ÅÇ
______
GÄ,ÅÇ のノルムが 𝛾𝛾𝛾𝛾éè
𝐻𝐻𝐻𝐻に依存しない場合の Recoupling sequence は g-encoding であるという[5]。例えば、Rotary Resonance Recoupling (R3) (𝜋𝜋𝜋𝜋E = 𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋C , 𝜋𝜋𝜋𝜋 = 1,2)[6]の場合、

説(E)______
GÄ,ÅÇ
¥𝐻𝐻𝐻𝐻

(E)

______
GÄ,ÅÇ
𝐻𝐻𝐻𝐻

E/?

|I|ÑE

1

Ä,ÅÇ
πsinL2𝛽𝛽𝛽𝛽éè
Oπ
2√2
|I|
Ä,ÅÇ
に依存しな
となり、g-encoding である。すなわち、g-encoding は Effective dipolar coupling 𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ が 𝛾𝛾𝛾𝛾éè

い。⼀⽅、R4E? では 𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ

|I|Ñ?

16

(E) ∑

______
GÄ,ÅÇ
¥ = Tr ∂𝐻𝐻𝐻𝐻∏= π𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ π =

Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
= 𝑏𝑏𝑏𝑏ÅÇ sin? L𝛽𝛽𝛽𝛽éè
O cosL2𝛾𝛾𝛾𝛾éè
Oであり、𝛾𝛾𝛾𝛾éè
に依存するので non-g-encodingEüである。R symmetry による簡易的な区別は、m と µ が bijection でない場合(e.g. R18p? ) {𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙} ={2, ±2, 1, ∓1} は γ-encoding、m とµ が bijection である場合 (e.g. R4E? ) {𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙} = {2, ±2, 1, 0} は non-γ-

encoding となる[2]。γ-encoding の性質は、(i) γ-encoding は non-γ-encoding よりも励起効率が 25%⾼い、

Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ

Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ

Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ

éè
éè
éè

Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ

2√2
2√2
|I|
|I|
|I|
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
-encodingである。すなわち、である。すなわち、gg-encoding-encodingははEffective
Effectivedipolar
dipolarcoupling
coupling𝜔𝜔𝜔𝜔𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ
が𝛾𝛾𝛾𝛾𝛾𝛾𝛾𝛾éè
に依存しな
となり、
となり、gg-encodingéèéè に依存しな
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇが

Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
??
では𝜔𝜔𝜔𝜔𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ
== NUCLEAR
𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏ÅÇÅÇ
sin???L𝛽𝛽𝛽𝛽
L𝛽𝛽𝛽𝛽
cosL2𝛾𝛾𝛾𝛾
Oであり、𝛾𝛾𝛾𝛾に依存するのでnon-gg-encoding-encodingい。⼀⽅、R4い。⼀⽅、R4E?BULLETIN
OF THEMAGNETICRESONANCESOCIETéè
Yéè
OFに依存するのでJAPAN 2019 Vol.10 nonEEでは
ÅÇsin
éè
éè
éè OOcosL2𝛾𝛾𝛾𝛾
éèéèéè Oであり、𝛾𝛾𝛾𝛾
éè
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
|I|Ñ?
|I|Ñ?
|I|Ñ?

EEE
üüü

{𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙{2,±2,{2,{2,±2,が bijection
bijection である場合
である場合 (e.g.
(e.g.R4
R4E?E?E?)){𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙
𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙}𝑙𝑙𝑙𝑙}=={2,
±2,1,
1,0}
0}は
は non-γnon-γ±2,1,
1,∓1}
∓1}は
は γ-encoding、mγ-encoding、m と
とµµが

[2]
[2]
encoding
encodingとなるとなる[2]。γ-encoding。γ-encoding の性質は、(i)の性質は、(i) γ-encoding
γ-encodingははnon-γ-encoding
non-γ-encodingよりも励起効率がよりも励起効率が25%⾼い、25%⾼い、(ii)(ii) γ-encoding
γ-encoding ののBuild-up
Build-up curve
curveは
はdipolardipolar oscillation
oscillation が顕著である、(iii)が顕著である、(iii) γ-encoding
γ-encodingは⼀般的には⼀般的にMAS
MASの
の

Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
に依存しないため)、である。
不安定性にロバスト(MAS
不安定性にロバスト(MAS軸周りの𝛾𝛾𝛾𝛾
軸周りの𝛾𝛾𝛾𝛾éèéèéè に依存しないため)、である。

Scaling
Scaling factor
factor 𝜿𝜿𝜿𝜿𝜿𝜿𝜿𝜿𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅は分極移動の速さに関する指標であり、基本的に⼤きい⽅が好まれる。R𝑁𝑁𝑁𝑁
は分極移動の速さに関する指標であり、基本的に⼤きい⽅が好まれる。R𝑁𝑁𝑁𝑁$%$$%%の各スピン相互作⽤の各スピン相互作⽤

EEE[−𝛽𝛽𝛽𝛽Cøの場合、𝑑𝑑𝑑𝑑±EQ(𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡]==∓L1/√2O∓L1/√2Osin
sin𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽Cøとなり、
RFRF 磁場による核スピンの回転⾓度である。R18
磁場による核スピンの回転⾓度である。R18p?p?p?の場合、𝑑𝑑𝑑𝑑±EQ±EQ[−𝛽𝛽𝛽𝛽Cø
Cø(𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡]Cø
Cø となり、=𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋のとき最⼤となる。従って、これからのとき最⼤となる。従って、これからwindowed
windowedRRelement
element(P(Pp/2)のコンセプトが導)のコンセプトが導𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽Cø
p/2
p/2––𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏»
p/2
p/2
Cø
Cø=
»
»––PPp/2EEE[7][−𝛽𝛽𝛽𝛽Cø。R4。R4E?E?E? のの DDISISIS recoupling
recoupling の場合、𝑑𝑑𝑑𝑑の場合、𝑑𝑑𝑑𝑑QQ(𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡]==cos
cos𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽Cøとなるため、windowed RR
かれる(Fig.1a)
かれる(Fig.1a)[7][7]QQ
QQ[−𝛽𝛽𝛽𝛽Cø
Cø(𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡]
Cø
Cøとなるため、windowed/2 –– PPppp––𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏»»/2となる。windowedとなる。windowed RR element
elementははRF
RF磁場強度を⾼くしなければならないが、磁場強度を⾼くしなければならないが、
element
elementはは𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏»»»/2»/2𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅を改良するのに有効である。また、Compositeを改良するのに有効である。また、Composite pp pulse
pulse もも𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅を変える要因になるが、しばしばを変える要因になるが、しばしば𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅を⼩を⼩さくするので使⽤する場合は注意したい。
さくするので使⽤する場合は注意したい。

Supercycle
Supercycle
Supercycle
Supercycle ははR𝑁𝑁𝑁𝑁R𝑁𝑁𝑁𝑁$%$$%%のの RF
RF 位相などを変えて繰り返し構造を作ることで、Recoupling
位相などを変えて繰り返し構造を作ることで、Recoupling sequence
sequence の性能の性能のDDISISISrecoupling
recouplingにしばしば使⽤されるにしばしば使⽤されるSupercycle
Supercycleはは120
120ooophase
phaseshift
shiftsupercycle
supercycleを改良する(Fig.1c)。R𝑁𝑁𝑁𝑁を改良する(Fig.1c)。R𝑁𝑁𝑁𝑁$%$$%%のととPhasePhaseinversion
inversionsupercycle
supercycleの２つである。
の２つである。

[R𝑁𝑁𝑁𝑁$%$$%%]]QQQ………[R𝑁𝑁𝑁𝑁[R𝑁𝑁𝑁𝑁$%$$%%]]E?Q[R𝑁𝑁𝑁𝑁$%$$%%]]?üQ
phaseshift
shiftsupercycle
supercycleはは[R𝑁𝑁𝑁𝑁
の３stepphase
phasecycle
cycleによって、０と３の倍数によって、０と３の倍数
120120ooophase
E?Q
E?Q………[R𝑁𝑁𝑁𝑁?üQ?üQ………の３step
(E)
(E)
(E)

________________
G𝐻𝐻𝐻𝐻
GHIJK
を持つ𝐻𝐻𝐻𝐻
以外を全て抑制する。全てのスピン相互作⽤は−2 から＋２の間のから＋２の間のµµを持つので、を持つので、ののµµを持つHIJKHIJK 以外を全て抑制する。全てのスピン相互作⽤は−2(E)________GHIJK
結果的にµ = 0 の 𝐻𝐻𝐻𝐻

(E)______
GÄ,ÅÇ
が残る。すなわち Single quantum 𝐻𝐻𝐻𝐻

GÄ,ÅÇきない。Longitudinal two spin order ______
𝐻𝐻𝐻𝐻

(E)

を持つ R3、R18p? 、R16pz には適⽤でを持つ R4E? に適⽤する場合には DIS recoupling が残り、なお

33
(E)
(E)
かつ
DII decoupling______________
Gが達成されるため有効である。
GÄ,ÅÇ を持つ R3、R18p? 、R16pz には適⽤で結果的にµ = 0 の 𝐻𝐻𝐻𝐻が残る。すなわち Single quantum 𝐻𝐻𝐻𝐻
HIJK
a%
%
a%
Phase inversion supercycle は R𝑁𝑁𝑁𝑁$% の RF 位相の符号を逆転させたR𝑁𝑁𝑁𝑁(E)$ をとり、R𝑁𝑁𝑁𝑁$ R𝑁𝑁𝑁𝑁$ を形成する
GÄ,ÅÇ を持つ R4E? に適⽤する場合にはDIS recoupling が残り、なおきない。Longitudinal two spin order ______
𝐻𝐻𝐻𝐻
もので、RF offset や RF 磁場の不均⼀性などのロバスト性の改良に有効である。⼀⽅で、Phase
かつ DII decoupling が達成されるため有効である。
inversion supercycle は g-encoding である R3、R18p? 、R16pz などを non-g-encoding に変化させる性質があ
Phase inversion supercycle は R𝑁𝑁𝑁𝑁$% の RF 位相の符号を逆転させたR𝑁𝑁𝑁𝑁$a% をとり、R𝑁𝑁𝑁𝑁$% R𝑁𝑁𝑁𝑁$a% を形成する(E)______
3GÄ,ÅÇ =(q=1)
に適⽤する場合、RF
位相が
1𝜏𝜏𝜏𝜏
ごとに
±𝑥𝑥𝑥𝑥
と変化する。すると、𝐻𝐻𝐻𝐻る。例えば、R
C
もので、RF offset や RF 磁場の不均⼀性などのロバスト性の改良に有効である。⼀⽅で、Phase

|I|ÑE
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ü Üá − sinL𝛾𝛾𝛾𝛾éèÜì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá î の3 𝐼𝐼𝐼𝐼Üá 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá 項は変化しないが、𝐼𝐼𝐼𝐼Ü Üá 項は符号が±と繰り返し変化𝜔𝜔𝜔𝜔inversion
éè O2𝐼𝐼𝐼𝐼á 𝑆𝑆𝑆𝑆
Ä,ÅÇ âcosL𝛾𝛾𝛾𝛾
である
R 、R18p? 、R16pz などを non-ìg𝑆𝑆𝑆𝑆-encodingに変化させる性質があ
supercycle
は g-encodingO2𝐼𝐼𝐼𝐼
(E)
|I|ÑE
|I|Ñ?
(E)
______
GÄ,ÅÇ = 𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üá 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá with 𝜔𝜔𝜔𝜔______する。従って、Phase
supercycle 後の2𝜏𝜏𝜏𝜏==GÄ,ÅÇ
C で平均すると、𝐻𝐻𝐻𝐻
1) に適⽤する場合、RF位相が1𝜏𝜏𝜏𝜏C ごとに ±𝑥𝑥𝑥𝑥と変化する。すると、𝐻𝐻𝐻𝐻る。例えば、R3 (q = inversion
Ä,ÅÇ
E
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
|I|ÑE
Ä,ÅÇO cosL𝛾𝛾𝛾𝛾Ä,ÅÇOとなり、non-encodingになる。
Ü 𝑆𝑆𝑆𝑆Ü 項は符号が±と繰り返し変化𝜔𝜔𝜔𝜔 𝑏𝑏𝑏𝑏ÅÇ sinL2𝛽𝛽𝛽𝛽âcosL𝛾𝛾𝛾𝛾éèO2𝐼𝐼𝐼𝐼Ü 𝑆𝑆𝑆𝑆Ü éè− sinL𝛾𝛾𝛾𝛾
O2𝐼𝐼𝐼𝐼Ü 𝑆𝑆𝑆𝑆Ü îgの
𝐼𝐼𝐼𝐼Ü 𝑆𝑆𝑆𝑆Ü 項は変化しないが、𝐼𝐼𝐼𝐼?√?Ä,ÅÇ

éè

á á

éè

ì á

á á

ì á

(E)
|I|ÑE Ü Ü
|I|Ñ?
______
GÄ,ÅÇ = 𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ
する。従って、Phase
inversion supercycle 後の2𝜏𝜏𝜏𝜏C で平均すると、𝐻𝐻𝐻𝐻
2𝐼𝐼𝐼𝐼á 𝑆𝑆𝑆𝑆á with 𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ =𝟐𝟐𝟐𝟐
3
RE 、𝐒𝐒𝐒𝐒𝐑𝐑𝐑𝐑𝐒𝐒𝐒𝐒𝟏𝟏𝟏𝟏 、REDOR、SFAMN recoupling
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
𝑏𝑏𝑏𝑏ÅÇ sinL2𝛽𝛽𝛽𝛽éè
O cosL𝛾𝛾𝛾𝛾éè
Oとなり、nong-encoding になる。
?√?
D-HMQCでよく使⽤される
R3、SR4E? [8]、Rotational Echo Double Resonance(REDOR)[9]は Symmetry 理論で説明できる。R3 (𝜋𝜋𝜋𝜋E = 𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋C , 𝜋𝜋𝜋𝜋 = 1,2) は q = 1 に対して R2EQ 、q = 2 に対して R4EQ である。SR4E? ＝R3、𝐒𝐒𝐒𝐒𝐑𝐑𝐑𝐑𝐒𝐒𝐒𝐒𝟐𝟐𝟐𝟐 、REDOR、SFAMN recoupling[R4E? R4Ea? ]Q𝟏𝟏𝟏𝟏[R4E? R4Ea? ]E?Q [R4E? R4Ea? ]?üQ は R4E? に 120— phase shift supercycle と Phase inversion supercycle が
D-HMQC でよく使⽤される R3、SR4E? [8]、Rotational Echo Double Resonance(REDOR)[9]は Symmetry 理
R element (𝜏𝜏𝜏𝜏» /2 – Pp – 𝜏𝜏𝜏𝜏» /2)を適組み合わされたものである。REDORxy-4 は R4E? に対応し、windowed論で説明できる。R3 (𝜋𝜋𝜋𝜋E = 𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋C , 𝜋𝜋𝜋𝜋 = 1,2) は q = 1 に対して R2EQ 、q = 2 に対して R4EQ である。SR4E? ＝⽤したものと理解できる。REDOR
はp パルス幅を⼩さくすると DII decoupling が働くようになるが、[R4E? R4Ea? ]Q [R4E? R4Ea? ]E?Q [R4E? R4Ea? ]?üQ は R4E? に 120— phase shift supercycle と Phase inversion supercycle が効率は良くないので注意が必要である。REDORxy-8
あるいは xy-16 は Phase inversion supercycle が R4E?
組み合わされたものである。REDORxy-4 は R4E? に対応し、windowed R element (𝜏𝜏𝜏𝜏» /2 – Pp – 𝜏𝜏𝜏𝜏» /2)を適に加わったものとして理解できる。
⽤したものと理解できる。REDOR はp パルス幅を⼩さくすると
DII decoupling が働くようになるが、SFAMN (Simultaneous Frequency Amplitude Modulation)[10] は低〜中速 MAS 条件で有効である。SFAMNE
効率は良くないので注意が必要である。REDORxy-8 あるいは xy-16 は Phase inversion supercycle が R4?
は R element に Adiabatic inversion pulse を⽤いており、SFAMN の RF 磁場はに加わったものとして理解できる。
I“êsin(𝑁𝑁𝑁𝑁𝜔𝜔𝜔𝜔C 𝑡𝑡𝑡𝑡)
𝜔𝜔𝜔𝜔EÅ (𝑡𝑡𝑡𝑡) = 𝜔𝜔𝜔𝜔EÅ
[10]
は低〜中速
MAS
条件で有効である。SFAMN
SFAM
N (SimultaneousI“ê Frequency Amplitude Modulation)
RF offsetはそれぞれである。ここで、𝜔𝜔𝜔𝜔EÅ は RF peak amplitude である。RF 位相と

10

巻

の
の𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅は以下の式から計算できる。
は以下の式から計算できる。
∆∆∆«««
11 HHH𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋
JJJ
(𝛽𝛽𝛽𝛽
(𝛽𝛽𝛽𝛽
)
)
[−𝛽𝛽𝛽𝛽Cø(𝑡𝑡𝑡𝑡)−−𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇 ++𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅𝜅HIJK
=
=
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
(𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡]exp¡𝑖𝑖𝑖𝑖¡𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖
𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖Cø𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡
𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡
Ω
Ω
𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑KQ
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚CCC𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡
HIJK
HIJK
IQ
IQ
IQ èº
èº
èº
KQ
KQ[−𝛽𝛽𝛽𝛽Cø
Cø(𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡]exp
Cø
Cø(𝑡𝑡𝑡𝑡)𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏ªªª
𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁QQQ
JJJ[−𝛽𝛽𝛽𝛽Cø(𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡]である。ここでである。ここで𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽Cø(𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡ははRR element
element 内における
内における
さらにポイントは
さらにポイントはreduced
reduced Wigner
Wigner element
element𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑KQ
KQ
KQ[−𝛽𝛽𝛽𝛽Cø
Cø(𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡]
Cø
Cø(𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡17

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019{𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙
が bijection
bijection でない場合(e.g.
でない場合(e.g.R18
R18p?p?p?)){𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙
𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙}𝑙𝑙𝑙𝑙}==である。Rである。R symmetry
symmetry による簡易的な区別は、mによる簡易的な区別は、m ととµµが効率は良くないので注意が必要である。REDORxy-8 あるいは xy-16 は Phase inversion supercycle が R4E?に加わったものとして理解できる。

[10]
BULLETIN Frequency
OF THE NUCLEARMAGNETICRESONANCESOCIET Y OF
JAPAN2019 Vol.10
Amplitude
Modulation)
は低〜中速
MAS
条件で有効である。SFAM
SFAMN (SimultaneousN

は R element に Adiabatic inversion pulse を⽤いており、SFAMN の RF 磁場はI“êsin(𝑁𝑁𝑁𝑁𝜔𝜔𝜔𝜔C 𝑡𝑡𝑡𝑡)
𝜔𝜔𝜔𝜔EÅ (𝑡𝑡𝑡𝑡) = 𝜔𝜔𝜔𝜔EÅI“êである。ここで、𝜔𝜔𝜔𝜔EÅ は RF peak amplitude である。RF 位相と RF offset はそれぞれ

𝜙𝜙𝜙𝜙Å (𝑡𝑡𝑡𝑡) =

’÷◊
”‘e•

=‘ÿ

I“ê
sin(𝑁𝑁𝑁𝑁𝜔𝜔𝜔𝜔C 𝑡𝑡𝑡𝑡), ∆𝜔𝜔𝜔𝜔QÅ (𝑡𝑡𝑡𝑡) = Δ𝜔𝜔𝜔𝜔QÅ
cos(𝑁𝑁𝑁𝑁𝜔𝜔𝜔𝜔C 𝑡𝑡𝑡𝑡)

である。SFAMN の理論的な取り扱いは少々特殊なので、詳しくは Ref[10]を参照いただきたい。

SFAM1 はR2E% 、SFAM2 はR4E% の R symmetry に対応している。SFAMN を効率よく達成するには⾼い RF

磁場強度が必要であるが、RF offset や CSA などにロバストであるため有効である。⼀⽅、MAS が⾼速化すると、Adiabatic pulse のパフォーマンスが低下するため、基本的に⾼速 MAS 条件には向かない。

最後にいくつかの DIS recoupling の特徴を⼤まかに Table.2 にまとめた。それでは次項から DIS recouplingを使った D-HMQC の説明に⼊る。

3. Basics of D-HMQC & D-RINEPT
3.1. D-HMQC
まずは Z. Gan et al と S. Cavadini et al によって最初に提案された R3 (q =２) 照射による D-HMQC から始める[11,12]。Fig.2a から、DII decoupling を伴う R3 (q = 2) が 1H チャネルに照射されて D-HMQC が実
GÄ,ÅÇ
𝐻𝐻𝐻𝐻
⾏ さ れ る 。 実 験 は 簡 単 な 密 度 演 算 ⼦ の 展 開 に よ り 理 解 で き る 。 R3 (q = 2) に よ っ て ______
|I|Ñ?
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ âcosL2𝛾𝛾𝛾𝛾éèO2𝐼𝐼𝐼𝐼Üá 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá − sinL2𝛾𝛾𝛾𝛾éèO2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá î が⽣じるので、

(E)

(›)
________
G
€

=

‹,•¶
|I|Ñ?
|I|Ñ?
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
𝐼𝐼𝐼𝐼Üê ﬁ⎯⎯⎯⎯‡ cosL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏O 𝐼𝐼𝐼𝐼Üê + sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏cosL2𝛾𝛾𝛾𝛾éè
O 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá + sinL2𝛾𝛾𝛾𝛾éè
O 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üá 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá <

£
ÇÜ
? ◊

|I|Ñ?

Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
ﬁ⎯⎯‡ sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏cosL2𝛾𝛾𝛾𝛾éè
O 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üì − sinL2𝛾𝛾𝛾𝛾éè
O 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üá 𝑆𝑆𝑆𝑆Üì <
£ÅÜ

◊
|I|Ñ?
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
ﬁ⎯⎯‡ sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏cosL2𝛾𝛾𝛾𝛾éè
O 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üì + sinL2𝛾𝛾𝛾𝛾éè
O 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üá 𝑆𝑆𝑆𝑆Üì <
·
ÇÜ
‚ ◊

4

|I|Ñ?
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
ﬁ⎯⎯‡ sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏 𝜏cosL2𝛾𝛾𝛾𝛾éè
O 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá + sinL2𝛾𝛾𝛾𝛾éè
O 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üá 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá <________
G‹,•¶
€

(›)

|I|Ñ?

ﬁ⎯⎯⎯⎯⎯‡ − sin? L𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏 𝜏𝜏𝜏𝜏Üê

(E)______
GÄ,ÅÇ が 複 雑 で あ る た め 途 中 に
t1 展 開 は 省 略 し た 。 R3 (q = ２ ) 照 射 ⾃ 体 は 単 純 で あ る が 、 𝐻𝐻𝐻𝐻
â2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Ü„ , 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üá 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá î = 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖Üê の計算が多く⼊り、やや複雑になる。R3 (q =２) 照射の D-HMQC から最後に得られ

Ä,ÅÇ
る NMR 信号は 𝛾𝛾𝛾𝛾éè
に依存しないv𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ

|I|Ñ?

E

Ä,ÅÇ
= 𝑏𝑏𝑏𝑏ÅÇ sin? L𝛽𝛽𝛽𝛽éè
Ox。また、ここでの注意点は pパルスの余ü

計な Phase cycle によって 𝐼𝐼𝐼𝐼Üz 𝑆𝑆𝑆𝑆Üy 成分を消さない⽅が感度を稼げるということである。もし 𝐼𝐼𝐼𝐼Üz 𝑆𝑆𝑆𝑆Üy 成分をÄ,ÅÇに依存するようになる。
消去した場合は最後に得られる NMR 信号は 𝛾𝛾𝛾𝛾éè(E)______
GÄ,ÅÇ は Longitudinal two spin order であるため、他⽅で、REDOR、SR4E? 、SFAMN を適⽤した場合の 𝐻𝐻𝐻𝐻

D-HMQC の密度演算⼦の展開は J-HMQC と同じになる。同様に Fig.2a を使って、SR4E? が 1H に照射

GÄ,ÅÇ
𝐻𝐻𝐻𝐻
される場合に⽣じる ______(›)________
G
€

(E)

|I|Ñ?
= 2𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝐼𝐼𝐼𝐼Üá 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá によって密度演算⼦を展開すると、

‹,•¶
|I|Ñ?
|I|Ñ?
𝐼𝐼𝐼𝐼Üê ﬁ⎯⎯⎯⎯‡ cosL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏O 𝐼𝐼𝐼𝐼Üê + sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá
£Table.2 The qualitative property of selected DIS recoupling.
ÇÜ
? ◊
|I|Ñ?
Ü
ﬁ⎯⎯‡ −sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏
The Üevaluationfor each property is better in the order of ◯ , △ , × .
ì 𝑆𝑆𝑆𝑆ì

£ÅÜ

◊
|I|Ñ?
ﬁ⎯⎯‡ sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üì

£
ÇÜ
? ◊

Robustness to
RF field
inhomogeneity

Scalingfactor κ

RF fielddemand◯ (q=2)

△

△

×

high

low

◯

◯

◯

◯

high

low

|I|Ñ?
ﬁ⎯⎯‡
−sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá
3R解to CSA

Robustness
to RF offset

Robustness
γ-encoding DII decoupling(›)________G ‹,•¶
€
2

◯

説

|I|Ñ?
SR4
ﬁ⎯⎯⎯⎯‡
sin L𝜔𝜔𝜔𝜔×Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏 𝜏𝜏𝜏𝜏Üê
1
?

|I|Ñ?
3 ×
SFAMN
◯ (N=2)◯◯ ? では Effective◯high(q =２) 照射と同じ結果に⾒えるが、SR4
dipolar couplingが 𝜔𝜔𝜔𝜔high
=
となる。R
E
Ä,ÅÇ
E
REDOR ? Ä,ÅÇ ×
◯
◯
◯
high
high
Ä,ÅÇ △
Ä,ÅÇ
𝑏𝑏𝑏𝑏 sin L𝛽𝛽𝛽𝛽éè O cosL2𝛾𝛾𝛾𝛾éè
O なので、最後に得られる
NMR
信号は 𝛾𝛾𝛾𝛾éè
に依存することになる。
ü ÅÇ 5

R182

◯

◯

△

△

△

moderate

moderate

R163

◯

×

△

△

△

moderate

moderate

Fig.2aの D-HMQC は信号検出のチャンネルに DIS recoupling を照射する。これを D-HMQC-DR (Direct
518

observed channel Recoupling)と呼ぶ。⼀⽅、Fig.2b のように信号検出をしないチャンネルに DIS

recoupling を照射する場合には D-HMQC-IR (Indirect non-observed channel Recoupling)と呼ぶ。どちらを選ぶかは、感度が最⼤になるように検出核に核磁気回転⽐(𝛾𝛾𝛾𝛾)の⾼い核や T1 が短い核を設定すると決______
GÄ,ÅÇ
他⽅で、REDOR、SR4E? 、SFAMN を適⽤した場合の 𝐻𝐻𝐻𝐻

は Longitudinal two spin order であるため、

D-HMQC の密度演算⼦の展開は J-HMQC と同じになる。同様に Fig.2a を使って、SR4E? が 1H に照射(E)______
BULLETIN
OF THERESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10
GÄ,ÅÇ= NUCLEAR
2𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝐼𝐼𝐼𝐼ÜáMAGNETIC
𝑆𝑆𝑆𝑆Üá によって密度演算⼦を展開すると、される場合に⽣じる
𝐻𝐻𝐻𝐻

‹,•¶
|I|Ñ?
|I|Ñ?
𝐼𝐼𝐼𝐼Üê ﬁ⎯⎯⎯⎯‡ cosL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏O 𝐼𝐼𝐼𝐼Üê + sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá

£
ÇÜ
? ◊

|I|Ñ?
ﬁ⎯⎯‡ −sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üì
£ÅÜ

◊
|I|Ñ?
ﬁ⎯⎯‡ sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üì

£

ÇÜ◊

?
|I|Ñ?
ﬁ⎯⎯‡ −sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá
(›)________G ‹,•¶€|I|Ñ?

ﬁ⎯⎯⎯⎯‡ sin? L𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏 𝜏𝜏𝜏𝜏Üêとなる。R3 (q =２) 照射と同じ結果に⾒えるが、SR4E? では Effective dipolar coupling が 𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ

|I|Ñ?

Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
𝑏𝑏𝑏𝑏 sin L𝛽𝛽𝛽𝛽éè
O cosL2𝛾𝛾𝛾𝛾éè
O なので、最後に得られる NMR 信号は 𝛾𝛾𝛾𝛾éè
に依存することになる。
ü ÅÇ
E

?

=

Fig.2a の D-HMQC は信号検出のチャンネルに DIS recoupling を照射する。これを D-HMQC-DR (Direct

observed channel Recoupling)と呼ぶ。⼀⽅、Fig.2b のように信号検出をしないチャンネルに DIS

選ぶかは、感度が最⼤になるように検出核に核磁気回転⽐(𝛾𝛾𝛾𝛾)の⾼い核や T1 が短い核を設定すると決まる。加えて、後に述べるように(Q)CPMG 検出によって感度が向上する場合は考慮に⼊れる必要が::によって信号の減衰が⽣じるので、𝑇𝑇𝑇𝑇?Å
の短すぎる核を検出核に設ある。また、検出核の横緩和 𝑇𝑇𝑇𝑇?Å

定すると、F１軸のスペクトルの歪みや、感度の著しい低下を導くため注意が必要である。また、t1 展
開の取り込み数が少ない⽅が、実験時間は短くて済む。すなわち、F1 軸には F2 軸よりもスペクトル幅が広い核を選ぶ⽅が良い。

Rotor synchronization

実際に D-HMQC を達成するには MAS との同期を考える必要がある。Fig.2 に⽰されるようにパルス間に適切な Delay を設けなければならない。Delay は (i) 𝑇𝑇𝑇𝑇≠ + 𝜏𝜏𝜏𝜏 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏‰ + › = 𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛C 、(ii) τ = 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘C 、 (iii)d?

2𝑇𝑇𝑇𝑇≠ + 𝑡𝑡𝑡𝑡E = 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝C と定義する(n, k, p は整数)。(i)は CSA や四極⼦相互作⽤による観測信号のモジュレーシ

ョンを抑える。(ii) は DIS recoupling に対して必要である。(iii)は non-g-encoding recoupling (SR4E? ,REDOR, SFAMN)に対して重要である。TA、 TB は t1 を増加させる毎に再計算される。TB は初めのp/2 パ

ルスに対して MAS への同期を⾏うもので、パルス幅が短い場合には除いても影響は少ない。

D-HMQC-DR の場合に、⼀次の四極⼦相互作⽤を refocus させたい場合(特に整数四極⼦核に対して)には t1 = j𝜏𝜏𝜏𝜏C (j は整数)としなければならない。反対に D-HMQC-DR で半整数四極⼦核の t1 展開の場合
で、ST を観測したくない場合は t1 ≠ j𝜏𝜏𝜏𝜏C (Rotor asynchronous)とする必要がある。

t1 ノイズ

5

D-HMQC パルスシーケンスの重要な⽋点は、t1 ノイズの抑制が困難なことである。t1 ノイズとは、装置の不安定性に起因して 2D 実験中のスキャン毎に NMR 信号強度がランダムに変化することによって、2D スペクトルの F1 軸に沿ってノイズが発⽣する現象である。固体 NMR では t1 ノイズを避けるために、MAS 周波数(𝜋𝜋𝜋𝜋C )が⾮常に安定している必要がある。特に、non-γ-encoded DIS recoupling を照射した D-HMQC-DR では MAS 周波数の変動に敏感であり、MAS 周波数が不安定な場合、スキャン毎にランダムに信号強度が変わる。これは、D-HMQC の 2 つの DIS recoupling 部分の各々の開始時に粉末試料中の各々の Crystallite が同じ⽅向になる必要があるためである。すなわち 1 つ⽬の DIS recouplingの開始と 2 つ⽬の DIS recoupling の開始との間は完全に MAS 周波数と同期する必要がある。このような条件は、t1 展開時間と DIS recoupling 発展時間(𝜏𝜏𝜏𝜏)が⻑くなるほど達成が困難になる。また、MAS 周

波数の変動により Saturation pulse や、DIS recoupling sequence による DII decoupling の効率も変化し、ス
キャン毎に信号強度が変わる原因になる。これらに起因した信号強度の変化による t1 ノイズは Phase

cycle のみでは抑えきれない。

⼀⽅、Double CP の場合、t1 展開と信号検出(t2)の間に DII DQ filter を挿⼊することで、相関のない核of (a) D-HMQC-DR and (b) D-HMQC-IR [13]。しかしながスピンのコヒーレンスを減らして、tFig.2 Schematic diagram
1 ノイズを⼤幅に低減できることが知られている

ら、この⽅法は D-HMQC には適⽤できない。密度演算⼦の計算から明らかなように、D-HMQC では
NMR 信号を検出するまで常に異種核相関した状態 (e.g. 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üì ) であるため、DII DQ filter を適⽤すると、取得したい相関した核スピンのコヒーレンスも同時に減ってしまう。従って、D-HMQC の 2D 実験で

10

巻

recoupling を照射する場合には D-HMQC-IR (Indirect non-observed channel Recoupling)と呼ぶ。どちらを

19

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019________
G
€

(›)

|I|Ñ?

には t1 = j𝜏𝜏𝜏𝜏C (j は整数)としなければならない。反対に D-HMQC-DR で半整数四極⼦核の t1 展開の場合
で、ST を観測したくない場合は t1 ≠ j𝜏𝜏𝜏𝜏C (Rotor asynchronous)とする必要がある。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

t1 ノイズD-HMQC パルスシーケンスの重要な⽋点は、t1 ノイズの抑制が困難なことである。t1 ノイズとは、装置の不安定性に起因して 2D 実験中のスキャン毎に NMR 信号強度がランダムに変化することによって、2D スペクトルの F1 軸に沿ってノイズが発⽣する現象である。固体 NMR では t1 ノイズを避けるために、MAS 周波数(𝜋𝜋𝜋𝜋C )が⾮常に安定している必要がある。特に、non-γ-encoded DIS recoupling を照射した D-HMQC-DR では MAS 周波数の変動に敏感であり、MAS 周波数が不安定な場合、スキャン毎にランダムに信号強度が変わる。これは、D-HMQC の 2 つの DIS recoupling 部分の各々の開始時に粉末試料中の各々の Crystallite が同じ⽅向になる必要があるためである。すなわち 1 つ⽬の DIS recouplingの開始と 2 つ⽬の DIS recoupling の開始との間は完全に MAS 周波数と同期する必要がある。このような条件は、t1 展開時間と DIS recoupling 発展時間(𝜏𝜏𝜏𝜏)が⻑くなるほど達成が困難になる。また、MAS 周

波数の変動により Saturation pulse や、DIS recoupling sequence による DII decoupling の効率も変化し、ス
キャン毎に信号強度が変わる原因になる。これらに起因した信号強度の変化による t1 ノイズは Phase

cycle のみでは抑えきれない。

⼀⽅、Double CP の場合、t1 展開と信号検出(t2)の間に DII DQ filter を挿⼊することで、相関のない核

スピンのコヒーレンスを減らして、t1 ノイズを⼤幅に低減できることが知られている[13]。しかしながら、この⽅法は D-HMQC には適⽤できない。密度演算⼦の計算から明らかなように、D-HMQC では
NMR 信号を検出するまで常に異種核相関した状態 (e.g. 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üì ) であるため、DII DQ filter を適⽤すると、取得したい相関した核スピンのコヒーレンスも同時に減ってしまう。従って、D-HMQC の 2D 実験で発⽣する t1 ノイズの問題は根本的にはまだ解決していない。

3.2. D-RINEPTD-RINEPT(Fig.3a)は⽚⽅の核が四極⼦核である場合、あるいは低周波数核である場合に CPMAS との代替として使⽤される[14]。D-RINEPT に似た⼿法として PRESTO (Phase shifted Recoupling Effects a

Smooth Transfer Order) があるが、照射するR𝑁𝑁𝑁𝑁$% が異なることによって、全体の構造が異なっている[15]。
R3 (q = 2) 照射による D-RINEPT の密度演算⼦の展開は(›)________
G
€

‹,•¶
|I|Ñ?
|I|Ñ?
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
𝐼𝐼𝐼𝐼Üê ﬁ⎯⎯⎯⎯‡ cosL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏O 𝐼𝐼𝐼𝐼Üê + sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏cosL2𝛾𝛾𝛾𝛾éèO2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá + sinL2𝛾𝛾𝛾𝛾éèO2𝐼𝐼𝐼𝐼Üá 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá <££ÅÜ , ÇÜ ,?◊ ? ◊

|I|Ñ?

Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
ﬁ⎯⎯⎯⎯⎯‡ sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏cosL2𝛾𝛾𝛾𝛾éèO2𝐼𝐼𝐼𝐼Üá 𝑆𝑆𝑆𝑆Üì + sinL2𝛾𝛾𝛾𝛾éèO2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üì <(›)________G ‹,•¶€|I|Ñ?
ﬁ⎯⎯⎯⎯‡ −sin? L𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏Üê

となり、確かに I 核から S 核への分極移動が達成される。p パルスの計算は省略したが、化学シフトと CSA を refocus させる効果がある。また、D-HMQC と同様に R3 間に Rotary echo を考慮した Delay
を⼊れる必要がある[14]。D-HMQC のときと同様に、R3 照射では最後に得られる NMRÄ,ÅÇ信号は𝛾𝛾𝛾𝛾éèに依存しないv𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ

|I|Ñ?

Ä,ÅÇ
= 𝑏𝑏𝑏𝑏ÅÇ sin? L𝛽𝛽𝛽𝛽éè
Ox。R3 は試料菅内の RF 磁場の不均⼀性に弱いので、Eü

最近では SR4E? が使⽤されており、もちろん SFAMN も適⽤可能である。ここでもSR4E? あるいはSFAMN を⽤いた場合の D-RINEPT の密度演算⼦の展開は J-RINEPT と同じになる。
(›)________
G
€

‹,•¶
|I|Ñ?
|I|Ñ?
𝐼𝐼𝐼𝐼Üê ﬁ⎯⎯⎯⎯‡ cosL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏O 𝐼𝐼𝐼𝐼Üê + sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá££ÅÜ , ÇÜ ,?◊ ? ◊|I|Ñ?
ﬁ⎯⎯⎯⎯⎯‡ − sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏Üá 𝑆𝑆𝑆𝑆Üì
(›)________G ‹,•¶€

解|I|Ñ?
ﬁ⎯⎯⎯⎯‡ sin? L𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏Üê

6Ä,ÅÇ
D-HMQC のときと同様に、SR4E? 照射では最後に得られる NMR 信号は𝛾𝛾𝛾𝛾éè
に依存することがわか説るv𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ

|I|Ñ?

Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
= 𝑏𝑏𝑏𝑏ÅÇ sin? L𝛽𝛽𝛽𝛽éè
O cosL2𝛾𝛾𝛾𝛾éè
Ox。また、D-RINEPT における横緩和による信号の減衰は前半Eü::、後半においては S 核による𝑇𝑇𝑇𝑇?Ç
によって⽣じる。
において I 核による𝑇𝑇𝑇𝑇?Å

PRESTO は D-RINEPT と似ており、違いはR18p? あるいはR18EË などを使⽤することである。R18p? のRecoupled DIS Hamiltonian
20(E)______
GÄ,ÅÇ
Y𝐻𝐻𝐻𝐻

|I|Ñ?
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ Ü
Z = 𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ expL−𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖éè
𝐼𝐼𝐼𝐼á O2𝐼𝐼𝐼𝐼Üê 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá expL𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖éè
𝐼𝐼𝐼𝐼á O(E)______
GÄ,ÅÇ Z
Y𝐻𝐻𝐻𝐻

Q

£/?

|I|Ñ?
Ä,ÅÇ Ü
Ä,ÅÇ Ü= 𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ expL−𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖éè
𝐼𝐼𝐼𝐼á O2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá expL𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖éè
𝐼𝐼𝐼𝐼á O

::
、後半においては S 核による𝑇𝑇𝑇𝑇?Ç
によって⽣じる。
において I 核による𝑇𝑇𝑇𝑇?Å

PRESTO は D-RINEPT と似ており、違いはR18p? あるいはR18EË などを使⽤することである。R18p? の
Ä,ÅÇ

(E)

______
GÄ,ÅÇ
Y𝐻𝐻𝐻𝐻

Z

Q

£/?

Ä,ÅÇ

|I|Ñ?

éè

á

ê á

éè

á

Ä,ÅÇ Ü
Ä,ÅÇ Ü= 𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ expL−𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖éè
𝐼𝐼𝐼𝐼á O2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá expL𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖éè
𝐼𝐼𝐼𝐼á Oを⽤いて、PRESTO-I の密度演算⼦の展開は以下である。
(›)________G ‹,•¶
Y€

Z

e
|I|Ñ?
|I|Ñ?
𝐼𝐼𝐼𝐼Üá ﬁ⎯⎯⎯⎯⎯⎯‡ e(aÈ?ÍÅÜÎ) ;cosL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏O 𝐼𝐼𝐼𝐼Üá − sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá <e(È?ÍÅÜÎ)

£
ÇÜ
? Ï

|I|Ñ?
ﬁ⎯‡ e(aÈ?ÍÅÜÎ );− sinL𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üê <e(È?ÍÅÜÎ )________
G‹,•¶
Y€

(›)

Z

·/‚
|I|Ñ?
ﬁ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯‡ sin? L𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏ÜìÄ,ÅÇ
ここで、â2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Ü„ , 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üê î = 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖Üì を使⽤した。R18p? 照射では最後に得られる NMR 信号は 𝛾𝛾𝛾𝛾éè
に依存し

|I|Ñ?

= 𝜅𝜅𝜅𝜅

z√?
ü

Ä,ÅÇ
𝑏𝑏𝑏𝑏ÅÇ sin? L𝛽𝛽𝛽𝛽éèO x 。 PRESTO に は I 、 II 、 III の バ ー ジ ョ ン が あ る が 、 PRESTO-

III(Fig.3b)を使⽤することが多く、R𝑁𝑁𝑁𝑁$% 照射の間に Delay を設ける必要はなく、DIS recoupling 部分のR𝑁𝑁𝑁𝑁$% 全体の位相を変えることによって化学シフトと CSA を refocus させることができる。

D-RINEPT with SR4E? と PRESTO-III は AlPO4-14 (Al8P8O32(C3H10N)2(OH)2(H2O)2) を⽤いた 1H-27Al 相関

実験によって⽐較され、𝜋𝜋𝜋𝜋C = 60 kHz at 18.8 T では D-RINEPT、𝜋𝜋𝜋𝜋C = 15 kHz at 9.4 T および 𝜋𝜋𝜋𝜋C =20 kHz at 18.8 T では PRESTO-III、が感度が優れている結果となった[16]。低〜中速 MAS 条件において、PRESTO-III が優れている理由は DII decoupling 効率が R3 やSR4E? よりも良く、さらに 1H チャンネ
ルに Delay が必要がないためである。Fig.3 は D-RINEPT、PRESTO 共に、励起核を 1/2 核、検出核に四極⼦核を選択しているが、⼊れ替えても構わない。ただし、DIS recoupling は常に 1/2 核に照射すべきである。

4. Development & application
4.1. 31P- {27Al, 23Na} 3D correlation [17]D-RINEPT と D-HMQC を組み合わせた 31P, 27Al, 23Na の３チャンネル実験を紹介する。上記の系は27

Al と 23Na の共鳴周波数が近いので、REDOR-box[18]を使⽤して単⼀のチャンネルを⼆重共鳴回路に分割して相関実験を実施する。同様に、共鳴周波数が近い系は他にもあり、例えば、13C-27Al、 13C51

V、 27Al-51V、 23Na-51V、 7Li-31P などがある。REDOR-box の実験では同時に 27Al と 23Na にパルスを照射することができない。D-HMQC あるいは D-RINEPT はパルスの重なりが少なく実験をすることができるため、同時に⻑時間照射しなければならない CPMAS よりも REDOR-Box の実験に向いている。

本実験でも 23Na と 27Al に同時にパルスを照射していない。
31

P, 27Al, 23Na の３チャンネル実験において、励起核と検出核の組み合わせを決めることは重要である。Idet > 1 の固体の場合には、検出核の NMR 信号は 2Idet へ分割される。従って、信号検出の感度は2Idet で割ることになる。他⽅で、DFS などの Population transfer を適⽤することによって感度が増強する。従って、相関実験の感度の式は以下になる。

7

Fig.3 Schematic diagram of (a) D-RINEPT with R3 and (b) PRESTO-III with R1852 where I andS channel are assumed to be spin-1/2 and half-integer quadrupolar nuclei, respectively.

10巻

な い v𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ

21

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10
Recoupled DIS Hamiltonian
(E)
|I|Ñ?
______GY𝐻𝐻𝐻𝐻
Z = 𝜔𝜔𝜔𝜔
expL−𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 Ä,ÅÇ 𝐼𝐼𝐼𝐼 O2𝐼𝐼𝐼𝐼Ü 𝑆𝑆𝑆𝑆Ü expL𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 Ä,ÅÇ 𝐼𝐼𝐼𝐼Ü O

分割して相関実験を実施する。同様に、共鳴周波数が近い系は他にもあり、例えば、13C-27Al、 13C51

V、 27Al-51V、 23Na-51V、 7Li-31P などがある。REDOR-box の実験では同時に 27Al と 23Na にパルスをBULLETIN OF THE NUCLEARMAGNETICRESONANCESOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10
照射することができない。D-HMQC
あるいはD-RINEPT
はパルスの重なりが少なく実験をすることができるため、同時に⻑時間照射しなければならない CPMAS よりも REDOR-Box の実験に向いている。

本実験でも 23Na と 27Al に同時にパルスを照射していない。
31

P, 27Al, 23Na の３チャンネル実験において、励起核と検出核の組み合わせを決めることは重要である。Idet > 1 の固体の場合には、検出核の NMR 信号は 2Idet へ分割される。従って、信号検出の感度は2Idet で割ることになる。他⽅で、DFS などの Population transfer を適⽤することによって感度が増強する。従って、相関実験の感度の式は以下になる。
E/?
𝑄𝑄𝑄𝑄¯ıÚ𝑆𝑆𝑆𝑆
𝐼𝐼𝐼𝐼¯ıÚ (𝐼𝐼𝐼𝐼¯ıÚ + 1)
1z⁄?
(𝐵𝐵𝐵𝐵Q )z⁄?
= 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶ıˆ˜ 𝛾𝛾𝛾𝛾¯ıÚ𝜀𝜀𝜀𝜀˚¸ Y
Z
𝐼𝐼𝐼𝐼¯ıÚ
2𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐻𝐻𝐻𝐻𝑀𝑀𝑀𝑀¯ıÚ
𝑁𝑁𝑁𝑁Ò𝑇𝑇𝑇𝑇ÚÛÚ√𝜏𝜏𝜏𝜏C"

Ttot: total acquisition time, C: constant (such as coil geometry, filling factor, temperature, receiver noise, spin
7
density, saturation factor, apodization, polarization transfer efficiency), gI (i = exc or det): gyromagnetic ratio of
excited or detected nuclei, Idet: the spin of the detected nucleus, Qdet: the quality factor of the detection circuit,
ePT: enhancement factor by population transfer, FWHMdet: full-width at half maximum of the detected NMR signal,𝜏𝜏𝜏𝜏C" : recycle delay.
これから計算された相関実験の相対感度は Table.3 に与えられる。従って、励起核を 23Na に、検出

核を 31P に設定することが最も効率が 良いことになる。 3 次元相関のパルスシーケンス 31P-

{23Na,27Al}3D R3-RINEPT/SR412-HMQC を Fig.4a に⽰す。最初に 23Na に DFS を照射し、ついで、31P にR3 を照射した 23Na→31P D-RINEPT、その後に 31P にSR4E? を照射した 31P→27Al D-HMQC を適⽤する。

DIS recoupling は全て 31P に照射することが重要である。本研究ではデモンストレーションとして、放射性廃棄物の封⼊材として使⽤される 40Na2O-20Al2O3-40P2O5 に Fig.4a のパルスシーケンスを適⽤した。

40Na2O-20Al2O3-40P2O5 は NaAlP2O7 結晶相と Na7(AlP2O7)4PO4 結晶相で構成されるが、31P スペクト

ルからガラス成分が約半分の割合で存在することがわかっている。まず 2D 31P-{23Na} R3-RINEPT を実施すると、ガラス成分が同様に観測され、リン酸ナトリウムで構成されていることがわかった(Fig.4b)。次に 31P-{23Na,27Al}3D R3-RINEPT/SR4E? -HMQC による 3D スペクトルの 23Na-31P 2D projection

を取ってみると、ガラス成分は観測されない(Fig.4c)。従って、ガラス成分はアルミニウムを含まないということが明らかとなった。ただ、3D実験は⾮常に時間がかかってしまうので、D-HMQCの t2
of 31P, 27Al, 23Na correlation
Table.3 Relative sensitivity
展開をせず、単に 27Al フィルターとして実験を⾏っても同様の結果が得られるだろう。
Excited nucleus

23
27
[19]
。この場
また、同じ時期に Q Wang et al によって 23Na-3127PAl の直接的な相関実験が発表されている
Na
Al

100
20
合、半整数四極⼦核のどちらかに 31
DPIS recoupling5.7を照射しなければならないため、DIS recoupling の効率
DetectedNa
1RF 磁場強度の18 DIS recoupling
3.6 (R3、R2EE 、SR4E? )を使⽤は減少する。この時、CT
選択を⾏うために弱い
nucleus23

1.8
しなければならないため、RF offsetAlの問題も⽣じる。
27

31

6.5

4.2. J/D-HMQC & J-RINEPT with (Q)CPMG acquisition [20](Quadrupolar) Curr-Purcell-Meiboom-Gill ((Q)CPMG)は低い⾃然存在⽐を持つ核を⾼感度で検出する⽅法として有効である。(Q)CPMG はそれ単体で使⽤されるが、分極移動後に(Q)CPMG を適⽤して信号を検出することもでき、実際に CP-(Q)CPMG、PRESTO-QCPMG が発表されている。同様に D-HMQCと D-RINEPT に対しても(Q)CPMG 検出との組み合わせは可能であるが、これまでに報告はなかった。
著者らはb-Ga2Se3 結晶と⾚外線レンズの⽤途に有望な Ga-Ge-Se ガラスに対して、71Ga-{77Se} J/D-

HMQC と{71Ga}-77Se J-RINEPT に(Q)CPMG 検出を組み合わせて、71Ga-77Se 相関実験を初めて達成した。
77

解

77

Se-71Ga 相関実験が難しい理由は、(i)77Se と 71Ga の⾃然存在⽐はそれぞれ 7.6%、39.6%、(ii) 71Ga とSe の核磁気回転⽐ g は 13C に近い(g71Ga =1.22g13C, g77Se = 0.76g13C)、(iii) 71Ga はスピン I = 3/2 であり、Na と同程度の四極⼦モーメントを持つ、(iv) ⻑い 77Se の T1 (>100 秒)、である。77Se-71Ga 相関実験で
31
P-{23Na,27Al}T3D
R3-R-INEPT/SR421 -HMQC71pulse
sequence with ɸ1=x, -は
x, 71
ɸGa
x,77-Sex, -の⻑いx, ɸ3=x,
Fig.4
2=x,と
の⾼い
gと短い
Ga に設定した。(Q)CPMG
は 71Ga(a)1 を活かして、励起核は常に
31
23
3
23
31
x, x: , x, x, x, x, x, ɸrec=ɸ1+ ɸ2+ 2ɸ3. (b) P { Na} R RINEPT 2D spectrum and (c) 2D Na/ P projections
𝑇𝑇𝑇𝑇 と低い⾃然存在⽐から両⽅の核に適⽤可能である。D-HMQC-IR に関しては DIS recoupling としてof ?31P-{23Na, 27Al} 3D R3-RINEPT/SR421 -HMQC experiment of 40Na2O-20Al2O3-40P2O5 at 9.4 T with vR =10
SFAM
に対する
cycle は Fig.5 のように設定した。(Q)CPMG
1 を適⽤した。J/D-HMQC-IR-QCPMG
kHz.
Adaptedwith permission from [17]. Copyright
2017,Phase
Elsevier.
23

説22を組み込む時に重要なことは Phase cycle によって、(Q)CPMG 前段階で、±1Q コヒーレンス選択を行うことである。0Q コヒーレンスを通してしまうと、アーティファクトが生じる恐れがあるので注意が必要である。

ルからガラス成分が約半分の割合で存在することがわかっている。まず 2D 31P-{23Na} R3-RINEPT を実施すると、ガラス成分が同様に観測され、リン酸ナトリウムで構成されていることがわかった? RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10
31
27 THE NUCLEAR
2331
MAGNETIC
P-{23Na,OF
Al}3D R3-RINEPT/SR4(Fig.4b)。次にBULLETIN
E -HMQC による 3D スペクトルの Na- P 2D projection

23を取ってみると、ガラス成分は観測されない(Fig.4c)。従って、ガラス成分はアルミニウムを含まな
日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

いということが明らかとなった。ただ、3D 実験は⾮常に時間がかかってしまうので、D-HMQC の t2
展開をせず、単に 27Al フィルターとして実験を⾏っても同様の結果が得られるだろう。

また、同じ時期に Q Wang et al によって 23Na-27Al の直接的な相関実験が発表されている[19]。この場

合、半整数四極⼦核のどちらかに DIS recoupling を照射しなければならないため、DIS recoupling の効率は減少する。この時、CT 選択を⾏うために弱い RF 磁場強度の DIS recoupling (R3、R2EE 、SR4E? )を使⽤しなければならないため、RF offset の問題も⽣じる。

4.2. J/D-HMQC & J-RINEPT with (Q)CPMG acquisition [20](Quadrupolar) Curr-Purcell-Meiboom-Gill ((Q)CPMG)は低い⾃然存在⽐を持つ核を⾼感度で検出する⽅法として有効である。(Q)CPMG はそれ単体で使⽤されるが、分極移動後に(Q)CPMG を適⽤して信号を検出することもでき、実際に CP-(Q)CPMG、PRESTO-QCPMG が発表されている。同様に D-HMQC

著者らはb-Ga2Se3 結晶と⾚外線レンズの⽤途に有望な Ga-Ge-Se ガラスに対して、71Ga-{77Se} J/D-

HMQC と{71Ga}-77Se J-RINEPT に(Q)CPMG 検出を組み合わせて、71Ga-77Se 相関実験を初めて達成した。
77
77
23

Se-71Ga 相関実験が難しい理由は、(i)77Se と 71Ga の⾃然存在⽐はそれぞれ 7.6%、39.6%、(ii) 71Ga とSe の核磁気回転⽐ g は 13C に近い(g71Ga =1.22g13C, g77Se = 0.76g13C)、(iii) 71Ga はスピン I = 3/2 であり、Na と同程度の四極⼦モーメントを持つ、(iv) ⻑い 77Se の T1 (>100 秒)、である。77Se-71Ga 相関実験では 71Ga の⾼いgと短い T1 を活かして、励起核は常に 71Ga に設定した。(Q)CPMG は 71Ga と 77Se の⻑い

𝑇𝑇𝑇𝑇?: と低い⾃然存在⽐から両⽅の核に適⽤可能である。D-HMQC-IR に関しては DIS recoupling としてSFAM1 を適⽤した。J/D-HMQC-IR-QCPMG に対する Phase cycle は Fig.5 のように設定した。(Q)CPMGを組み込む時に重要なことは Phase cycle によって、(Q)CPMG 前段階で、±1Q コヒーレンス選択を行うことである。0Q コヒーレンスを通してしまうと、アーティファクトが生じる恐れがあるので注意が必要である。

(Q)CPMG による感度向上

8b-Ga2Se3 結晶に対して、J/D-HMQC-IR あるいは J-RINEPT に対する(Q)CPMG による感度向上を調べた。71Ga に対して約 32 倍、77Se に対して約 28 倍もの感度向上を得ることができた。この⼤きな感度の理由は FID が短く、なおかつ 71Ga と 77Se の𝑇𝑇𝑇𝑇?: が⻑いため、(Q)CPMG によって多くのエコーを取得できたためである。次に 71Ga-{77Se} 2D J/D-HMQCと{71Ga}-77Se 2D J-RINEPTの感度を調べたところ、

J-HMQC が良い感度を⽰した。この理由は 71Ga-77Se J coupling が 500 ~ 800 Hz と⾮常に⼤きく、𝑇𝑇𝑇𝑇?: も⻑いため分極移動中でのロスが少なく、加えて、𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ の⾓度依存性のために DIS recoupling の効率は J|I|

coupling の場合のおよそ半分程度になると考えられる。測定時間は J-HMQC と QCPMG の組み合わせに対して、71Ga-77Se 2D スペクトルが 1 時間程度で取得できた Fig.6a。これは驚くべき速さであり、
QCPMG なしでは１ヶ⽉以上の測定時間がかかる計算になる。

β-Ga2Se3 の構造

b-Ga2Se3 結晶の構造は XRD の構造解析から Monoclinic 構造が指摘されている。しかしながら、71Ga

1D スペクトルにはシャープとブロードの２種類が存在している。過去の固体 NMR の研究ではシャープなスペクトルのみしか観測しておらず、これが Monoclinic 相と考えられていた。しかしながら、
Monoclinic 相では SeII と SeIII サイト両⽅の 77Se と 71Ga が相関を⽰すはずである。2D スペクトルからブロードなスペクトルは SeII と SeIII の両⽅に強く相関している。⼀⽅で、シャープなスペクトルはSeIII サイトのみに相関している。したがって、ブロードなスペクトルが Monoclinic 相の 71Ga の信号である。他⽅で、過去⽂献 Ref[20]において、b-Ga2Se3 には Cubic 相(Space group: F-43m) が存在している-y, ɸrec = ɸ1 + 2 ɸ2
Fig.5 Schematic diagram of (a) J/D-HMQC-IR-71QCPMG with ɸ1 = x, -x, ɸ2 = x x -x -x y y -yIIIことが指摘されていた。Cubic
CQɸは⼩さいことが予想され、Seサイトとの相関and (b) J-RINEPT-QCPMG with相の場合には
ɸ = x -x, ɸ = xGa
x -xの-x,= x x x x -x -x -x -x y y y y -y -y -y-y, ɸ = ɸ + ɸ
1

2

3

rec

1

-が期待される。従って、Cubic
相の存在は観測したシャープなスペクトルと良い⼀致が⾒られた。加2ɸ3. NE: Number of echo, m: Integer
number

えて、 71Ga z filter split-t1 DQF-STMAS-QCPMG 測定 [20] により、シャープなスペクトルには⼤きな
Disorder が観測された。これは Cubic 相にはランダムな Ga の空孔が存在するという Ref[21]の予測と⼀致している。最後に、J-HMQC の J coupling の発展時間 (𝜏𝜏𝜏𝜏)を変えて 2D スペクトルを 19 個取得し、

2

10

巻

と D-RINEPT に対しても(Q)CPMG 検出との組み合わせは可能であるが、これまでに報告はなかった。

に対して、71Ga-77Se 2D スペクトルが 1 時間程度で取得できた Fig.6a。これは驚くべき速さであり、
QCPMG なしでは１ヶ⽉以上の測定時間がかかる計算になる。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

β-Ga2Se3 の構造

b-Ga2Se3 結晶の構造は XRD の構造解析から Monoclinic 構造が指摘されている。しかしながら、71Ga

1D スペクトルにはシャープとブロードの２種類が存在している。過去の固体 NMR の研究ではシャープなスペクトルのみしか観測しておらず、これが Monoclinic 相と考えられていた。しかしながら、
Monoclinic 相では SeII と SeIII サイト両⽅の 77Se と 71Ga が相関を⽰すはずである。2D スペクトルからブロードなスペクトルは SeII と SeIII の両⽅に強く相関している。⼀⽅で、シャープなスペクトルはSeIII サイトのみに相関している。したがって、ブロードなスペクトルが Monoclinic 相の 71Ga の信号である。他⽅で、過去⽂献 Ref[20]において、b-Ga2Se3 には Cubic 相(Space group: F-43m) が存在していることが指摘されていた。Cubic 相の場合には 71Ga の CQ は⼩さいことが予想され、SeIII サイトとの相関が期待される。従って、Cubic 相の存在は観測したシャープなスペクトルと良い⼀致が⾒られた。加えて、 71Ga z filter split-t1 DQF-STMAS-QCPMG 測定 [20] により、シャープなスペクトルには⼤きな
Disorder が観測された。これは Cubic 相にはランダムな Ga の空孔が存在するという Ref[21]の予測と⼀致している。最後に、J-HMQC の J coupling の発展時間 (𝜏𝜏𝜏𝜏)を変えて 2D スペクトルを 19 個取得し、各々の J build-up curve を作り、解析フィッティングから J coupling を⾒積った(Fig.6b,c,d)。これらは想定される Ga-Se 結合⻑との良い⼀致が⾒られた。

Ga-Ge-Se ガラス

同様の実験を Ga-Ge-Se ガラス(0.2Ga2Se3-0.8GeSe2)に適⽤した。ここでも J-HMQC は D-HMQC-IR よ

りも感度は良いが、⼀⽅で J-RINEPT の感度が J-HMQC よりも優れていた。これは 71Ga がブロードなスペクトルのみであり、そのため t1 展開の取り込み数が少なく済むからである。逆に HMQC は 77Se
を⼗分に分解しなくてはならないので、t1 展開の取り込み数が J-RINEPT に⽐べて多くなる。J-HMQCと J-RINEPT 共に 10 時間程度で 2D スペクトルを取得できた。

Fig.7b,c,d は J-HMQC、D-HMQC と J-RINEPT から得た 2D projection77Se 1D スペクトルである。スペクトル形状に特徴が少ないが、3 つのスペクトルの同時フィッティングにより、6 成分の Se を決定した。さらに D-HMQC-IR からの 77Se 2D projection において、600 ppm 付近にもう１成分観測された。

この成分は Ge のみに結合した Se の成分と推測され、距離的に Ga に⼗分近いことが⽰唆される。対照的に、800 ppm 以上にある Se のみで構成される成分は観測されなかった。

以上述べてきたように HMQC と RINEPT に(Q)CPMG 検出を組み合わせることで、71Ga-77Se 相関を達成でき、より詳しい構造情報を⼊⼿した。提案したシーケンスは検出核が(Q)CPMG で感度向上ができる場合に有効に働くものと考えられる。ここでは述べなかったが、D-RINEPT に関しても(Q)CPMG 検出の組み合わせは可能で、実際に著者が作成して動作を確認済みである。

9

解
説
24

Fig.6 β-Ga2Se3 crystal: (a) 71Ga-{77Se}2D spectra obtained by J-HMQC-QCPMG sequence and J-build-

up curve of (b) 77SeII-71Ga (broad resonance), (c) 77SeIII -71Ga (broad resonance) and (d) 77SeIII-71Ga (narrow
resonance) obtained by 19 pieces of 2D spectra of 71Ga-{77Se} J-HMQC-IR-QCPMG at B0 = 9.4 T, vR =20
kHz. Red line is shown as analytical fitting. Adapted with permission from [20]. Copyright 2017, Elsevier.

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

4.3. D-HMQC with γ-encoded DIS recoupling

recoupling は⽤途によって使い分けることができる。低〜中速 MAS 条件で⾼い RF 磁場強度が使⽤できる場合には SFAMN が有効であり、CSA や RF offset にロバストである。⼀⽅で、SR412 と SFAMN は
MAS 周波数の不安定性に弱く、D-HMQC-DR で使⽤する場合に、DII coupling あるいは CSA を起源として⼤きな t1 ノイズが発⽣する場合がある。対照的に R3 はg-encoding の性質を持ち、理論的に励起効率は non-g-encoding よりも 25 %⾼く、MAS の不安定性にロバストである。しかしながら、R3 は試料管中の RF 磁場の不均⼀に弱く、⼀般的に低感度になる。そのため、g-encoding の性質を持ち、なおか

つ RF 磁場の不均⼀にロバストな DIS recoupling を活⽤した D-HMQC-DR が望まれる。

そこで着⽬したのが R10z? , R14p? , R16pz , R18pü (代表してR16pz )の R symmetry である。これらは{𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑙𝑙𝑙𝑙} = {2, ±1, 1, ∓1} で あ り 、 g-encoding の 性 質 を 有 し て い る 。 |m| = 1 を 持 つ R16pz は DII

(E)
u
˜Ä,ÅÇ
𝐻𝐻𝐻𝐻
最⼩限になるため有利である。それではR16pz を D-HMQC-DR に組み込むために、R3 とR16pz の ______
(E)

(E)

˜uÄ,ÅÇ
は R18p? に似て ______
𝐻𝐻𝐻𝐻

|I|ÑE
Ä,ÅÇ
Ä,ÅÇ
= 𝜔𝜔𝜔𝜔Ä,ÅÇ âcosL𝛾𝛾𝛾𝛾éèO2𝐼𝐼𝐼𝐼Üê 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá − sinL𝛾𝛾𝛾𝛾éèO2𝐼𝐼𝐼𝐼Üì 𝑆𝑆𝑆𝑆Üá î である。R3 と同じ Single Quantum であるが、最初の項の𝐼𝐼𝐼𝐼Üz が R16pz では 𝐼𝐼𝐼𝐼Üx となっている。従って、R16pz を(E)______˜Ä,ÅÇu
R3 と同じ𝐻𝐻𝐻𝐻にするには DIS recoupling をp/2 パルスで挟めば良い。

(E)

£
(E)
___________u(𝜏𝜏𝜏𝜏)Lè©O = exp Y−𝑖𝑖𝑖𝑖𝐻𝐻𝐻𝐻u˜Ä,ÅÇ (C© ) 𝜏𝜏𝜏𝜏Z ≈ exp %−𝑖𝑖𝑖𝑖 ∙ eÈ ? ÅÜÏ ∙ ______________˜uÄ,ÅÇ LCE&'O
𝑈𝑈𝑈𝑈
𝐻𝐻𝐻𝐻
©

£Ü

∙ eaÈ ? ÅÏ ∙ 𝜏𝜏𝜏𝜏(

これから、Fig.2a の D-HMQC-DR の R3 (q = 1) を 90o パルスで挟んだR16pz に置き換えれば良い。これにより、D-HMQC-DR の密度演算⼦の発展は R3 とR16pz の場合で同じと考えて良い。R3 あるいは
R16pz を照射した D-HMQC-DR では、コヒーレンスが SR4E? 、SFAM1 とは異なり、MQ (𝐼𝐼𝐼𝐼Üy𝑆𝑆𝑆𝑆Üy)の他に SQ(𝐼𝐼𝐼𝐼Üz𝑆𝑆𝑆𝑆Üy)が⽣み出される。これから、pパルスの Phase cycle を調整して、𝐼𝐼𝐼𝐼Üy𝑆𝑆𝑆𝑆Üy と𝐼𝐼𝐼𝐼Üz𝑆𝑆𝑆𝑆Üy の両⽅を信号に寄与させる⽅が感度的に有利である(Fig.8a)。

シミュレーションによる MAS 周波数の不安定性に対するロバスト性の⽐較を Fig.8b に⽰す。10 kHzの CSA が存在する中で、SFAM1 は MAS が少しでもずれてしまうと信号が⼤きく損なわれることがわかる。⼀⽅で、R16pz と R3 は MAS 周波数の不安定性に対して⾮常にロバストである。⼀⽅、SFAM1 はRF 磁場の不均⼀性に⾮常にロバストであり、R3 は RF 磁場の不均⼀性に弱い。対して、R16pz は RF 磁場の不均⼀性にある程度ロバストである。実際にシミュレーションでは R3 と R1635 は同じ励起効率を⽰すが、実験では試料管内で RF 磁場が不均⼀であるために R3 の励起効率はR16pz の 1/3 に減少する(Fig.8c) 。以上から、R16pz は R3 と同じく MAS 周波数の不安定性にロバストであり、加えて RF 磁場の不均⼀性に関してR16pz は R3 よりもロバストであるため、t1 ノイズが発⽣しにくく、なおかつ R3 よ

りも⾼感度になる。

実際に 18.8 T、𝜋𝜋𝜋𝜋C = 20 kHz において、測定試料 Na7Al4(P2O7)4(PO4)を⽤いて 31P-{27Al} D-HMQC-DRを検証した。この試料には３つの P サイトが存在する：P1 (diso = 12 ppm, daniso = 85 ppm, hCSA = 0.6), P2(diso = 15 ppm, daniso = 10.5 ppm, hCSA = 0.85), P3 (diso = 28 ppm, daniso = 75.7 ppm, hCSA = 0.3)。P1 と P3 サイト

は CSA が⾮常に⼤きく、反対に P2 サイトは CSA が⼩さい。各 DIS recoupling によって得られた各 P サ
イトの 2D スライスを Fig.9b,c,d に⽰す。CSA が⼤きい P1 と P3 サイトに関して、SFAM1 は⼤きな t1 ノイズが⽣じているが、R3 と R16pz は t1 ノイズが抑えられている。この差は MAS 周波数の不安定性へのロバスト性の違いから⽣じている。また、R16pz は R3 よりも全てのサイトで感度が良く、特に CSA

が⼩さい P2 サイトは２倍以上の差がある。これは明らかに RF 磁場の不均⼀性へのロバスト性能の差

Fig.7 0.2Ga2Se3-0.8GeSe2 glass: (a) 71Ga-{77Se}2D spectra obtained by J-HMQC-QCPMG sequence and2D projection spectra obtained by (b) J-RINEPT-CPMG, (c) J-HMQC-QCPMG, (d) D-HMQC-IR-QCPMG)
10at
B0 = 9.4 T, vR =20 kHz. The fitting of the spectra was performed by dmfit software. Adapted with permission
from [20]. Copyright 2017, Elsevier.

10

巻

decoupling の性質は有していないが、|m| = 2 に⽐べて⾼い Scaling factor 𝜅𝜅𝜅𝜅 を有するため、𝑇𝑇𝑇𝑇?: のロスが日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

D-HMQC で使⽤する DIS recoupling の選択肢は主に R3 、SR4E? 、SFAMN である。これらの DIS______u˜Ä,ÅÇ
を確認しよう。R16pz の𝐻𝐻𝐻𝐻

25

[22]

(Fig.8c) 。以上から、R16pz は R3 と同じく MAS 周波数の不安定性にロバストであり、加えて RF 磁場の不均⼀性に関してR16pz は R3 よりもロバストであるため、t1 ノイズが発⽣しにくく、なおかつ R3 よ

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10
りも⾼感度になる。

実際に 18.8 T、𝜋𝜋𝜋𝜋C = 20 kHz において、測定試料 Na7Al4(P2O7)4(PO4)を⽤いて 31P-{27Al} D-HMQC-DRを検証した。この試料には３つの P サイトが存在する：P1 (diso = 12 ppm, daniso = 85 ppm, hCSA = 0.6), P2(diso = 15 ppm, daniso = 10.5 ppm, hCSA = 0.85), P3 (diso = 28 ppm, daniso = 75.7 ppm, hCSA = 0.3)。P1 と P3 サイト

は CSA が⾮常に⼤きく、反対に P2 サイトは CSA が⼩さい。各 DIS recoupling によって得られた各 P サ
イトの 2D スライスを Fig.9b,c,d に⽰す。CSA が⼤きい P1 と P3 サイトに関して、SFAM1 は⼤きな t1 ノイズが⽣じているが、R3 と R16pz は t1 ノイズが抑えられている。この差は MAS 周波数の不安定性へのロバスト性の違いから⽣じている。また、R16pz は R3 よりも全てのサイトで感度が良く、特に CSA

が⼩さい P2 サイトは２倍以上の差がある。これは明らかに RF 磁場の不均⼀性へのロバスト性能の差から⽣じている。このように、R16pz 照射による D-HMQC-DR は⾼磁場の相関実験において優れており、今後選択肢の⼀つになり得る。

10

DII coupling に起因する t1 ノイズ

最後に DII coupling に起因した t1 ノイズについて述べておく。FA.Perras et al.はR18p? 照射の 1H-{13C}D-HMQC-DR を使⽤して、２D スペクトルに発⽣する DII coupling による t1 ノイズを抑制できるか確認している[23]。しかしながら、DII coupling を起源とする t1 ノイズを消去する⽬的には使⽤できなかった。これは著者も同様に確認しており、CSA と DII coupling の t1 ノイズの発⽣メカニズムは根本的に異なることが⽰唆される。

⼀⽅で、Ref[23]では t1 ノイズが Additive(相加性)ノイズではなく、Multiplicative(相乗性)ノイズであることに着⽬し、繰り返し時間 d1 を縦緩和時間 T1 よりも短く設定することで、t1 ノイズを低減できることを⽰した。Multiplicative ノイズは信号に起因したノイズを意味し、信号強度が⼤きくなるほど t1

ノイズは⼤きくなる。熱平衡状態での t1 と t2 ノイズレベルの⽐を x として、時間単位の感度が最⼤になる場合の x と縦緩和の関係式は

𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
exp v 𝑇𝑇𝑇𝑇E x )vexp v 𝑇𝑇𝑇𝑇E x − 1x v−exp v 𝑇𝑇𝑇𝑇E x + 2 𝑇𝑇𝑇𝑇E + 1x

𝑇𝑇𝑇𝑇E
E
E
≈
?
𝑑𝑑𝑑𝑑E
𝑑𝑑𝑑𝑑E
vexp v 𝑇𝑇𝑇𝑇 x − 1xE
ここで、t1 ノイズが⼤きい場合、すなわち x が⼤きい(d1/T1 が⼩さい)として、1 次の項までのテイラ
𝑥𝑥𝑥𝑥 𝑥E

E

ー展開によって上式最後の 𝑥𝑥𝑥𝑥 ≈ *› が導かれる。近似前の式において x = 0 (t1 ノイズがない)の場合には、
g›

d1/T1 = 1.3 が導かれ、 𝑥𝑥𝑥𝑥 ≥ 2 の場合には近似前後でほぼ同じグラフを⽰す。これから、t1 ノイズが発⽣するときは d1 を T1 よりも短く設定する⽅が感度は良くなる。FA.Perras et al.は実際に t1 ノイズが⼤き

く⽣じる 2D 相関実験において、d1 = 0.2T1 の場合に感度が最⼤になることを確認した。もちろん t1 ノ
イズの⼤きさによって、d1 の最適値は変わるが、t1 ノイズが発⽣する実験では、d1 を少なくとも T1 よりも短く設定した⽅が良いだろう。また、d1 が duty cycle よりも短くなってしまった場合はもちろん
duty cycle を優先した⽅が良い。

4.4. D-HMQC with Adiabatic DIS recoupling [24]D-HMQC-IR の場合に多く使⽤される DIS recoupling は SFAM1 である。D-HMQC-IR に DIS recoupling

を適⽤する際には MAS の不安定性は D-HMQC-DR ほど厳しくはないため、SFAM1 を⽤いても⼤きな
t1 ノイズは発⽣しない。SFAM1 は CSA や RF offset にロバストであるので、t1 展開で幅広いスペクトルを取得するのに適している。このような理由から 71Ga-77Se 相関実験でも SFAM1 を使⽤している。本
研究では SFAM1 の RF offset と CSA へのロバスト性能をさらに向上させることを試みた。

解SFAM1 の RF offset と CSA に対するロバスト性能は R element で使⽤している Adiabatic pulse のパフォーマンスに由来すると考える。この点において、SFAM1 の Sin/Cos 関数はベストとは⾔えない。本説

研究ではHigh Adiabatic
Pulse)のコンセプトで使⽤された-DR-R1653 with φ1 = x, -x, Tanh/Tan(a) SHAP(Short
The pulse sequenceof D-HMQC
φ2 = x, xパルスを適⽤すること, -x, -x, φrec = x, -x. (b)
Fig.8
[25]
Simulated
to Adiabatic
MAS fluctuation(CSA = 10 kHz). (c) The experimentalbuild-up curve at B0 = 9.4 T,。SHAP はpulse に対して短いパルス幅と⾼いRF 磁場強度を⽤いることで、CSAを試みた robustnessvRや、常磁性のような⼤きな異⽅性が存在した場合にも=20 kHz for the sample: VPI-5 (Al3(PO4)3(H2O)5) (CSA ~MAS
5 kHz).
Each data isinversion
for R1653を⾼効率で達成す(green), R3(orange)
条件において26

and SFAM1(black). Adapted with permission from [22]. Copyright 2017, Elsevier.
る。実施することは SFAM1 の波形を Tanh/Tan 関数 (tt) に変えるだけである。Tanh/Tan パルスの RF 磁場は𝜔𝜔𝜔𝜔$,dÅ (𝑡𝑡𝑡𝑡) = -I“ê𝜔𝜔𝜔𝜔EÅ
tanhâ2𝜉𝜉𝜉𝜉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡/ î0 ≤ 𝑡𝑡𝑡𝑡 < 𝜏𝜏𝜏𝜏/ /2

く⽣じる 2D 相関実験において、d1 = 0.2T1 の場合に感度が最⼤になることを確認した。もちろん t1 ノ
イズの⼤きさによって、d1 の最適値は変わるが、t1 ノイズが発⽣する実験では、d1 を少なくとも T1 よ
BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETICRESONANCESOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10
りも短く設定した⽅が良いだろう。また、dcycle よりも短くなってしまった場合はもちろん
1 が duty

27

duty cycle を優先した⽅が良い。

を適⽤する際には MAS の不安定性は D-HMQC-DR ほど厳しくはないため、SFAM1 を⽤いても⼤きな
t1 ノイズは発⽣しない。SFAM1 は CSA や RF offset にロバストであるので、t1 展開で幅広いスペクトルを取得するのに適している。このような理由から 71Ga-77Se 相関実験でも SFAM1 を使⽤している。本
研究では SFAM1 の RF offset と CSA へのロバスト性能をさらに向上させることを試みた。

SFAM1 の RF offset と CSA に対するロバスト性能は R element で使⽤している Adiabatic pulse のパフォーマンスに由来すると考える。この点において、SFAM1 の Sin/Cos 関数はベストとは⾔えない。本

研究では SHAP(Short High Adiabatic Pulse)のコンセプトで使⽤された Tanh/Tan パルスを適⽤することを試みた[25]。SHAP は Adiabatic pulse に対して短いパルス幅と⾼い RF 磁場強度を⽤いることで、CSAる。実施することは SFAM1 の波形を Tanh/Tan 関数 (tt) に変えるだけである。Tanh/Tan パルスの RF 磁場は𝜔𝜔𝜔𝜔$,dÅ (𝑡𝑡𝑡𝑡) = -である。位相と RF offset は

2‘’÷◊

I“ê
𝜔𝜔𝜔𝜔EÅ
tanhâ2𝜉𝜉𝜉𝜉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡/ îI“ê
tanhâ2𝜉𝜉𝜉𝜉L1 − 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡/ Oî𝜔𝜔𝜔𝜔EÅ

0 ≤ 𝑡𝑡𝑡𝑡 < 𝜏𝜏𝜏𝜏/ /2𝜏𝜏𝜏𝜏/ /2 ≤ 𝑡𝑡𝑡𝑡 < 𝜏𝜏𝜏𝜏/
2‘’÷◊

d

d

e•
e•
𝜙𝜙𝜙𝜙Å (𝑡𝑡𝑡𝑡) = ?3Ú45(3)ln Vcos Ø𝜃𝜃𝜃𝜃 Y1 − 2 Z∞[ , 𝛥𝛥𝛥𝛥𝜔𝜔𝜔𝜔QÅ (𝑡𝑡𝑡𝑡) = Ú45(3)tan Ø𝜃𝜃𝜃𝜃 Y1 − 2 Z∞

∆7

∆7

11

である。実際の測定では位相 を変化させることで 周波数掃引を達成する。ここで、ξ = 10 と tan(θ) =20、𝜏𝜏𝜏𝜏/ はパルス幅である。 SFAM1 と、Tanh/Tan を⽤いた DIS recoupling である R2EaE (tt) の波形を
Fig.10a に⽰す。

Adiabatic pulse の性能の違いに関して、Adiabatic pulse の quality factor Q(1)を⽤いる評価では不⼗分であることが近年指摘されており、代わりに Superadiabatic factor QS の評価が提案されている[26]。本研究では QS を⽤いて SFAM1 とR2EaE (tt) を⽐較した。詳細な結果は Ref[24]を参照いただきたいが、

R2EaE (tt) の QS がより⾼いことが確認され、Tanh/Tan パルスを⽤いた⽅が RF offset と CSA にロバストであることが予期された。

実際に 13C-{31P}D-HMQC-IR のシミュレーションと測定試料 VPI-5 (Al3(PO4)3(H2O)5)に対する 27Al-{31P}D-HMQC-IR(Fig.10b,c) の結果から、RF offset と CSA に対して、R2EaE (tt) は SFAM1 あるいはREDOR よりもロバストであることが⽰された。⼀⽅、Fig.10b,c の結果から、RF 磁場強度を⼩さくす

る、あるいは MAS を⾼速化すると、QS の低下により RF offset と CSA へのロバスト性能が低下する
ことがわかる。従って、R2EaE (tt) のメリットを活かすにはなるべく低い MAS 周波数で、⾼い RF 磁場(a)(b) P1(c) P2(d) P3を⽤いることが重要である。いずれにしても、𝜋𝜋𝜋𝜋C ≤ 20 kHzにおいてR2EaE (tt) は REDOR と SFAM1 よりも RF offset と CSA にロバストであるので、今後、低〜中速 MAS 条件の D-HMQC-IR の測定ではR2EaE (tt) が多く選択されると考えられる。最後に、著者らは D-HMQC-IR with R2EaE (tt)のデモンスト
レーションとして、11B-{207Pb}相関実験を実施した[24]。

5.その他のテクニック
5.1. PT-J/D-HMQC [27]J/D-HMQC の J coupling あるいは DIS coupling による発展時間(𝜏𝜏𝜏𝜏)の間に WURST, DFS, HS のようなPopulation transfer (PT) を半整数四極⼦核に照射し、𝜏𝜏𝜏𝜏 を短縮する⼿法である。𝜏𝜏𝜏𝜏 を短縮することによ31
27
P - 27Al 2D spectra obtained by 31P - {couplingAl} D -による発展時間後の密HMQC with R16 53 and
Fig.9
7 Al 4 (P 2 O 7 ) 4 (PO 4 ): (a)による信号のロスを回避し、結果として感度の向上を得る。Jり、𝑇𝑇𝑇𝑇?: Naobserved for (b) P1, (c) P2 Üand(d) P3 at B0 = 18.8Ü T9andvR =20 kHz. Each F1 slice
experimental F1Ü slices
9z はCT, 3 量子, 5 量子の度演算⼦は 2𝐼𝐼𝐼𝐼x𝐶𝐶𝐶𝐶Ü z sin(pJ𝜏𝜏𝜏𝜏) + 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝑇𝑇𝑇𝑇9 z sin(3pJ𝜏𝜏𝜏𝜏)+ 2𝐼𝐼𝐼𝐼x𝐹𝐹𝐹𝐹9 z sin(5pJ𝜏𝜏𝜏𝜏)である。𝐶𝐶𝐶𝐶
z, 𝑇𝑇𝑇𝑇z, 𝐹𝐹𝐹𝐹
spectra was obtained by R1653 (green), R3(orange) and SFAM1(black). Adapted with permission from [22].
Fictitious 2017,
operatorに相当する。従って、上式から ST 項の方が CT 項よりも展開が速い。これから、⼀Copyright
Elsevier.
つ⽬の CT 選択的パルスの前に PT パルスの照射により、𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝑇𝑇𝑇𝑇9 z と𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝐹𝐹𝐹𝐹9 z を𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝐶𝐶𝐶𝐶Ü z に変換し、⼆つ⽬の CT 選択
的パルスの後に𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝐶𝐶𝐶𝐶Ü z を𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝑇𝑇𝑇𝑇9 z と𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝐹𝐹𝐹𝐹9 z に戻す。このように ST 項を参加させることで、𝜏𝜏𝜏𝜏 を短縮する。

10

巻や、常磁性のような⼤きな異⽅性が存在した場合にも MAS 条件において inversion を⾼効率で達成す日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

4.4. D-HMQC with Adiabatic DIS recoupling [24]D-HMQC-IR の場合に多く使⽤される DIS recoupling は SFAM1 である。D-HMQC-IR に DIS recoupling実際に 13C-{31P}D-HMQC-IR のシミュレーションと測定試料 VPI-5 (Al3(PO4)3(H2O)5)に対する 27Al-{31P}D-HMQC-IR(Fig.10b,c) の結果から、RF offset と CSA に対して、R2EaE (tt) は SFAM1 あるいは
BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIETY OF JAPAN 2019 Vol.10
REDOR よりもロバストであることが⽰された。⼀⽅、Fig.10b,cの結果から、RF
磁場強度を⼩さくす

る、あるいは MAS を⾼速化すると、QS の低下により RF offset と CSA へのロバスト性能が低下する
ことがわかる。従って、R2EaE (tt) のメリットを活かすにはなるべく低い MAS 周波数で、⾼い RF 磁場を⽤いることが重要である。いずれにしても、𝜋𝜋𝜋𝜋C ≤ 20 kHzにおいてR2EaE (tt) は REDOR と SFAM1 よりも RF offset と CSA にロバストであるので、今後、低〜中速 MAS 条件の D-HMQC-IR の測定ではR2EaE (tt) が多く選択されると考えられる。最後に、著者らは D-HMQC-IR with R2EaE (tt)のデモンスト
レーションとして、11B-{207Pb}相関実験を実施した[24]。

5.その他のテクニック
5.1. PT-J/D-HMQC [27]J/D-HMQC の J coupling あるいは DIS coupling による発展時間(𝜏𝜏𝜏𝜏)の間に WURST, DFS, HS のようなPopulation transfer (PT) を半整数四極⼦核に照射し、𝜏𝜏𝜏𝜏 を短縮する⼿法である。𝜏𝜏𝜏𝜏 を短縮することにより、𝑇𝑇𝑇𝑇?: による信号のロスを回避し、結果として感度の向上を得る。J coupling による発展時間後の密度演算⼦は 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝐶𝐶𝐶𝐶Ü z sin(pJ𝜏𝜏𝜏𝜏) + 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝑇𝑇𝑇𝑇9 z sin(3pJ𝜏𝜏𝜏𝜏) + 2𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝐹𝐹𝐹𝐹9 z sin(5pJ𝜏𝜏𝜏𝜏)である。𝐶𝐶𝐶𝐶Ü z, 𝑇𝑇𝑇𝑇9 z, 𝐹𝐹𝐹𝐹9 z は CT, 3 量子, 5 量子のFictitious operator に相当する。従って、上式から ST 項の方が CT 項よりも展開が速い。これから、⼀つ⽬の CT 選択的パルスの前に PT パルスの照射により、𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝑇𝑇𝑇𝑇9 z と𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝐹𝐹𝐹𝐹9 z を𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝐶𝐶𝐶𝐶Ü z に変換し、⼆つ⽬の CT 選択
的パルスの後に𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝐶𝐶𝐶𝐶Ü z を𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝑇𝑇𝑇𝑇9 z と𝐼𝐼𝐼𝐼Üx𝐹𝐹𝐹𝐹9 z に戻す。このように ST 項を参加させることで、𝜏𝜏𝜏𝜏 を短縮する。

5.2. MQ-D-RINEPTMQMAS と HETCOR の組み合わせは MQ-CP-HETCOR[28]、ST-CP-HETCOR[29]、MQ-J-RINEPT[30]、MQ-J-HMQC[31]、HMQC-ST[32]などがある。MQ-J-HMQC は 3D 実験なので、かなり⻑い測定時間がかかるので達成は困難であり、HMQC-ST は S = 3/2 にのみ適⽤可能である。CPMAS を使⽤した実験は半整数四極⼦核に対してロバストではなく、MQ-J-RINEPT は J coupling が⼩さい場合、発展時間(𝜏𝜏𝜏𝜏)が

⻑くなってしまうことで 𝑇𝑇𝑇𝑇?: による信号のロスが⼤きくなり、感度が⼤幅に低下する。そこで、MQ-

D-RINEPT が開発された[5]。発表された 27Al-31P MQ-D-RINEPT はまず 27Al に対して SPAM MQMAS の後、ついで、R3(q = 1)を使った D-RINEPT により 31P 信号を検出し、27Al の⾼分解能化した２D スペク

トルが得られる。

5.3. DNP enhanced D-HMQC & D-RINEPT

12

解

Fig.10. (a) The pulse sequence of 27Al-{31P} D-HMQC-IR with SFAM1 or R2 11(tt). (b) Simulated robustness-

説28

to P CSA by C-{ P} D-HMQC-IR. (c) Experimental robustness to P offset with VPI-5 (Al3(PO4)3(H2O)5)max
at B0 = 9.4 T. The condition of RF field and MAS frequency: {v max
1I , vR} = {50, 10} kHz in top, {v 1I , vR} = {80,10}-1max
kHz in middle, {v 1I , vR} = {80, 20} kHz in bottom. Each data is obtained by R2 1 (tt) (red), SFAM1(blue) and
REDORxy8(green). Adapted with permission from [24]. Copyright 2018, Elsevier.
31

13

31

31

後、ついで、R3(q = 1)を使った D-RINEPT により 31P 信号を検出し、27Al の⾼分解能化した２D スペク

トルが得られる。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

29

5.3. DNP enhanced D-HMQC & D-RINEPTる。このあたりの技術改善は現在著者らが実施しており、近く発表予定である。

10

もたらされている。現状の汎⽤固体 DNP-NMR 装置は 105 K の温度で MAS を実施するため、汎⽤の3.2 mm LT-MAS プローブでは実質的に𝜋𝜋𝜋𝜋C = 12.5 kHz が上限である。この MAS 周波数では 1H-{X}D-

HMQC を実施するメリットはないが、代わりに⾼感度を活かして⾃然存在⽐での 13C-{X}D-HMQC を12
実 施 す る こ と が で き る 。 具 体 的 に は 、 13C-{27Al}D-HMQC-DR with REDOR-Box[33], 13C-{14NOT}J-

HMQC[34], 13C-{35Cl}D-HMQC-DR[35], 13C-{111Cd}D-HMQC[36], {29Si}-27Al D-RINEPT[37]などが発表されている。これらはまず CPMAS により 1H から 1/2 核に分極移動してから実施される。従って、必然的に

D-HMQC-DR が使⽤され、D-RINEPT の場合は検出核が四極⼦核になる。また、{1H}-17O PRESTO-II-

12.5 kHz の条件では R18p? あるいはR18EË の DII decoupling の性能が不⼗分なため、1H から遠い 17O (⾦属酸化物の場合には⾻格の酸素)や、低周波数核(e.g.47,49Ti, 95Mo)には分極移動の効率が著しく低下す

6. おわりに本記事を書いているうちに最初の基礎的な話が少々⻑くなってしまったが、まだ⼗分に記述できてはいないため厳密な議論は元⽂献を参照していただきたい。後半は 𝜋𝜋𝜋𝜋C ≤ 20 kHz の MAS 条件での D-

HMQC と D-RINEPT について、著者の博⼠課程の結果を中⼼にして⼿法改良とアプリケーション例について紹介してきた。⾼速 MAS だけでなく、通常の HXY 3.2 mm あるいは 4 mm MAS プローブで実験が達成できることは魅⼒的であり、無機材料を中⼼にまだ多くのアプリケーションが潜在していると思われる。また、近年発展した DNP-NMR による感度の向上と合わせて、D-HMQC、D-RINEPT の適⽤例が増えていくことが期待される。DNP-NMR では必然的にここで述べたような低い MAS 周波数に適応したパルスシーケンスが求められる。また、これからますますの NMR 装置の⾼磁場化が進むにつれて、半整数四極⼦核の⾼分解能化、⾼感度化が進み、無機材料に対して D-HMQC、D-RINEPT を活⽤する場⾯が増えていくと期待される。本解説記事が四極⼦核を含む相関実験の発展と他材料への適⽤の⼀助になれば幸いである。

謝辞

本解説記事で紹介した研究結果はリール⼤学の博⼠課程在学中に実施されました。Olivier Lafon 教

授、Julien Trébosc 博⼠、Frédéric Pourpoint 博⼠、François Mear 博⼠、Jean-Paul Amoureux 教授をはじめ、共同研究者の⽅々に感謝申し上げます。
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［17］H. Nagashima, G. Tricot, J. Trébosc, O. Lafon,13
J.-P.

巻

QCPMG は⾃然存在⽐での OH の 17O 観測を簡便に実施するのに適している[38]。しかしながら、𝜋𝜋𝜋𝜋C =日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

近年、動的核偏極(DNP)-NMR が発展したことで、様々な材料系に対して新たな構造解析の機会がBULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

Amoureux, F. Pourpoint, Solid State Nuclear Magnetic Resonance 2017, 84, 164–170.
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［37］M. Valla, A. J. Rossini, M. Caillot, C. Chizallet, P.
Raybaud, M. Digne, A. Chaumonnot, A. Lesage,
L. Emsley, J. A. van Bokhoven, et al., J. Am. Chem.
Soc. 2015, 137, 10710–10719.
［38］F. A. Perras, T. Kobayashi, M. Pruski, J. Am. Chem.
Soc. 2015, 137, 8336–8339.

永島 裕樹（ながしま・ひろき）

2007 年 3 月

東邦大学 理学部 物理学科 卒業

2009 年 3 月

東京大学 新領域創成科学研究科 物質系専攻 修士課程 修了

2009 年 4 月

株式会社ブリヂストン 入社

2014 年 6 月

株式会社ブリヂストン 退職解2014 年 10 月 リール大学 触媒・固体化学研究所 博士課程 入学2017 年 11 月 リール大学 触媒・固体化学研究所 博士課程 Ph.D. 取得

説2017 年 11 月 リール大学 触媒・固体化学研究所 特別研究員
2018 年 4 月
現在に至る

30

産業技術総合研究所 触媒化学融合研究センター 入所

31

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

解

説

1

弘前大学農学生命科学部、2 北海道大学農学部、3 米国 Wavefunction 社

橋本 勝 1、福士 江里 2、Warren Hehre3
hmasaru@hirosaki-u.ac.jp1, feria@cen.agr.hokudai.ac.jp2, hehre@wavefun.com3

初めに

構造や官能基を持った化合物といえどもその予想が可能である。量子化学計算手法及びコンピュー

する上で最も有効な非破壊分析手法といえる。

タ技術の発展は計算による予想精度を実用レベ

NMR 現 象 は 他 の 分 光 法 に 比 べ 感 度 は 低 い が、ルにまで高めるだけでなく、今世紀初頭にはスー

フーリエ変換型装置の普及は数 mg のサンプルでパーコンピュータを要した計算も、現在は PCの詳細な構造解析を可能にした。さらに、1980

ワークステーションレベルで実行可能とした。

年代以降にはさまざまな二次元スペクトルが開発

13
本 稿 で 紹 介 す る C NMR 化 学 シ フ ト 計 算 は、され、短時間の訓練により高度で確実な構造決定

密度汎関数法を用いる。量子化学計算は波動関数が可能となった。NMR 現象からはさまざまな構

を近似する Hartree Fock 法を中心に進展してき造情報が得られるが、その中でも化学シフトは最たが、電子密度から物性を計算する密度汎関数法も重要である。機器分析の教科書には化学シフト

は、同精度で考えた場合計算コストが低いことかと周辺官能基との関係を示す表が示されているらが、実際には複数の周辺官能基が影響する。ま関数を構築する普遍的な理論は存在せず、構造化

た、立体化学に基づく磁気遮蔽効果などの影響も学、反応化学といったそれぞれのシーンで実験結

大きく単純とはいえない。特に C NMR スペク

果を再現するように様々な汎関数が開発されてきトルでは、感度不足を補うためプロトンとのスピた。言い換えれば、非経験手法と思われがちだがンカップリングを除去した分裂のない 1 重線とし密度汎関数法は経験パラメータを有しており、そて観測するため、カップリング情報などを得にくの選択では経験的要素が入り込む。開発段階でのく、新規な構造の場合、 C シグナルの帰属は経

対象分子群については精度よく再現する。しか験者といえども類縁化合物の値と比較をしながらし、開発時に対象となった構造群以外では、検証慎重に行う必要がある。HMQC や HMBC などのすらされていないといっても過言ではない。汎関

二次元スペクトルは C シグナルの帰属を支援す

数によって得手不得手がありる有用な手段ではあるが、感度や分解能の点で不存在しない。文献では汎関数に B3LYP を用いた

十分なケースも少なくない。

計算報告を最も多く見かける

13

13

13

［2］

、近年では主流となっている［3］。しかし、汎［4］、万能な汎関数は［5］。しかし、多様な

近年は NMR 化学シフト帰属を支援するプログ

構造空間と高い配座自由度を特徴とする天然物有ラムも開発されている。例えば構造式描画プログ

機化合物において、汎関数 B3LYP の有効性が検

ラム ChemDraw では内部データベースを参照す

証された例は少ない®

ることで、構造から瞬時に化学シフトを予想する
［1］

［6］

。

10 年近く前になるが、橋本は Wavefunction 社。化合物によっては極めて精度がSpartan に装備された化学シフト計算の高精度に高いが、E/Z- 異性体など一部を除き立体化学を考感動し、開発者で本稿共著者でもある W. Hehre

慮した予想はできない。帰納的手法なため、デーに、天然物化学領域で応用することができれば素タベースでカバーできない新奇な骨格や、複数の晴らしいと相談していた

官能基との組み合わせを持つ化合物では不安が残社は、天然物の C NMR 化学シフト予測を視野る。

に入れ最適化した Spartanʼ18 をリリースした

ことができる［7, 8］。最近 Wavefunction

13

［9］

。

一方、分子軌道法をもとにした分子モデリング

Wavefunction 社では、本手法について 2,000 を超では理論的な磁気遮蔽に基づく演繹的な化学シフ

える天然物の NMR データと比較検証し、実用レト予想が可能である。本手法の場合、存在しない

ベルにあることを証明している。その過程で、い受領日：2019 年 8 月 23 日

受理日：2019 年 9 月 6 日

編集委員：野村 薫、栃尾 尚哉

10巻

NMR ス ペ ク ト ル 解 析 は 天 然 物 の 構 造 を 解析

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

DFT 計算支援による天然物の NMR 解析

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

くつかの天然物において NMR シグナル帰属に不ループの物性が計算可能な点で、天然有機化合物

具合が見いだされ、橋本と福士はその原因を文のような配座自由度の高い分子の解析には頼もし

献、過去の化合物などから探り、一部ではあるがいソフトウェアである。最新版 Spartanʼ18 では、帰属ミスやより適切な構造の提案をするに至った

13
特に天然有機化合物の C NMR スペクトル化学［10, 11］

シフトの再現を重視してプロトコルを最適化してシフト計算法の特徴と有用性、および天然物構造いる。

。本稿では、Spartanʼ18 による 13C NMR 化学

計算には PC ワークステーションの利用が望ま決定への応用例を紹介する。

しいが、CPU の冷却に注意すれば、ゲーム用デ1. NMR 化学シフト計算プログラムの特徴とSpartanʼ18 におけるスクトップ機でも十分対応可能である。ノートパ
ソコンではスペクトル計算に用いるのはさすがに［11］

包括的プロトコルの開発難しいかもしれない。複数の CPU（コア）に分散

1-1. DFT 法による NMR 化学シフト計算の概要

して計算を実行する並列化にも対応しており、コ

NMR 化学シフトはすべての量子化学計算で算ア数の多い CPU の方が有利である。メモリはコ出可能であるが、計算精度、計算コストの点かアあたり 2-4 GB 必要となる。尚、Spartanʼ18 は利ら専ら密度汎関数（DFT）法が用いられている。

用できるコア数により 3 つのバージョンが用意さ

DFT 法では、汎関数（考え方）と基底関数（精密れている。最上位バージョンではコア数に制限がさ）を組み合わせて安定構造を求め（ステップなくなる。しかし、これを活かすにはハードウェ

1）、各原子核の磁気遮蔽から化学シフトに変換

アも高価になることから、頻繁に計算するのでな

する（ステップ 2）。用いる汎関数、基底関数の違ければ必要ないかもしれない。計算経過を頻繁にいで予想される化学シフトは大きく異なる場合もハードディスクに書き込むため高速な書き込みが少なくない。安定構造は、用いる汎関数や基底関

可能な SSD（ソリッドステートドライブ）の利用数にあまり依存しないということであろうか、スが推奨されている。ただし、SSD は書き込み回数＊

テップ 1 を比較的コストの低い基底関数 6-31Gに限界があるため、データは別のハードディスク

レベルで行い、ステップ 2 で基底関数のレベルに保存することが賢明といえるを高くして計算する例が多いようである。スペ
クトル計算では汎関数に B3LYP や mPW1PW91、＊［12］

基 底 関 数 に 6-31G

や 6-311＋G(2d,p) な ど を

［14］

。

1-3. Wavefunction におけるC NMR 化学シフト計算プロトコルの開発

13用 い た 文 献 を 多 く 見 か け る。Tantillo ら の 総 説

天然有機化合物は、C、H、O、N といった軽では、 C NMR 化学シフトの実測値との差異の元素を中心に構成される。ハロゲンを含む天然物

二 乗 平 均 平 方 根（RMSD）は、 精 度 の 高 い も のも見受けられるが、一般に原子番号は小さく、取（mPW1PW91/6-311＋G(2d,p)）で 4-5 ppm 程 度 でり扱う元素としては計算化学が御し易い分子群と

13

［6］

。平面構造の違いであれば十分な議論が可いえる。一方、DFT 計算の主戦場である構造化能だが、異性体を識別するには 3 ppm 以下の精度学などではあまり取り扱わない、狭い空間に複数が欲しい。

の官能基を有する、或いは配座自由度が高いとあるいった化合物も珍しくなく、汎関数の開発段階で1-2. Spartan シリーズの紹介

天然物の物性再現性の検証が十分になされたかはSpartan シ リ ー ズ は、 共 著 者 W. Hehre が 開 発

疑問である。

した Windows や Mac OS といった通常のパソコンを用いて、グラフィック環境でほぼすべての計

解
説

算条件の設定、結果の解析が可能な、実験化学者

Wavefunction では、遠隔相互作用を考慮するにやさしい分子モデリングプログラムである。搭ωB97X-D を汎関数に採用して、計算条件の最適載された汎関数や基底関数、計算可能なスペクト

化・精度の確認を行った。基底関数レベルを高くルの種類は多くはないものの、実用性を重視した

すれば、計算コストは増大するが原理的には計算装備がなされており、構造解析やエネルギー計算

精度は高くなる。しかし、実際に再現性が高くな［13］では不便を感じることはない。最大の特徴は、

一つのファイルで配座探索を含めた安定配座グ
32

1-3-1. 汎関数・基底関数の決定るとは限らないため、実用性を考えると基底関数の設定は極めて重要であるといえる。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10高くなったとはいえ非現実的な計算時間が必要と炭素原子を含む特長を活かして strychnine をモなる。一般には、計算コストの低い分子力場法でデル分子に、様々な基底関数で C 化学シフトを

広く配座を探索し、徐々に計算レベルを上げなが計算した。その結果、計算コストの比較的低い

ら配座を絞り込むが、重要配座を見落とすことな

13＊

6-31G レベルで満足できる結果を与え、基底関

く効率よく探索するには経験が必要であった。一数のレベルを高くしても計算精度は向上しないこ

方、Spartanʼ18 では、これまでの知見をもとに上＊とを確認し、組み合わせωB97X-D/6-31G を化学［15］シフト計算のエンジンとして設定した。

記プロセスを自動化したプログラムを装備した。
これにより、構造を入力するだけで、①配座探索、②配座の絞込み、③ボルツマン分布計算、④20 化 合 物 の 化 学 シ フ ト（370 炭 素 ）に 適 用 さ せ

化学シフト計算、⑤ボルツマン分布に基づく化学

た と こ ろ、sp 領 域（10 〜 75 ppm）で は 実 験 値

シフトの補正を一括して効率よく行うことができを極めてよく再現したが、sp 領域など（110 〜

るようになった。本機能は、計算化学になじみの175 ppm）で は 差 異 が 大 き く な り、 全 体 の 平 均

少ない実験化学者には朗報である。各段階でのRMSD は 3.4 ppm と実用に十分とはいえない結果

設定変更も可能だが、筆者（橋本）はその必要性であった。Wavefunction 社では、上記差異は計を感じることは少ない。配座探索のアルゴリズム

算手法に由来すると想定し、各炭素核の周辺環境も改良され、性能が向上しており、比較的配座に基づいて 5 つのパラメータで補正することで、自由度の小さい環状セスキテルペンの場合では、精度は 1.5-2.0 ppm まで向上した。

Core-i7 クラスの PC で約 1-2 日での計算が可能で

3

2

ある。

1-3-2. 配座解析の最適化と自動化

ここで、いくつかの注意点がある。例えばヘキ

天然有機化合物の多くには複数の配座異性体がシル基の存在は配座探索初期配座を 80 倍に増大存在する。配座間相互変化の速度が極めて遅い場させるように、直鎖構造は著しく計算時間を増大

合を除き、観測される化学シフトは各配座のボルさせる。したがって、ヘキシル基のような直鎖構

ツマン分布で傾斜をかけた平均値となる。我々は造の配座の違いから NMR 化学シフトの議論を行何気なく配座のボルツマン分布といった議論を行う場合には慎重になる必要がある。そのため、計うが、実験的に配座間のエネルギー差を求めた例

算ではこのような側鎖はメチル基やエチル基に置は少ない。Wavefunction 社では、比較的簡単な換して計算することが賢明かもしれない。また、

分子群について、現在最も精度の高いとされるカルボン酸のように電荷を持つ官能基は、ありえ

結合クラスター法で求めた配座エネルギーを再ない分子内水素結合を形成した配座を安定配座と現する条件を実用的計算時間も考慮して探索し、して予想してしまうことがある。これは、メチル＊

ωB97X-V/6-311＋G(2df,2p)[6-311G ] を 選 択 し［16］

エステルとすることで解決できると思われるが、。採用した基底関数はデュアル基底関数と探索する配座数が 5 倍以上となるため除去してし呼ばれるもので、6-311＋G(2df,2p) レベルの計算

まうのも一つのアイデアである。ポリペプチドはを比較的高速に実行できることが特徴である。と

上記 2 点の問題を併せ持つため、計算する意味すた＊はいえ 6-31G に比べ格段に高コストとなるため、

ら疑問である。

＊

ωB97X-D/6-31G で求めた配座を固定したまま、＊
ωB97X-V/6-311＋G(2df,2p)[6-311G ] で エ ネ ル

ギーを見積もり、ボルツマン分布を計算する手法を採用している。

1-4. 天然有機化合物を用いた計算精度の検証
Wavefunction では、二段階で実際の天然物化学シフトに適用させその実用性を検証した。ま次に配座探索法である。Spartan シリーズではず、X 線結晶解析、或いは全合成がなされた構早くから配座解析プロトコルを装備しており、そ造が確かな分子量 150-750 の約 875 天然物に適用の実績から信頼性は高い。回転可能な結合が n 箇させた（A 群）。データは日本電子（株）の CH-所とした場合、単純に考えると探索すべき配座数

NMR-NP database ［17］、 お よ び 2019 年 ま で に 報は 3 となり、天然物では探索する初期配座が数告された論文などを活用した。その結果、平均万配座を超えることも少なくない。これらすべて

RMSD 値は 1.8 ppm と十分に満足のできるものでを丁寧に計算していたら、コンピュータの性能があった（図 1）。

n

10

巻

こ の 方 法 を 用 い、 配 座 異 性 体 が 存 在 し な い

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

配座異性体が存在せず、また、分子内に多彩な

33

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

次に、NMR スペクトル解析を中心に構造決定

ルといえる。Wavefunction では、これら計算結された 1,725 個の天然物（B 群）に適用させたとこ

果について Web 上（http://nmr.wavefun.com）で公ろ、そのほとんどで満足できる精度で実験値を開しており、不定期だが更新している。

再現、本手法の有効性を実証した。結晶解析がなお、汎関数に B3LYP を設定することも可能

なされていない B 群の化合物では、配座自由度がである。筆者が行った限りでは、B3LYP におい

高く結晶性が低いものも多く含まれる。B 群ではても満足できる精度で C NMR 化学シフトが再計算精度が若干低くなったが、配座とエネルギー

現されている。計算では同時に H NMR 化学シの再現性、即ち重要配座の寄与率の再現性が主な

フ ト 値 も 計 算 さ れ る。 カ タ ロ グ で は 0.1 ppm 程原因と推察している。また、本プロトコルでは真度の精度と書かれているが、 H NMR 化学シフ

空条件を想定しており、溶媒条件を考慮していな

トの場合、溶媒の異方性効果などを受けやすく、い。天然物の構造決定では溶媒効果を考慮して

Wavefunction 社では詳細な検証を行っていない。

13

1

1

化学シフトを計算した論文も少なくない。しかし、現在の溶媒モデルは溶媒を分子としてではな

2. 計算値との化学シフト差異が大きかった

く分極する連続体として扱うシミュレーションで天然物の検証あり、NMR 再現において重要となる溶媒分子と

図 1 に示すように、本手法は平均 RMSD 値がの水素結合のような溶媒−溶質間相互作用は原

約 2 ppm と極めて高い精度で天然物 C 化学シフ

理的に考慮していないことを把握すべきである。

トを再現した。しかし、X 線結晶解析、或いは全

Spartan も溶媒モデルとして C-PCM 法を備えてい

合成によって構造が確かな A 群といえども、実験るが、その効果は全く不明である。計算時間も著値−計算値の RMSD が 4 ppm を超える例が存在ししく増大することから、溶媒効果の加味についてた。これまでに検証した精度を考えると、許容でWavefunction は消極的である。筆者（橋本）は、きるものではないため、次に我々はそれらの原因

配座変換が容易な、いわゆる「柔らかい分子」にについて探った。

ついては、エントロピー項の考慮も必要と感じているが、本プロトコルでは電子相互作用のエネル

132-1. 帰属の入れ替わりが示唆された例

ギーのみで配座のボルツマン分布を求めている。

多くの場合、その原因を明確にすることはでき

今回の検証から、溶媒効果などを考慮しない本プ

なかったが、いくつかの例では帰属シグナルの入ロトコルにおいても、十分な精度で C NMR 化

れ替えなどで差異が顕著に小さくなることが判

学シフトを再現することが確認された。また、本［18］
明 し た［ 図 2：Daldinone C（1） 、13,18,20-epi-

プロトコルの実験値との平均 RMSD が約 2 ppm［19］
isochandonanthone（2）、mycoleptodiscin A

であることが証明されたが、この値は従前法（約

［20］
（3）
、5-bromo-8-methoxy-1-methyl-β-carboline

4 ppm）と比べ明らかに精度が向上しており、ジ

［21］
［22］
（4）
、Simaroubin E（5）、Simaroubin A（6）、アステレオマーや配座異性体をも区別できるレベ［23］
wortmin（7）］。化合物 4 の場合、C4 はエナミ

13

解
説
図1
34

Spartanʼ18 の 13C NMR 化学シフト計算プロトコルの天然物を用いた検証

35

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019
巻

10

図 2 帰属炭素の入れ替えで計算値との差異が十分に小さくなった例

ンのα炭素であり窒素原子による遮蔽で説明でき

して再計算したところ、RMSD 値は 2.6 ppm までるが、計算によるサポートが有るからこそ可能な減少することが判明した。しかし、論文では精密議論かもしれない。化合物 5 の C-13 の化学シフト

質量も報告されており、分子量で 4 Da 間違える

は、化合物 6 の C-13 と比較してみると入力ミスとことは考えにくく謎が残った結果となった。

思われる。C-13 を除いて RMSD スコアを再計算

以下は、NMR を中心に構造決定がなされた B

すると 2.3 ppm と許容範囲の値となった。いずれ群についてである。Phyllostictine B（9）は、極度の場合も、問題となった炭素周辺に水素原子が不にひずみを持つ大環状β- ラクタムとして報告さ在なため、帰属は HMBC スペクトルを頼ることれていたになるが、多様な構造を有する天然物の JC/H を

異 RMSD は 12.2 ppm と大きい。有機化合物に造経験的に予想することは容易ではなく、このよう詣が深い研究者であれば、計算を行わなくてもどな場合には計算による化学シフトの確認は有用と

こかおかしいと疑う構造である。最近、Cox らはいえる。

この化合物の DMSO 中での H 及び C 化学シフト

n

［25］

。この化合物の場合、計算値との差

113は phaeosphaeride B（9ʼ）のものと一致すると報2-2. 別の構造を提案した例［26, 27］

告した。そこで 9ʼ について計算したところ、新たな構造を提案することで計算値との差異

実験値との RMSD は 3.1 ppm と比較的小さくなっが著しく減少する例も経験した。Gunnilactam A

た。しかし差異が十分に小さくなったとはいえな［24］（8）は X 線構造も報告されている。しかし、実い。我々は測定溶媒に原因があると考えた。論文

験値との RMSD は 11.0 ppm と、とても許容できには側鎖ペンチル基がヘキシル基に置き換わったるものではなかった。結晶状態と溶液では配座がphaeosphaeride A（9”）も報告されていた。ヘキシ

大きく異なることを期待して、初期配座を強制的ル基に置換されたことで、溶解性が高くなったたに変化させて計算してみたが、新たな配座は見つめであろうか測定溶媒は重クロロホルムであった。

からなかった。種々検討したところ、窒素原子にそこで、側鎖について、母核から 5 炭素より遠く隣接した sp 炭素で顕著な差異が見られることがは除外して比較したところ、RMSD 値は 1.8 ppm判明した。そこですべての窒素原子を酸素に置換と十分に小さくなることが判明した。以上の結果

3

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10は極性溶媒で測定されたデータについて再現性が計算では RMSD 値は 11 ppm と著しく大きい。調若干低下することを例示することとなった。

査 し た と こ ろ、1960 年 代 に 報 告 さ れ た lolilide

トリブロモ誘導体 laurenmariallene（10）では、（11ʼ）と NMR データが一致しており、構造 11ʼ の計算値との差異 RMSD 値は 9.3 ppm と大きく、テ計算値と良い一致を示した（RMSD 値 2.2 ppm）。

トラヒドロピラン環上の炭素では差異が 30 ppm

最近、Williams らは、彼らが開発した二重結合の［28］と極めて大きいものであった（図 3） 。精査しひずみ、理論化学シフト、理論 H スピンを総合たところ、この化合物の NMR データは既知のモ的に評価する DU8＋法によって同じ結論を得てい［29, 30］

ノブロモ誘導体 panacene（10ʼ）と一致した。

10ʼ について化学シフトを計算したところ RMSD
値は 1.4 ppm まで減少した。したがって 10 と 10ʼ

1

［32］

る

。

3. 天然物の構造決定における応用例

は同一分子であり、計算では 10ʼ の構造を支持す

3-1. Cyclohelminthol Y の構造決定る。

筆者（橋本）の研究では、本手法は cyclohelminthol
Y（ 図 4：12a-12d）の 構 造 決 定 で そ の 威 力 をアルゼンチンのマメ科植物から単離された化合［31］

物 11 は歪んだ anti-Bredt 則構造を有している

。

［33］

発揮した

。これらは抗菌活性物質として解説
図 3 新たな構造を提案することで実験値・計算値の差異が有意に減少した例
36

37

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10＊

ωB97X-V/6-311＋G(2df,2p)[6-311G ] によるボル出した二つのスピロシクロプロパンを有する興ツマン分布は示されておらず、ωB97X-D/6-31G

味深い天然物である。HMBC スペクトルの解析に基づく立体エネルギーから各配座のボルツマン

やこれまでに単離した同菌の代謝物 13 とのスペ
クトルや生合成の類似性などから、12a-12d は、分布を算出した。

13 の 6,7– 二重結合に C1ʼ–C8ʼ– ペンテニルシクロ
ペンテンがシクロプロパン化により結合した C-6/

いが小さいことであった。計算値との RMSD 値

C-7/C-1 に関するジアステレオマーであると推定した。6 位 7 位の相対配置は NOE 実験をもとにすべてトランス配置と帰属した。12a-12d 間に＊13最大の問題は 12a-12d 間で C 化学シフトの違は、比較する異性体の如何に関わらず 2-3 ppm であり、計算値から直接立体化学を特定すること
13
は 不 可 能 で あ っ た。12a-12d 間 で C 化 学 シ フ
ト差異の標準偏差が 0.2 ppm 以上の炭素を抽出したところ、多くの炭素で化学シフトが大きいグ

0.17 ppm と酷似していたが、差異が C-6/C-7/C-1ʼ

ループ（太文字）と小さいグループ（標準文字）にシクロプロパン部周辺に集中しており、上記推定

分かれることが判明した。計算値を同様に並べを支持した。そこで分子モデリング計算による考てみると、やはり二つのグループに分けること察を行った。前述した理由により計算時間を考慮が出来た。そこでその組み合わせが一致するよ

して 16 位に結合したヘキシル基をプロピル基にうに並べ替えたところ、Table 1 で示した組み合

置換、23 位カルボン酸を省略して計算した。研わせとした場合、化学シフトのパターンが天然究を行った当時は Spartanʼ16 が最新バージョンで物と計算値で完全に一致した。B3LYP/6-31G 、

図4

cyclohelminthol Y1-Y4 (12a-12d)、cyclohelminthol X、及び計算に用いた model の構造

＊

10

巻

おける各炭素 C 化学シフトの差異の標準偏差は13

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

Helminthosporium velutinum yone96 培養液から見BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

EDF2/6-31G＊、およびωB97X-D/6-311G ＊と条件

Mellein（17）の連続したメチル基と水酸基の付を変えて計算を行ったが同じ結果が得られた。一け根のプロトン間の結合定数 JH-3/H-4 は 1.8 Hz であ方、(1R)- 異性体では、組み合わせを変化させてり、常識的にはシス配置（構造 17ʼ）を想像する。

もどこかで矛盾が生じた。以上の結果は、確率17ʼ の C 化学シフトを計算したところ、実験値との RMSD 値が 2.6 ppm と比較的大きな値を与え

313

論的にも偶然とするには無理があると判断し、
12a-12d の立体配置を図 4 に示したように決定た。一方、トランス異性体 17 では 2.3 ppm と微した。実際には、さまざまな実験的傍証も得て最妙に小さな値となった。興味深いことに 17 の安終結論に導いている。

定配座では 3 位メチル基と 4 位水酸基が 1,2- ジア

3-2. 遠隔 CH カップリング定数（nJCH）の利用

クシアル配置であった。これは 3 位メチル基と 4位水酸基のいずれも 1,3- ジアクシアル反発の原因

天然物構造、特に立体構造の決定の多くでは、となる原子或いは置換基がないためで、計算ではプロトン間スピンカップリングにおける Karplus

17 の 3 位メチル基と 4 位水酸基がジアクシアルと式や W 字ロングレンジカップリング、また NOEなどが主に用いられてきた。しかし 12a-12d のなる配座（図 5、左）はジエクアトリアルとなる

ように 4 級炭素が連続する場合は、それらの手法配座である。筆者らは HMBC スペクトルと、計を用いることができない。

算した JCH 値を比較してこれを確認した。HMBC

配座（図 5、右）より約 9 kJ/mol 安定でほぼ独占
n

JCH 値の活用も有用であるが、一部を除きそのスペクトルでは JCH の絶対値が設定値（通常は値と立体構造との関係の整理は不十分である。前7-10 Hz、図 5 の HMBC スペクトル測定では 8 Hz）

章で HMBC シグナル帰属の入れ替えをいくつかに近いほどシグナルが強く現れる。構造 17 の H-3

提案したが、経験的知見に基づく JCH の活用の難と の C-1, C-4, C-4a お よ び C-9 と の nJCH に つ い てしさを示すものといえる。Spartanʼ18 では、理論

B3LYP/PCJ-1 により計算したところ、6.3、-4.2、スピンカップリング定数の計算を装備した。本手

5.6、および -2.5 Hz となった。次に HMBC スペク

法も天然物の立体化学決定に重要な手段になりう

トルの H-3 スライスを作成したところ、計算されnる。次に、 JCH 値の計算を利用した構造決定を紹た JCH と HMBC スライスにおけるピーク強度と。

は良い一致を示した。一方、17ʼ では強度との相

n

n

［34］

介する

n

n

Table 1 15a-15b 間で差異の大きい炭素核の化学シフトと、各異性体における相当する炭素核ωB97X-D/631G ＊で求めた化学シフト

異性体間で数値の大きなグループあるいは組み合わせを太文字で示した。

実験値

C1"

C6

C5

C3

C4

C2

C7"

C7

C5"

15a

43.4

32.1

189. 7

153.1

152.2

185.6

146.3

32.2

194.7

15b

41.3

31.1

190. 7

153.9

151.9

185.8

146.0

32.2

194.6

15c

43.2

32.1

189.9

153.2

151.6

185.2

146.1

32.3

194.4

15d
SD (ppm)

41.2

31.1

190.7

153.9

152.5

186.0

146.7

31.7

195.0

1.03

0.50

0.46

0.38

0.34

0.30

0.27

0.23

0.22

(1S,6R,1”R)- 異性体

45.2

32.2

192.9

147.4

157.2

193.7

150.7

31.3

200.4

(1S,6S,1”R)- 異性体

41.0

30.6

195.8

150.5

154.6

193.5

147.3

32.2

200.4

(1S,6R,1”S)- 異性体

44.6

32.5

194.0

148.7

155.0

193.9

147.8

32.0

199.9

(1S,6S,1”S)- 異性体

40.8

29.8

196.0

150.3

157.0

194.7

152.1

30.5

201.2

一致○／不一致×

○

○

○

○

○

○

○

○

○

(1R,6S,1”S)- 異性体

44.5

32.2

198.6

153.1

151.7

189.2

148.9

31.5

200.5

(1R,6R,1”S)- 異性体

40.2

31.6

200.8

154.4

152.7

190.1

147.5

31.7

201.1

(1R,6S,1”R)- 異性体

44.3

32.1

199.1

153.4

151.1

189.3

147.8

31.2

200.1

(1R,6R,1”R)- 異性体

40.1

31.9

195.8

153.3

153.1

191.3

148.2

32.2

201.8

一致○／不一致×

○

○

×

×

×

○

○

×

○

計算値

解
説
38

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.1039

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019
巻

10

図 5 Mellein 17 とそのジアステレオマー 17ʼ の構造と HMBC スペクトルを利用した構造決定

図 6 Aleutianamine における計算方法の比較

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

関が全く一致せずその可能性を否定、天然物の構を構築するだけで、精度の高い 13C NMR 化学シ

造を 17 と決定することが出来た。円二色性スペ

フトの予想が可能で、これを体験した筆者としてクトルの解析も上記結論に矛盾しないことも加えは、まずは計算してみることを強く勧める。

て最終結論に導いたが、詳細は省略する。

しかし、計算手法は間違った計算を行っても何3-3. 最近の論文データと比較した Spartanʼ18 プ
ロトコルの検証

らかの答えを出してしまう可能性があることを忘れてはいけない。間違った計算結果が一人歩きしてしまうと大変である。我々は化学・物理の視点

以上、天然物の構造決定において、DFT 計算
は力強いツールになりうることを紹介してきた。

から計算結果を一つ一つ検証する必要があることを忘れてはいけない。

論文では Sarotti らの DP4/DP4＋が広く用いられている。利用可能な汎関数／基底関数を考慮すると Gaussian ユーザーには利用しやすいであろう。

DP4/DP4＋では予想構造が百分率（％）で出力されるため判り易いともいえるが、構造情報が確率という一次元に集約されてしまうため、判断の閾
値を決めにくく不安ともいえる。筆者は、図 3 に示したように、計算値−実験値の差異を構造式上に書き示す方が、視覚的に評価でき、新たな構造のヒントが得やすいと考えている。
最近 Hamman らは含臭素天然物 aleutianamine（18）を単離し、Gaussian と DP4＋と組み合わせてスペクトル解析から得た構造の妥当性を可能な［35］

異性体 18ʼ、18ʼʼ とともに評価している。個人的興味から Spartanʼ18 を用いた計算と比較してみたところ、やはり良好な結果が得られた。興味深＊

いことに、Spartanʼ18 では構造の最適化に 6-31Gを基底関数に用いるが、Hamman らの用いた基底関数 6-311＋G(d,p) と比べ格段に計算コストが低い。さらに前者は真空条件、後者は測定に用いた DMSO を PCM 法により考慮しており、前者の計算コストはさらに低くなる。それにもかかわらず同程度以上のスコアを与えていることは興味深い。
一つの化合物のみで全体を評価することは危険であるが、Spartanʼ18 に付属する計算プロトコル
13
は、低コストの計算で信頼性の高い C 化学シフトを予想することを示す一例といえる。

5. まとめ以上、Spartanʼ18 を用いた C 化学シフト計算
13

手法の特徴や、筆者らの応用例を紹介した。本手解法は NMR 解析から推定した天然物構造の妥当性

説を検証するに十分な精度を有しているといえる。
また、 JCH などを組み合わせることにより、これnまで出来なかった構造解析が可能になったともいえる。Spartanʼ18 では、パソコン画面上で構造式
40

文 献［1］ h t t p s : / / w w w. p e r k i n e l m e r. c o m / c a t e g o r y /chemdraw/［2］ 解を得るのに必要な計算量のこと。分子計算では完了に数十時間必要な場合も少なくなく、計算コストの増大は深刻である。
［3］ 平尾公彦 ; 武次徹也 新版 すぐできる 量子化学計算
ビギナーズマニュアル 講談社 , 2015.
［4］ 常田貴夫 密度汎関数法の基礎 ; 講談社 , 2012.
［5］ h t t p : / / m a s a - c b l . h a t e n a d i a r y. j p / e n t r y /20121028/1351428346/［6］ Lodewyk, M. W.; Sieber t, M. R.; Tantillo, D. J.
Chem. Rev. 2012, 112, 1839-1862.
［7］ Takekawa, H.; Tanaka, K.; Fukushi, E.; Koichi Matsuo; Nehira, T.; Hashimoto, M. J. Nat. Prod. 2013,76, 1047-1051.
［8］ Hashimoto, M.; Murakami, T.; Funahashi, K.;
Tokunaga, T.; Nihei, K.; Okuno, T.; Kimura, T.;
Naoki, H.; Himeno, H. Bioorg. Med. Chem. 2006,
14, 8259–8270.
［9］ https://www.wavefun.com/japan/［10］橋本勝 . Wavefunction User Letter 2018, 6, 1-8.
［11］Hehre, W. J.; Kuunzinger, P.; Deppmeier, B.; Driessen, A.; Uchida, N.; Hashimoto, M.; Fukushi, E.;
Takata, Y. J. Nat. Prod. 2019.
［12］6-31G(d) と同義。
［13］現在のところ ECD、VCD スペクトルの計算には対応していない。
［14］筆者の場合、約 4 年間で SSD の交換が必要であった。
［15］計算に利用した汎関数と基底関数とを /（スラッシュ） で連結して表現する。構造と物性を異なった組み合わせを用いた場合、物性を計算した汎関
数と基底関数の組み合わせと構造を求めた汎関数と基底関数の組み合わせとを //（ダブルスラッシュ） で連結して表現する。
［16］個人的には、ωB97X-D/6-31G＊ やωB97X-V/6-311＊＋G(2df,2p)[6-311G ] は、直鎖構造など配座変化が容易な分子では、エネルギー再現性が低くなる
ような感覚を持っている。また、このような分子の場合、エントロピー的には不利な各原子が整頓された配座が安定となる傾向があるため、振動解
析により自由エネルギーを求めにボルツマン分布を計算する必要があるように感じている。筆者の場合、そのような分子では BHLYP/def2-TZVP な
どで自由エネルギー / 配座のボルツマン分布を求＊め、ωB97X-D/6-31 による化学シフトに適用させる工夫をしている。
［17］https://www.j-resonance.com/en/nmrdb/［18］Gu, W.; Ge, H. M.; Song, Y. C.; Ding, H.; Zhu, H. L.;
Zhao, X. A.; Tan, R. X. J. Nat. Prod. 2007, 70, 114-

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

橋本 勝（はしもと・まさる）

1985 年 北海道大学理学部卒業
1990 年 北海道大学大学院理学研究科修了（理学博士）
1990 年 財団法人相模中央化学研究所
1997 年 米国コロンビア大学博士研究員
1998 年 弘前大学農学生命科学部助教授
2005 年 弘前大学農学生命科学部教授

福士 江里（ふくし・えり）

1987 年 北海道大学農学部卒業
1989 年 北海道大学大学院農学研究科修士課程修了
1989 年 北海道大学大学院農学部 文部科学技官、GC-MS・NMR 室勤務、現在に至る
1996 年 博士（農学）北海道大学

Warren J. Hehre
B.A. Cornell University
Ph.D. Carnegie-Mellon University
NSF postdoctoral fellowship University of Paris
1972 University of California Irvine
1977 Prof. of University of California Irvine
1991 President & CEO Wavefunction, Inc.
1995 Emeritus Prof of University of California Irvine

10

巻

1240.
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41

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

トピックス

常磁性効果を活用した糖鎖の動的立体構造解析
北陸先端科学技術大学院大学

山口 拓実
takumi@jaist.ac.jp

はじめには、常磁性中心と各原子核との間の距離や角度に糖鎖は、細胞内外の様々な生命分子システムに依存している［4］。したがって、常磁性効果は、原おいて重要な役割を果たしている。例えば、糖鎖子核の空間配置情報を鋭敏に映し出す。本質的にが脂質と結びついた糖脂質は、糖鎖−タンパク質

弱い相互作用によっている糖鎖ならびに糖鎖が関間や糖鎖同士の相互作用を通して、細胞膜上の機与する分子システムの研究において、常磁性効

能性超分子ドメインの形成に密接に関わると考え果を利用した NMR 解析は極めて有用な手法とな［1］。糖脂質を含む細胞表層の糖鎖は、られている。例えば、スピンラベル化やランタニ

細胞間コミュニケーションとともに、ウィルスドイオンで修飾された糖鎖が、レクチンや糖転感染やがんの浸潤・転移等にも関与している。ま

移酵素の基質結合部位の NMR 解析に用いられてた、自然界に存在するタンパク質の半数以上は糖いる

鎖修飾を受けているとされ、タンパク質の安定性

イオンとの相互作用を調べることにも適していの向上や機能維持に糖鎖が不可欠な存在となってる［7, 8］。また常磁性金属イオンは、糖鎖と金属［9］。

いる場合も多い。さらに、糖タンパク質が分泌さ

金属イオンは、レクチンによる糖鎖認識に必要れる過程や、不要となって分解処理されるプロセとなることに加え、糖鎖およびそのクラスターのスには、多くの糖認識タンパク質（レクチン）が機能発現にも重要であると考えられている。我々［2］

協働している。

は、人工設計によって糖鎖を集積した化合物を利このような糖鎖の重要性が広く知られるように用して、糖鎖クラスターの機能発現メカニズムの［10］なり、糖鎖は、核酸、タンパク質と並ぶ第 3 の生構造基盤解明に取り組んでいる

命鎖とも呼ばれている。ところが、立体構造解析

糖鎖は、主に神経幹細胞に見られる分岐型 3 糖構を含む糖鎖の物理化学研究に関しては、タンパク造であり、カルシウムイオン濃度に依存した糖鎖質の場合と比較して未成熟な部分が多い。その原間相互作用を示すことが知られている因の一つには、均一で十分な量の試料を調製する同士の結合は単体では弱く過渡的でしかないた

ことの困難さにあるが、近年では有機合成化学やめ、こうした糖鎖間相互作用の観察にあたって

生化学、分子生物学等の手技を駆使することで、は、糖鎖を集積することが必要となる。そこで、複雑な構造をもった糖鎖についても精密計測の対機能発現と NMR 解析に適したサイズを両立する象とすることができるようになりつつある。このため、ルイス X 構造を含むオリゴ糖鎖を、自己組

ような状況の中、NMR は糖鎖研究にとっても有織化形成する超分子錯体へと組み込んだサイボー

用な測定法として、糖鎖の構造決定や相互作用解

グ分子を創出した。これにより、直径およそ 40 Å

［3］。ルイス X 型

［11］

。糖鎖

。本稿

の球状分子表面に、24 個のルイス X 型糖鎖を一義

では、常磁性効果を活用した糖鎖の NMR 研究例的に集積することができる（図 1）。合成した糖鎖について紹介する。

クラスターは期待通り、カルシウムイオン依存的析において重要な実験手段となっている

トピックス
42

［5, 6］

り得る

な糖鎖間相互作用によって水中でより大きな分子糖鎖研究における常磁性プローブ

間会合体を形成することがわかった。マンガンイ

大きな磁気モーメントを持つ不対電子は、空オンをプローブとした常磁性緩和促進（PRE）法間を介した双極子相互作用を通して、周囲の核による解析を行った結果、分子間会合を誘起するの NMR 信号に影響を与える。常磁性種を含んだために必要なカルシウムイオンとの相互作用にお溶液の NMR 計測において、その摂動の大きさ

いても、糖鎖の化学構造のみならず、その集積形

受領日：2019 年 9 月 18 日

受理日：2019 年 9 月 25 日

編集委員：池上 貴久

43

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019巻

10
図 1 糖鎖クラスターの自己組織化構築。ルイス X 型糖鎖を超分子錯体形成を利用して集積化した。文献 12 より改変。

態が重要であることを示すことができた［12］。

タクトシフト（PCS）は、40 Å にわたる原子の空間配置を反映した、長距離の分子構造情報を与糖鎖の 3 次元構造ダイナミクスの描像
糖鎖は高い内部運動の自由度をもち、水中でコンフォメーションを絶えず変化させる。糖鎖

［14］

える

。PCS を利用して得られる遠距離情報は、

スピン結合定数や NOE によって得られる情報と相補的である。

の立体構造を理解するためには、静的な安定構造

そこで我々は、この性質を応用して糖鎖の動的を捉えるだけではなく、その揺らぎを含めた動態

立体構造解析を行うため、常磁性ランタニドイオとしての解釈が重要となる。分子の動きを描像す

ンをプローブとして糖鎖へ導入したる手法の一つは、分子動力学（MD）シミュレー

核の空間配置情報をより定量的に得るためには、ションである。しかし分子シミュレーションの結常磁性中心となるランタニドイオンの位置が揺ら

果は、用いる初期構造や力場、計算時間等の条件

ぐことは望ましくない。そこで糖鎖還元末端の化に依存することが一般的であり、計算結果の実験

学反応性の違いを利用し、金属イオンをキレート

的な検証は欠かせない。常磁性効果の利用は、糖する EDTA 誘導体を連結した。また、糖鎖との間鎖の MD 計算結果の妥当性を評価し、その 3 次元のリンカーには剛直性を有する分子構造を設計し構造ダイナミクスを理解するためにも有効であた。このキレート部位を介して磁化率異方性を有［15, 16］

。原子

［13］

するランタニドイオンを導入し、糖鎖の各 H お

NMR 計測を通して得られる、核オーバーハウ

13
よび C の化学シフト変化を観測することで、分ザー効果（NOE）やスピン結合定数による構造

子構造情報を含有する PCS 値を求めることが可

情報は、糖鎖を含む生体分子のシミュレーショ

能となった。

る。

1

ン結果の検証に広く用いられてきた。しかし糖

一方、糖鎖の MD 計算によって得られる複数の鎖は H の密度が低く、空間的に近接できる原子コンフォマーを考慮した立体構造のアンサンブル

数が少ないため、観測可能な NOE の数が多くなモデルを作成し、PCS による化学シフト変化の理い。糖鎖の NMR 解析において、NOE やスピン結論値を見積もる。導入されたランタニドイオンの合定数が与える情報は、主に隣接する糖残基間の磁化率テンソルの主軸方向は NMR によって直接配置という局所の構造に関するものとなる。こう

決定することはできないので、分子モデルと組みした近距離情報からだけでは、コンフォメーショ

合わせた解析を行うことになる。まず、糖鎖のアンの揺動が大きい糖鎖を対象とする際に、分子全ンサンブルモデルに対するランタニドイオンの平体の動態を十分に捉えることができない場合があ均位置を計算し、これと、先に求めた PCS の実る。これに対し、常磁性効果の一つである擬コン測値を用いて、磁化率テンソルの異方性に関する

1

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

パラメータ（Δχax、Δχrh）を決定する（図 2）。そ養することによって糖鎖を 13C で均一に標識しの後、得られたΔχax、Δχrh を使い、アンサンブ

た。得られた M9 糖鎖に常磁性プローブとしてツルモデルから再度、各原子の PCS 値の理論値をリウムイオンを導入し、PCS の測定を行った（図見積もる。このようにして求めた計算値と実験値3a） 。M9 はマンノース（Man）9 残基を含む 11のずれを比較することで、アンサンブルモデル

糖であり、その非還元末端にいずれも共通する（＝ MD 計算結果）の妥当性を評価することがで

Manα1-2Man 配列を含む 3 本の分岐鎖を有してきる。実験結果を満足する PCS の計算値が得らいる。通常、その NMR スペクトルは多くの信号れていないときは、初期構造の変更やシミュレー

が縮重してしまい詳細な解析には困難をともなう

ション時間の延伸等を図り、新たなアンサンブル

が、PCS により化学シフトを空間配置に応じて変モデルを構築する。

化させることで、すべての糖残基の信号を良好に［20］

こうしたアプローチ法により、我々はこれまで観測することができるようになった。そこで、実に、神経細胞に存在する糖脂質ガングリオシドの測した PCS 値を MD 計算の結果と照らし合わせ

糖鎖構造や、糖タンパク質の品質管理機構に関わた。条件の異なるシミュレーションについて評価

る高マンノース型糖鎖の動的構造解析を行い、糖したところ、計算時間の延伸のみならず、レプリ

鎖が水中で取り得る配座空間を定量性をともなっカ交換 MD（REMD）法を用いてサンプリング効［17, 18］て明らかにすることに成功している

。ここ

［21］

率を向上させることで、理論値と実験値がよでは、小胞体においてタンパク質の品質を提示すく一致することが判明した（図 3b）。シミュレー

る役割を担う高マンノース型糖鎖 M9 の解析例をションデータの解析の結果、M9 糖鎖の 3 本の分紹介する。

岐鎖の挙動は有意に異なっていることがわかっ

糖転移酵素および糖分解酵素をコードする遺た。M9 糖 鎖 は、3 本 の 枝 を 伸 ば し た コ ン フ ォ伝子を欠損させた酵母変異株を用いることによメーションのほか、一部の枝を還元末端側に倒しり、M9 糖鎖をもった糖タンパク質を大量に調たフォールドバック構造を取り得ることが示され［19］。こうした変異酵母をた。また、通常の MD 計算の結果と比較すると、[ C6] グルコースを炭素源として含む培地で培

REMD シミュレーションではこれらのコンフォ

製することができる
13

トピックス
図 2 磁化率テンソルのパラメータ決定の概略。糖鎖のアンサンブルモデルに対する常磁性中心の平均位置は、還元末端の糖残基に該当する単糖（ここでは N- アセチルグル
コサミン）を含む EDTA 誘導体のシミュレーションから定義する。文献 13 より改変。
44

45

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

ルコース 1 残基が付加された G1M9 糖鎖の NMR

ルドバック構造をあらわに考慮することが、水中解析は、酵母遺伝子破壊と試験管内酵素反応を組での M9 糖鎖の動的構造を正しく反映するためにみ合わせ、本糖鎖の安定同位体標識体を作出して重要であることがわかった。

行った（図 4）。この際、化学合成した UDP-[ C6]13

このように、NMR データによって裏付けられグルコースと、UDP- グルコース糖タンパク質グた計算結果を基に、糖鎖の立体構造の揺らぎを定

ルコース転移酵素（UGGT）を用いることで、 C量的に描像することが可能となった。さらに、遊標識を施した G1M9 糖鎖を得た［23］。G1M9 糖鎖

離糖鎖の動的な配座空間情報は、タンパク質結合のアンサンブルモデルを用いて各グリコシド結合

状態の静的な構造情報を統合することで、レクチの二面角の分布を調査し、タンパク質との複合体

ンによる糖鎖認識の仕組みについての理解を深めの結晶構造中に見られる糖鎖の配座と比較した。

る道標となる。

その結果、結晶中での糖鎖の立体構造の一部は、13遊離状態で取り得る配座空間の範囲から逸脱するた動的構造から、G1M9 糖鎖と、これを認識する

ことがわかった。このことは、多様なコンフォ

小胞体分子シャペロン・カルレティキュリンとのメーションの間を揺らいでいる糖鎖をレクチンが［22］

相互作用機構について考察した。M9 糖鎖にグ識別する際に、糖鎖の立体構造変化を伴う誘導適

図 3 （a）常磁性プローブを導入した M9 糖鎖のアノマー領域の 1H–13C HSQC スペ
3+3+クトル。La （青；反磁性）および Tm （赤；常磁性）を用いて観測した PCS に基づく化学シフトの変化を矢印で示した。
（b）M9 糖鎖の実験的に得られた PCS 値とMD 計算から得た PCS 値の相関。いずれも総計算時間は 3.07 マイクロ秒。解析には
24,000 個のコンフォマーからなるアンサンブルモデルを用いた。文献 20 より改変。

10

巻

PCS 法と REMD シミュレーションから導かれ

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

マーの出現頻度に有意な差が生じており、フォーBULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

合と配座選択とを巧みに組み合わせた結合過程が存在することを示唆している。糖鎖とレクチンとが織り成す精緻な分子システムにおいて、こうした分子認識機構が重要な鍵となっていると予想し
ている。

おわりに
常磁性効果を応用することで、糖鎖の相互作用解析ばかりでなく、糖鎖やその複合体についてコンフォメーションの揺らぎを定量的に考慮した分子描像を進めることが可能となった。計算機の目覚ましい発達もあり、NMR をはじめとする実験
計測がもたらす生体分子のダイナミクスに関する情報を解釈するために、分子シミュレーションが果たす役割は大きくなってきている。NMR に基づく定量的検証を行うことを通して、複雑な糖鎖を対象とした計算科学の一層の発展を促すことも期待される。
また、こうした動的構造情報の蓄積は、糖鎖が関わる生命現象の物理化学的理解を深めるのは勿論のこと、合成化学における新たな反応の制御や開拓の一助となるとも期待される。糖鎖とレクチンとの結合プロセスを正しく理解することで、標的タンパク質に対する親和性や特異性を高めた
新たな分子設計を行うことも可能となるであろ［24］う。さらに糖鎖の NMR は、ライフサイエンスのみならず、マテリアルサイエンスの分野でも、今後ますます重要な位置を占めると考えている。
本稿で紹介した研究成果の多くは、自然科学研究機構 生命創成探究センター / 分子科学研究所
加藤晃一教授らとの共同研究で行ったものである。加藤グループのメンバーをはじめ、共同研究者の皆様に感謝いたします。

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糖鎖のコンフォマー 260 個の重ね合わせ。文献 22, 23 より改変。
46

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

山口 拓実（やまぐち・たくみ）2008 年

東京大学大学院 工学系研究科 博士課程修了 博士（工学）2008 年

自然科学研究機構 分子科学研究所 助教2015 年北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 准教授

2016 年より 同 先端科学技術研究科 准教授
2019 年より 名古屋市立大学大学院 薬学研究科 客員准教授を兼任

10

巻

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47

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

トピックス

多糖類の構造研究における NMR の有用性
苫小牧工業高等専門学校 応用化学・生物系

甲野 裕之
kono@tomakomai-ct.ac.jp

1. はじめに晶の混在によって生じる構造不均一性を明らかに

多 糖 類、 特 に セ ル ロ ー ス や キ チ ン（ 図 1）とする必要があるため、多糖類の正確な構造情報取いった動植物骨格を形成する構造多糖類は天然に得では多くの克服すべき困難が伴う。多糖類の構存在する最も豊富な有機化合物であり、古代から造研究における最も強力な解析手法は NMR であ

近代に至るまで、紙をはじめその特性を活かした

り、構造−機能相関、動的ダイナミクスを明らか

利用がなされてきた。現代社会では合成高分子にできる解析ツールとして君臨している。本稿で（プラスチック）が主流となり、材料としての構は筆者が過去に探究したセルロースの結晶構造に造多糖の利用は凋落しつつあったが、化石燃料の関する研究に触れた後、最近検討を行ったセル枯渇、地球温暖化、マクロプラスチックに代表さロース誘導体の分子構造解析と抗腫瘍活性とβ-れる環境問題により、生分解性、生体適合性、環(1 → 3, 1 → 6)- グルカンの秩序−無秩序転移構造

境適合性という構造多糖の特長が再評価された。

に関する研究を通じ、多糖類科学における NMR

例えば、数 10 μ径の繊維であるセルロースやキの有用性を紹介する。

チンを物理・化学的に開繊し、数 nm 径にまで微細化したナノファイバーは超高強度軽量素材とし2. 固体 NMR を用いたセルロース結晶構造解析て世界的な研究トレンドとなっている。さらに有セルロースはグルコースがβ-(1 → 4)- グリコシ

機化学やバイオテクノロジーとの融合による生ド結合した直鎖状の高分子であり、その重合度は体・医療材料への展開が活況を呈している。

天然セルロースで 200 〜 1000 程度である。グル

多糖類の機能化、物性制御に関する研究は現在

コース残基の 2, 3, 6 位水酸基は分子内・分子鎖間もなお活発に行われているが、その物性と機能発水素結合によって固定され、分子鎖と平行に整列

現に関する構造的解明については、蛋白質や核酸して結晶化している。キチンもまたセルロースとの構造研究に比べて後手に回っている。その理由同様の結晶構造を有している。セルロース結晶にとして、構成糖（モノマー）の構造類似性、結合は多くの多形が存在し、天然セルロースはⅠ型と位置とアノマーに起因するグリコシド結合の多呼ばれている。I 型結晶は 1913 年に X 線により発様性といった一次構造決定の難しさがある。さら見されに多数の水酸基による高次構造形成、結晶・非結

たが、何れも実験事実と相反することから、長期［1］、その後様々なモデル構造が提案されトピックス
図 1 代表的な構造多糖類であるセルロース（木質主成分）とキチン（甲殻類外骨格主成分）の一次構造。直鎖構造であり、隣接分子鎖との水素結合によって繊維状の高次構造を形成する。
48

受領日：2019 年 9 月 3 日

受理日：2019 年 9 月 6 日

編集委員：橋本 康博

49

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019
巻

10

13
13
図 2 再生セルロース（一度溶解して再生したセルロース）結晶の固体 C- C INADEQUATE およ
13［7］
び 1H– C J-HMQC スペクトル 。実線と点線で示した二種類のコンフォメーションが異なるグル
コース残基が等価に存在している。二種類の天然セルロース Iαと Iβも二種類のグルコース残基から構成されている。

に渡る論争が続いた（現在も！）。1984 年に CP/果、Iαの二種類の残基は同一分子鎖で交互に配列

MAS C NMR スペクトルによってⅠ型結晶は二し、Iβの二種類の構成残基は独立した分子鎖を形つの結晶（ Iα と Iβ ）の混晶であることが立証され成していることが明らかになった

13［2, 3］［11, 12］。同時期、高等植物は I β がリッチであり、海藻やに別の研究グループが放射光 X 線回折や中性子線

微生物は Iα がリッチであることが明らかになっ回折による結晶構造の精密化を検討し、筆者らの

た

［2］

た

。純粋な Iα や Iβ を持つ生物種は存在せず、知見と一致した結晶モデルが提案され、現在に［13, 14］

正確な結晶構造は明確化されていなかった。

至っている。しかし何故、Iα と Iβ が混在す

筆 者 は 20 年 近 く 昔、 ブ ル カ ー バ イ オ ス ピ ン

るのか？、生物種によって割合が異なるのか？と（株）に所属しており、ある長期出張の際に会社いう疑問に対する明快な解は得られておらず、セの WB 300 MHz とサンプルチェンジャーを用い

ルロース生合成機構に関する研究が継続されていて、Iα と Iβ がリッチなセルロース試料を用いてる。また天然セルロース結晶と再生セルロース結［4, 5］

晶中における分子鎖配列の方向性に関しても論争

13

13にトライした。
「天然

C– C INADEQUATE

存在比」では無理だろう…とは思いつつ、7 mmが続いている。

径サンプルローターに試料を可能な限り充填し、各試料約一週間（！）の積算を仕掛けた。出社後、3. 溶液 NMR を用いたセルロース誘導体の置

真っ先にフーリエ変換すると、ノイズの中に二換基分布状態の解明

種類のグルコース残基の相関ネットワークが表

現在、世界的なバイオマス研究が隆盛し、セルれていた（この時の感動はその後、経験していな

ロース誘導体が低環境負荷な材料として再認識さい…）。その結果、Iα と Iβ は共に異なるコンフォ

れつつある。セルロースの誘導体化はその水酸基

メーションを持つ二種類のグルコース残基が等価に限定されるため、その誘導体はエステルとエー［6 〜 8］で存在することが明らかになった（図 2）。さテルである。代表的なセルロースエーテルはメチ

らに C 標識グルコースをセルロース生産菌に与ルセルロースやカルボキシメチルセルロースであ

13［9, 10］

えて得られる C 標識セルロースが得られる

り、増粘剤、バインダー等として食品や医薬品とようになり、固体二次元 C NOESY や C RFDR

して広く使用されている。またエステル類では極による炭素−炭素間距離を見積もった。その結めて透明度が高いアセチルセルロースが光学フィ

13

13

13

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

ルムやフィルターとして応用されている。

れるメチルセルロースの場合、DS ＞ 0.9 で水溶性

セルロース誘導体物性を決定する構造的指標はを示す。つまり諸物性が 2,3,6 位置換基の分布状

置換度（DS）であり、セルロースの 2, 3, 6 位水酸

態や構成残基組成によって影響を受けることが確基のうち、一残基あたり平均何個置換されている

認された

［15］

。

かを示す値である。完全置換体の場合、DS ＝ 3

しかしセルロース誘導体では、未置換および置となる。近年、不溶性のセルロースを溶解可能な換状態の異なる最大 8 種類の構成残基がランダム

イオン液体等の溶媒が報告され、溶解状態での誘に分布しており、置換基分布状態を正確に決定す導体化が可能となった。その結果、誘導体物性をることは困難である（図 3）。各残基は置換数と位従来の DS だけでは説明できない現象が報告され置が僅かに異なるだけであり、各種分析手法にている。例えば、セルロースを固体状態の不均一より各構成残基を定性・定量することが困難であ系で合成したメチルセルロースは DS ＝ 1.3 〜 2.0

る。NMR を用いた方法として、酵素や酸によるで水溶性を示し、DS ＞ 2.5 でクロロホルム可溶と加水分解の後、生じたオリゴマーを解析する方法なる。一方、溶解した完全均一誘導体化して得らが報告された。しかし DS が高い誘導体に対して

図 3 メチルセルロースに含まれる 8 種類の構成残基（モノマー）。各残基はランダムにグリコシド結合をして分子鎖を形成している。

トピックス
13
13
［16］
図 4 置換度（DS）が異なるメチルセルロースの溶液 C NMR スペクトルと 8 種類の構成残基の C 化学シフト

50

51

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

化学シフトは変化しないことが確認された。つま結合よりもエステル置換基が優先的に分解するたり各残基の化学シフトは隣接の配列状態にかかわ

め、有効な分析手段ではない。

らず、全て同一の化学シフトである。また各構成

そこで単一セルロース誘導体の全 8 種類のモノ

113
残基の H および C 化学シフトは 2, 3, 6 位の置換

マー組成を明らかにする方法論を構築する目的

基効果の加成性だけで説明できることも確認されで、各種二次元 NMR 法による構成残基の化学シた。一方、置換基の化学シフトに関しては、メチ

フト帰属を検討した。糖鎖構造解析における定ル基といった立体的に小さな置換基の場合のみ置法である H– H 二次元測定では相関の重複と幅換基効果の加成性が成立するが、置換基鎖長が僅

広な線形から構造情報が得られないため、 C 共

かに長く、負電荷を有しているカルボキシメチル

鳴線の帰属に重点を置いた。まず H– C HSQC-

セルロースでは加成性が成立しない

TOCSY ス ペ ク ト ル 上 で 展 開 し て い る 各 残 基 骨置換基の化学シフトは置換基間相互作用による置格（ 炭 素 6 個 と 水 素 7 個 ）の 7 × 6 ＝ 42 個 の 格 子

換基のコンフォメーション変化を鋭敏に反映して状相関を抽出し、その後 HSQC、Edited H2BC、いることが実験的に確認された。

1

1

13

1

13

［20］

。よって

巻

10

HMBC 等による各原子核の帰属を進めた。単一帰属が達成されれば定量操作（波形分離や積の DS の試料では相関重複が複雑であるため、DS分）、緩和解析を通して様々な情報が得られる。

が異なる複数試料に対して解析を行い、全ての構反応の進行に伴う各残基組成の変化を明らかにす［16］

成残基の帰属が達成できた（図 4） 。

るために、不均一反応で DS が異なるメチルセル［17］、

ロース試料を合成し、各試料の定量 C NMR ス

等のセルロー

ペクトルを取得した。共鳴線に対して積分およびメチルセルロースの他、エチルセルロース［18 〜 20］

カルボキシメチルセルロース

［21］

13

につい

波形分離を適用して、置換基の分布状態を解析して同様の評価を行ったところ、分子鎖方向に対した。その結果、DS 変化に対する 2, 3, 6 位の置換て隣接する二つの残基によって、各構成残基の基分布（DS2, DS3, DS6）と各構成残基のモル分率

スエーテルや酢酸セルロースエステル

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019は酵素分解が進行せず、酸加水分解はグリコシド

図 5 不均一反応によって得られたメチルセルロースの置換基分布［16］。各 DS に対する
（a）2, 3, 6 位置換基分布状態変化、（b）未置換、一置換、二置換、三置換残基のモル分率（χ）変化、（c）三種類の一置換残基のχ変化、（d）三種類の二置換残基のχ変化。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10（χ）をプロットすると、誘導体化の反応メカニズ［16］

ムが明らかになった（図 5） 。例えば置換基分

態と諸物性との関係性について解析を進めている。

布はつねに DS2 ＞ DS6 ≫ DS3 の順であり、各水酸［10, 2, 23］

帰属という観点からは、 C 標識試料
13を

基 の 求 核 性 は -OH(2) ＞ -OH(6) ≫ -OH(3) と い う

用いれば簡便かつ短時間で帰属が達成できる。

ことがわかる。これはアノマー炭素から距離的に上述のセルロース生産菌を用いて合成した完全近い 2 位水酸基が高く分極していることを反映し13ており、一般的に反応性の高い一級（6 位）水酸

元 NMR スペクトルを測定すれば良い。 C 標識

基よりも置換されやすいことを示していた。また

セルロースより合成したカルボキシメチルセル

構成残基のモル分率（χ）の変化では、反応初期

ロース（DS ＝ 0.91）では主鎖骨格が標識されてお（DS ＜ 1）においては 2 位もしくは 6 位が置換されり（図 6）、INADEQUATE スペクトルから未置換た一置換モノマーが急激に生成し、3 位一置換モ残基と 3 種類の一置換グルコース残基の相関ネッ

ノマーは殆ど生成しないことが確認された。反応

トワークが容易に帰属できた（図 7）。さらに C

中期（1 ＜ DS ＜ 2）では二置換体が生成し、2, 6 位

TOCSY, 13C COSY と い っ た 13C–13C 二 次 元 NMR

二置換が優先的に生成した。しかし 2, 3 位と 3, 6も適用でき、一般的な 1H 共鳴線帰属と同様な方位二置換体が高い割合で存在していることから、

13［24］法で骨格炭素の C 共鳴線帰属が可能である 。

C 標識セルロースを誘導体化し、13C 検出二次1313

反応初期と比べて反応中期では 3 位水酸基の反応性が向上したと言える。この変化はセルロースの4. β-(1 → 3, 1 → 6)- グルカンの高次構造と高次構造変化、すなわち置換反応の進行による分秩序 ― 無秩序転移の解明

子間・分子内水素結合の切断が、未置換セルロー

セルロースはグルコースがβ-(1 → 4)- グリコシ

ス水酸基の反応性を変化させたと考えることがでド結合した直鎖状高分子であり、分子間水素結合

きる。一方、均一系で合成したメチルセルロース

によって繊維状に配列した高次構造を形成していに対して同様の解析を行うと、3 位水酸基の反応る。一方、グルコースがβ-(1 → 3)- 結合した主鎖性が不均一系と比較して飛躍的に向上していた。

を持つ多糖はβ-(1 → 3)- ファミリーと呼ばれ、螺つまりセルロース溶媒や水酸基間での水素結合が旋構造を取るものが多い。β-(1 → 3)- グルカンは置換基分布や残基組成に強い影響を及ぼしている

キチンと結合して細菌、真菌、酵母、キノコなことが立証された。現在も各種反応条件と詳細などの細胞壁を構成している構造多糖である。β-置換基分布状態を徹底的に解明し、同時に分布状(1 → 3)- ファミリーの中で、β-(1 → 3)- 主鎖にβ-トピックス
図 6 天然セルロース（上）と 3C 標識セルロース（下）から合成したカルボキシメチルセル
13［24］
ロースの C NMR スペクトル 。標識試料ではセルロース炭素のみが標識されている。
52

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

で菌体外に生産するが、水不溶性のため低分子化

ルカンは腫瘍免疫賦活作用を持つものが多い。抗よる可溶化が困難という理由から産業利用が行わがんという視点で、シイタケ子実体のレンチナ

れてこなかった。最近、穏やかな水熱処理を適用

ン、スエヒロタケ由来のシゾフィランが医薬品とすることで黒酵母β- グルカンの可溶化が可能として研究開発されていた。しかし抽出が煩雑であなり、伊藤忠製糖（株）により「KBG」として市るため、極めて高価なものであった。

場化された（図 8） 。KBG の一次・高次構造とある種の黒酵母はβ-(1 → 3)- グルカンを高効率［25］

その構造転移現象の解明に溶液・固体 NMR が効

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

(1 → 6)- 結合の分岐側鎖を持つβ-(1 → 3, 1 → 6)- グ

53

巻

10

セルロース骨格を 13C 標識したカルボキシメチルセルロース（DS ＝ 0.91、図 6 下）の 13C
INADEQUATE スペクトル［24］。四種類の構成残基の相関ネットワークが確認できる。
図7

図 8 NMR によって明らかにされた黒酵母β -(1 → 3, 1 → 6)- グルカン「KBG」の繰返し単位構造（上）とその高次構造に関する秩序−無秩序転移現象（下）BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

果を発揮した。

(1 → 6)- グ ル コ ー ス 分 岐 を 持 つ 繰 返 し 構 造 で あ［26］

一 次 構 造 決 定 は DMSO-d6 に 溶 解 し た KBG にる こ と が 明 ら か に な っ た（ 図 8） 。 既 知 の β13対して行い、セルロース誘導体同様に C 共鳴線-(1 → 3, 1 → 6)- グルカンと比較して KBG の側鎖分の帰属に重点を置いた。 H– C HSQC-TOCSY 測

岐度（67 ％）は突出しており、側鎖間でのスタッ定から構造中に 10 種類のグルコース残基が検出

キングで高次構造を形成していないと予想した。

さ れ、 そ の 後 HSQC、Edited H2BC、HMBC ス

しかし D2O 中では線形が急激に広幅化したことか

13

ペクトルで全ての H、 C 共鳴線の帰属が確定しら、溶媒の DMSO-d6/D2O 混合比を変化させたとた。 H NOESY によって残基配列を決定し、そのころ、D2O が 70(v/v) ％以上では何らかの高次構

一次構造はβ-(1 → 3)- 主鎖 6 残基毎に 4 残基のβ-造を形成し、構造転移することが確認された（図

1

1

13

1

図 9 DMSO-d6/D2O 溶媒混合比を変化させて測定した KBG の 13C NMR［27］
スペクトル（C3 主鎖領域）。D2O の割合が上昇するに伴い、溶解度が低下し、運動性の低い三重螺旋構造（矢印）の共鳴線強度が向上する。

トピックス
13
図 10 DMSO（上）および水（下）から凍結乾燥した KBG の CPMAS C
NMR スペクトル。ランダムコイル（無秩序構造）から三重螺旋（秩序構造）
形成に伴って、主鎖 C3 の化学シフト変化が伴う。帰属の C3ʼ は側鎖を示す。

54

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10［27］

一無二の分析装置である。今後も NMR の特長を活かした多糖類研究を進め、同時に NMR の有効析を行った。

性とその素晴らしさを伝えていきたいと考えている。

CPMAS スペクトルでは主鎖 C3 共鳴線で 5 ppm 変化しており、主鎖骨格の構造変化が示唆された。

謝

辞さらに T1 緩和時間より水から凍結乾燥した KBG

本稿で述べた研究の一部は近藤修啓氏・平林克は DMSO 試料よりも運動性が低下しており、特樹博士（伊藤忠製糖（株））、尾形慎博士（福島高に主鎖 C1 と C3 の T1 は DMSO 試料の三倍程度で専）の協力によって行われた。この場をお借りしあった。これは高次構造形成によってβ-(1 → 3)-て感謝申し上げる。

主鎖グリコシド結合の運動性が極端に拘束されていることを示していた。また T1ρ値の増大も水かての運動性が低下していることが明らかになった。並行して WAXS、SAXS による解析を進めた
結果、KBG は水中において三本鎖三重螺旋構造を形成し、そのピッチ長は 1.82 nm であった。また各分子鎖は主鎖 6 残基（繰返し構造単位）で 1 回
螺旋していた。水中の三重螺旋構造は DMSO 添加に伴い、DMSO 濃度が約 70 ％で螺旋構造が崩壊し、ランダムコイル化する。またランダムコ
イルは水を添加することで一部三重螺旋へ可逆的に転移することが NMR によって明らかにされた。主鎖 3 残基毎に 1 残基の側鎖を持つシゾフィ
ラン（分岐度 33％）の三重螺旋構造と KBG（分岐度 67 ％）三重螺旋構造の緩和時間を比較した結果、KBG 三重螺旋の構造安定性が示唆され、回折データの半値幅からも KBG 三重螺旋のピッチ方向における構造安定性が確認された。よって三重螺旋は側鎖間の水素結合によって安定化しており、分岐度の高い KBG の方がより構造安定な三重螺旋を形成していることが明らかになった。
以上のように、溶液 NMR と固体 NMR の活用によって、構造未知多糖の一次構造と高次構造の全貌が明らかにできる。

5. おわりに
多糖類や複合糖質は構造の複雑さが故に、「多糖の NMR は複雑すぎて情報が得られない」と仰られる研究者に出会うこともある。しかし、溶液・固体ともに二次元展開することで構造情報が浮かび上がってくることが多い。さらに緩和解析などを取り入れることで、結晶・非結晶や多糖特有の結晶多型や構造転移現象を明らかにすることができる。NMR は構造情報はもちろん、動的情報を得る上で他の分析機器の追随を許さない、唯10

巻ら乾燥した KBG では確認され、分子鎖全体とし

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日本核磁気共鳴学会 NMR 20199） 。 そ こ で 水 と DMSO に そ れ ぞ れ 溶 解 し た
KBG を凍結乾燥し、固体 NMR による高次構造解
水 お よ び DMSO か ら 凍 結 乾 燥 し た KBG の55

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and schizophyllan from Schizophyllum commune.
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［27］Kono, H., Kondo, N., Hirabayashi, K., Ogata, M.,
Totani, K., Ikematsu, S., and Osada, M. (2017)
NMR spectroscopic structural characterization of awater-soluble β-(1 → 3, 1 → 6)-glucan from Aureobasidium pullulans. Carbohydr. Polym. 174, 876–886.

甲野 裕之（こうの・ひろゆき）

トピックス
56

1994 年

北海道大学工学部卒業

1996 年

北海道大学大学院工学研究科修士課程修了

1996 〜 1997 年

北海道総合研究機構工業試験場研究員

2000 年

北海道大学工学研究科博士課程中退

2001 年〜 2007 年 ブルカーバイオスピン株式会社
2003 年

博士（理学・北海道大学）取得

2007 年

苫小牧高専

准教授

2019 年

苫小牧高専

教授

現在に至る

57

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

トピックス

京都大学大学院農学研究科

久住 亮介
r_kusumi@kais.kyoto-u.ac.jp

はじめに結晶は、磁化率異方性を有するものの典型である。最も対称性の高い立方晶は磁気的にも等方でいを巧みに利用した分析法である。NMR では磁あるが、一軸性結晶（六方晶、三方晶、正方晶）

場強度が強いほど感度や分解能が高くなるため、や二軸性結晶（直方晶、単斜晶、三斜晶）は磁化

超電導磁石（SCM）を用いた磁場発生が主流であ率異方性を有している。磁化率の異方性は 2 階のる。強磁場下では、反磁性体も磁場に応答する。

磁化率テンソルχで表され、一軸性結晶では 3 つ

磁場強度は 1 GHz 級の超強磁場 NMR で 23.5 T、汎の主値（χ1, χ2, χ3）のうち 1 つが異なり、二軸性用の 400 MHz NMR 用 SCM でも 9.4 T であり、反結晶では 3 つとも異なる。χの主軸と結晶軸の対磁性体の磁場応答を引き出すのに十分な強さであ

応関係は結晶系により決まっており、例えば単斜る。そのような強磁場を使用する NMR において、晶では結晶の 2 回回転軸が主軸の 1 つと一致して

磁場応答、特に磁場配向を活用した構造・ダイナ

いる

ミクス解析がこれまでに多数行われてきた。NMR

異方性を有している。液晶ドメイン中では個々のにおける種々の相互作用のうち、化学シフト相互分子が配向の秩序度を有するため、分子の磁化率

作用、双極子相互作用、間接スピン相互作用、お異方性がドメインの異方性を通じて反映される。

よび四極子相互作用（四極子核の場合）は異方性

高分子短繊維では繊維軸方向に分子鎖が配向してを有している。これらは溶液中の分子など等方条いるため、繊維軸方向とそれに直行する方向とで件下であれば等方化されるが、磁場配向した分子

磁化率が異なる（それぞれχ‖およびχ⊥）。これら

であれば双極子相互作用や化学シフトの異方性のの磁化率異方性は化学結合の磁化率異方性に起因情報を抽出できるようになり、構造・ダイナミクしており、結晶・液晶・繊維の固有の対称性によスについての有用な知見を得ることが可能となる。

り平均化された結果が各々の磁化率異方性を与え

本稿では、磁場配向を利用した NMR 解析 磁場ている。

［9, 10］。液晶ドメインや高分子短繊維も磁化率

配向 NMR について、磁場配向の基本的な原理

一方、棒状や円盤状のような粒子は、物質固有を踏まえつつその代表的な活用例を示すとともの磁化率異方性に加えて形状異方性に基づく磁化に、著者らが近年取り組んでいる動的磁場を利用

率異方性を有している。これは、磁場印加によりした高度な配向制御とその NMR への応用事例を誘起される磁気モーメントの大きさが、磁場に対紹介したい。なお、液晶などを用いた磁場配向する粒子の方向に依存して変化することに起因し［1 〜 5］NMR［6］や反磁性体の磁場応答、動的磁場に［7, 8］ている。

については多くの優れた成書・磁場配向は、磁場下で物質の得る磁気エネル

総説があり、本稿でも大いに参照させていただい

ギーが熱エネルギーなど他の競合エネルギーを凌た。詳細を学びたい方はぜひ目を通してほしい。

駕する場合に顕著に現れる。正の一軸性の磁化率

よる磁場配向異方性χa（＝χ‖−χ⊥＞ 0）を持つ粒子に静磁場を磁場配向の条件：印加したとすると、その粒子の磁場配向の駆動力

磁化率異方性 、磁気エネルギー、配向時間

は異方性磁気エネルギー

物質を磁場配向させるためには、まずその物
質が外部磁場に対して異方性を有している必要

E ＝−

χaVB 2
cos2θ
2μ0

（1）

がある。異方性には磁化率の異方性と形状異方で表される。B は磁束密度、μ0 は真空の透磁率、性がある。

V は体積、θはχ‖ 軸が B となす角度である。磁

受領日：2019 年 9 月 16 日

受理日：2019 年 10 月 1 日

編集委員：山田 和彦

10

巻

NMR は、強磁場下における核スピンの振る舞

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

磁場配向 NMR−反磁性体の磁場応答を利用した構造解析−

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

場配向は、磁気エネルギーのミニマムに磁化軸

どの異方性が完全には消失せずに残り、それらをが束縛されるために生じると理解される。（1）式反映したスペクトルが得られる。このような微より、静磁場下では磁場方向にχ|| 軸が束縛され、弱な配向下で残存する異方的相互作用は、残余

その束縛の程度は磁場強度、粒子の体積、および双極子相互作用（RDC）や残余化学シフト異方性

磁化率異方性が大きいほど強くなることが分か（RCSA）などと呼ばれている。

RDC などの残余異方性効果は、解析対象そのる。
エネルギーミニマムの谷が非常に深い、あるいものの磁場配向が困難であっても、試料調製を工は温度が十分に低い場合は谷周りでの熱ゆらぎは夫することで観測することができる。1960 年ご

無視できるが、そうでない場合は配向ゆらぎを考

ろには既に磁場配向した液晶の NMR

慮しなければならない。一軸異方性粒子の静磁れていたが、その後、水系のネマチック液晶相内

場配向の場合、平衡状態での配向角度の分布は、に共存させたタンパク質も運動が異方的に束縛さBoltzmann 分布を用いてれて微弱ながら配向し、RDC が観測されること〈θ2 〉＝が測定さ［15］

μ 0 kbT

χaVB

［14］

（2）

2

が見出された。タンパク質の立体構造は主にNOE などの短距離情報を基に計算されるが、通と表される。kb はボルツマン定数である。許容す

常の溶液 NMR では複合ドメイン間からなる高分、χa を 10 、B を 10 T、温度る配向ゆらぎを 0.5°

子量タンパク質などの全体構造を決定することはを 300 K とした場合、数μm 程度のサイズであれ難しい。しかしながら、RDC を観測できれば NH

ば有意に磁場配向することが分かる。

結合などの磁場に対する相対的な方位という遠距–7

実際の磁場配向実験は、配向させたい粒子を媒

離情報が利用可能となり、ドメイン間の相対配置［16, 17］。

体に均一分散させた状態で行う。したがって、磁や構造変化の情報を得ることが可能となる

場配向に要する時間τは媒体の粘度に依存する。

これまでに、RDC による遠距離情報を援用した

配向時間τは、構造解析により、様々なタンパク質のドメイン構［1, 17, 18］

6 μ 0η
τ＝
F（D）
χaB 2

（3）

［11］

で与えられる造やその動的変化が解明されている。

残余異方性効果は、液晶以外の 弱く 磁場配。ηは媒体の粘性係数、F（D）

向する物質を配向剤として活用することでも観測

は粒子の形状因子である。粒子の回転を駆動するできる。RDC・RCSA 観測を可能とする異方性溶

磁気トルクと回転の際に生じる粘性抵抗は共に粒媒（磁場配向により溶質に異方的な測定環境を提子の体積に依存するため、配向時間は体積による供する溶媒）には、液晶相を形成するディスク状影響を受けない。一方、粘性抵抗は粒子の形に大脂質二重膜のバイセル［19］のほか、繊維状バクテ［20］や棒状ウィルス［21］、紫膜［22］きく依存するため、配向時間は粒子の形状により

リオファージ Pf1

変わってくる。χa が 10 の球状の微粒子（F（D）–7などがある。バイセルはディスク面が磁場と平行＝ 1）を粘度 10 Pa·s の媒体に分散させ、10 T の静3＋になるよう配向するが、Tm などのランタニド

磁場を印加する場合、8 s 程度で磁場配向が完了

イオンを作用させて磁化率異方性を変化させる

することが分かる。

ことで磁場と垂直に配向させることができる

［23］

。

また、脂質二重膜が形成する巨大なベシクルの

トピックス
58

静磁場配向下での残余異方性効果を利用した

磁場配向を利用すれば、磁場方向に対する化学

構造解析

シ フ ト の 振 動 パ タ ー ン や PISEMA（Polarization

通常、溶液中にある単分子では磁場下で得る［24］
Inversion Spin Exchange at the Magic Angle）

磁気エネルギーに対して熱エネルギーが圧倒的による PISA（Polarity Index Slant Angle）wheelに大きいため、磁場配向は起こらない。しかしなの観測

がら、常磁性イオンが結合したミオグロビンや豊ドの膜法線周りの回転運動やその配向情報を得る

富な芳香族塩基に由来し大きな磁化率異方性を有ことも可能である

する核酸などでは、単分子でも強磁場下で部分的

RDC 観測は、中〜低分子有機化合物のコンフォ［12, 13］［25, 26］などを通じて、膜に結合したペプチ［3］。なお、異方性溶媒を用いた。その結果、溶液中など等

メーション・コンフィグレーションの決定やエナ方条件下では平均化されるはずの双極子相互作用

ンチオマーの区別、鏡像体過剰率の決定にも有効や化学シフト相互作用もしくは四極子相互作用なであるに磁場配向する［2］。この場合、水系ではなく有機溶媒系の

59

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

χ3

(a)

(b)

χ1

Br

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

χ3

χ2
χ1 B

B

Br

図 1 （a）静磁場下および（b）回転磁場下における二軸性結晶の配向形態。
二軸性結晶には直方晶（磁化軸と結晶軸が全て一致）を想定している。

y

z zʹ
yʹ

(b)

135°

y
xʹ

f

45°

xʹ
x

s

top-view

z

x
225°

zʹ χ3
y ʹ χ2x ʹ χ1

s

f

10

巻

(a)

315°

B

B

図 2 （a）周波数変調型の回転磁場（90 °変調回転磁場、ωf ＞ωs）と（b）誘起される二軸性結晶（直方晶）の三次
元配向。配向した結晶（磁化軸）は試料管とともに回転していることに注意。

リオトロピック高分子液晶などが有用であること

ではχ1 軸が静磁場と平行に一軸配向するが、一が多い。

定速度以上の回転磁場下では磁気エネルギーが平異方性溶媒を使用する場合の注意点として、配均化され、磁化困難軸であるχ3 軸が回転面と垂向度が高すぎると残余の異方性相互作用が強くな

直に一軸配向する。なお、回転速度ωは、以下のり、ピークが広幅化して解析が困難となる点が挙条件げられる。したがって、場合によっては濃度を変（4）

ωτ≫ 1/2

えるなどで配向度を微調整する必要がある。まを満たすよう十分速く設定する必要がある。このた、温度や pH、塩濃度、電荷、水系／有機系な条件を Rapid Rotation Regime（RRR）と呼ぶ

どの制約も考慮し、試料や目的にあった溶媒を適RRR 条件が満たされない場合、χ1 軸が磁場に追切に選択しなければならない。磁場配向性や温随して回転してしまうため、χ3 軸を回転面に垂度・pH 安定性、塩濃度耐性などを向上させた新直な方向へと配向させるトルクが生じなくなる。

［27 〜 30］

しい異方性溶媒の開発も行われている。

［8, 31］。

また、二軸性結晶の場合、磁場強度あるいは回転速度を変化させた変調磁場を用いることで、動的磁場による高次元異方化と NMR への応用

より高次元の配向を達成することができる。図 2

前項で紹介した残余異方性解析のための磁場配に、変調磁場の一つである周波数変調型の回転磁

向は、全て静磁場下における一軸異方性粒子の一場（90 °変調回転磁場） と、それにより誘起さ軸配向に分類される。対象が二軸性結晶（χ1 ＞

れる二軸性結晶の配向形態を示す。（x, y, z）およ

χ2 ＞χ3）であれば、動的磁場の利用により静磁び（x́, y ́, z ́）は、それぞれ実験室座標系と試料管場下とは異なる配向様式を付与することができに埋め込まれた座標系（試料管座標系）を表してる。図 1 に、二軸性結晶に静磁場および定速ωでおり、静磁場 B は x 軸と平行に位置している。動［32］

回転する回転磁場 Br（B cos ωt, B sin ωt, 0）を

的磁場を印加する場合、実際の実験では強磁場印加した場合の配向形態をそれぞれ示す。静磁場（SCM）を回転させることは困難なため、静磁場

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10zʹ χ 3 b

(b)

(a)

m

yʹ χ 2 a
10 mxʹ χ 1 c

(c)
c)

χ1
χ2

50 μm

χ2

χ1
50 μm

図 3 90 °変調回転磁場により作製した L- アラニン擬単結晶の（a）
［37］
外観写真、
（b）磁化軸と結晶軸の対応関係 、および（c）薄片についてクロスニコル下で得られた偏光顕微鏡写真。擬単結晶の形
状は、固体 NMR 用の 4 mm 試料管に合わせて設計してある。

COO-(180 ppm)

CH(52.9 ppm)

CH3

(22.2 ppm)

(a)

(b)

CH

CH3

MAS

I (l, m, n) :II (-l, -m, n) :III (l, -m, -n) :IV (-l, m, -n) :no MAS

ψ

0

o

30

o

60o
90

(c)

(e)

o

120o

Chemical shift /ppm

COO-

150o
180o

(d)

トピックス
60

ψ /degree

図 4 L- アラニン微結晶粉末の（a）MAS 下および（b）非 MAS 下での固体 13C CP スペクトルと、（c）L- アラニ
13［37］
ン擬単結晶および（d）高分子マトリクス（UV 硬化ポリマー）の固体 C CP スペクトル 。固体 NMR 測定は、
MAS プローブに擬単結晶の長軸（χ3 軸）が MAS 軸に一致するよう挿入し、擬単結晶を 10 °ずつ回転させながら行なった。ψは擬単結晶の回転角度を表す。擬単結晶のスペクトルからは、差スペクトルによりマトリクス由来［37］の共鳴ピークを除いてある。
（e）はカルボキシ基で観測された化学シフト振動パターン 。MAS 軸周りでの測定のため、L- アラニン単位格子内にある 4 つの磁気的に非等価な分子の振動パターンが観測されている。

61

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10下で試料側を回転させる。90 °変調回転磁場の場δ 33

いた方向から開始し、ωf（45°− 135°および 225°
− 315 °）＞ωs（315 °− 45 °および 135 °− 225 °）の

δ 11

条件で 90°毎に回転速度を変調させる。この条件
下では試料は x́ 軸方向で静磁場の影響を最も強くδ 22

受けるため、磁化容易軸χ1 が x ́ 軸方向に配向する。一方、磁場は RRR 条件下で試料管の回転面x́y 上に広がって存在するため、磁化困難軸χ3 が回転面と垂直な方向に配向する。その結果、残る中間軸χ2 も配向することとなり、結晶の三次元配向が達成される。微結晶をあらかじめ UV 硬

図 5 擬単結晶の化学シフト振動パターンから決定し
13
た L- アラニンのカルボキシ基の C 化学シフトテン
ソル。単位格子内の 4 分子のうち、I（ l, m, n）のものを示してある。

化モノマー中に懸濁させておき、三次元配向さ巻10せた後に UV 照射により媒体を固化すると、微結結晶の方向（ψ）に応じて化学シフトが変化する

晶が三次元配向した複合体（擬単結晶）が得られ様子が分かる。観測された振動パターンより、化［32］る（図 3 参照） 。微結晶の三次元配向の成否や学シフトテンソルの主値および主軸方向を高精度

配向度、磁化軸と結晶軸の対応関係は、X 線回折で決定することに成功している（図 5 参照）。同手により確認できる。また、擬単結晶の形状や微結法は双極子核の化学シフトテンソル［37, 42, 43］

だけ

［44］

の決定に

晶の配向方向は、試料管の形や置き方を変えるこ

でなく四極子核の電場勾配テンソルとで自在に制御できる。なお、同様の三次元配向も有効であることから、微結晶を活用する擬単結を誘起する変調磁場として、強度変調型の回転磁

晶 NMR 法は多種多様な研究分野に応用できる可［33, 34］［35］

や間欠回転磁場

場

［36］

、振動磁場

なども

能性を有している。

提案されている。
擬単結晶を活用した NMR 法は、化学シフト異おわりに方性（CSA）など異方性相互作用の情報を抽出す

現 在 で は 1 GHz（23.5 T）を 超 え る 超 強 磁 場るための有力な手法である。従来法として、CSA

NMR 磁 石 の 開 発 が 進 む と と も に、800 MHz

すなわち化学シフトテンソルの精密な決定には単（18.8 T）クラスの強磁場 NMR の利用も身近なも［38, 39］

結晶の固体 NMR（単結晶 NMR）

が用いられのとなってきた。磁場配向を利用した構造・ダイ

るが、測定には数 mm 程度の巨大な単結晶が要求

ナミクス解析が有効な物質の範囲もかなり拡大しされる。数百μm 程度のサイズがあればマイクロている。現在、著者らは NMR の磁場下で微結晶

［40］

コイル

［41］

や MAS との組み合わせにより解析

懸濁液の三次元配向が可能な磁場配向プローブの［45］。上述の擬単結晶の固可能ではあるが、単結晶のセッティングの困難さ開発に取り組んでいるや低感度などの課題もある。一方、擬単結晶法で体 NMR では微結晶を懸濁させる媒体の置換や固は 8 T 程度の磁場があれば数μm ほどの微結晶で化が必要であり、試料の凝集や損傷（特にタンパ

あっても三次元的に磁場配向させることができ、

ク系）、固化に伴う配向の乱れ（線幅の広幅化）、

擬単結晶のサイズや配向方向も配向時の試料容器

希少試料の測定後の回収などの克服すべき課題がを変えることで自在に制御することが可能であある。また、擬単結晶作製用の超伝導磁石と試料る。また、図 3（a）のような擬単結晶に内包させ配向装置も必要であり、時間的・経済的なロスもることのできる微結晶の体積は数 mm の単結晶と大きい。磁場配向プローブでは三次元磁場配向下同等以上であり、測定感度も十分高い。図 4 に、にある微結晶懸濁体の in situ 固体 NMR が可能で例として数十μm サイズの L – アラニン微結晶粉あり、上記の課題を一挙に解決できる。同プロー

末から作製した擬単結晶（図 3 参照）の固体 Cブにより、例えば水系媒体中にて再結晶化させた

CP NMR スペクトルと得られた化学シフトの振動微結晶から、異方性相互作用の情報を高精度で直

13

［37］

。測定には汎用の MAS プロー

接得ることができるかもしれない。なお、測定はブを使用している。粉末パターンと比較して共鳴媒体を固化せず懸濁液の状態で行うため、試料はピークが先鋭化するとともに、磁場に対する擬単

実験後の遠心分離などにより容易に回収できるとパターンを示す

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

合、試料管の変調回転は B に対して x ́ 軸が 315°傾BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10見込まれる。三次元磁場配向の NMR の汎用化と解析対象の拡大を目指し、日々研究を続けている。磁場配向と NMR による構造解析は、NMRの測定原理からして合理的で非常に相性の良い組
み合わせである（と著者は感じている）。本稿が、読者の方々が磁場配向 NMR に興味を持つきっかけになれば幸いである。
最後に、ここに示した擬単結晶の固体 NMR についての成果は、京大農学研究科の木村恒久教
授（現所属：福井工業大学）と木村史子博士（現所属：京都先端科学大学）および研究室の元学生
諸氏と共同で得られたものである。この場を借りて御礼申し上げます。また、紹介した研究の一部
は、JSPS 科研費および物質・材料研究機構微細構造解析プラットフォームの支援を受けて実施された。単結晶ゴニオプローブの利用などで日頃からご協力いただいている物質・材料研究機構強磁
場 NMR グループの皆様、そして磁場配向プロー
ブの開発で強力なお力添えをいただいている京大
理学研究科の武田和行准教授と著者の研究室で現在奮闘中の門間啓氏にも、深く感謝致します。

トピックス
62

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［26］Wang, J., Denny, J., Tian, C., Kim, S., Mo, Y., Kovacs, F., Song, Z., Nishimura, K., Gan, Z., Fu, R.,

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

久住 亮介（くすみ・りょうすけ）

2004 年

京都大学農学部生物機能科学科

2006 年

京都大学大学院農学研究科森林科学専攻博士前期課程修了

2009 年

京都大学大学院農学研究科森林科学専攻博士後期課程修了

2009 年

京都大学大学院農学研究科

現在に至る

卒業

助教着任

63

10

巻

magnetic field, J. Phys.: Conf. Ser. 165, 012021.
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the orientation of 29Si chemical shift tensors using
rotorsynchronized MAS NMR of single crystals:
forsterite (Mg 2SiO 4), Phys. Chem. Minerals 26 ,55–62.
［42］Kusumi, R., Kimura, F., and Kimura, T. (2015)
Determination of 31P Chemical Shift Tensor fromMicrocrystalline Powder by Using a Magnetically
Oriented Microcrystal Array, Crystal Growth Des.
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［43］Song, G., Kusumi, R., Kimura, F., Kimura, T., Deguchi, K., Ohki S., Fujito, T., and Shimizu, T. (2015)
Single-cr ystal NMR approach for determining
chemical shift tensors from powder samples via
magnetically oriented microcrystal arrays, J. Magn.
Reson. 255, 28–33.
［44］奥村 学，久住 亮介，木村 史子，木村 恒久，出口健三，大木 忍，藤戸 輝明，清水 禎（2016）擬単結
晶試料を用いた単結晶 NMR 法による四極子結合テンソルの解析，第 55 回 NMR 討論会，P75.
［45］Kusumi, R., Kadoma, H., Wada, M., Takeda, T. andKimura, T. (2019) In situ solid-state NMR of a magnetically oriented microcrystalline suspension, J.
Magn. Reson. 309, 106618.

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

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［27］Yamamoto, K., Pearcy, P., Lee, D.-K., Yu, C., Im, S.C., Waskell, L., and Ramamoorthy, A. (2015) Temperature-Resistant Bicelles for Structural Studies
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1496–1504.
［28］Matsui, R., Uchida, N., Ohtani, M., Yamada, K.,
Shigeta, A., Kawamura, I., Aida, T., and Ishida, Y.
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Derived from Cholic Acid, ChemPhysChem 17 ,3916–3922.
［29］Isabettini, S., Liebi, M., Kohlbrecher, J., Ishikawa,T., Fischer, P., Windhab, E.J., Walde, P., and Kuster,S. (2017) Mastering the magnetic susceptibility ofmagnetically responsive bicelles with 3β-amino5-cholestene and complexed lanthanide ions, Phys.
Chem. Chem. Phys. 19, 10820–10824.
［30］内田 紀之，山口 芳樹，海老名 保男，佐々木 高義，
石田 康博，相田 卓三（2017）磁場配向 NMR における配向力，温度安定性，表面改質容易性を兼ね備えた新規配向剤，第 56 回 NMR 討論会，L2-1.
［31］Kimura, T. (2009) Orientation of Feeble Magnetic
Particles in Dynamic Magnetic Fields, Jpn. J. Appl.
Phys. 48, 020217.
［32］Kimura, T., Kimura, F., and Yoshino, M. (2006)
Magnetic alteration of cr ystallite alignment converting powder to a pseudo single crystal, Langmuir 22, 3464–3466.
［33］Kimura, T. and Yoshino, M. (2005) Three-dimensional cr ystal alignment using a time-dependent
elliptic magnetic field, Langmuir 21, 4805–4808.
［34］Yamaguchi, M., Ozawa, S., Yamamoto, I., andKimura, T. (2013) Characterization of ThreeDimensional Magnetic Alignment for MagneticallyBiaxial Particles, Jpn. J. Appl. Phys. 52, 013003.
［35］Yamaki, M., Horii, S., Haruta, M., and Shimoyama,J.-i. (2012) Rare-Earth-Dependent Tri-axial Magnetic Anisotropies and Growth Conditions in REBa2Cu4O8, Jpn. J. Appl. Phys. 51, 010107.
［36］Nakatsuka, N., Yasuda, H., Nagira, T., and Yoshiya,
M. (2009) Three-dimensional alignment of FeSi2
with orthorhombic symmetr y by an anisotropic

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

技術レポート

生体分子レオロジー NMR の開発と応用
京都大学大学院工学研究科分子工学専攻

森本 大智、菅瀬 謙治
morimoto@moleng.kyoto-u.ac.jp, sugase@moleng.kyoto-u.ac.jp

1. はじめにできる新たなレオロジー NMR 法を開発し、世界

アルツハイマー病やパーキンソン病をはじめと［3］

最高感度のレオロジー NMR 法を構築した。まする神経変性疾患に共通する病理学的特徴は、神た、この手法を用いて、ヘキサユビキチンならび

経細胞に異常なタンパク質凝集体（アミロイド）に SOD1 のアミロイド形成の「その場」を原子分が蓄積することである。これまで、アミロイドの解能かつリアルタイムで観察することに成功し

物質的、構造学的特徴は深く研究されているが、た［3, 7］。

その形成機序に関しては原子レベルの情報が不足している。そこで本研究では、NMR 管内の試料

2. 新規レオロジー NMR 装置の開発に流体力学的な影響（剪断流）を加え、アミロイ

既存のレオロジー NMR 法では、NMR 装置かドが形成する「その場」を原子レベルかつリアル

ら電磁波照射とシグナル検出を担うプローブをタイムで解析することの出来るレオロジー NMR

脱着する必要がある法の開発を目指した。元々、レオロジー NMR 法

生体分子を扱う NMR 研究では、高感度プロー

は、ポリマーのレオロジー研究のために開発されブ（プレアンプが約 20 K まで冷やされた極低温プ［1］［1, 2］。しかし、多くの場合、。これまで、既存のレオロジー

ローブ）が用いられており、極低温プローブを脱NMR 法を用いて、タンパク質試料を観察した例

着するためには数時間が掛かり、試料交換の度にた手法である［2］、NMR 感度ならびにプローブ脱着することは現実的では無い。そこ分解能が十分では無く、低濃度もしくは高分子量で、本研究では、極低温プローブ装着した NMR

試料に対して適用が困難であった。そこで、本研

装置で、プローブ脱着を必要としない簡便なレオ

究では、極低温プローブ装着の NMR 装置に適用

ロジー NMR 法を開発した（図 1）。

は報告されているものの技術レポート図 1 開発した新規レオロジー NMR 法（a）新規レオロジー NMR 装置の平面概略図。（b）極低温プローブ搭載
600 MHz NMR 装置に設置する様子。
64

受領日：2019 年 9 月 4 日

受理日：2019 年 9 月 12 日

編集委員：北原 亮

65

図 2 剪断流の有無によるモノユビキチンのオーダーパラメータ S の比較
黒：剪断流なし、灰色：剪断流あり（35 Hz）

10

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

2

巻

本手法において、NMR 試料管は、広く使用さ

ザー効果（NOE）の測定を、剪断流がある場合とれているシゲミ社製の外径 5 mm（内径 4.1 mm）

ない場合で、モノユビキチン（分子量 8.6 kDa）にの NMR 試料管を用いた。試料（0.3 mL）を入れた

ついて行ったNMR 試料管を NMR 装置に投入し、その後、外ダーパラメータ（S ）を算出したところ、二者は径 3 mm ガラス管を装着した MAS トラスファー

ほぼ同じ高いクオリティーで測定することが出来チューブ（Bruker 社製）を NMR 試料管の中に挿ており、数値に差がほとんど無いことが分かっ入した（図 1b）。MAS トラスファーチューブは、た（図 2）。これは、剪断流中でもタンパク質試料

固体 NMR 管を NMR 装置に投入する際に使用すについて、感度良く NMR 測定出来ていることをる器具であり、その中心軸が正確に NMR 装置の示すとともに、加えた剪断流（スピナー回転周波

試料管投入口の中心と合うように作製されてい数：35 Hz、平均剪断速度：680 s

る。このようにして、NMR 装置内に二重同心円

ユビキチンの立体構造にほとんど影響を与えな

管（Couette セル）を設置することが出来る（図かったことを示す。モノユビキチンは構造安定性1a）。設置時間は 10 分程度しか掛からず、従来のの高い頑丈な立体構造を有していることが知られ手法に比べ、プローブ脱着が不必要で非常に簡便ているため、得られた結果は理にかなう。

［3］。これらの測定値を用いて、オー2−1）では、モノな手法だと言える。

Couette セ ル 内 の 液 体 試 料 に 剪 断 流 を 発 生 させ る 動 力 源 と し て 使 用 し た の は、NMR 装 置 の4. アミロイド形成に伴う構造変化の観察
次に、剪断流によりアミロイドを形成するヘキ［4］

標準機能であるスピナー回転である。Bruker 社

サユビキチン（分子量 51.4 kDa）を用いての NMR 装置であれば、ほとんどの装置で 7 から発したレオロジー NMR 装置内でタンパク質試

50 Hz のスピナー回転機能が初めから備わってい料がアミロイドを形成し得るかどうか検証した。

る。このスピナー回転を利用し、試料に一方方向

35 Hz のスピナー回転による剪断流を一定時間与の剪断流を与えることが出来る。本レオロジーえ続けたところ、ヘキサユビキチンはタンパク質NMR 法は、レオロジー NMR として世界最高感線維を形成した（図 3a）。この線維はアミロイド

度・分解能を達成しており、タンパク質試料に適染色用色素であるチオフラビン T と結合し、強いしたレオロジー NMR システムを構築することが蛍光を発したことから、ヘキサユビキチンはレオ

［3］

出来た

。

、開

ロジー NMR 装置で発生させた剪断流によってア
ミロイドを形成したことが分かった。加えて、ア

3. NMR 感度および性能チェック

ミロイド形成中に、 H– C HSQC スペクトルを連
113

まず、新規に開発したレオロジー NMR 装置の続的に測定したところ、指数関数的に全てのクロ

NMR 感度および安定性の評価を行った。高感度スピークの強度が減衰した。さらに、幾つかのクならびに装置の安定性が求められる縦緩和速度

ロスピークにおいて、アミロイド形成に伴う化学、横緩和速度（R2）、 N 異種核オーバーハウ（R1）

シフトに変化が見られた（図 3b）。変化が観測さ

15

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

れたクロスピークに対応する側鎖は立体構造の表液にチオフラビン T を混在させ、開発したレオロ面上に位置しており、構造表面で、アミロイド形

ジー NMR 装置を用いて、30 Hz のスピナー回転成に伴う構造変化や分子間相互作用が起こっていによる剪断流を与えた。一定時間後に、溶液を観ることを示唆する。特筆すべきは、化学シフトが察したところ、ヘキサユビキチンと同様に SOD1

変化した側鎖にヘキサユビキチンに存在するプロもアミロイドを形成していることが分かった［7］。

リン側鎖が全て含まれていることである。これま

さらに、アミロイド形成中において、チオフラビでの研究で、プロリンのシス−トランス異性化がン T 由来の 3.113 ppm のピークを追跡すると、アアミロイド形成において重要な役割を担っている

ミロイド形成がない（剪断流がない）場合と比べ、［5］ことが報告されている。したがって、ヘキサユ

顕著な化学シフト変化が観察された（図 4a）。過［6］、この化学シフト変化はチオフラ

ビキチンのアミロイド形成においても、プロリン

去の報告からのシス−トランス異性化が深く関わっていること

ビン T と線維が結合したことを示している。化学が示唆される。

シフト変化は経時変化とともに大きくなり、ピークの強度も減少しており、これらはチオフラビ

5. アミロイド形成のリアルタイム追跡

ン T が、化学シフト差の絶対値よりも交換速度が4 では、高分子量タンパク質試料であるヘキサ

大きい、速い化学交換（fast exchange）で分子量

ユビキチンのアミロイド形成を観察することがでの巨大な線維と弱く相互作用していると解釈でききた。しかし、アミロイド形成では、より巨大る。

な分子量を持つ線維前駆体（オリゴマーや前原線

また、3.550 ppm 付近を調べると、アミロイド

維）、そして線維を形成することが一般的であり、形成に伴い、新しいピークの出現が観察された

これらは通常、溶液 NMR 法で測定することは不［6］（図 4b）。先行研究により 、このピークはチオ可能である。そこで、本研究では、アミロイドに

フラビン T と線維前駆体であるオリゴマーや前原

特異的に結合するチオフラビン T を利用し、線維線維との結合によるものである。ピークが新たに前駆体ならびに線維の形成をリアルタイムで追跡出現し、そのピーク強度が経時変化とともに増大することを試みた。チオフラビン T は低分子であすることから、チオフラビン T が化学シフト差のり、線維前駆体や線維と結合した状態でもピーク

絶対値よりも交換速度が小さい、遅い化学交換の化学シフト変化や新しいピークの出現として、（slow exchange）で分子量のさほど大きくないオ［6］

その結合を評価することが可能である

技術レポート66。

リゴマーや前原線維と強く相互作用していると考観察対象は、線維前駆体ならびにアミロイド形

えられる。したがって、チオフラビン T は SOD1

成が報告されている筋萎縮性側索硬化症（ALS）のアミロイド形成中に、線維前駆体とも結合して関連タンパク質 SOD1 を用いた。まず、SOD1 溶

いることが分かった。これらの結果より、チオフ

図 3 剪断流によるヘキサユビキチンのアミロイド形成とそれに伴う構造変化の観察（a）レオロジー NMR 装置の剪断流によって形成したアミロイドの透過型電子顕微鏡
113画像。
（b）線維形成前後の H- C HSQC スペクトル。黒：剪断流なし、灰色：剪断
。ピークの化学シフト変化を比較するため灰色のスペ流を与えて 16 時間後（35 Hz）
クトルの等高線レベルを下げて表示している。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

るであろう。また、材料化学や流体力学の分野に

子の線維前駆体や線維の形成をリアルタイムに追おいても、剪断流中の試料の変形ならびに挙動の［7］

跡することが出来た。

変化を分解能高く追跡するツールとして有用であると考える。

6. 結論および展望

現在、本レオロジー NMR 法は、NMR 感度な

本研究により、世界最高感度・分解能のレオロ

らびに分解能で世界最高を達成した。しかし、スジー NMR 法を構築することが出来た。従来法とピナー回転の回転数が制限されている点や、使用比べ、簡便かつ安価に設置することが可能であする NMR 試料管が開放系になっており試料の蒸る。また、ヘキサユビキチンならびに SOD1 のア発が問題になる点など、改善要素が幾つも存在す

ミロイド形成を原子分解能かつリアルタイムに追る。今後の展望として、より改良したレオロジー

跡することに成功し、それぞれ国際学術雑誌に掲

NMR 法の開発ならびにより汎用的な手法開発に［3, 7］

載された。本レオロジー NMR 法は、蛍光分従事する予定である。

光法や円二色性分光法などの既存のアミロイド形

10

巻

成解析手法に比べ、より分解能高くアミロイド形

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019ラビン T の NMR 信号を利用することで、巨大分

67

謝

辞

成を「その場」観察することが出来、研究がまだ本研究を遂行するにあたり、研究助成を賜りまあまり進んでいないアミロイド形成初期段階や、した公益財団法人島津科学技術振興財団、みずほ

細胞毒性の強い前駆体形成機序の解明に貢献でき

学術振興財団、服部報公会、豊田理化学研究所、

図 4 アミロイド形成有無によるチオフラビン T の 1H NMR スペクトルの比較（b）線維前駆体との結合（a）線維との結合に伴うピーク移動および強度減少。
に伴う新たなピークの出現。左：剪断流なし、右：剪断流あり（30 Hz）

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

そして京都大学ジョン万プログラムに心より感謝申し上げます。また、本研究の新規レオロジー

NMR 法開発に対し、多大なる助言および指導を賜りました IPF の Ulrich Scheler 博士、鳥取大学
大学院工学研究科の河田康志教授、ブルカージャ
パン株式会社の山本昭彦氏に感謝致します。
引用文献［1］ Nakatani, A. I., Poliks, M. D., and Samulski, E. T.,(1990) NMR Investigation of Chain Deformationin Sheared Polymer Fluids. Macromol. 23, 2686 –2692.
［2］ Ohgo, K., Bagusat, F., Asakura, T., and Scheler,U., (2008) Investigation of structural transition ofregenerated silk fibroin aqueous solution by RheoNMR spectroscopy. J. Am. Chem. Soc. 130, 41824186.
［3］ Morimoto, D., Walinda, E., Iwakawa, N., Nishizawa, M., Kawata, Y., Yamamoto, A., Shirakawa, M.,
Scheler, U., and Sugase, K., (2017) High-Sensitivity

Rheo-NMR Spectroscopy for Protein Studies. Anal.
Chem. 89 (14), 7286-7290.
［4］ Morimoto, D., Walinda, E., Fukada, H., Sou, Y.,
Kageyama, S., Hoshino, M., Fujii, T., Tsuchiya,
H., Saeki, Y., Arita, K., Ariyoshi, M., Tochio, H.,
Iwai, K., Namba, K., Komatsu, M., Tanaka, K.,
and Shirakawa, M., (2015) The unexpected role ofpolyubiquitin chains in the formation of fibrillar aggregates. Nat. Commun. 6, 6116.
［5］ Jahn, T. R., M. Parker, J., Homans, S. W., andRadford, S. E., (2006) Amyloid formation underphysiological conditions proceeds via a native-likefolding intermediate. Nat. Struct. Mol. Biol. 13 (3),195 –201.
［6］ Robbins, K. J., Liu, G., Lin, G., and Lazo, N. D.,(2011) Detection of strongly bound thioflavin T
species in amyloid fibrils by ligand-detected 1H
NMR. J. Phys. Chem. Lett. 2, 735 –740.
［7］ Iwakawa, N., Morimoto, D., Walinda, E., Kawata,Y., Shirakawa, M., and Sugase, K., (2017) Real-timeobservation of the interaction between thioflavin
T and an amyloid protein by using high-sensitivity
Rheo-NMR. Int. J. Mol. Sci. 18 (11), 2271.

菅瀬 謙治（すがせ・けんじ）

1997 年〜 2008 年 財団法人サントリー生物有機科学研究所 研究員
2002 年

博士（工学）（横浜国立大学）取得

2003 年〜 2006 年 The Scripps Research Institute, Research Associate2008 年〜 2011 年 財団法人サントリー生物有機科学研究所 グループ長 主席研究員
2011 年〜 2015 年 公益財団法人サントリー生命科学財団生物有機科学研究所
グループ長

2015 年〜

技術レポート
68

主席研究員

京都大学大学院工学研究科分子工学専攻

准教授

森本 大智（もりもと・だいち）

2011 年〜 2014 年 日本学術振興会特別研究員 DC1
2014 年

京都大学工学研究科研究員

2014 年〜

京都大学大学院工学研究科分子工学専攻

2015 年

博士（工学）（京都大学）取得

助教

69

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

研究報告

金沢大学ナノマテリアル研究所

水野 元博
mizuno@se.kanazawa-u.ac.jp

1. はじめに
固体材料の機能には、物質内部の分子やイオンがつくる局所的な空間の構造やダイナミクスが大きく影響する。このため、機能性固体材料開発においては、局所構造や分子運動の詳細な解析に基づいた材
2［1 〜 9］。

特徴的な線形を示し、これらを解析することによって分子ダイナミクスの詳細な情報が得られる
2

H NMR の広幅スペクトルでは 10 〜 10 Hz 程度の速さの分子運動の解析ができる。また、Quadrupolar
47

Carr-Purcell-Meiboom-Gill（QCPMG）スペクトルからは、103 Hz や 108 Hz のオーダーの分子運動の情報［10］も得ることができる。常磁性物質においては、速い常磁性緩和により緩和時間から分子運動を解析す［11 〜 16］

ることが困難な場合でも、スペクトルの解析により分子運動の情報を得ることが可能である。固

体 H NMR スペクトルから分子運動の詳細な情報を得るには、スペクトルのシミュレーションを欠かす
2

ことができない。本稿では粉末試料の固体 H NMR スペクトルの測定法・シミュレーション法を示し、
2

これらの手法による金属有機構造体（MOF）や高分子複合体など機能性材料中の分子運動の解析を紹介する。

2. 測定法H は核スピン I ＝ 1 であるから、核四極子相互作用による広幅な NMR スペクトルとなる。ここでは、2

試料のマジック角回転（MAS）を使わない測定について述べる。図 1（a）と（b）に H NMR 広幅スペクト2ルの測定に用いる四極子エコー法と Quadrupolar Carr-Purcell-Meiboom-Gill（QCPMG）法のパルス系列

図 1 2H NMR スペクトルの測定に用いるパルス系（b）QCPMG
列とエコー信号。
（a）四極子エコー法、法、（c）QCPMG 法で得られる信号。
受領日：2019 年 9 月 24 日

受理日：2019 年 10 月 7 日

図 2 分子運動が無いときの H NMR スペクトルのシ
2。
ミュレーション（e Qq/h = 200 kHz, η = 0.1）（b）QCPMG スペクトル。
（a）広幅スペクトル、

編集委員：村上 美和

2

10

巻

料設計の重要性が高まっている。固体 H NMR スペクトルは物質中の分子運動のモードや速さに応じて

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019固体 2 Ｈ NMR による機能性材料中の分子運動の研究

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10を示す［1 〜 4, 10］。四極子エコー法では、エコー信号の後半部を検出してスペクトルを得る。QCPMG 法では、エコー信号を繋ぎ合わせ、図 1（c）のようなエコートレインをフーリエ変換することでスペクトルを得る。図 2 に分子運動が無いときの広幅スペクトルと QCPMG スペクトルを示す。ここで、e Qq/h は2

核四極子結合定数、ηは非対称パラメータを表す。
常磁性試料の H NMR 広幅スペクトルの測定では、核四極子相互作用とともに常磁性相互作用が影
2

響するため、図 3 のようなパルス系列を用いる。図し，(b) のパルス系列では信号強度は(a)を用いた場合の半分になる。
3（a）のパルス系列（Shift compensated quadrupoleecho sequence）では、四極子エコー法に 180°パルスを加えることで常磁性シフトによって減衰した信号
し，(b) のパルス系列では信号強度は(a)を用いた場合の半分になる。
［1, 11, 12］。図 3（b）のパルス系列（Exorcycled quadrupole echo sequence）では、90°パ
成分を復活させる
し，(b) のパルス系列では信号強度は(a)を用いた場合の半分になる。
つのシミュレーション法
90°パルスだけで（a）と同様のスペクトルを得ることができる［13］。たルスの位相（φ）回しにより 2３．

2a）を用いた場合の半分になる。
だし、（b）のパルス系列では信号強度は
H NMR（スペクトルのシミュレーションでは，重水素核の各サイトでの周波数
ωi３．シミュレーション法
緩和速度
R2，サイト間のジャンプの速さ k を取り入れる。反磁性物質の場合，サイ2
H NMR
スペクトルのシミュレーションでは，重水素核の各サイトでの周波数
ωi ，スピン３．シミュレーション法
3. シミュレーション法に支配されており，
核四極子相互作用ωQi
2k を取り入れる。反磁性物質の場合，サイト i の周緩和速度 R2，サイト間のジャンプの速さ
周波数 ωi ，スピン－スピン
2
H NMR スペクトルのシミュレーションでは，重水素核の各サイト
H NMR スペクトルのシミュレーションでは、重水素核の各サイトでの周波数ω
i 、スピン−スピン緩 i  ωQiQi に支配されており，(1)
核四極子相互作用合，サイト i の周波数 ωi は，サイト間のジャンプの速さ
k を取り入れる。反磁性物質
緩和速度R2i の周波数ω
和速度 R2 、サイト間のジャンプの速さ k を取り入れる。反磁性物質の場合、サイト
i は核四
 i  核四極子相互作用 ωQi に支配されており， (1)Qiと表すことができる。化学シフト異方性は磁気回転比が小さいために無視できる。
極子相互作用ωQi に支配されており、核の 2 つの遷移（m（1）  Qi は電場勾配の i I=-1
 Qi⇔ mI = 0, mI = 1 ⇔ mI = 0）に対応する。
(1)
と表すことができる。化学シフト異方性は磁気回転比が小さいために無視できる。(1)式の2では化学シフト異方性は小さいために無視できることが多い。
（1）式のと表すことができる。 H NMR
外部磁場の方向に依存する。ω
⇔ mI = 0, mI = Qi
1 の計算では，核四極子相互作用（電場勾配）の主軸⇔ mI = 0）に対応する。 Qi は電場勾配の主軸座標
核の 2 つの遷移（mI = -1と表すことができる。化学シフト異方性は磁気回転比が小さいためにできる。(1)式の  は重水素
0,zm
±は重水素核の 2 つの遷移（mと外部磁場軸にとった実験室座標系（xI ＝− 1 ⇔ mB
I＝
I ＝ 1 ⇔ mI ＝ 0）に対応する。ω
0を
L yL,Qizは電場勾配の主軸座
L）は分子運動を取扱うのに都合
外部磁場の方向に依存する。ω
Qi の計算では，核四極子相互作用（電場勾配）の主軸座標系（
核の 2 つの遷移（m
場勾配の主軸座標に対する
I = -1 ⇔ mI = 0, mI = 1 ⇔ mI = 0）に対応する。 Qの計算では、核四極子相互作用（電場勾配）の主軸座標系
標に対する外部磁場の方向に依存する。ω
, yＭ, zＭ)を介した座標変換によって結び付けられる。
座標変換にはウィグナーの回
(xＭB
Qi
と外部磁場
0 を z 軸にとった実験室座標系（xL yL, zL）は分子運動を取扱うのに都合の良い分の計算では，核四極子相互作用（電場
外部磁場の方向に依存する。ω
Qi）の主軸座標系（xz1と外部磁場）
B を z 軸にとった実験室座標系（xL yL, zL）は分子運動を取扱うのに都合の良い分子（x1, 1y,1y, 1z,1）
Qi は)を介した座標変換によって結び付けられる。
座標変換にはウィグナーの回転行列
D(xＭ0, yＭ, zＭ用い，ω
と外部磁場
B0 を z 軸にとった実験室座標系（xL yL, zL）は分子運動を取のに都合の良い分子座標系
座標系（xM, yM, zM）を介した座標変換によって結び付けられる。座標変換にはウィグナーの回転行列
23
用い，ωQi は
(2)
(2)*
(2)*
, z0(2)*)を介した座標変換によって結び付けられる。
座標変換にはウQi  (xＭ, yＭD
Ｍ
ナーの回転行列 Dnm(Ω) を用い、ω
をn ( ,  ,  ) Dnm ( i ,  i ,  i )TmQ
Qi は
2 n , m  2
2
3
用い，ωQi は(2)*Qi 
D0(2)*( ,  ,  ) Dnm ( i ,  i , 2i )Tm(2)(2)
3n e 2 Qq
2  e Qq Q
2 n ,(2)m  2 
T0Q, T(2)
3
(2)*
(2)
(2)*
2Q
 i2)）TmQ
8  Qi  2  4 D0 n ( ,  ,  ) Dnm ( i , (2)i ,（3 e 2 Qq   e2Qq
(2)
(2)
T0Q


, T2Q   n , m  28 
(2)
 4  3 e 2 Qq
2Qq
  i eでの核四極子相互作用の主軸座標で与えられる[1,2,4,17]。ここで，(α(2)(2)
i, βi, γi)はサイト
T0Q
, T2Q  ［1,2,4,17］。ここで、（αi, βi, γi）はサイト
i での核四極子相互作用の主軸座標系と分子座標で与えられる8 ,  , ) は分子座標系と実験室座標系を結び付けるオイ
4 
(

結び付けるオイラー角，[1,2,4,17]。ここで，(αi, βi, γi)はサイト i での核四極子相互作用の主軸座標系と分子で与えられる
系を結び付けるオイラー角、（ψ2 , θ, φ）は分子座標系と実験室座標系を結び付けるオイラー角である。
e Qq /  は核四極子結合定数， は非対称パラメータを表す。
[1,2,4,17]( ,  ,  ) は分子座標系と実験室座標系を結び付けるオイラー角結び付けるオイラー角，2。ここで，(αi, βi, γi)はサイト i での核四極子相互作で与えられるe Qq/ℏは核四極子結合定数、ηは非対称パラメータを表す。
常磁性物質の場合，ω
2
主軸座標系と分子座標系をi は常磁性相互作用を加えて，
eQq/
は核四極子結合定数，は非対称パラメータを表す。
結び付けるオイラー角， ( ,  ,  ) は分子座標系と実験室座標系を結常磁性物質の場合、ω i は常磁性相互作用を加えて、付けるオイラー角である。
常磁性物質の場合，ωei 2は常磁性相互作用を加えて，
Qq /  は核四極子結合定数，  は非対称パラメータを表す。
i 
Qi 
Dij  CSij（3） (3)常磁性物質の場合，ω
i は常磁性相互作用を加えて，i
i Qi [1,12-16]
Dij  CSij(3)と表される［1, 12 〜 16］。ここで、ω
i の重水素核スピンとの磁気双極子
Dij は j 番目の不対電子スピンとサイト。ここで，ωDij は j 番目の不対電子スピンとサイト
i の重水素核スピ
と表される










i



相互作用の寄与、ωCSij はフェルミのコンタクトシフトの寄与を表す。ω
i Qi 
DijDijの計算では、磁気双極子相互
CSij
(3)
はフェルミのコンタクトシフトの寄与を表す。ω
相互作用の寄与，ω
[1,12-16]
Dij の計算では。ここで，ωCSij
i の重水素核スピンとの磁と表される
Dij は j 番目の不対電子スピンとサイト
i
作用の主軸座標系と実験室座標系は分子座標系を介した座標変換によって結び付けられ、以下のように作用の主軸座標系と実験室座標系は分子座標系を介した座標変換によって結び付け表される。

素核スピンとの磁気双極子

計算では，磁気双極子相互結び付けられ，以下のよう相互作用の寄与，ωCSij はフェルミのコンタクトシフトの寄与を表す。ω
Dij の計算では，磁気双iのと表される[1,12-16]。ここで，ωDij は j 番目の不対電子スピンとサイトに表される。
作用の主軸座標系と実験室座標系は分子座標系を介した座標変換によって結び付けられ，以相互作用の寄与，ωCSij はフェルミのコンタクトシフトの寄与を表す。
2に表される。   作用の主軸座標系と実験室座標系は分子座標系を介した座標変換によD (2)* ( ,  ,  ) D (2)* ( ' ,  ' ,  ' )
2

Dij



0n

n  2

n0

ij

ij

ij

pij

(4)

,  ,  ) D ( ' ,  ' ,  ' )
 D (に表される。
 2 B g 
S ( S  1)  
4  3k Tr  D ( ,  ,  ) D   2 B g Dij 

n  2

(2)*
0n

pij

0

2

(2)*
n 0 2 ij2
2B
D 0
3
2 Dij
B ij
B
S ( S  n1) 2

ij

ij

pij

(4)
(2)*
n 0 ( 'ij ,  'ij ,  'ij )pij

(2)*
0n

研究報告

(4)

pij  0  D 0 3
ここで，(α’)は磁気双極子相互作用の主軸座標系と分子座標系を結び付けるオ
2 2
ij,γ’
 4  3ijk,β’
ij ij
B Tr
 0  2 D B0 g  Bpij，T，rS ( S  1)
 ij はそれぞれ真空の透磁率，重水素核の磁気回転比，静μ0，γ3D，B0，g，μB，kB
ここで，(α’
ij,β’ij,γ’ij)は磁気双極子相互作用の主軸座標系と分子座標系を結び付けるオイラー角 4  3k BTrij
μ0，γD，B子，ボーア磁子，ボルツマン定数，絶対温度，不対電子スピンと重水素核スピンと0，g，μB，kB，T，rij はそれぞれ真空の透磁率，重水素核の磁気回転比，静磁場の強ここで，(α’
ij,β’ij,γ’ij)は磁気双極子相互作用の主軸座標系と分子座標系2
エコー信号は
図 3 常磁性試料の H子，ボーア磁子，ボルツマン定数，絶対温度，不対電子スピンと重水素核スピンとの距離を
NMR スペクトルの測定に用いるパルス系列。（a）Shift compensated quadrupole echo
μ0，γD，B0，g，μB，kB，T，rij はそれぞれ真空の透磁率，重水素核の磁び付けるオイラー角である。
sequence、（b）Exorcycled quadrupole echo sequence.
エコー信号は G ( t ,  , 子，ボーア磁子，ボルツマン定数，絶対温度，不対電子スピンと重水ˆ ( )] exp[ Aˆ * ( )]  1
ˆ ( t )] exp[ A(5)W  Bˆ exp[ A)
転比，静磁場の強さ，ｇ因70
エコー信号はˆ ( )] exp[iˆ *(k)] 1R ，非対角成分は
ˆ ( t )] exp[ Aˆ exp[(5)W B
AA
Gで表される。
(t ,  ,  ) 
スピンとの距離を表す。
Â
は行列で，対角成分はk となる。R2 は
i

ii

2

ij

*

相互作用の寄与，ωCSij はフェルミのコンタクトシフトの寄与を表す。ωDij の計算では，磁気双極子相相互作用の寄与，ωCSij はフェルミのコンタクトシフトの寄与を表す。ωDij の計算では，磁気双極子作用の主軸座標系と実験室座標系は分子座標系を介した座標変換によって結び付けられ，以下のよ作用の主軸座標系と実験室座標系は分子座標系を介した座標変換によって結び付けられ，以下のに表される。
BULLETIN
OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.1071に表される。
22n  2n  2

(4)
(4)

（4）

2

2
   2 B g pij  00  2D D0 B03g 2BSB2 ( S  1)pij  4   3k BTrij 3 S ( S  1)
 4  3k BTrij

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

Dij 
D0(2)*( ,  ,  ) Dn(2)*( 'ij ,  'ij ,  'ij )pij
0 (2)*n (2)*
Dij 
D
0 n ( ,  ,  ) Dn 0 ( 'ij ,  'ij ,  'ij )pij

ここで，(α’ij,β’ij,γ’ij)は磁気双極子相互作用の主軸座標系と分子座標系を結び付けるオイラー角であij,β’ij,γ’ij)は磁気双極子相互作用の主軸座標系と分子座標系を結び付けるオイラー角で
γ ij）は磁気双極子相互作用の主軸座標系と分子座標系を結び付けるオイラー角であ
ここで、（α ij, β ij,ここで，(α’μ0，γD，B0，g，μB，kB，T，rij はそれぞれ真空の透磁率，重水素核の磁気回転比，静磁場の強さ，ｇ

μ0，γ
D，B
0，g，μ
B，kB，T，rij はそれぞれ真空の透磁率，重水素核の磁気回転比，静磁場の強さ，る。 μ0、γ D、B0、g、μ
B、k
B、T、r
ij はそれぞれ真空の透磁率、重水素核の磁気回転比、静磁場の強さ、子，ボーア磁子，ボルツマン定数，絶対温度，不対電子スピンと重水素核スピンとの距離を表す。
子，ボーア磁子，ボルツマン定数，絶対温度，不対電子スピンと重水素核スピンとの距離を表す
g 因子、ボーア磁子、ボルツマン定数、絶対温度、不対電子スピンと重水素核スピンとの距離を表す。
エコー信号はエコー信号はエコー信号はˆ  )] exp[ Aˆ * ( )]  1
ˆ ( t )] exp[ AG (t ,  ,φ) W  Bˆ exp[Aˆ ( )] exp[ Aˆ * ( )]  1
ˆ ( t )] exp[(AW  Bˆ exp[ AG (t ,  ,  ) 

(5)
(5)

（5）

で表される。 Â は行列で，対角成分は i  k  R ，非対角成分は k となる。R2 はスピン-スピン緩i2ijで表される。Â は行列で、対角成分はiωi − kii − R2、非対角成分はで表される。 Â は行列で，対角成分はii ii kiikijとなる。RR2 ，非対角成分はkij となる。R2 はスピン-スピン
2 はスピン−スピン緩和ˆ ( )  exp  A
ˆ * ( )  はエコー信号が生成kk
とサイト
exp  AÂ jは間のジャンプの速さを表す。また，N-サイトのジャンプにおい(N  1)kij iである。
の複素共役を表す。
ijii はサイト
i とサイトN- サイトのジャンプにおいて速度、kij はサイト速度，10
速度，kj 間のジャンプの速さを表す。また、はサイト
i とサイトjÂ間のジャンプの速さを表す。また，N-サイトのジャンプにお
 kii ＝（
N
巻

*

ij

− 1）kij である。Â＊は Â の複素共役を表す。
exp［Â（τ）］
exp［Â＊（τ）］はエコー信号が生成するまでの磁の磁化の時間発展を表す。1は全ての成分が1 のベクトル，W は各サイトの存在確率を表す

化の時間発展を表す。1 は全ての成分が 1 のベクトル、W は各サイトの存在確率を表すベクトルである。
である。 B̂ はパルスが有限の幅を持つことによる信号強度の補正のための行列である[4,5]。粉［4, 5］
B̂ は RF パルスが有限の幅を持つことによる信号強度の補正のための行列である。粉末試料のエコー
エコー信号は
信号は

G (t ) 

2



0

0

  G(t , ,φ )sin d dφ

（6）
(6)

で与えられる。2H NMR スペクトルは G（t）
をフーリエ変換することによって得られる。QCPMG のエ2で与えられる。
H NMR スペクトルは G (t ) をフーリエ変換することによって得られる。QCPM＊［10］

コートレインは、（5）式の計算後 Â と Â の時間発展を交互に繰り返すことで得られる*。

ートレインは，(5)式の計算後 Â と Â の時間発展を交互に繰り返すことで得られる[10]。

4. 金属有機構造体（MOF）の解析

4. 金属有機構造体（MOF）の解析
MOF は金属と有機配位子の自己集合化によって得られる、多孔質の配位ネットワーク構造をもつ材
MOF は金属と有機配位子の自己集合化によって得られる，多孔質の配位ネットワーク構造
料で、ガス吸着や分離技術、センサーや触媒など様々な応用が期待されている。{Fe(pz)[Pt(CN)4]}（pz
料で，ガス吸着や分離技術，センサーや触媒など様々な応用が期待されている。{Fe(pz)[P= ピラジン）は図 4 のような細孔構造を有するスピンクロスオーバー錯体で、昇温時は 309 K、降温時は(pz =ピラジン)は図 4 のような細孔構造を有するスピンクロスオーバー錯体で，昇温時には

降温時には 285 K で一次相転移を起こす[18]。相転移点以下では反磁性の低スピン（LS）状態

以上では常磁性の高スピン（HS）状態となる。ピラジン配位子は，図 4 のように，２つの配ディスオーダーしている。2H NMR スペクトルを用いて，ピラジン配位子の運動性が調べらに 2H NMR 広幅スペクトルの温度変化を示す。測定ではピラジンの水素のみが重水素化され用いられた。相転移点以下では四極子エコー法，相転移以上では図 3(a)のパルス系列を用い

黒線は実測スペクトル，赤線はシミュレーションスペクトルを示す。反磁性の低温相では，

ルは 0 kHz を中心に対称な線形となったが，高温相では常磁性効果により非対称な線形とな温相では，X 線結晶構造解析，磁化率の温度変化の結果を用いて常磁性相互作用 ωDij を計算

クトルシミュレーションを行った。シミュレーションより，ピラジン配位子には，ディスオ

サイトを含めた 4 サイトの回転が起こっていることが分かった。図 5 の k は回転の速さを表

相では k は活性化エネルギー33 kJ/mol を有するアレニウス型の温度依存を示した。高温相でジン配位子の回転運動は急激に速くなり，フリーローテーションに近い状態になっているとる。Fe とピラジン配位子の距離は相転移で大きく変化し，高温相では著しく増大する。この間の広がりはピラジン配位子の回転速度の向上と連動している。ピラジン配位子の回転運動

エントロピーの増大に繋がると考えられ，スピンクロスオーバー現象への関与が示唆される
5．プロトン導電性高分子複合体の解析

図 5 {Fe(pz)[Pt(CN)4]} の 2H NMR 広 幅 ス ペクトル
ポリビニルホスホン酸（PVPA）とイミダゾール（Im）の複合体
PVPA/xIm（xは PVPA の繰

図 4 {Fe(pz)[Pt(CN)4]} の結晶構造［18］［18］（共鳴周波数 45.826 MHz）

ニットに対する Im のモル比）（図 6）におけるプロトン伝導性とイミダゾールの回転運動と2

H NMR 法によって解析した結果を示す[19]。PVPA/xIm は x の増加に伴いプロトン伝導度が増

2 では，100 ℃以上で 10-3 S/cm のオーダーのプロトン伝導率を示す[20]。2H NMR の測定試料

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

285 K で一次相転移を起こす［18］。相転移点以下では反磁性の低スピン（LS）状態、転移点以上では常磁性の高スピン（HS）状態となる。ピラジン配位子は、図 4 のように、2 つの配向方向でディスオーダーしている。 H NMR スペクトルを用いて、ピラジン配位子の運動性が調べられた。図 5 に H NMR 広幅22

スペクトルの温度変化を示す。測定ではピラジンの水素のみが重水素化された試料が用いられた。相転移点以下では四極子エコー法、相転移以上では図 3（a）のパルス系列を用いている。黒線は実測スペク
トル、赤線はシミュレーションスペクトルを示す。反磁性の低温相では、スペクトルは 0 kHz を中心に対称な線形となったが、高温相では常磁性効果により非対称な線形となった。高温相では、X 線結晶構
造解析、磁化率の温度変化の結果を用いて常磁性相互作用ωDij を計算し、スペクトルシミュレーションを行った。シミュレーションより、ピラジン配位子には、ディスオーダーのサイトを含めた 4 サイトの回転が起こっていることがわかった。図 5 の k は回転の速さを表す。低温相では k は活性化エネルギー

33 kJ/mol を有するアレニウス型の温度依存性を示した。高温相では、ピラジン配位子の回転運動は急激に速くなり、フリーローテーションに近い状態になっていると考えられる。Fe とピラジン配位子の距離は相転移で大きく変化し、高温相では著しく増大する。このような空間の広がりはピラジン配位子の回転速度の向上と連動している。ピラジン配位子の回転運動の向上はエントロピーの増大に繋がると考えられ、スピンクロスオーバー現象への関与が示唆される。

5. プロトン導電性高分子複合体の解析
ポリビニルホスホン酸（PVPA）とイミダゾール（Im）の複合体 PVPA/xIm（x は PVPA の繰り返しユ（ 図 6）におけるプロトン伝導性とイミダゾールの回転運動との関係を H
ニットに対する Im のモル比）
2

NMR 法によって解析した結果を示す［19］。PVPA/xIm は x の増加に伴いプロトン伝導度が増大し、x ＝ 2
では、100 ℃以上で 10-3 S/cm のオーダーのプロトン伝導率を示す［20］。2H NMR の測定試料は、Im の炭素と結合した水素のみを重水素化した PVPA/xIm-d3 を用いた。図 7 に PVPA/2Im-d3 における 30℃以上での H NMR スペクトルの温度変化を示す。広幅スペクトルは温度上昇に伴い、0 kHz 付近のシャープな
2成分の強度が増大していった。この結果は、複合体内で Im 分子の等方回転運動が起こっていることを示している。分子の等方回転運動を解析する簡便な方法として、正四面体の 4 サイト間のジャンプを仮定したシミュレーションを用いる。図 8（a）、（b）に分子の等方回転運動の速さと H NMR スペクトルの線2

研究報告
図 6 PVPA/xIm.
72

図 7 PVPA/2Im-d3 の 2H NMR スペクトルの温度変化（共鳴周波数［19］45.282 MHz）。
（a）広幅スペクトル、（b）QCPMG スペクトル、
破線 : シミュレーション、k：中間領域の等方回転運動の速さ。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.1073形の関係を示す。図 8（a）、
（b）のシミュレーションでは等方回転運動に正四面体の 4 サイト間のジャン2

ロードな QCPMG スペクトルを再現することはできなかった。このブロードな QCPMG スペクトルの線
形は、Im の回転運動に異方性が僅かに残っていることを示している。図 8（c）に Im の分子平面内の回転的振動による QCPMG スペクトルの線形変化のシミュレーションを示す。シミュレーションでは 2 サイトジャンプを仮定した。

QCPMG の実測スペクトルと比較すると PVPA/2Im-d3 に Im の回転的振動成分が存在することがわかる。50℃以下の実測スペクトルは単一の運動成分では再現することができず、図 9 のように、速い等方
回転運動（＞ 10 Hz）の成分、中間領域の速さ（10 〜 10 Hz）で等方回転運動している成分、回転的振645動のみが起こっている成分が存在することがわかる。ここで、中間領域の速さの等方回転運動のシミュ
レーションでは、僅かに残った異方性を再現するため、図 8 のβ を 118 °として計算した。図 7 の破線
は、これら 3 つの成分を重ね合せたスペクトルのシミュレーションである。シミュレーションスペクト
分の速さが見積もられた。
中間領域の速さの Im は 30℃以上で全体の 9 割以上を占める。速い等方回転運動の成分は 0.2％以下であった。温度上昇と伴に回転的振動成分が減少し、60℃以上では PVPA/2Im の全ての Im が等方回転運
動していることがわかった。PVPA/2Im のプロトン伝導率は低温から 60℃付近までは、温度上昇と伴に急激に増大するが、60℃以上では温度変化の傾きは緩やかになる。60℃以下でプロトン伝導率の温度変化から活性化エネルギーを見積もると 90 kJ/mol 程度になる。
この値は、中間領域の速さの Im の等方回転運動の活性化エネルギー（59 kJ/mol）よりもかなり大きい。これらの結果は、60℃以下では複合体中に存在する運動性の低い Im が長距離のプロトン伝導の妨げになっており、温度上昇に伴うこれらの Im の運動性の向上がプロトン伝導性の向上に繋がっていることを示している。同様の解析を PVPA/1Im について行ったところ、PVPA/2Im のほうが PVPA/1Im よりもIm の等方回転運動が速く、回転的振動成分も少ないことがわかった。このような複合体内部の状態の違いが、プロトン伝導性の大きな違いの原因になっていると考えられる。上述の 3 成分による解析は、複合体内の運動状態の大枠を捉えるのに有効であるが、実際には、ポリマー試料においては内部構造に広図 8 分子運動による 2H NMR スペクトルの線形変化［19］。
（a）等方回転運動による広幅スペクトルの線形変化、（b）等方回転運動による QCPMG スペクトルの線形変化、（c）回転的振動による QCPMG スペクトルの線形変化。

10

巻

ルのフィッティングにより、各温度で 3 つの成分の存在比と中間領域の速さで等方回転運動している成日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

）を用い、e qQ/h ＝ 176 kHz、η＝ 0 とした。このシミュレーションでは 50℃のブプモデル（β ＝ 109.5°

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

い分布が存在し、Im の運動性にも広い分布があることが予想される。PVPA/xIm の H NMR スペクト
2

ルは等方回転運動の速さに分布を取り入れたシミュレーションでも再現することができる。図 10（a）、、（d）は QCPMG スペクトルである。シミュレーションでは Im の回転的振（b）は広幅スペクトル、（c）
動を考慮していないので、QCPMG スペクトルの個々のピークのブロードニングは再現できていないが、それ以外は実測と良く一致している。 H NMR スペクトルの強度は分子運動の速さによって大きく変化2する。図 10（e）に（b）と（d）のシミュレーションで用いた等方回転運動の速さの分布（i）、等方回転運、これらを取り入れたスペクトルの強度（iii）を示す。等方回転運動の動による信号強度の減衰因子（ii）
速さが 10 〜 10 Hz の時、スペクトルの信号強度が著しく減衰することがわかる。そのため、実際には
4

6104 〜 105 Hz の速さの Im が最も多く存在しているにもかかわらず、スペクトルには、それよりも遅い

図 9 3 成分による 2H NMR スペクトルのシミュレーション［19］。
（i）等方回転運動が（iii）速い等
起こってない回転的振動成分 ,（ii）中間領域の速さの等方回転運動成分、（i）-（iii）の重ね合わせ、（v）実測スペクトル。
方回転運動成分、
（iv）

研究報告
74

図 10 PVPA/2Im の H NMR スペクトル（35℃）と等方回転運動の速さに分布を取［19］（a）広幅スペクトル（実測）、（b）広幅ス
り入れたスペクトルシミュレーション 。
ペクトル（シミュレーション）、（c）QCPMG スペクトル（実測）,（d）QCPMG スペ（i）等方回転の速さの分布（ガウス分布）、（ii）等方クトル（シミュレーション）,（e）（i）と（ii）を合わせた信号強度の分布。
回転による信号強度の減衰因子の分布、（iii）
2

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

75（〜 10 Hz）成分と速い成分（〜 10 Hz）が強調されている。
3

7

固体 2H NMR スペクトルのシミュレーションを用いた解析により、反磁性物質だけでなく常磁性物質においても分子運動を解析できる。また、運動モードや速さに分布を取入れた解析も容易に行うことができるので、高分子材料等の解析にも有効である。是非、材料の物性研究に役立てて頂きたい。
謝

辞

本稿の MOF の研究は、京都大学北川進教授、九州大学大場正昭教授、九州大学楊井伸浩准教授との共同研究です。深く感謝いたします。
Phys. 344, 291-298 (2008).
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水野 元博（みずの・もとひろ）

1987 年 名古屋大学理学部化学科卒業
1992 年 名古屋大学大学院理学研究科博士後期課程 修了（博士（理学））1993 年 金沢大学理学部助手
2002 年 金沢大学理学部助教授
2007 年 金沢大学大学院自然科学研究科准教授
2008 年 金沢大学理工研究域物質化学系教授
2016 年 金沢大学新学術創成研究機構教授
2018 年 金沢大学ナノマテリアル研究所教授
現在に至る

10

巻

参考文献
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日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

6. おわりにBULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

研究報告

天然物の NMR 研究−立体化学決定および溶液中と膜中における配座解析
九州大学理学研究院

松森 信明
matsmori@chem.kyushu-univ.jp

はじめにAnalysis（JBCA）法 を 開 発 し、1999 年 に 報 告 し日本核磁気共鳴学会では、当時の会長であった［2］。この方法は、3JHH ばかりでなく、2JCH や 3JCHた内藤晶先生を中心とした編集委員会によって NMRといった遠隔 C-H スピン結合定数の二面角依存性

書 籍 の 編 集 が 行 わ れ、 2017 年 に「Experimentalを用いることで（図 1）、隣接した不斉炭素間やメApproaches of NMR Spectroscopy」が Springer か

チレンを挟んで存在する不斉間の相対的な立体関ら出版された。その第 14 章に松森と大阪大学村田道

係を決定する方法である。詳細は当該総説

［1］

［2］

や

［3］

もしくは成書をご覧頂くとして、

雄教授の共著で「NMR studies on natural product -原著論文

Stereochemical determination and conformational

この方法は先のマイトトキシンや

analysis in solution and in membrane」と の タ イ

造決定したアンフィジノール 3（AM3、図 1）など

［1 ］

トルの総説を執筆させて頂いた。今回、その内［4］、当時単離構［5］に適用することで有用性を示し、現在に至るま

容を本機関誌で紹介する機会を頂いた。タイトル

で天然物鎖状部分の相対立体化学決定に汎用されからおわかりのように、当該総説は NMR の天然ている。

物への応用を扱っている。天然物の NMR と言え当該総説には記載しなかったが、JBCA 法ではば天然物の単離および構造決定を予想されるかも

立体化学帰属を誤った例もいくつか存在する。実しれないが、この総説ではそのような研究は扱わ

は AM3 もその一つである

ず、以下の二つの内容を紹介した。一つ目は、天合した場合、スピン結合定数は加重平均として観然物中の鎖状部分に存在する不斉炭素の立体化学察される。JBCA 法ではその値を解析することでを NMR で決定する方法論、もう一つは脂質膜に

原理的には配座混合系でも立体化学を決定できる作用する天然物の溶液および固体 NMR での構造が、やはり誤った解釈につながりやすい。そのよ

解析である。異なる内容を無理やり一つの章に詰うな場合は、下に述べる別の立体化学決定法と併め込んだ感は否めないが、これは我々の研究の変用することが望ましいであろう。AM3 について遷を物語っている。以下にその変遷を交えて上記

は、九州大学の大石徹教授によって合成化学的手総説の内容を一部補足しながら簡単に紹介させて法による立体化学の改訂がなされ、その全立体化頂く。

学は最近確定した（図 1） 。

［6 〜 8］。複数の配座が混［8］

一 方、1980 年 代 か ら 90 年 代 に か け て、 ハ ー

天然物鎖状構造の立体化学決定

研究報告
76

バード大学の岸義人教授は、鎖状天然物の立体村田教授（当時助手）は、1980 年代から 90 年代

化学を不斉合成した立体異性体との NMR 比較に初頭にかけて東北大学安元研究室でシガトキシン

よって精力的に決定してきた。我々の報告と同時やマイトトキシン（図 1）といった非常に複雑な期に岸グループによって報告されたマイトトキシ

海洋天然物の単離および構造決定を行ってきた。

ン側鎖部分の立体化学決定も一連の研究の一つでそれらの天然物の平面構造および環状部分の立ある

体化学は当時天然物の分野で一般化してきた二次状構造に不斉炭素を有する天然物の NMR データ

元 NMR を駆使することで決定できたが、鎖状部は、同じ立体化学を有する部分構造で再現でき分の立体化学は依然として決定困難であった。そる。」との知見を得た。したがって、天然物の部

こで、村田教授が東京大学の橘和夫教授の研究

分構造に相当するモデル化合物のすべての立体室で助教授を務めていた際に、当時博士課程の異性体を化学合成し、その NMR データをデータ

学生であった松森と一緒に J-Based Configuration

ベース化しておけば、あとは天然物と比較する

受領日：2019 年 9 月 5 日

受理日：2019 年 9 月 12 日

［9］

。その膨大な研究の中から、岸教授は「鎖編集委員：川村 出BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

77

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019巻10

図 1 （上）JBCA 法を適用した海洋天然物のマイトトキシンとアンフィジノール３（AM3）。マイトトキシンでは赤い四角で囲った部分に主に適用した。AM3 は化学合成によって立体化学が訂正されており、ここには最終的に確定した立体構造を示す。
（下）JBCA 法で主に使用するスピン結合定数の二面角依存性。

だけで立体化学を決定することができる。これ

このような天然物の立体化学決定を主な仕事にが universal NMR database（UDB）法の骨子であしていた際に、「なぜわざわざ立体化学を決定す［10］。例えば、図 2 に示す天然物の四角で囲っる必要があるのか」といった質問を生物系の先生

た部分構造の相対立体化学を決定する場合、分子によく尋ねられた。タンパク質や核酸では基本的全体を合成する必要はなく、その部分構造を含むに立体化学の決定を要しない故だと思われるが、モデル化合物の立体異性体をすべて合成し、化学立体異性体で物理化学的性質や生理作用が異なる

シフトやスピン結合定数を天然物と比較して立体ことは言を俟つまでもない。つまり、立体化学が化学を決定する。また、このようにしてモデル化

異なる化合物は別物なのである。その意味で、立合物の NMR データを一度得ておけば、同様の部

体化学までを同定して初めて天然物の構造決定が分構造を有する天然物は NMR データを比較する

完了したと言える。

る

だけで立体化学が決定できるのである。
これらの方法以外にもいくつか興味深い立体化
学決定法が報告されている。化学シフトやスピン

脂質膜に作用する天然物の溶液および固体 NMR 構造解析

結合定数を量子化学計算で推定し、配座のポピュ

1999 年に大阪大学に教授として着任した村田

レーションで加重平均して天然物の NMR データ

教授は、松森を研究室のスタッフとして採用し、と比較する方法や、残余双極子などを用いて遠隔脂質膜に作用する天然物の膜中での複合体構造のに存在する不斉炭素間の立体化学的関係を決定す

解析を新たに開始した。この端緒となった天然る方法などがそれである。それらも当該総説中に物が上述の AM3 である。我々が東大時代に所属［1］

記載したので、参照頂きたい。

していた橘研究室では、従来型の天然物化学に

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

加えて、天然物の膜への作用についても研究して言われている。そこで我々は主に固体 NMR の手いた。そこでの研究で、AM3 が脂質膜に細孔を法を適用し、その複合体構造の解析に挑戦した。

形成し、溶血活性や抗カビ活性を発揮すること

19
具体的には、AmB やエルゴステロールを F やを見出した。しかし、AM3 は渦鞭毛藻とよばれ13るプランクトンを培養して単離精製する必要がResonance）法［11］とよばれる異種核間の精密距離あるため、入手は容易ではない。そこで、入手

測定法を用いた分子間距離測定などを行った。こが容易でかつ AM3 同様に膜への細孔形成によっちらも詳細は当該総説を参照頂ければ幸いであるて活性を発現するアンフォテリシン B（AmB、図がC で 標 識 し、REDOR（Rotational Echo Double［1］、一つだけ興味深い結果を紹介したい。

3）に着目し、その NMR 解析を大阪大学で開始した。AmB は抗真菌薬として臨床で使用されてこれまで AmB とエルゴステロールは head-to-head 型、つまり AmB の糖部分とエルゴステロー

いる放線菌由来の天然物で、膜中で真菌膜に存

ルのヒドロキシ基が同じ方向で相互作用すると考在するエルゴステロール（図 3）とともにイオン

えられてきた。我々は 14 位に F 標識した AmB

チャネル複合体を形成し生理活性を発現するとと 26, 27 位に 13C 標識したエルゴステロールを化19

図 2 Universal NMR database 法の一例。四角で囲った部分の立体化学決定に際して、モデル化合物のすべての立体異性体を化学合成し、天然物と NMR データを比較する。

研究報告
図3
78

アンフォテリシン B（AmB）とエルゴステロールの構造79

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10［13］

造解析を行う研究が報告されたREDOR 法で証明した（図 4）。このことから、脂の手法を AmB に適用すべく小型等方バイセルの質膜中での AmB とエルゴステロールの相互作用研究にも着手した。バイセルについては改めて紹は、head-to-head 型ばかりでなく head-to-tail 型も介するまでもないと思うが、長鎖リン脂質と短鎖［12］。そこで、そ。これら

リン脂質もしくは界面活性剤からなるディスク状の標識体は培養による生合成もしくは有機合成での脂質会合体である（図 5）。長鎖リン脂質の短鎖得たが、特に有機合成が極めて大きな役割を果たリン脂質もしくは界面活性剤に対する比が 1 以下した。その意味で、本研究は有機化学と NMR、になると、バイセルが小型化し等方的な運動をす

さらには脂質膜の生物物理といった複数の領域のるため、膜に作用した化合物の溶液 NMR 観察が融合によってはじめて可能となったプロジェクト可能となる。残念ながら AmB を小型等方バイセと言える。

ルに導入すると NMR シグナルがほとんど観察さ存在することを初めて明らかにしたれなくなったが、膜に作用して副作用を示す可能に膜作用性のペプチドを導入し、溶液 NMR で構性が指摘されている抗生物質エリスロマイシン

図 4 （a）14-F-AmB/26, 27-13C2 エルゴステロール /POPC（1：1：9）を水和したサンプルで測
13
19
19
19
定した C{ F}REDOR スペクトル。S0 は F 非照射スペクトル、S は F 照射スペクトルを表す。
13
赤矢印は 26, 27- C 由来のシグナル。S スペクトルでシグナル強度が減少してることから、これ（b）5.5 および 7.0 Å の REDOR 理論曲らの炭素が AmB のフッ素に近接していることがわかる。
。実測値は黒丸で示す。ここから 13C-19F
線（実線）とそれらを 1：1 で混合した理論曲線（点線）間の距離を 5.5 および 7.0 Å と見積った。
（c）REDOR から想定される head-to-tail 型の相互作用。
REDOR の解析から、head-to-head と head-to-tail が 7：3 の割合で共存することがわかった。

10

巻

また、当時 Vold らによって小型等方バイセル

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

学合成し、これらが膜中で近接していることをBULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10［14］や、海綿由来の環状ペプチドでステロール結合性を示すセオネラミドなどの膜中での構造をバ

森が紹介しているので、興味があれば併せてご一
読頂ければ幸いである。

［15］

イセルによって解析した（図 5） 。これらの詳［1］

細についても当該総説中で紹介している。

終わりに
このように、「Experimental Approaches of NMR

Spectroscopy」第 14 章は、我々の天然物 NMR 研
究のこの 25 年ほどの変遷（悪戦苦闘？）をたどる内容となっている。一方で、AmB 研究の端緒となった AM3 に関しては、入手や標識体調製の困難さにより、現時点で固体 NMR 解析はまだそれほど進んでいない。最近、九州大学の大石教授［16］によって AM3 全合成が達成されたので、今後

AM3 標識体の調製が可能になれば、AmB 同様に
固体 NMR 測定によるステロール認識機構の解明につながると期待される。
また我々は脂質膜に作用する天然物ばかりでな
く、スフィンゴミエリンなどの脂質そのものの膜中での動的挙動や配座の解析も NMR を用いて行っている。脂質も天然物ではあるが、上記総説には含めていない。この内容はすでに 2017 年の
本機関誌に「脂質ラフトの NMR 解析」として松

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短鎖リン脂質、界面活性剤 長鎖リン脂質（DHPC、CHAPSOなど） （DMPCなど）

研究報告
図 5 バイセルの模式図と、バイセルに導入した天然物エリスロマイシン A およびセオネラミド A の構造
80

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

松森 信明（まつもり・のぶあき）

1992 年

東京大学理学部化学科卒業

1997 年

東京大学大学院理学系研究科化学専攻博士課程修了（橘和夫教授）

1997 〜 1999 年 東京大学大学院農学生命科学研究科生命工学専攻博士研究員（堀之内末治教授）

1999 〜 2010 年 大阪大学大学院理学研究科化学専攻助手、助教（村田道雄教授）
2000 〜 2001 年 MIT 化学科在外研究員（Robert. G. Griffin 教授）
2010 〜 2014 年 大阪大学大学院理学研究科化学専攻准教授（村田道雄教授）
2014 年

九州大学大学院理学研究院化学部門教授、現在に至る。

10

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日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

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81

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

研究報告

NMR による生体高分子立体構造計算の基礎と最近の進展

首都大学東京理学研究科

池谷 鉄兵
tikeya@tmu.ac.jp

1. はじめに1985 年に NMR によるタンパク質の立体構造決定が報告されて以来［1］、NMR は X 線結晶構造解析と並び、長らくタンパク質立体構造解析の主力手法のひとつとして、構造生命科学の発展に大きく貢献してきた。現在、Protein Data Bank（PDB）には、NMR 法により決定された 1 万 2 千を超える構造が登録されている。近年、X 線結晶構造解析の技術発展による簡素化・迅速化と、クライオ電子顕微鏡（cryo-EM）の目覚ましい進展により、立体構造決定はこうした手法で行い、NMR は滴定実験等の相互作用部
位解析や、緩和解析などに限定した研究が増えてきている。実際、NMR によって決定された生体高分子の PDB への登録数は、2007 年を境に年々減少している。しかしながら、今なお X 線結晶構造解析や

cryo-EM では解析の難しい生体高分子は数多く存在し、結晶構造が明らかにされた分子であっても溶液［2 〜 3］。NMR を用いることで、より自然な溶状態では明瞭な違いが見出された例も多数報告されている［4 〜 7］

液環境や細胞内環境で分子の立体構造解析も可能である。このように、NMR 立体構造解析法は、他の手法では補えられない固有の情報を検出できるという独自性は揺らいではいない。一方で、言うまでもないが、NMR は X 線結晶構造解析や cryo-EM のように分子の像を直接得られる手法ではないため、スペクトル中のピーク強度や化学シフト変化から、可能な限り有効な構造情報を抽出し、立体構造を再構成するという計算プロセス（立体構造計算）が必須である。NMR による生体高分子の立体構造計算手法は、1990 年代にその手法の基礎技術は確立しているが、現在も劇的ではないが着実に進歩しており、新たな手法を用いることでこれまで見えなかった溶液中のタンパク質の描像の観測に成功した例が多数報告されている。そこで本稿では、あらためて NMR による生体高分子の立体構造決定についてまとめ、
現状と今後の将来について考えてみる。特に、筆者が長年関わってきた CYANA プログラムを中心にNMR 立体構造計算の基本的な流れをおさらいし、最近研究が活発ないくつかのユニークな立体構造決定法について紹介したい。

2. NMR 立体構造計算プログラム CYANACYANA［8 〜 9］は、フラクフルトゲーテ大学教授 Peter Güntert 博士により、その前身である DIANA、
DYANA というソフトウェアを経由して、30 年に渡り開発が進められてきた NMR 立体構造計算のための統合パッケージである。現在、世界の数百を超える大学・民間企業で利用されており、生体系 NMRの標準ソフトウェアの 1 つになっていると言える。筆者の知る限り、生体高分子の立体構造解析には

CYANA, ARIA［10］, Xplor-NIH［11］の 3 つのソフトウェアが世界で特に多く利用されていると思う。CYANA
はその中でも、このソフトウェアを利用して得られた立体構造の PDB への登録数が最も多く、文部科学省の「タンパク 3000 プロジェクト（2002 – 2006 年）」の NMR 解析における主力ソフトウェアとして利用された経緯から、日本での利用者も多い。筆者は、Güntert 研究室に長く所属して CYANA 開発の一部に携わり、現在も Güntert 教授と密接な共同研究を続けていることから、本稿は CYANA を使った計算法に研究報告若干偏った話題になっている。

CYANA は、NMR スペクトルデータを直接読み込み、ピークピッキング、化学シフト帰属、NOESY
帰属、立体構造計算、構造最適化計算までの一連の計算をすべて全自動で解析できるシステムを備えて［12］いる。なかでも、化学シフトの自動帰属（FLYA アルゴリズム） 、NOESY 帰属（CANDID アルゴリズ［13］［8］ム） 、立体構造計算（2 面角系分子動力学計算；TAMD） の解析モジュールは、最もよく利用されて

82

受領日：2019 年 9 月 20 日

受理日：2019 年 9 月 27 日

編集委員：池上 貴久

み込むことができる．利用の詳細は，CYANA wiki (http://www.cyana.org/wiki/index.php/Main_Page)に主な仕様が記載されており，CYANA メーリングリストなどで他のユーザーと不具合や問題点を共有すること
83

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

おり、データの質にもよるが、多くの場合、
NMR の熟練者による手動解析と同等かそれ以上の解析結も可能である．
、データの質の評価や、手動解析の校正などに限定した使用の主鎖原子の自動帰属であれば 15 分程度）でも試してみる価値はある。意外に知られていないようだが、CYANA は PCS や RDC のような配向・磁化率テンソルを決定できるモジュールも組み込まれており、他のソフトウェアを別途利用することなく、

3. NOE データの解釈

常磁性データー等も容易に計算に組み込むことができる。利用の詳細は、CYANA wiki（http://www.

cyana.org/wiki/index.php/Main_Page）に主な仕様が記載されており、CYANA メーリングリストなどで日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

果を提供してくれる。計算速度も人手による解析に比べ格段に速いため（分子量 20 K 程度のタンパク質

NOE から得られる距離情報は，現在でもなおタンパク質立体構造決定の最も有効な NMR データである．

他のユーザーと不具合や問題点を共有することも可能である。

ここでは，生体高分子の立体構造解析における NOE データの利用について，従来法と近年開発された方3. NOE データの解釈
NOE 法について，改めてまとめてみる．
から得られる距離情報は、現在でもなおタンパク質立体構造決定の最も有効な NMR データである。ここでは、生体高分子の立体構造解析における NOE データの利用について、従来法と近年開発され

巻よく知られているように， 原子 i と j の双極子相互作用により得られた NOE ピーク強度 Iij と 2 つの原子た方法について、改めてまとめてみる。
10
よく知られているように、原子 i と j の双極子相互作用により得られた NOE ピーク強度 Iij と 2 つの原子間距離 r の最も単純な関係式は，補正定数を用いることで以下のように表せる．

ij
間距離 rij の最も単純な関係式は、補正定数γを用いることで以下のように表せる。

I ij   rij6

(1)

（1）

しかしながら、このモデルでは、スピン拡散や、分子全体の回転運動、分子の内部運動等を考慮してしかしながら，このモデルでは，スピン拡散や，分子全体の回転運動，分子の内部運動等を考慮しておらおらず、信号の重なりや水分子との相互作用、磁場の不均一性などのその他の実験エラーなどの曖昧さも省略された、かなり単純化した表現である。よって、NMR 構造決定の多くの方法では、こうした原子

ず，信号の重なりや水分子との相互作用，磁場の不均一性などのその他の実験エラーなどの曖昧さも省得できない場合，もしくは得られた最終構造を最適化する際には，スピン拡散と分子のダイナミクスを考慮
3 つ程度の階級
間距離以外の不確実さを簡易的に取り込むために、ピーク強度を特定の距離範囲を持つ

では、「一般的なタンパク質の NOE（短、中、長距離）に分類する近似を採用している。一方、CYANA
略された，かなり単純化した表現である．よって，NMR
構造決定の多くの方法では，こうした原子間距離以して，NOE からより正確なプロトン間距離を取得する必要がある．その場合，スピン i と j の双極子相互作

データセットのピーク強度の中央値は、概ね 4.0 Å 程度の原子間距離と一致する」という経験則から、
い場合，もしくは得られた最終構造を最適化する際には，スピン拡散と分子のダイナミクスを考慮得できない場合，もしくは得られた最終構造を最適化する際には，スピン拡散と分子のダイナミクスを考慮
外の不確実さを簡易的に取り込むために，ピーク強度を特定の距離範囲を持つ
3 つ程度の階級(短，中，4 Å と任意に仮定し、補正定数γを決定する。このγ値をもとに、ピーク強度から距
データの中央値を用による
NOE のクロスピーク強度
I は，以下のように修正される．
ij

離への校正を行っている。多くの場合、この 2 つの方法のような単純な近似を使用しても、十分な数のE からより正確なプロトン間距離を取得する必要がある．その場合，スピン
i と j の双極子相互作
して，NOEからより正確なプロトン間距離を取得する必要がある．その場合，スピン
i と j の双極子相互作
j 一方，CYANA では，「一般的なタンパク質の長距離)に分類する近似を採用している．
NOE データセット
距離拘束があれば、個々のデータの曖昧さを補填し、かなり高精度の立体構造決定が可能である。一方(2)
I ij  I 0 exp Rtm 
得できない場合，もしくは得られた最終構造を最適化する際には，スピン拡散と分子のダイナミクスを考慮
NOE のクロスピーク強度
Iij は，以下のように修正される．
NOE
データを取得できない場合、もしくは得られた最終構造を最適化する際には、スピで、十分な数のは，以下のように修正される．
用による
NOEのクロスピーク強度
Iij 4.0�
のピーク強度の中央値は，概ね程度の原子間距離と一致する」という経験則から，データの中央値をきない場合，もしくは得られた最終構造を最適化する際には，スピン拡散と分子のダイナミクスを考慮
して，NOE からより正確なプロトン間距離を取得する必要がある．その場合，スピン
i と j の双極子相互作
NOE からより正確なプロトン間距離を取得する必要がある。
ン拡散と分子のダイナミクスを考慮して、
௝jj のピーク強度，R はソロモン緩和行列を表す．
ここで，tm は混合時間，‫ܫ‬(2)
I ij  I 0 exp଴は混合時間ゼロのときのスピン
Rtm jのクロスピーク強度
I(2)その場合、スピン
i と j の双極子相互作用による
ij は、以下のように修正され
I ij  INOE
を決定する．この4� と任意に仮定し，補正定数0 exp Rt値をもとに，ピーク強度から距離への校正を行っている．
m
，NOE からより正確なプロトン間距離を取得する必要がある．その場合，スピン
i と j の双極子相互作
用による NOE のクロスピーク強度 Iij は，以下のように修正される．
る。
行列の非対角要素である i と j スピン間の交差緩和率は以下のように表される．
௝
多くの場合，この
2 つの方法のような単純な近似を使用しても，十分な数の距離拘束があれば，個々のデは混合時間，‫ܫ‬j のピーク強度，Rはソロモン緩和行列を表す．
よる
NOE のクロスピーク強度
Iij は，以下のように修正される．
௝଴ は混合時間ゼロのときのスピン（2）(2)
I  I j exp Rtm  j のピーク強度，Rはソロモン緩和行列を表す．
ここで，tm は混合時間，‫ܫ‬଴ は混合時間ゼロのときのスピン
1 ij 2 20(3)
Rij   H  6 J i j 2 H   J i j 0 j
NOE データを取対角要素であるここで、ti と ータの曖昧さを補填し，かなり高精度の立体構造決定が可能である．一方で，十分な数のj スピン間の交差緩和率は以下のように表される．
は混合時間ゼロのときのスピン
j のピーク強度、R はソロモン緩和行列を表
(2)

I

I
exp

Rtm 4m は混合時間、ij0
行列の非対角要素であるiとj
スピン間の交差緩和率は以下のように表される．
௝j のピーク強度，R はソロモン緩和行列を表す．
ここで，tm は混合時間，‫ܫ‬଴ は混合時間ゼロのときのスピン
す。行列の非対角要素である
i と j スピン間の交差緩和率は以下のように表される。
2
1
2
(3)
 H  6 J i j 2 H   J i j 01 H2 はプロトン核のラーモア周波数，԰は換算プランク定数，J
ここで，2ij（）はij Hはプロトン核の磁気回転比，
௝ R
(3)
4
Rij  jのピーク強度，RJ i j 0 （3）で，tm は混合時間，‫ܫ‬H  6 J i j 2 H   はソロモン緩和行列を表す．
଴ は混合時間ゼロのときのスピン行列の非対角要素である
i と j スピン間の交差緩和率は以下のように表される．
4スペクトル密度関数を示す．分子の回転拡散運動を対称コマでモデル化できる場合は，スペクトル密度関
ここで、γはプロトン核の磁気回転比、ωH はプロトン核のラーモア周波数、ℏは換算プランク定数、の非対角要素である
i と jHスピン間の交差緩和率は以下のように表される．
212はプロトン核の磁気回転比，
H はプロトン核のラーモア周波数，԰は換算プランク定数，Jij（）は(3)
Rij  H はプロトン核のラーモア周波数，԰は換算プランク定数，J
6 J i j 2 H   J i j 0 
H はプロトン核の磁気回転比，
ここで，はスペクトル密度関数を示す。分子の回転拡散運動を対称コマでモデル化できる場合は、スペク
Jij（ω）
Hij（）は4
数 Jij（）は次のように記述される．
2
1は次のように記述される。
トル密度関数 JR
ij（ω）(3)
ル密度関数を示す．分子の回転拡散運動を対称コマでモデル化できる場合は，スペクトル密度関 H 2  6 J i j 2 H   J i j 0 
ij スペクトル密度関数を示す．分子の回転拡散運動を対称コマでモデル化できる場合は，スペクトル密度関
42
ここで，H はプロトン核の磁気回転比，
Y2k  ij , ij ij（）はk
2 H 2はプロトン核のラーモア周波数，԰は換算プランク定数，J(4)J ij    は次のように記述される．
（
4）
6
5 k 21   2 k 2
数 Jij（）は次のように記述される．
rij
H はプロトン核のラーモア周波数，԰は換算プランク定数，Jで，H はプロトン核の磁気回転比，ij（）はスペクトル密度関数を示す．分子の回転拡散運動を対称コマでモデル化できる場合は，スペクトル密度関

























2

ここで、τk は回転相関時間、
 ij2, 次の球面調和関数を示す。分子の回転拡散を等方的運動とし内部
Y2k は
2

2 2
ij
k

Y2  ij , ij  J ij
௞
クトル密度関数を示す．分子の回転拡散運動を対称コマでモデル化できる場合は，スペクトル密度関
 (4)
2 2
k
）は次のように記述される．
数 Jij（ここで，(4)
k は回転相関時間，ܻ
運動がないモデルを用いると、スペクトル密度関数は次のように簡略化できる。
Jrijij 62 次の球面調和関数を示す．分子の回転拡散を等方的運動とし内部運 
5 k 21    k 2 ଶ は
2
62
5 k 21    krij2（）は次のように記述される．
動がないモデルを用いると，スペクトル密度関数は次のように簡略化できる．
Y2k  ij , ij 
k
2 2
௞
(4)
J    は回転相関時間，ܻଶ は 2 次の球面調和関数を示す．分子の回転拡散を等方的運動とし内部運
2
6
2
௞ ij
2
5
ここで，k は回転相関時間，ܻ
は2次の球面調和関数を示す．分子の回転拡散を等方的運動とし内部運
1



r
2
k


k
ଶ
ij

c k
k J Y
2 2
2  ij , ij 1
(5)


(4)





J

ij
6
2

ij
6
モデルを用いると，スペクトル密度関数は次のように簡略化できる．
5 k 21   2 k 2
rij 4rij 1 c 
動がないモデルを用いると，スペクトル密度関数は次のように簡略化できる．
௞
k
2

(5)
J  6
2
ここで，k は回転相関時間，ܻଶ௞ はij 2 次の球面調和関数を示す．分子の回転拡散を等方的運動とし内部運4r 1  ijc

動がないモデルを用いると，スペクトル密度関数は次のように簡略化できる．
BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10
回転相関時間c は，NMR 緩和測定などにより決定できるため，スピン拡散の補正により，緩和行列からピ

c
1
6
2
ーク強度をより正確に推定することは可能である．
4rij 1 c 
Jij  

(5)

（5 ）

回転相関時間τ
NMR 緩和測定などにより決定できるため、スピン拡散の補正により、緩和行列
は，Michael
Nilges らによって長年開発が続けられているタンパク質構造決定の標準ソフトウ
ARIAc10は、

回転相関時間c は，NMR 緩和測定などにより決定できるため，スピン拡散の補正により，緩和行列からピからピーク強度をより正確に推定することは可能である。

］
つである．
ARIA
では，スペクトルの対角ピークの強度を混合時間 tm = 0 でのピーク強度として，再ARIA［10アのは、1Michael
Nilgesらによって長年開発が続けられているタンパク質構造決定の標準ソフト

ーク強度をより正確に推定することは可能である．
．
帰計算することにより，近似緩和行列を迅速に計算できる［14］。
て、再帰計算することにより、近似緩和行列を迅速に計算できる
ARIA10 は，Michael Nilges らによって長年開発が続けられているタンパク質構造決定の標準ソフトウェ

tm ＝ 0 でのピーク強度としウェアの 1 つである。ARIA では、スペクトルの対角ピークの強度を混合時間
14

（6 ）
(6)
I tm   E  Rt  I 0
アの 1 つである． ARIA では，スペクトルの対角ピークの強度を混合時間 tm = 0 でのピーク強度として，再n

ここで、nΔt ＝ tm とし、E は単位行列を、I（0）はシステムの水素原子数分の要素を持つ対角行列を表14．
帰計算することにより，近似緩和行列を迅速に計算できる
らは、80 ms の混合時間で測定した PH ドメインの NOE データセットに対して、構造計算のす。Nilges
最終ステップでこの解析を実行した。この計算で得られた構造は、各種のタンパク質構造評価プログラ(6)
I tm   E  Rt  I 0
ムで高いスコアを示し、タンパク質構造としてより尤もらしい構造を得ることができたと報告している。
n

一方、Roland Riek らは、NOESY 測定とデータ解析を見直すことで、NOE からより正確な距離情報を［15 〜 16］抽出できる方法、exact NOE（eNOE）

を提案している。この方法は、異なる混合時間で複数の 3D

HMQC-NOESY 実験を実行して同種核の相互緩和率を決定し、剛体分子モデルに基づいて距離に変換する。タンパク質解析で最も一般的な 3D NOESY-HSQC ではなく、3D HMQC-NOESY を採用することで、対角ピークとクロスピークが同一の磁化経路を経て観測されるため、2 つが同一の緩和過程と見なすことができる。解析対象を球状分子と仮定すると、プロトン間距離は、（4）式に速い内部運動を考慮した
15拡張モデルを用いて、tm ＝ 0 を基準にした NOE の相対ピーク強度から得られる交差緩和率と、主鎖 N

核の T1T2 緩和実験から得られる回転相関時間から、より正確に求めることができる。著者たちはこのモデルを用いて、 N-separated HMQC-NOESY から推定したユビキチン（Ub）の原子間距離を約 0.07 Å の
15

実験誤差で得られたとしている。eNOE により得られた距離情報は、Ub のほとんどの領域で X 線構造と非常によく一致したが、ループ領域の一部で得られた距離が短く見積もられる結果となった。著者たちは、この違いは crystal packing によるアーティファクト、もしくはダイナミクスの寄与に起因すると議論している。最近、eNOE の解析アルゴリズムは CYANA にも実装されており、測定データさえ得られれば、その後の解析と立体構造計算は自動化されている。

eNOE では、緩和の物理過程を可能な限り厳密に計算に組み込み、正確な距離情報をデータから引きだそうという試みである。この手法は、比較的分子量の小さい生体分子や、等方的な回転相関時間を持
つ分子では容易に適用可能であるが、分子量が増大しシグナルの重なりが顕著になる試料では正確な距離の見積もりが難しくなる。Beat Vögeli らは 150 アミノ酸程度のタンパク質の構造解析にも応用でき［17 〜 18］

ると報告しているが、それでもシグナルの重なりが激しい試料では解析は困難となる。そこで、

eNOE とは別の思想であり、不明な物理因子はひとまとめに実験エラーとして解析するベイズ推定を利用した立体構造計算が開発されている。これについては、次節で詳細に解説する。

4. ベイズ推定を利用した立体構造計算
従来の NMR 構造計算は、実験データに最も合う立体構造モデルを探索する最適化法の１つと言える。
しかしながら、実験データには、分子の空間情報以外に、ダイナミクスなどの不確定な物理的要因と実験エラーによる様々な曖昧さが含まれる。例えば、（前述のように）NOE データには、スピン拡散、ダイナミクス、溶媒との相互作用、信号のオーバーラップ、磁場の不均一性等に起因する不確実な情報が研究報告内在する。第 3 節で述べたような緩和行列を組み込んだモデル化を行えば、スピン拡散とダイナミクス
をある程度解釈することが可能であるが、上記の不確定性因子をすべてモデル式に加えることはできない。先に述べたように、十分な構造情報を得られた際には個々のデータのエラーをある程度無視しても正確な構造を得ることができるが、溶液状態で不安定な試料や、溶解度が低いことで NMR の測定感度が低い試料など、容易には十分な質と量の実験測定値を得られない場合には、こうした不確定要因をモ

84

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10
も，ISDの基本的考え方を利用しつつ，これに改良を加えた手法を開発し，立体構造計算ソフトウェア
も，ISDの基本的考え方を利用しつつ，これに改良を加えた手法を開発し，立体構造計算ソフトウェア 85
も，
ISD の基本的考え方を利用しつつ，これに改良を加えた手法を開発し，立体構造計算ソフトウェア
デルに取り込んだ別の手法が求められる。こうした状況から、
Michael Nilges らは、ベイズ推定に基づ

日本核磁気共鳴学会 NMR 20195, 245, 24［19 〜 20］CYANAに構造計算法CYBAY
モジュール
として実装した．以下に詳細を記載する．
CYANA
に
CYBAY
として実装した．以下に詳細を記載する．
（モジュール
inferential structure
determination；ISD）
を発表している。従来の NMR 立
く NMRCYANA に CYBAY モジュール 5, 24 として実装した．以下に詳細を記載する．
も， ISD の基本的考え方を利用しつつ，これに改良を加えた手法を開発し，立体構造計算ソフトウェア
体構造計算で用いられる最適化アプローチとは異なり、ベイズ推定では、説明変数を変数の存在確率分
も， ISD の基本的考え方を利用しつつ，これに改良を加えた手法を開発し，立体構造計算ソフトウェア
従来法の目的関数
T は，予測データと観測データの残差を表す
χ2 項，物理ポテンシャルエネルギー項
従来法の目的関数
T は，予測データと観測データの残差を表す
χ22 項，物理ポテンシャルエネルギー項（1）式の補正定数γ）
布の広がりとして解析する。例えば、従来の方法では説明変数（NOE データでは、
従来法の目的関数
T は，予測データと観測データの残差を表す
χ 項，物理ポテンシャルエネルギー項
5, 24
も， ISD にの基本的考え方を利用しつつ，これに改良を加えた手法を開発し，立体構造計算ソフトウェア
CYANA
CYBAY
モジュール
として実装した．以下に詳細を記載する．
Markov chain Monte Carlo（MCMC）サンプ
はユーザー定義の値に固定されていたが、ベイズ推定では
CYANA に CYBAY
モジュール 5, 24 として実装した．以下に詳細を記載する．
E，および重み係数w で構成される．
E，および重み係数w で構成される．
5, 24
リングによる統計モデリングからそれらを推定する。また、構造評価は、従来法で用いられる目的関数
E，および重み係数w で構成される．
CYANAに CYBAY
モジュール
として実装した．以下に詳細を記載する．
従来法の目的関数
T は，予測データと観測データの残差を表す
χ22 項，物理ポテンシャルエネルギー項
項，物理ポテンシャルエネルギー項
従来法の目的関数
T
は，予測データと観測データの残差を表す
χによるものとは異なり、ベイズ推定で得られる事後確率分布が指標になる。事後確率分布を使う利点のも， ISD の基本的考え方を利用しつつ，これに改良を加えた手法を開発し，立体構造計算ソフトウェア(7)(7)
T T 22 wE
 , ,wE
22
1 つは、ユーザーが事前に定義した明示的な重み係数を使用せずに、サンプリングの中でデータの質に項，物理ポテンシャルエネルギー項
従来法の目的関数
T
は，予測データと観測データの残差を表す
χ
(7)






T





wE

,
E，および重み係数 w で構成される．
5, 24
E，および重み係数wで構成される．
CYANA
に
CYBAY
モジュール
として実装した．以下に詳細を記載する．
Nilges らが提案したベイズ推定に基づく立体構造
応じて事前確率と尤度の寄与を推定できる点にある。
も， ISD の基本的考え方を利用しつつ，これに改良を加えた手法を開発し，立体構造計算ソフトウェア
ここで，θ
は分子の立体構造座標を記述する
2 面角パラメータを示す．ベイズの定理の枠組みでは，目的
ここで，θは分子の立体構造座標を記述する
2
面角パラメータを示す．ベイズの定理の枠組みでは，目的
E，および重み係数wで構成される．
X 線小角散乱を用
計算は、当時、非常に斬新であり、その後、この考え方は生体系
2
ここで，θ
は分子の立体構造座標を記述する(7)
   wE  , NMR のみに限らず、
5, 24 T   2面角パラメータを示す．ベイズの定理の枠組みでは，目的
従来法の目的関数
T は，予測データと観測データの残差を表す
χ2 項，物理ポテンシャルエネルギー項［21 〜 223］
CYANA
に
CYBAY
モジュール
として実装した．以下に詳細を記載する．






T





wE

,
。我々も、ISD の基本的考え方を利用しつつ、これ(7)いた構造解析等、他の分野にも波及している
関数は，構造アンサンブルで表される事後確率に置き換えることができる．
関数は，構造アンサンブルで表される事後確率に置き換えることができる．
 , に CYBAY2モジュール［5, 24］として実装(7)T     2    wECYANAに改良を加えた手法を開発し、立体構造計算ソフトウェア
関数は，構造アンサンブルで表される事後確率に置き換えることができる．
E，および重み係数wで構成される．
ここで，θは分子の立体構造座標を記述する
2 面角パラメータを示す．ベイズの定理の枠組みでは，目的
従来法の目的関数
T は，予測データと観測データの残差を表す
χ 項，物理ポテンシャルエネルギー項
ここで，θ は分子の立体構造座標を記述する 2 面角パラメータを示す．ベイズの定理の枠組みでは，目的した。以下に詳細を記載する。
10(8)(8)



PPD
P
PP
D
D 




D


P
2
従来法の目的関数
T は、予測データと観測データの残差を表すχ
ここで，θ は分子の立体構造座標を記述する
関数は，構造アンサンブルで表される事後確率に置き換えることができる．
(8) (7)  , 項、物理ポテンシャルエネルギー項P TD P2P2D面角パラメータを示す．ベイズの定理の枠組みでは，目的
wE
E，および重み係数w で構成される．
関数は，構造アンサンブルで表される事後確率に置き換えることができる．
E、および重み係数 w で構成される。

巻

ここで，D
は一般的な実験データを表す．現在の我々の手法では，NOE
データのみベイズ推論の枠組みで関数は，構造アンサンブルで表される事後確率に置き換えることができる．
ここで，Dは一般的な実験データを表す．現在の我々の手法では，NOE
データのみベイズ推論の枠組みで(7)(8)
TP D 2 P2面角パラメータを示す．ベイズの定理の枠組みでは，目的PwED ,（7）
ここで，Dは一般的な実験データを表す．現在の我々の手法では，NOE
データのみベイズ推論の枠組みで
ここで，θは分子の立体構造座標を記述する(8)
P D  P PD  扱い，他のデータは従来の形式で処理される．尤度関数は対数正規分布で記述する．
扱い，他のデータは従来の形式で処理される．尤度関数は対数正規分布で記述する．
(8)
P D2面角パラメータを示す。ベイズの定理の枠組みでは、P PD  
ここで、θは分子の立体構造座標を記述する
扱い，他のデータは従来の形式で処理される．尤度関数は対数正規分布で記述する．
関数は，構造アンサンブルで表される事後確率に置き換えることができる．
ここで，θは分子の立体構造座標を記述する
2 面角パラメータを示す．ベイズの定理の枠組みでは，目的
ここで，Dは一般的な実験データを表す．現在の我々の手法では，NOE
データのみベイズ推論の枠組みで目的関数は、構造アンサンブルで表される事後確率に置き換えることができる。
ここで，D は一般的な実験データを表す．現在の我々の手法では，NOE データのみベイズ推論の枠組みで
(9)(9)
I kl Ikl  6  6
ここで，D は一般的な実験データを表す．現在の我々の手法では，NOE
データのみベイズ推論の枠組みで関数は，構造アンサンブルで表される事後確率に置き換えることができる．
扱い，他のデータは従来の形式で処理される．尤度関数は対数正規分布で記述する．
（8） (9) (8)PI rD P PD  rkl
扱い，他のデータは従来の形式で処理される．尤度関数は対数正規分布で記述する．
r6
kl

kl

kl

扱い，他のデータは従来の形式で処理される．尤度関数は対数正規分布で記述する．
ここで、Dは一般的な実験データを表す。現在の我々の手法では、
NOE データのみベイズ推論の枠組(8)
P n Dn  P P D 
ここで，Dは一般的な実験データを表す．現在の我々の手法では，NOE
データのみベイズ推論の枠組みで
(9)

I
(10)
n
P
I


L
I

みで扱い、他のデータは従来の形式で処理される。尤度関数は対数正規分布で記述する。
(10) (9)P I   I klLkilIi krilikl 6
6(10)
P I  i1 i1 klL I krilikl 

(9)

1
i
I

（9）
扱い，他のデータは従来の形式で処理される．尤度関数は対数正規分布で記述する．
kl
6
ここで，D は一般的な実験データを表す．現在の我々の手法では，NOE
データのみベイズ推論の枠組みでn rkl

                 


1 1 P I    n 1 L1I k2l 2I kl Ikl  
(10)
(11)
  L2 ln(11) (10)L ILklIkl 
expi     2 Ikl I expI2kiilln 2i n
1
（
10
）
21 P
扱い，他のデータは従来の形式で処理される．尤度関数は対数正規分布で記述する．
1
2i(11) (9)I kl i1 26 2 ln   
L I kl    2
2I kl2 I kl exp(10)
I Ikl   r2klL I kili     
2 P
i 1


 I 
1
1
(9)
(11)
ここで，I
rkl はそれぞれスピンl から得られる
NOE
NOE
kl と
LkIと
ln 22  I klkl   はピークの数，σ 強度と距離，n
ここで，Irkl はそれぞれスピン
kkl とl から得られる強度と距離，nはピークの数，σ（は標準偏差，μ11は標準偏差，μ）kl と1 2I kl exp
1
6
n
2

(11)
r
kl   2




L
I

exp
ln



ここで，Ikl と rkl はそれぞれスピン kkl と l から得られる強度と距離，nはピークの数，σ は標準偏差，μI kl LNOE
2   I k l2
(10)
P22
I 1 2 I I kl  
 i i 1
2
kl
(11)



L
I

exp
ln





1
i
はピーク強度の期待値となる．事前確率分布は以下の形で示す．
kl
はピーク強度の期待値となる．事前確率分布は以下の形で示す．
2



NOE
2
強度と距離、nはピークの数、σは標準偏ここで、Ikl と rkl はそれぞれスピン k と l から得られる


2
n


I

2


kl
はピーク強度の期待値となる．事前確率分布は以下の形で示す．
ここで，I
(10)
kl と rkl はそれぞれスピン k とP lIから得られる  L I kili NOE 強度と距離，n はピークの数，σ は標準偏差，μ差、μはピーク強度の期待値となる。事前確率分布は以下の形で示す。
ここで，I
と
r
はそれぞれスピンkとlから得られるNOE 強度と距離，nはピークの数，σ は標準偏差，μklkl
i 1P P1
I


1





P

,

,


P


2
kl
 P  P2 ln  ,   P
     (12)(11)
L I kl   kP とexp    (12) はピークの数，σここで，Ikl と rkl はそれぞれスピン
l から得られるP 2, , 2I P  P 2NOEP   強度と距離，n（12） は標準偏差，μはピーク強度の期待値となる．事前確率分布は以下の形で示す．



(12)

kl
はピーク強度の期待値となる．事前確率分布は以下の形で示す．
 I 
11
1
(11)

1 exp
L I kl P  
ln 2  kl   (13)はピーク強度の期待値となる．事前確率分布は以下の形で示す．
2






E

(13)
2 exp




（13）
P 2 

exp


E



2








P

,

,


P

P

P

1


I


ここで，Ikl と rkl はそれぞれスピン kPとはピークの数，σ は標準偏差，μZ(13) (12) lP
から得られる
Z ,kl,exp P ENOE
PP強度と距離，n
 
(12)
Z  
P  ,  ,    P  P  P  
(12)はピーク強度の期待値となる．事前確率分布は以下の形で示す．
1ba, b NOE 強度と距離，n はピークの数，σ は標準偏差，μここで，Ikl と rkl はそれぞれスピン k と lから得られる

~
G
a
,


~
G
(13)
P   1 exp  E    E  (13)
P~LN
~ GZa,,bexp
 ~ LNZ , 1
はピーク強度の期待値となる．事前確率分布は以下の形で示す．
P  Pexp
 EP (13), P
P, ~,LN(12)Z             

 ~ G a, b
ここで、a と b はそれぞれガンマ関数 G の形状とスケールのパラメータ、LN
は対数正規分布、P（θ）

G
a,bP P  
1~~ LN
P  ,  , 
P 
 

(12)
は分配関数 Z と逆温度βを持つ分子構造の正準分布として記述できる。σおよびγパラメータは、ギブ(13)P    ~~ LN
expa,b,,E  
G


Z

スサンプラーによる MCMC によりサンプリングする。一方で、座標変数θは MD によりサンプリング ~ LN ,  1する。このようなハイブリットな形でサンプリングを行う理由は、タンパク質の立体構造のサンプリン(13)P  exp  E   Z~ G a, b
MC
グでは、共有結合による自由度の制限と、分子内部で原子がかなり密に詰まった充填構造のために

［25 〜 26］
 ~ LN  , 
よりも MD の方がサンプリング効率が高いという報告に基づいている。MD によるサンプリング ~ Ga, b ~ LN ,  

． MD
によるサンプリングの目的関数
T（θ）は，物理ポ
プリング効率が高いという報告に基づいている． MD
によるサンプリングの目的関数
T（θ）は，物理ポ
プリング効率が高いという報告に基づいている 25-26(14)
テンシャル E（θ）と，ギブスサンプラーによってサンプリングされた，γL（θ，γ，σ）からなT     E    L  ,  ,  および σ の尤度関数
テンシャル
E（θ）と，ギブスサンプラーによってサンプリングされた，γおよびσ の尤度関数L（θ，γ，σ）からな
テンシャル
E（θ）と，ギブスサンプラーによってサンプリングされた，γおよびσ の尤度関数L（θ，γ，σ）からな
BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10
る．
T（θ）は、物理ポテンシャルと、ギブスサンプラーによってサンプリングされた、γる．の目的関数E     E dihedral E（θ）
  E vdw14   E electro   E electro14   E GBる．
 Evdwおよびσの尤度関数 L（θ, γ, σ）からなる。

(14)
T     E    L  ,  ,  
T T L, ,1,  , n   Vi ri 6 (14)(14) E E L（14）

L ,  ,   ln 2 2 i 1   
E     E dihedral   Evdw   E vdw14   E electro   E electro14   E GB
E E
E dihedral

EvdwEvdw

E vdwE14  
E electro
E electro
 
E GBE
 

E dihedralE electro
E electro
14 14
vdw14
GB

ここで，Edihderal，Evdw，Evdw14，Eelectro，Eelectro14， EGB はぞれぞれ，二面角，vander Waals，1-4 van der Waals，
6
1 nn n  Vi ri 6  6
L ,  ,   1 2 1 ln ViriVi ri LL, ,lnln  27 による水モデル相互作用のエネルギー項 2 2 ,  ,
静電相互作用，1-4 静電相互作用，および一般化ボルン（GB）
   2 2ii211 
i 1   

ここで、E

、E

、E

、E

、E

、E はぞれぞれ、二面角、van der Waals、1-4 van derdihderal
vdw
vdw14
electroelectro14
GBを示す．NOE
シグナルの重なりがある場合のいわゆるambiguous
NOEの距離拘束の場合，距離
［27］
ここで，E
，E
，E
，E
，E
，
E
はぞれぞれ，二面角，vander Waals，1-4
van der Waals，ri は以dihderal
vdw
vdw14
electroelectro14
GBWaals、静電相互作用、
1-4
静電相互作用、および一般化ボルン（
GB）
による水モデル相互作用のエネ
ここで，E
，E
，E
，E
，E
，
E
はぞれぞれ，二面角，vanderWaals，1-4
vander Waals，
dihderalvdw vdw，E
vdw14
electroelectro14
ここで，E
dihderal，E
vdw14，E
electro，E
electro14，GBEGB はぞれぞれ，二面角，van der Waals，1-4 van der Waals，NOE シグナルの重なりがある場合のいわゆるルギー項を示す。
下の式で表す．
27 ambiguous NOE の距離拘束の場合、距
静電相互作用，1-4
静電相互作用，および一般化ボルン（GB）27
による水モデル相互作用のエネルギー項
27
静電相互作用，1-4
静電相互作用，および一般化ボルン（GB）
離
ri は以下の式で表す。
静電相互作用，1-4
静電相互作用，および一般化ボルン（GB）による水モデル相互作用のエネルギー項による水モデル相互作用のエネルギー項

1 / 6を示す．NOE シグナルの重なりがある場合のいわゆるambiguous
NOE の距離拘束の場合，距離 ri は以 mを示す．NOE
シグナルの重なりがある場合のいわゆるNOEの距離拘束の場合，距離ri は以
ambiguous
6  ambiguousを示す．NOE
シグナルの重なりがある場合のいわゆるNOEの距離拘束の場合，距離ri は以r    rk j l j （15）
 j 1(15)
下の式で表す．
下の式で表す．
下の式で表す．

ここで m はシグナルの重なり数を示す。座標変数のサンプリング計算では、Cartesian MD よりも長い

ここで m はシグナルの重なり数を示す．座標変数のサンプリング計算では，CartesianMD よりも長いステッ1 / 6
1 / 61 / 6
 mm
6 
m




r   rk j l j  6  6 r r 
rk j l jrk l 
1
j 

j 
j
プサイズが扱えることでエネルギー最小構造に速やかに到達できる
2 面角系 MD（TAMD）を採用している．
(15)
 j 1 j 1  
(15)(15)

力場関数には，MDプログラム Amber28 の Cartesian 力場のものを 2 面角系に最適化した分子力場を使用
ここで m
はシグナルの重なり数を示す．座標変数のサンプリング計算では，CartesianMD よりも長いステッ
ここでm はシグナルの重なり数を示す．座標変数のサンプリング計算では，Cartesian
MDMD
よりも長いステッ
ここでm はシグナルの重なり数を示す．座標変数のサンプリング計算では，Cartesianよりも長いステッ

し，水モデルには一般化ボルン（GB）モデル 27 を採用した．こうして，正確な分子力場と水モデルは，より尤
プサイズが扱えることでエネルギー最小構造に速やかに到達できる
2 面角系 MD（TAMD）を採用している．
プサイズが扱えることでエネルギー最小構造に速やかに到達できる
2 面角系
MD（TAMD）を採用している．
プサイズが扱えることでエネルギー最小構造に速やかに到達できる
2 面角系
MD（TAMD）を採用している．
もらしい事前確率分布を生成するため，データが不足する際にはこれを補うことができる．また，TAMD
を28
力場関数には，MD プログラム Amber28 のCartesian 力場のものを 2 面角系に最適化した分子力場を使用
28 Cartesian
力場関数には，MD
プログラム
Amber
の
力場のものを
2
面角系に最適化した分子力場を使用
力場関数には，MD プログラム Amber の Cartesian 力場のものを 2 面角系に最適化した分子力場を使用
採用することによって最適構造により短時間で到達できる．
27
し，水モデルには一般化ボルン（GB）モデル
27 を採用した．こうして，正確な分子力場と水モデルは，より尤
27
し，水モデルには一般化ボルン（GB）モデル
し，水モデルには一般化ボルン（GB）モデルを採用した．こうして，正確な分子力場と水モデルは，より尤を採用した．こうして，正確な分子力場と水モデルは，より尤
もらしい事前確率分布を生成するため，データが不足する際にはこれを補うことができる．また，TAMD をもらしい事前確率分布を生成するため，データが不足する際にはこれを補うことができる．また，TAMDををもらしい事前確率分布を生成するため，データが不足する際にはこれを補うことができる．また，TAMD
採用することによって最適構造により短時間で到達できる．
採用することによって最適構造により短時間で到達できる．
採用することによって最適構造により短時間で到達できる．

研究報告
86

図 1 ベイズ推定を用いた立体構造決定。既知のユビキチン構造をもとに NOE データをシミュレーションし、性能評価を行った。（a）CYANA による従来法（緑）とベイズ推定法（青）による立体構造計算、それぞれから得αられた構造を参照構図（PDB 1D3Z, 赤）に重ね合わせた図。上の図は、主鎖原子（N, C , Cʼ）のみを、右下の
1315、
図は側鎖原子も含めた構造を表示している。（b） C-separated NOESY（赤）、 N-separated NOESY（緑）1313
15
C separated aromatic NOESY（青）スペクトルに対応するピーク強度のγとσ値の分布。（c） C , N , and13
C-separated aromatic NOESY スペクトルのピーク強度のγ値の分布。黒線は、シミュレーションデータを作成したときに仮定したγ値の分布、赤はベイズ法が予測した分布を示し、緑の矢印は従来法の CYANA が推定した値を示す。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

87

ステップサイズが扱えることでエネルギー最小構造に速やかに到達できる 2 面角系 MD（TAMD）を採用の Cartesian 力場のものを 2 面角系に最適化した分［27］

子力場を使用し、水モデルには一般化ボルン（GB）モデルを採用した。こうして、正確な分子力場と水モデルは、より尤もらしい事前確率分布を生成するため、データが不足する際にはこれを補うことができる。また、TAMD を採用することによって最適構造により短時間で到達できる。
ここでは本手法の性能を、ユビキチン（Ub, PDB ID：1D3Z）の立体構造から人工的に作成した NOE
ピークリストで検証した。比較のために、我々が従来法として利用している CYANA-OPALp 構造精
［29］

密化計算

も同様に実行した。任意のγ値とσ値を仮定し、Ub 構造からシミュレーションデータのC-separated、15N-separated,13C aromatic-separated NOESY ス ペ ク ト ル の ピ ー ク リ ス ト を 作 成 し た。

13

ピーク強度には様々な物理因子や実験ノイズが含まれていると仮定し、ピーク強度に標準偏差σの正規分布によって与えられるランダムイズを加えている。具体的には、3 種類の NOE ピークの強度の統計値が、それぞれ 22.87 ± 2.29、16.46 ± 3.75、および 18.14 ± 4.67 になるように設定した。ここでは、する。図 1 は、従来法と本手法の 2 つの方法で推定された NOE スペクトルの補正定数γの分布と、タンパク質の立体構造を示す。ベイズ計算は、従来の simulated annealing 法による構造サンプリングとは異なり、広い関数空間をより効率的にサンプリングするためにレプリカ交換モンテカルロ法（REXMC）によるサンプリングを採用している。図 1b, c から、ベイズ推定により 3 種類すべてのスペクトルにおいて個々のパラメータをかなり正確に予測できていることが分かる。従来法の CYANA 計算では、γの値は一意のスカラーとして表されるため、σは計算されない。先に述べたように、CYANA ではピークリスト
中の強度の中央値を 4.0 Å と仮定してγ値を決定する。CYANA によって推定されたγ値もかなり単純な、CYBAY による計算では事前に設定した仮定にもかかわらず良い一致示しているが（図 1c、緑の矢印）
ピーク強度の元の分布をほぼ完全に再現できている。また従来法では、初期値の異なる複数個の構造を、その中から目的関数値の低い上位 10 もしくは 20 構造を選び出しこれを最生成し（多くの場合 100 構造）
終構造とするのに対し、ベイズ推定では REXMC により広い関数空間サンプリングすることができ、これにより生成された事後確率分布が最終的な構造アンサンブルとなる。図 1a に REXMC における最低温
度のレプリカから得られた構造のうち 20％をランダムに選択し表示した。構造はよく収束しており、従来の立体構造計算では、参照構造に対する主鎖・側鎖の RMSD 値が 1.94 および 2.13 Å だったのに対し、

CYBAY による計算では RMSD 値がそれぞれ 0.72 Å と 1.05 Å と、元の構造にかなり近い構造が得られている。これは、ベイズ推定のアプローチが、データが不足する、または不完全なピーク強度を持つデータセットに対しても堅牢であり、従来法よりも高精度の立体構造決定が可能であることを示している。

5. PRE 、PCS 、RDC 由来の遠距離情報と 、
複数コンフォメーションを仮定したアンサンブル構造決定
高分子量タンパク質の立体構造決定では、NOE と化学シフトから得られる近距離情報の組み合わせ
のみでは、正確な全体構造を得ることは難しくなる。近年は、磁場配向材料を用いた residual dipolar

coupling（RDC）、常磁性効果を利用した paramagnetic relaxation enhancement（PRE）、pseudocontact
shift（PCS）と い っ た 遠 距 離 情 報 と 併 用 す る こ と が 一 般 的 に な り つ つ あ る。 す で に 述 べ た よ う に、
CYANA には、常磁性データを効率的に解析するモジュールが組み込まれており、これらのデータを取り込んだ立体計算は比較的容易に行うことができる。常磁性効果のタンパク質解析への応用については、［30］

本会誌においても理化学研究所の八木宏昌博士の基礎講座

で原理を含めた詳細が記載されており、詳しくはそれらを参考にしていただきたい。ここでは、上記の遠距離情報を立体構造計算という観点で、従来法よりも効率的にデータを利用しているユニークな計算手法をいくつか紹介したい。

NMR 立体構造解析は、長い間可能な限り収束した構造、すなわちランダムな初期値から複数個の構造を生成した際に、常に同一の局所構造に纏まる条件を模索してきた。もしタンパク質が内部運動を持たない剛体と仮定できるのであれば、収束した構造はデータの質と量を担保していることと同義となる
ため、構造決定の精度の指標とできた。しかしながら、タンパク質などの生体高分子の多くは、実際に

10

巻

CYBAY による計算で、これらの設定値を正確に予測し、正しい立体構造を得ることができるかを検証

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019［28］

している。力場関数には、MD プログラム AmberBULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10は大きく揺らいでおり、その揺らぎが分子機能に関与していることが多い。したがって、過度に収束した構造を得ることは、むしろ自由な内部運動を持つ分子の溶液状態と矛盾するいう懸念が常に残されていた。NMR データは、溶液中の分子のアンサンブル構造を観測しているはずであることから、過度に収束した構造は、データに含まれる揺らぎの情報をあえて捨てていたのかもしれない。溶液 NMR の強みである溶液中での分子の自然な状態を観測しようとするのであれば、データに含まれる揺らぎ・内部運動の情報を忠実に再構成した立体構造決定が望ましい。また、X 線結晶構造解析などにより蛋白質複合体と単体構造とで大きな構造の違いが観測された場合、その生成過程機構を理解することも分子の立体構造と機能の関連を知る手掛かりとなる。例えば、生体高分子の構造変化過程は、induced fit とconformational selection という大きく 2 つのモデルが提案されている［2］。Induced fit は、相互作用による分子の立体構造変化は相手分子が結合した後に起こるとするモデルであり、conformational selection
は、単体構造のアンサンブルに事前に内在していた少数構造が、相互作用相手の分子との結合により大多数の構造として露わになるというモデルである。多くの場合、この 2 つの機構は、どちらか一方の過程のみというよりは、両方が同時に起こっていると考えられている。こうした機構を詳細に理解するた
めには、まず少数構造を検出できる技術が必要となる。こうした溶液中の複数構造をアンサンブルとしてとらえようとする決構造決定法を、ここではアンサンブル構造解析と呼ぶこととする。アンサンブル
構造解析は、特に Marius Clore や岩原淳二博士らによって主に PRE を用いた手法が提案されている。彼
［31］

［32］

らのいくつかの報告にうち、マルトース結合タンパク質（MBP） とカルモジュリン（CaM） の例について紹介する。

MBP は、N 末端（NTD）と C 末端ドメイン（CTD）の 2 つのドメインで構成され、これらは、apo 型（open）とマルトトリオースと結合した holo 型（close）で異なる相対配置をそれぞれ持っていることが X
線結晶構造解析により明らかになっている（図 2a）。RDC や X 線小角散乱（SAXS）のデータから、holo
型 MBP は、結晶構造と同一の単一構造であることが示されている。apo 型と holo 型それぞれでドメイン
間の PRE を観測すると、holo 型のドメイン配向は結晶構造とよく一致するが、apo 型はデータと矛盾があり、溶液構造と結晶構造とでドメイン配向が異なることが示唆された。従来法の立体構造計算を用いると PRE データだけを満たす単一構造を得ることはできるが、この構造は RDC データとは矛盾するた

研究報告
88

図 2 MBP の 立 体 構 造。
（a）apo 型（PDB 1OMP）と holo 型（PDB 3MBP）MBP を 重ね合わせたタンパク質表面図。NTD ドメインは灰色で、CTD ドメインは赤半透明（holo型）と青（apo 型）で描画している。holo 型は、マルトトリオース（黄色、球体モデル）が結合したことにより、close 構造となっている。下図は、分子を 60 ° 回転して描画し（b）
た構造であり、CTD ドメインの NTD に対する配向が変化していることが分かる。
アンサンブル構造決定により得られた 50 個の代表構造（PDB 2V93）と apo 型結晶構造。
apo 型溶液アンサンブル構造を緑半透明で、apo 型結晶構造を青で表示している。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

89

め（RDC の R 因子は 14％から 24％に増加した）、一意に構造を決定する従来法は最適な解析法でないこ
造解析に適用した（図 2b）。残差を計算するための PRE の推定値は、ドメイン間が開いた open 構造（結晶構造と同一構造）とマイナー構造とで異なる重みで平均化した値を計算する。計算の結果、存在確率約 5％のマイナー構造を持つモデルが PRE の実験値と良く一致した。得られた apo 型 MBP のマイナー構
造は、open 構造と比較してヒンジ部分が約 33°回転した部分的に閉じたドメイン配向を持っていた（図2b）。PRE データには、apo 型 MBP の open 構造と部分的に閉じた構造間の動的平衡の情報が含まれてい1
15
ることが分かる。2 つの状態間の交換時間スケールの下限値は、異核種 { H} - N NOE 計測から 20 ns 程度、緩和分散法から 20μs 程度と見積もられていた。MBP のマイナー構造は、マルトトリオースが結合したことによって閉じた holo 型と類似しているが完全には一致していない。これは、マイナー状態として存在する部分的に閉じた状態の構造が、マルトトリオースが近づいた際に holo 型へ速やかに遷移可能な状態になっていると著者たちは推測している。holo 型の構造は、完全に閉じた構造となっているため、構造でかつ、マルトトリオースが結合領域に近づける遷移状態を持つことで、マルトトリオースとの相互作用と、スムーズな構造変化を同時に達成していると結論づけている。このことは、MBP の構造変化
機構は、conformational selection と induced fit が同時に起こることで、より効率的な機構になっているのだろうと筆者らは述べている。

Clore らは同一の手法を、カルモジュリンタンパク質（CaM）にも適用している［32］。MBP と同様に、CaM は N-（NTD）および C-（CTD）末端ドメインで構成され、2 つのドメインは短い柔軟なリンカーで結2＋合してる。結合ペプチドが存在しない場合、カルシウム結合型 CaM（CaM-4Ca）は、2 つのドメイン

2＋

が互いに独立に運動し、open 構造を示している（図 3a, b）。CaM-4Ca にペプチドが結合すると、NTDと CTD がペプチド周りに固定され、堅固でコンパクトな close 構造となる（図 3c）。PDB に登録されて2＋いる CaM-4Ca の立体構造を調べると、すべての結晶構造は、αヘリックスからなるリンカー領域により、ドメイン間距離が約 40 Å 離れたダンベル型構造（図 3a, b と同様な構造）になっている。一方で、蛍光や SAXS 測定からは 2 つのドメイン間はよりコンパクトな構造になっていることが示唆されており、

NMR 緩和解析および RDC, PCS データからはリンカーの中心残基（77 〜 81）のダイナミクスはかなり大きな運動を持っていることが分かっていた。しかしながら、NTD と CTD の直接的な接触を示すドメイ
ン間 NOE は観測されないことから、溶液中では close 構造と open 構造が一定の時間スケールで平衡状態になっていると推定されていた。そこで、著者たちは PRE と複数状態を仮定したアンサンブル構造解
2＋析を利用して CaM-4Ca の存在確率分布を可視化することを試みている。計算の結果、伸びた状態の構造が約 90％、縮まった状態の構造が 10％となるアンサンブル構造が得られた。10％の縮まった構造は、ペプチドが結合した際の close 構造とは完全に一致していなかったが、その半分の 5％はペプチド結合型

close 構造とかなり類似した構造をとっていた。こうして PRE の解析から、ペプチドが結合していない
CaM-4Ca2 ＋においても、close 型に近い縮まった構造を有することで、ペプチドとの効率的な結合とその後の構造変化を促進していると推定された。CaM のリンカーは生物種で高度に保存されておりその長さは常に一定であることが分かっている。Clore らは、別の論文で、PRE 測定から、過渡的なドメイン間相互作用は、野生型から 1 アミノ酸分伸ばしたリンカーを人工的に作成した際に、最大になり、それよCaM の立体構造。（a）Ca2 ＋ -free CaM（PDB 1CFD）。（b）CaM-4Ca2 ＋（PDB 1CLL）。（c）CaM4Ca -MLCK ペプチド複合体（PDB 1CDL）。Ca2+ を紫で、MLCK をオレンジで表示している。
図3

2+

10

巻

マルトトリオースが MBP の結合領域に近づける空間領域はない。一方で、apo 型において holo 型に近い

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019とが分かる。そこで、著者たちは Xplor-NIH に新たに実装したアンサンブル構造計算法を MBP の立体構

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10［33］

り長いまたは短い長さに対しては減少することを示している。こうした結果は、CaM の機能を発揮するために、リンカー構造はかなり最適化されていると筆者らは考察している。
以上、MBP と CaM の 2 つのドメイン間の平衡構造の解析は、X 線結晶構造解析による open 型と close型の 2 つの立体構造情報だけでは、大きな構造変化を伴う相互作用認識機構を十分理解することは難し
いということを示唆している。PRE や RDC のような遠距離情報とアンサンブル構造解析は、タンパク質の構造と機能の関係に新しい知見をもたらしている。

6. PRE 、PCS 、RDC 等の遠距離情報を利用した天然変性タンパク質（IDP）の構造解析よく知られているように IDP は、単独状態では特定の折り畳み構造を持たないが、他の分子と特異的に相互作用した際に、特定の立体構造に折り畳まれ、固有の機能を発現していると考えられている。一方で、単独状態の IDP の構造も全く規則性がないのではなく、空間内で特定の存在確率からなるアン
サンブル構造をとっていると考えられている。この存在確率分布を可視化することは、IDP の分子認識機構を詳細に理解し、未知の機能を推定するために欠かせない情報になると考えられている。しかしながらこれまで、かなり広い構造空間で揺らぐ IDP のアンサンブル構造を決定することは困難であった。複数のグループは、こうした IDP の構造解析手法として、あらかじめ膨大な数の立体構造を集めた構造プールを作成し、その中から実験データに合う構造の組み合わせを選ぶことで、IDP のアンサンブ
ル構造の可視化を試みている（図 4）。現在までに IDP の代表構造アンサンブルを再構成する最適化計算［34］

手法は複数提案されている。主なプログラムとして、ENSEMBLE［38］［36, 37］

、EOM

、

［39］

、SES

MES

［35］

、ASTEROIDSなどがあり、最適化のアルゴリズムには、ENSEMBLE はモンテカルロシミュレー

テッドアニーリング（MC-SA）法を、ASTEROIDS、EOM、MES は遺伝的アルゴリズム（GA）法、SES
は直交マッチング追跡（MP）法を採用している。いずれの手法も、最初に何らかの計算手段で様々なコ
ンフォメーションを含む構造群のプールを作成し、そこからランダムに複数構造を選択するというアプ
ローチをとっている。選択された複数構造から予想される平均の PRE や RDC 値が実験値と近い値となれば、溶液中での IDP の立体構造分布を反映した構造群を得られたと仮定することができる。この手法の成功の鍵は、初めに用意する構造集団のプールに、タンパク質の立体構造空間を大まかに網羅できる
十分な数の構造を用意できるか？という点と、そこから実験値をうまく再現する最適な数と種類の構造群を選び出すことができるか？という問題を、効率よく計算できるアルゴリズムの開発にある。選び出す構造の数は、初めの段階では不明なため、少ない数から徐々に構造数を増やしながら実験値との一致度を検証する。例えば、最近提案された MPGA 法では、構造プールからのサンプリングに MP 法と GA法を組み合わせたアルゴリズムを用いることで、より効率的な構造サンプリングが可能であるとしてい［40］

る。このアルゴリズムを機械的刺激の感知（メカノセンシング）に関わる IDP タンパク質 p130CasDの構造アンサンブル解析に適用している。p130CasD は細胞外マトリックス - 細胞間の接着装置である
接着斑のメカノセンサーである。細胞に外力が加わることで接着斑に存在する p130Cas が伸張すると、

p130CasD 中の YXXP モチーフにあるチロシン残基（Tyr）がリン酸化され、細胞内シグナル伝達の下

研究報告
90

図 4 IDP アンサンブル構造解析の模式図。初めに、可能な限り分子構造空間を網羅していると推定される構造群の初期
プールを作成する。プールから N 個の構造を選び出し、N 個の構造から逆計算される推定値の平均と、計測値（Dexp）を比較することで、最適な構造の組み合わせを選び出す。

91

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

流に情報が伝わる。計算では、MPGA を使った p130CasSD のアンサンブル構造の決定から、外力が加306）は伸びた構造を取っていることが分かった。このことは、外力が加わらない際には、リン酸化キナーゼタンパク質 Src が N 末端領域のリン酸化部位にアクセスできず、リン酸化が阻害されているが、外力が加わることによりこの領域が伸張され、リン酸化部位が露出するために Src がこの領域をリン酸化可能になるという機構の存在を示唆している。このようにアンサンブル構造解析は、他の手法では構造解析が難しい IDP の構造の分布をモデル化し、構造ベースの機能解析のツールとして有効であるということを示している。

7. Solvent PRE
ここでは、今後のタンパク質構造解析において有効性が期待されている solvent PRE（sPRE）について取り上げる。常磁性データを観測するためには、不対電子をもつイオンや原子が必要である。一方で多結合タグをタンパク質表面に付加する必要がある。しかしながら、目的の位置に常磁性タグを結合する
ためには、部位特異的にタンパク質に新たなシステイン残基（Cys）、もしくは非天然アミノ酸を導入する必要がある。また、天然のタンパク質表面にすでに Cys が複数存在する場合、タグの結合部位を一か所に限定するために、それらを別のアミノ酸に置換する必要がある。こうしたアミノ酸変異は、蛋白質
構造の不安定化もしくは全体構造を大きく歪める可能性を否定できず、自然な状態のタンパク質を観測するという観点で問題となる。また、高分子量タンパク質では、構造解析に必要十分な構造情報の取得のために複数の変異タンパク質を作成しなければならない点も、より広い生命科学分野への技術普及の妨げとなっている。そこで、常磁性タグをタンパク質に共有結合せずに、単純に溶媒中に混ぜるだけでPRE を観測する試みが注目を集めている。この手法は、solvent PRE（sPRE）と呼ばれる。 sPRE を利用［41］

した立体構造解析は、球状タンパク質に限らず、IDP［42］、膜タンパク質［43, 44］、タンパク質複合体の研究に応用されている。sPRE を利用した構造解析は、近年は Chun Tang らによって特に精力的に研究が進められており、sPRE に適したプローブの開発も進んでいる。これまでの sPRE 測定では、MRI 造影剤としても知られている Gd -DTPA-BMA がプローブとして用いられてきた（図 5a）。しかしながら、こ3+

3+のプローブは配位結合部位を 8 カ所しか持たず Gd の結合電子の一部がキレートタグに配位していない

ため、この位置に水分子が配位してしまう。これにより、この水分子が強く緩和され、この緩和された
水分子の H が蛋白質主鎖の H と交換すると、理論値と比較して極端に強い sPRE 値となってしまうと
1

1

N

報告している。一方で、Tang らが開発した TTHA-TMA Gd プローブは 10 箇所の配位部位があるため、
3+

水分子が Gd と配位する余地がなく、水分子の水素と直接的な PRE が起きないため、理論値とかなり近
3+

［45］

い値の PRE を得られると述べている（図 5b） 。これにより、sPRE 値から各原子のタンパク質内部への埋もれ度を正確に見積もることができるため、この情報をタンパク質構造決定の拘束条件として利用することができる。sPRE の理論値は、Solomon-Bloembergen-Morgan 方程式を体積積分することによ

図 5 （a）Gd3+-DTPA-BMA プローブの化学構造。（b）TTHA-TMA Gd3+ プローブの化学構造。
DTPA-BMA では、Gd3+ の 1 箇所に水分子が配位している。

10

巻

くの場合、解析対象とするタンパク質は常磁性金属の結合能を持たないため、PRE 測定には常磁性金属

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

わっていないときの N 末端領域（1-60）は、比較的収縮した構造を取っているのに対し、C 末端領域（240-体積積分することにより求めることができ，著者たちは，計算の簡略化のために，格子点間に一定の間隔
BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10を置いてタンパク質構造の周りに立方格子を構築する離散的な格子モデル用いている．タンパク質中のり求めることができ、著者たちは、計算の簡略化のために、格子点間に一定の間隔を置いてタンパク質sPRE 効果は以下のように定義される．
sPRE 効果は以下の構造の周りに立方格子を構築する離散的な格子モデル用いている。タンパク質中のように定義される。
ここで，r は任意のスピンと格子点との距離，k は常磁性溶媒の濃度，温度，溶媒粘度などの不確定要因を（16）
2   k  r  6 (16)
校正する補正定数である．Xplor-NIH では(16)式をタンパク質表面上の常磁性プローブの寄与のみを考慮
nここで、r は任意のスピンと格子点との距離、k は常磁性溶媒の濃度、温度、溶媒粘度などの不確定要した，より単純なモデル式として目的関数に組み込んでいる．タンパク質表面は，三角形パッチにより表現
因を校正する補正定数である。Xplor-NIH では（16）式をタンパク質表面上の常磁性プローブの寄与のみ考慮した、より単純なモデル式として目的関数に組み込んでいる。タンパク質表面を三角形パッチによしたモデルを採用すると，以下のようになる．

り表現したモデルで記述すると、以下のようになる。

2  

k ' aini  ri
(17)

9 i ri 6（17）

ここで、k’ は補正定数、ai は i 番目の三角形パッチの面積、ni はタンパク質表面の法線ベクトル、ri はここで，k’は補正定数，ai は i 番目の三角形パッチの面積，ni はタンパク質表面の法線ベクトル，ri は対象と対象となるスピンとi 番目の三角形パッチを結ぶベクトルを表す。タンパク質表面近傍に存在する常磁性プローブが sPRE に最も寄与するということを考慮すれば、この近似でも十分うまく実験値を再現でなるスピンと i 番目の三角形パッチを結ぶベクトルを表す．タンパク質表面近傍に存在する常磁性プローブ

きるとしている。Xplor-NIH には上記関数が組み込まれた構造サンプリングモジュール PSolPot が実装されており、sPRE 値由来の拘束条件を満たす立体構造を得ることができる。筆者らは、テストケース

が sPRE に最も寄与するということを考慮すれば，この近似でも十分うまく実験値を再現できるとしている．
［46］
［47］
。TALOS+により得られた 2 面角拘として、sPRE 関数項を導入した GB1 の立体構造計算を行った

Xplor-NIHに実装されている知識ベースの拘束条件［48］、および sPREの拘束を評価関数として構束と、Xplor-NIHには上記関数が組み込まれた構造サンプリングモジュール
PSolPotが実装されており，sPRE
造計算を行ったところ、解となる参照構造に対するタンパク質主鎖原子の RMSD 値は、1.67 Å であり、値由来の拘束条件を満たす立体構造を得ることができる．筆者らは，テストケースとして，sPRE
関数項を
sPRE
がかなり有効に働くことを示している。この例は小さな球状タンパク質 GB1（56 アミノ酸）のデー
sPRE のみのデータでタに対して行ったものであり、より高分子量のタンパク質の解析には、おそらく
46
47導入した GB1 の立体構造計算を行った ．TALOS+により得られた 2 面角拘束と，Xplor-NIH に実装さの立体構造決定は難しいであろう。それでも、アミノ酸変異を入れることなく、溶液に常磁性プローブ

れている知識ベースの拘束条件 48，および sPRE の拘束を評価関数として構造計算を行ったところ，解となる参照構造に対するタンパク質主鎖原子の RMSD 値は，1.67� であり，sPRE がかなり有効に働くことを示している．この例は小さな球状タンパク質 GB1(56 アミノ酸)のデータに対して行ったものであり，より高分子量のタンパク質の解析には，おそらく sPRE のみのデータでの立体構造決定は難しいであろう．それでも，
アミノ酸変異を入れることなく，溶液に常磁性プローブを混ぜるだけで測定できるというのは魅力的であり，他の実験データと組み合わせることで，今後は立体構造決定の有力な手法となると予想している．

8. 小角散乱データと NMR データを利用したハイブリット立体構造計算
NOE や化学シフトを利用する従来の NMR 構造決定は，近距離情報を集めてグローバル構造を決定する

研究報告

ため，データの不足やノイズの影響が大きい場合，得られた最終構造が十分正確であるか評価することは
図 6 Enzyme I（EI）の立体構造。
（a）大腸菌由来のリン酸化 EI 蛋白質の立体構造。EIN ドメインは青で表示している。（b）黄色ブドウ球菌由来の EI 蛋（PDB 2HWD）

1
H 核の数の減
簡単ではない．これは，特に，重水素化を必要とする高分子量タンパク質の解析において，白質の立体構造。リン酸化 EI 中間体（EIN ドメイン：緑）とフリー型 EI（EIN ドメイ（c）SAS と RDC のハイン：紫）を EIC ドメイン（灰色）を基準に重ね合わせている。

少により距離情報が著しく不足する場合に顕著となる．RDC，PRE，およびPCS （灰色）などの長距離情報を用いにブリッド立体構造計算により得られた EI-HPr 複合体の構造。EIC ドメイン
合わせて構造を比較すると、EIN ドメインの配向位置が、それぞれの構造（a, b, c）
で大きく異なっていることが分かる。

92

る必要があり，この場合タンパク質中の部分構造の情報に限定され，全体構造を得ることはできない．こうればこの問題をある程度回避できるが，100 kDa を超える分子の解析では，メチル基選択標識試料を用いる必要があり，この場合タンパク質中の部分構造の情報に限定され，全体構造を得ることはできない．こうした問題を解決するため，いくつかのグループは，NMR
データを X 線小角散乱(SAXS)や中性子散乱
BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10
93
る必要があり，この場合タンパク質中の部分構造の情報に限定され，全体構造を得ることはできない．こうした問題を解決するため，いくつかのグループは，NMR
データを X 線小角散乱(SAXS)や中性子散乱
日本核磁気共鳴学会 NMR 2019を混ぜるだけで測定できるというのは魅力的であり、他の実験データと組み合わせることで、今後は立（SANS）のデータと組み合わせることにより，NMR
ればこの問題をある程度回避できるが，100kDaデータからの部分構造と小角散乱(SAS)からの全体構を超える分子の解析では，メチル基選択標識試料を用いした問題を解決するため，いくつかのグループは，NMR
データを X 線小角散乱(SAXS)や中性子散乱（SANS）のデータと組み合わせることにより，NMR
体構造決定の有力な手法となると予想している。 データからの部分構造と小角散乱(SAS)からの全体構

巻

50-51
．
造を取得し，より信頼度の高い構造決定を行うハイブリッド
NMR
構造決定を開発している 49
る必要があり，この場合タンパク質中の部分構造の情報に限定され，全体構造を得ることはできない．こう49 50-51（SANS）のデータと組み合わせることにより，NMR
データからの部分構造と小角散乱(SAS)からの全体構ればこの問題をある程度回避できるが，100kDaを超える分子の解析では，メチル基選択標識試料を用い．
造を取得し，より信頼度の高い構造決定を行うハイブリッド NMR 構造決定を開発している
8. 小角散乱データとNMR データを利用したハイブリット立体構造計算
ればこの問題をある程度回避できるが，100kDa を超える分子の解析では，メチル基選択標識試料を用い溶液中での回転拡散運動が等方性の分子では，X線または中性子ビームに対する分子のすべての方した問題を解決するため，いくつかのグループは，NMR
データを NMR
X 線小角散乱(SAXS)や中性子散乱
NOEる必要があり，この場合タンパク質中の部分構造の情報に限定され，全体構造を得ることはできない．こうや化学シフトを利用する従来のNMR 構造決定は、近距離情報を集めてグローバル構造を決定す造を取得し，より信頼度の高い構造決定を行うハイブリッド
構造決定を開発している 49 50-51．
溶液中での回転拡散運動が等方性の分子では，X線または中性子ビームに対する分子のすべての方る必要があり，この場合タンパク質中の部分構造の情報に限定され，全体構造を得ることはできない．こうるため、データの不足やノイズの影響が大きい場合、得られた最終構造が十分正確であるか評価するこ
向で平均散乱強度が観察される．散乱強度は一般的にデバイ方程式で表される．
（SANS）のデータと組み合わせることにより，NMR
データからの部分構造と小角散乱(SAS)からの全体構
1溶液中での回転拡散運動が等方性の分子では，X線または中性子ビームに対する分子のすべての方した問題を解決するため，いくつかのグループは，NMR
データを X 線小角散乱(SAXS)や中性子散乱
H 核のとは簡単ではない。これは、特に、重水素化を必要とする高分子量タンパク質の解析において、
向で平均散乱強度が観察される．散乱強度は一般的にデバイ方程式で表される．
した問題を解決するため，いくつかのグループは，NMR データを X 線小角散乱(SAXS)や中性子散乱
49 50-51
RDC構造決定を開発している、PRE、および PCS などの長距離情数の減少により距離情報が著しく不足する場合に顕著となる。
．
造を取得し，より信頼度の高い構造決定を行うハイブリッド
NMR
向で平均散乱強度が観察される．散乱強度は一般的にデバイ方程式で表される．
（SANS）のデータと組み合わせることにより，NMR
データからの部分構造と小角散乱(SAS)からの全体構
100 kDaデータからの部分構造と小角散乱(SAS)からの全体構を超える分子の解析では、メチル基選択標識
報を用いればこの問題をある程度回避できるが、（SANS）のデータと組み合わせることにより，NMR
N N
sin 線または中性子ビームに対する分子のすべての方
qrij 
溶液中での回転拡散運動が等方性の分子では，X試料を用いる必要があり、この場合タンパク質中の部分構造の情報に限定され、全体構造を得ることは
N N f q  f q  sin qr I q   
造を取得し，より信頼度の高い構造決定を行うハイブリッド
NMR(18)構造決定を開発している 49 50-51．

i
j
ij
(18)
qr
49 50-51
I q  i 1
j 1 f i q  f j q ij
．）造を取得し，より信頼度の高い構造決定を行うハイブリッド
NMR
構造決定を開発している
NMR
データを X 線小角散乱（SAXSできない。こうした問題を解決するため、いくつかのグループは、
qr
i 1 j 1
ij
N N
向で平均散乱強度が観察される．散乱強度は一般的にデバイ方程式で表される．
sin qrij 
溶液中での回転拡散運動が等方性の分子では，X線または中性子ビームに対する分子のすべての方や中性子散乱（SANS）のデータと組み合わせることにより、(18)
 データからの部分構造と小角散乱
I q     f i q  f j qNMR
qrij
溶液中での回転拡散運動が等方性の分子では，X線または中性子ビームに対する分子のすべての方
i 1 j 1

4

sin

NMR 構造決定を開発（SAS）からの全体構造を取得し、より信頼度の高い構造決定を行うハイブリッド10
q  4 sin 
向で平均散乱強度が観察される．散乱強度は一般的にデバイ方程式で表される．
［49, 50 〜 51］
q

。
している

向で平均散乱強度が観察される．散乱強度は一般的にデバイ方程式で表される．
N N
sinqrij 4 sin溶液中での回転拡散運動が等方性の分子では、(18)I q     f i qqX
f線または中性子ビームに対する分子のすべての方向j q 
 qrijはビームの波長，2は散乱角，rは原子 i の原子座標，Nはシステム内の原子数，fi は原子構造
ここで，
ii 1 j 1
で平均散乱強度が観察される。散乱強度は一般的にデバイ方程式で表される。
ここで，はビームの波長，2は散乱角，ri は原子 i の原子座標，N はシステム内の原子数，fi は原子構造
N N
sin qrij 2(18)
I q  N
f i q  f j qsin
N
検定の表記で記述する．
因子を示し，
SAS
データのターゲット関数は，
qrqrijijはビームの波長，2は原子i の原子座標，Nはシステム内の原子数，f
ここで，iq
i は原子構造j f1 1検定の表記で記述する．

(18)
sin
（18）
因子を示し，SAS データのターゲット関数は，
q4i2I qは散乱角，r
f
q
i
j
qr
i 1 j 1
ij2
1 NNd  I exp q k   ck2I検定の表記で記述する．
pred q k   2因子を示し， SAS データのターゲット関数は，
2(19) 2  1 d  I exp 4qk sin
 ck I pred q k 
(19)



q
  N d 1 qk 1 k
 4 sin N d  1 k i1は原子q
iの原子座標，Nはシステム内の原子数，f
ここで，はビームの波長，2は散乱角，r2i は原子構造q  1 N d kI q  c I
expkk pred q k  2(19)  i は原子i の原子座標、N
ここで、λはビームの波長、2θは散乱角、ri は原子N q k  はシステム内の原子数、f2d  1 k 1 
ここで，Nはデータの標準偏差，I
検定の表記で記述する．
因子を示し，
SAS
データのターゲット関数は，
d はデータポイントの数，
exp は散乱強度の実測値，I
pred は立体構造から推2
はビームの波長，2は散乱角，rは原子iの原子座標，Nはシステム内の原子数，f
ここで，ii は原子構造SAS データのターゲット関数は、χ
検定の表記で記述する。
構造因子を示し、ここで，N
はデータの標準偏差，I
d はデータポイントの数，
exp は散乱強度の実測値，Ipred は立体構造から推
ここで，はビームの波長，2は散乱角，ri は原子 i の原子座標，N はシステム内の原子数，fi は原子構造
はスケール係数である．原子構造因子
は，任意の原子核にある電子分布のフーリ
定される散乱強度，cNd  ck fIfi pred
q k exp 2は散乱強度の実測値，I
 I exp q2k 検定の表記で記述する．
1 はデータの標準偏差，I
ここで，Ndk はデータポイントの数，因子を示し，SAS データのターゲット関数は，
pred は立体構造から推2は，任意の原子核にある電子分布のフーリ
定される散乱強度，c(19)k はスケール係数である．原子構造因子
i
 
（19）

 2 検定の表記で記述する．

因子を示し， SAS データのターゲット関数は，
N d  1 k 1  q k エ変換を示す．原子構造因子は計算の簡素化のために，一般的にスカラーとして定義される，もしくは溶媒
Ndはスケール係数である．原子構造因子定される散乱強度，ck
2 2
 I exp q k   c k I pred qfki は，任意の原子核にある電子分布のフーリ
エ変換を示す．原子構造因子は計算の簡素化のために，一般的にスカラーとして定義される，もしくは溶媒
12(19) pred は立体構造
  1 N dは散乱強度の実測値、I
ここで、Nd はデータポイントの数、σはデータの標準偏差、Iq k   Iexp q k  c kqIexppred
2


N
1
1

k
(19)
d
k
補正モデルで記述される．
 
ここで，Nエ変換を示す．原子構造因子は計算の簡素化のために，一般的にスカラーとして定義される，もしくは溶媒
はデータの標準偏差，I
d はデータポイントの数，
pred は立体構造から推   expqは散乱強度の実測値，I 
fi は、任意の原子核にある電子分布のから推定される散乱強度、ck はスケール係数である。原子構造因子
N d  1 k 1 
補正モデルで記述される．
k

フーリエ変換を示す。原子構造因子は計算の簡素化のために、一般的にスカラーとして定義される、も(20)
f i q   f v ,i q   f s ,i q 
fi は，任意の原子核にある電子分布のフーリ
定される散乱強度，ck はスケール係数である．原子構造因子
補正モデルで記述される．
ここで，Nd はデータポイントの数，はデータの標準偏差，Iexp は散乱強度の実測値，Ipred は立体構造から推エ変換を示す．原子構造因子は計算の簡素化のために，一般的にスカラーとして定義される，もしくは溶媒(20)
f i q   f v ,i q   f s ,i q 
fi は，任意の原子核にある電子分布のフーリ（20）
k はスケール係数である．原子構造因子
ここで，fv,i定される散乱強度，cおよび fs,i は，それぞれ真空および溶媒中の原子構造因子を示し，以下のように記述される．
はスケール係数である．原子構造因子fは，任意の原子核にある電子分布のフーリ
定される散乱強度，c
ここで，f
および
f
は，それぞれ真空および溶媒中の原子構造因子を示し，以下のように記述される．
k
i
v,i
s,i
補正モデルで記述される．
ここで、f4v,i および fs,i は、それぞれ真空および溶媒中の原子構造因子を示し、以下のように記述される。
エ変換を示す．原子構造因子は計算の簡素化のために，一般的にスカラーとして定義される，もしくは溶媒
2
ここで，fv,i および fs,i は，それぞれ真空および溶媒中の原子構造因子を示し，以下のように記述される．
4 a exp  b q 4   c
f v ,i q   
エ変換を示す．原子構造因子は計算の簡素化のために，一般的にスカラーとして定義される，もしくは溶媒ii2f v,iqf i 1 a i exp  bi q 4   c (20)




f
q
q

f
q
i
v
,
i
s
,
i
補正モデルで記述される．
i 142補正モデルで記述される．
f v ,i q    ai exp  bi q 4   c
2 2/3
f sf,ii qq   f vV,i exp(20)
q   f sqi,i12Vq 2 / 3 4
ここで，fv,i および fs,i は，それぞれ真空および溶媒中の原子構造因子を示し，以下のように記述される．


f
q


V
exp

q
V
4
(20)
f i sq,i   f v ,i q   f s ,i q 
ここで、ai、bi、c は特定の原子の Cromer-Mann
係数、V は溶媒体積を表す。ここでの立体構造計算の4
f s ,i q   V exp 2q 2V 2 / 3 4
ここで，f
および
f
は，それぞれ真空および溶媒中の原子構造因子を示し，以下のように記述される．
v,is,if v ,i q    ai exp  bi q 4 MD
 法により最適構造を探索する。こc
中では、（19）式と NMR データ由来の構造情報を拘束条件として
i 1
ここで，fv,i および fs,i は，それぞれ真空および溶媒中の原子構造因子を示し，以下のように記述される．
NMR データからは各ドメイン内のれにより、例えばマルチドメインタンパク質の構造解析において、
42
f v ,i q  4  ai exp  bi q 4   c
ローカル構造情報を取得し、SAS データよりドメイン間の相対配置を決定する、という構造解析が可能
2
2
2
/
3
i a1 exp
f s ,fi v ,qi q Vexp
4   ci  q Vbi q 4

ここで，Nd はデータポイントの数，は散乱強度の実測値，Ipred は立体構造から推exp(20)  f s ,i q 
f i q   f v ,i qはデータの標準偏差，I
しくは溶媒補正モデルで記述される。











 



となる。

i 1

 














Marius Clore らは、最近このハイブリッド立体構造計算を NMR 構造解析においては、かなりの高分

2/3
q  ［52V］。exp
2q 2V22 /つのドメイン
4 
EI は、
（EIN と EIC）で構成さ3
f s ,i q   V exp q V
4 

f

s ,i
量タンパク質である Enzyme I（EI）の解析に適用した

れる約 128 kDa のダイマーであり、ヒスチジン含有リン酸転移タンパク質（HPr）との複合体では、その分子量は約 146 kDa にもなる。EIN ドメインはさらに 2 つのサブドメインαとβに分かれている（図 6a）。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

EINα/β はリン酸転移の触媒部位を含み、EINα は HPr と相互作用する。異なる生物種由来の 3 つの EI のαβα

結晶構造を比較すると、EIC ドメインはほぼ同一であったが、EIN サブドメインに対する EIN の相対的なドメイン配向が大きく異なっていた（図 6a, b）。この違いの原因を明らかにするため、著者たちは、

RDC、X 線小角・広角散乱（SAXS・WAXS）、および中性子小角散乱（SANS）を使用して、溶液中のドメイン配向構造を解析した。構造計算の初期構造として、リン酸化された全長 EI タンパク質の結晶構造（PDBID：2HWG）と、溶液 NMR により決定された EIN-HPr 複合体中の EIN ドメイン（PDBID：3EZA）を用いた。EIN および EIC ドメインの内部構造は剛体として固定し、ドメイン間のリンカー領域のみに自由度を与えて、RDC および SAS データから得られた拘束条件とともに simulated annealing（SA）法
により最適構造を探索した。得られた構造は、3 つの結晶構造のいずれとも一致せず、観測された散乱データと、結晶構造から逆計算された推定散乱データの間の残差はかなり大きかった（図 6b）。これら
αα/βの結果から、著者たちは、結晶構造中の EIN と EINの間のドメイン配向は crystal packing による

アーティファクトにより、溶液中とは大きく異なった構造であったと結論づけている。このことは、マルチドメインタンパク質のドメイン間の相対配置の解析には、X 線結晶構造解析だけでなく、NMR と X
線・中性子散乱を活用したハイブリッド法が非常に有効であることを示してる。NMR データと小角散乱とのハイブリッド法は、Xplor-NIH に実装されており、一般ユーザも利用可能であることから、今後の他の応用研究への広がりが期待できる。

10. おわりに
本稿では、主に溶液 NMR における立体構造計算とデータ解析法について、特に計算アルゴリズムに焦点を当てて基礎と最近の進歩について解説した。最新の溶液 NMR 立体構造解析は、標準的な X 線結晶
構造解析のような手法では捕らえることのできなかった大きな分子運動を含む構造アンサンブルを再構成し、可視化することに成功している。こうした構造情報は、生体高分子の機能をより深く理解する上で極めて有益な知見となるはずである。特に、運動性が大きく NMR 以外では原子分解能での解析が難しい生体高分子（IDP、マルチドメインタンパク質、RNA など）の解析において、その特徴を大いに生かすことができるだろう。こうした大きな運動性を伴った生体分子は、実は生命活動の要となる重要因子であることも多い。したがって、ここで挙げた NMR 構造計算法やデータ解析技術を活用することで関連分野の研究が進めば、NMR の構造生命科学への貢献はむしろこれから一層高まっていくと期待している。一方で、NMR による生体分子解析の別の問題点は、データ処理が煩雑で時間のかかりすぎる点にある。X 線結晶構造解析や cryo-EM がこれだけ大きな広がりを見せている理由の一つは、自動化技術の進展による寄与も大きいと思う。計算手法の進展という観点において、自動化技術は生体系 NMR 計測の全般に渡って、上記 2 つの分析法に比べて大きく遅れているのが現状であろう。複雑な分子を効率よく解析し、研究の速度を加速させることが求められる現在において、NMR 解析の自動化という観点の研究［12, 53］はさらに重要になってくるだろう。今回紹介できなかったが、自動帰属プログラム

や機械学習を利［54 〜 55］

用した自動ピーク識別プログラムも改良が加えられ、着実に自動化の精度も向上している。近年の計算機性能やデータ駆動科学の驚くべき進歩を考慮すれば、NMR による構造解析も近い将来にかなりの部分が自動化されていくことを期待したい。本稿で紹介したような NMR が持つ固有の情報を効率よく引き出す解析法の進展と、自動化による研究速度の加速によって、NMR は生命科学分野の研究に一層広く活用される技術に発展すると信じている。

11. 謝 辞本稿を執筆するにあたり、首都大学東京理学研究科の伊藤隆教授から有益な助言をいただいた。この
研究報告
94

場をお借りして感謝いたします。
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池谷 鉄兵（いけや・てっぺい）

研究報告
96

2003 年 東京大学大学院農学生命科学研究科博士後期課程修了 博士（農学）2003 年 産業技術総合研究所、ドイツフランクフルトゲーテ大学等で博士研究員
2010 年 首都大学東京 理学研究科 助教 現在に至る

97

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

NMR 便利帳

ブルカージャパン株式会社 バイオスピン事業部

原 英之
hideyuki.hara@bruker.com

1. はじめになる。
しかしながら、磁気モーメントが大きいことは

Resonance）法とは、ラジカル（不対電子）を持つ

緩和時間が短いことを示す。特に遷移金属などで試料に磁場中でマイクロ波放射し、マイクロ波とは緩和時間が極めて短く（ms 以下）なる。緩和時

ラジカルの間で起こる吸収共鳴の現象を示す。こ間は線幅、スペクトル幅に大きく影響を与えるたの現象は強磁性体においても観測されるが、ESR

め、金属の種類によっては数百ガウスもの線幅の多くの対象物が常磁性体であるため電子常磁性となることもある。これは NMR に換算すると数共 鳴（EPR ＝ Electron Paramagnetic Resonance）

十万 ppm に相当する。この線幅やスペクトル幅とも呼ばれる。ESR の最初の信号は 1945 年にロの違いが、ESR と NMR の測定法にも影響を与え［1］。

る。すなわち CW（Continuous Wave）法と Pulse

こ れ は 核 磁 気 共 鳴（NMR ＝ Nuclear Magnetic

法（FT 法）の違いである。数十万 ppm の範囲に観Resonance）現象の発見とほぼ同時期である。

測される信号をパルスで励起することは困難であシ ア の 科 学 者 Zavoisky に よ っ て 観 測 さ れ た

ESR では用途によって用いるマイクロ波の周波り、また緩和時間も極めて速いため観測も困難で数が異なる。最も一般的に使用されている ESR

ある。NMR はパルス照射が行われるが、ESR で分光計はマイクロ波の周波数が約 9 GHz（X- バン

は現在でも主流は CW 法、すなわち磁場掃引が必ド ）で あ り、 こ の 時 の 共 鳴 磁 場 は 約 0.35 T と な要となっている。得られる情報に関しても NMRる。同じ磁気共鳴現象を利用している核磁気共鳴

では主に構造解析の手段として用いられることが（NMR）とは観測対象が異なるものの、基本的な多いが、ESR では観測されるラジカルは反応過原理は同じである。

程で観測されることが多いため、反応解析に用いられることが多い。まれに構造解析として用いら

2. ESR と NMR の違いれることもあるものの、あくまで観測ラジカル周ESR と NMR の 違 い は 電 子 ス ピ ン を 観 測 す る

辺の構造解析に限られる。しかしながら、このこ

か、核スピンを観測するかの違いである。核スとは逆に反応系において注目したい部分のみを

ピンには様々な核種があるが、最も簡単なプロト観測できるメリットでもある。また ESR では磁ン（水素原子）について比較してみる。まず、電場が NMR に比べて小さく、試料にアクセスしや子スピンと核スピンはともに同じ電荷を持つが符すいため、光、温度、電極など反応を起こしなが号が異なる。電子スピンは負の電荷を、核スピン

らの測定が得意な分光法でもある。図 1 に ESR とは正の電荷を持つ。しかしこの違いは分光法的に

NMR の違いを表にまとめたものを示す。

は大きな意味を持たない。もう一つの違いは電子と核（プロトン）では質量が大きく異なることで

3. ESR 法で得られるパラメーターある。電子の方が約 2,000 倍軽い。この質量比が3.1 g 値ESR と NMR のスペクトルの性質を大きく異なる

スピンをもつ電子に磁場を与えるとエネルギーものにする。まずこの違いにより電子スピンの磁準位がわかれる現象をゼーマン分裂と呼ぶ。この気モーメントの大きさが核スピンに比べて極めて分裂の大きさは磁場の大きさに比例し、その比例大きくなる。磁気モーメントが大きいほど感度が定数を g 値と呼ぶ。このときエネルギー差は高くなる。実際の磁気モーメントの違いは 658 倍であり、これがそのまま ESR と NMR の感度差と受領日：2019 年 9 月 13 日

受理日：2019 年 9 月 25 日

hν＝ gβH（1）で表される。ただし、h はプランク乗数、νはマ

編集委員：野村 薫

10巻

電 子 ス ピ ン 共 鳴 （ ESR ＝ Electron Spin

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

ESR の基礎と応用

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

イクロ波周波数、βはボーア磁子、H は磁場を3.3 ゼロ磁場分離示す。磁場 H に対して（1）式を満たすマイクロ2 つ以上の電子スピンがある場合、それらのス

波（ν）を印可したときに「共鳴」の現象が起き、ピン間の距離が近いと式（2）で示されるような双ESR 信号が観測される。電子スピン周辺の核ス

極子相互作用が働く。

ピンにも同様の核のゼーマン分裂がおこる。しかしこの大きさは電子のゼーマン分裂に比べて小さ

1 2
2
2
2
HD ＝ D（Sz −−S ）＋ E（Sx − Sy ） （2）3く、通常は無視できる。g 値はおおよそ 2 の値を

この相互作用による分裂は微細構造と呼ばれ、とる定数であり、この値はラジカル種や電子配列

定数 D, E で表される。またこの相互作用は外部によって変化する。完全な自由電子であればこの磁場には無関係であるためゼロ磁場分裂とも呼ば

値は g ＝ 2.0023 となるれる。この状態は光励起状態や遷移金属など、電［2］。有機ラジカルなどではg 値はほぼ 2 に近い値で等方的な値となるが、金子スピンが 1 以上の時にみられる。

属イオンや金属錯体、原子番号の大きな N、O、S などのラジカルではスピン軌道相互作用が大き［ ］

4. 装置の構成 3

くなるために g 値は 2 からずれた値となり、また、

一 般 的 な X-band（9 GHz）の ESR 装 置 は 図 2 の異方的な値となる。この g 値は NMR の化学シフ

ように電磁石、マイクロ波ブリッジ、空洞共振

トと同様の意味を持ちラジカル種の特定に重要な器、分光器から構成されている。

要素である。

4.1 電磁石
3.2 超微細相互作用

ESR ではマイクロ波の周波数は固定して磁場を観測している電子スピンは、周辺の核スピン掃引することによって信号の観測を行う。一般的との相互作用を受け、ESR 信号に変化をもたらな X-band の ESR では 0.35 T の磁場を中心に信号す。この相互作用を超微細相互作用と呼ぶ。このが観測される。磁場は電磁石を用いて 0-1T 程度

超微細相互作用を観測することによって、試料のまで掃引できるようになっている。

分子や錯体を構成する原子の数や原子の同定、さらに不対電子からの距離などの情報が得られる。

4.2 マイクロ波ブリッジ

スペクトルは核スピン I に対して (2I+1) の分裂をマイクロ波は周波数が高いために通常の電子示す。さらに同種の核が N 個ある場合にはそれ回路とは異なり、マイクロ波専用の回路（立体回

ぞれ (2NI+1) のスペクトルの分裂を示し、それぞ路）を用いている場合が多い。マイクロ波の発信

N

れの信号強度は（1 ＋ x） の 2 項展開の係数に比から検出までをつかさどっているのがマイクロ波

例する。例えばメチレン基（– CH2–）があれば、2ブリッジと呼ばれる装置である。マイクロ波は通個の等価なプロトンによりスペクトルは 1：2：1

常ガンダイオードによって発信を行う。共振器での 3 つに分裂する。これは NMR でいうところの J

マイクロ波は吸収現象を起こし、その後検波ダイ

カップリングの様なふるまいを示す。固体などでオードで検出される。ここで検波された後信号はは異方的な超微細相互作用が観測されることもあ

分光器で処理される。

り、この場合分裂はもっと複雑なものとなる。

NMR便利帳図 1 ESR と NMR の違い
98

99

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

4.3 空洞共振器

ルが存在しない場合も多い。そのため ESR ではられている。試料は空洞共振器内に挿入され観測

スピンラベル法やスピントラップ法を用いること
で観測対象を広げている。

する。この共振器にマイクロ波を閉じ込め、試料にマイクロ波磁場を照射する。NMR の様に検出

5.1 スピンラベル法［4］コイルは存在せず、共振器の壁と天井（上下）部

スピンラベル法とは、ラジカルを含む化合物

分がコイル（LC 回路）の役目を果たす。試料で吸（スピンラベル剤）を高分子もしくは膜中や膜内収されたマイクロ波はブリッジ内のマイクロ波検に取り込ませたり溶液内に混在させたりして、そ波ダイオードで検波される。

の運動性や濃度などの情報を ESR スペクトルで観測する方法である。タンパク質など本来ラジカ

4.4 分光器

ル種を持たない試料中の構造や運動性の情報を観測することが可能である。特定のスピンラベル剤

ラジオ波成分の信号の処理を行うロックインアン

はシステインに特異的に結合する性質を持つたプや磁場制御ユニット、変調ユニットからなる。

め、タンパク質の任意の 2 か所をシステインに変磁場変調法は ESR 法特有の信号の観測方法であ異させ、ここにスピンラベル剤を結合させること

り、電磁石の（直流）磁場に通常 100 kHz の交流

でスピンラベル間の相互作用を見積もることがで磁場を印可して検出する。この交流磁場は共振器

きる。

に装着された変調コイルによって発生させる。この変調法を用いることによってマイクロ波の吸収

5.2 スピントラップ法

信号を高感度で観測することが可能となる。磁場

スピントラップ法とは、ヒドロキシルラジカル

変調法によって検出される信号は NMR で観測さ（OH・）やスーパーオキサイド（O2 ・）など非常れる積分型（吸収型）とは異なり、微分型の波形に反応性が高く、ラジカルの寿命が短いために、となる。

そのままでは ESR で観測することが困難なラジ−

カルをスピントラップ剤に補足させて、間接的に5. 測定方法

ESR 信号を観測する方法である。トラップされた

ESR で観測されるラジカルは、反応性が高く極ラジカルは比較的安定であり ESR 観測が容易にめて短寿命なものや、そもそも観測試料にラジカなる。またトラップされたラジカルに特有の線形

図 2 ESR 装置外観10

巻

分光器はマイクロ波ブリッジで検波された後の日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

ESR の検出プローブには空洞共振器が多く用い

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10を示すために、ラジカルの同定も可能である。こ欠陥、半導体の不純物および欠陥の検出などに多の手法は、医学、薬学分野で活性酸素（ROS）やく用いられている。特にシリコン基板の ESR 測

活性窒素（RNS）の評価、ラジカル反応追跡など

定は古くからなされてきた。最近ではリチウムイに用いられる。

オン電池中のリチウムの評価や高分子の重合、劣化反応解析などに多く用いられている。図 3 は6. ESR の応用分野

シリコン太陽電池基盤の光励起 ESR 信号である。

ESR 法は現在様々な分野で用いられている。こ
こでは各分野における測定の一例を紹介する。

シリコン基板に含まれている不純物であるリン、ヒ素が観測されている。リンおよびヒ素の核スピンの影響によって ESR スペクトルはそれぞれ 4

6.1 材料分野本、2 本観測されている。また中心には伝導電子材料分野では、ダイヤモンド、光ファイバーの由来の信号も観測されている。

図 3 シリコン太陽電池の光励起 ESR 信号

NMR便利帳図 4 電解セルで測定された 2.6- ベンゾキノンアニオンの ESR スペクトル ( 電圧＝− 1.4 V)
100

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

6.2 化学分野

101

主成分とする医薬品なども開発されている。また体、分子の 3 重項状態の観測などに用いられていSOD（superoxide dismutase）測定なども多く行われている。
図 5 は脳保護剤（フリーラジカル消去剤）としるため、ESR 測定の対象となる事項が多い。まて用いられているエダラボンによるヒドロキシ

た、様々な反応系を組むことが得意な装置であルラジカル（・OH）の消去反応の例である。図 5

り、光、熱、応力、電圧などを反応追跡しながら（a）はフェントン反応によって生成させたヒドロの観測事例も多い。図 4 は 2.6 ベンゾキノンを電キシルラジカルとスピントラップ剤 DMPO を加

解セルを用いて− 1.4 V で観測されたアニオンラ

えて反応させたときの ESR 信号である。図 5（b）

ジカルである。電解セルを用いることでサイクはこの溶液にエダラボンを加えたときの ESR 信

リックボルタンメトリー（CV）観測を行いながら号である。溶液中のヒドロキシルラジカルに対ESR 測定を行うことが可能である。2 つのメチル

し、DMPO とエダラボンの競争反応により、エ基の 6 つの等価なプロトンおよびベンゼン環上のダラボンがヒドロキシルラジカルを消去したこと

2 個の等価なプロトンにより 21 本の ESR 信号が観を示す。このように活性酸素種と医薬品、生体関測されている。

連物質との関係について ESR とスピントラップ剤を用いる方法が広く行われている。

6.3 医学・薬学分野
活性酸素（ROS）や活性窒素（RNS）はヒトの

6.4

生物分野

老化や動脈硬化など様々な病気を引き起こす原因

生物分野ではタンパク質の構造解析や運動性のといわれており、ROS や RNS を消去させる抗酸観測などをスピンラベル法を用いて観測されてい化物質に注目が集まっている。ラジカル捕捉剤をる。また生体中の常磁性金属イオン、錯体など

図 5 （a）DMPO-OH ラジカル（b）エダラボンによって消去された OH ラジカル

10

巻る。化学反応系ではラジカルの移動が関与してい日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

化学分野では、ラジカル重合反応、有機金属錯BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10の構造解析にも用いられている。図 6 はタンパク

6.5 食品分野

質の 2 か所にスピンラベル剤を結合させたときの食品分野では食品の抗酸化や油脂の酸化劣化の

ESR スペクトルを示す。ラベル間の距離が遠い場

測定、照射食品の評価などに用いられている。特、近くなると合は、線幅はシャープであるが（a）に植物油脂は食品加工の様々な所で使用されておスピン間の相互作用が働きブロードとなる（b）。

り、植物油脂の劣化現象は食品加工のうえで大きこの線幅の広がりからラベル間距離の測定が可能な問題となっている。図 7 は 5 種類のオリーブオである。ESR では電子スピン間の相互作用を検出

イルについて酸化の度合いを過酸化物価法（PV）

できるために NMR よりも長距離（20 Å 程度）のと ESR 法で比較した図である。オリーブオイル

影響を観測することが可能である。

にスピントラップ剤 PBN を加え 70 度で強制酸化

図 6 タンパク質にスピンラベルした時の ESR スペクトル。
（a）2 点間距離が遠い時、（b）2 点間距離が近い時NMR便利帳図 7 過酸化物価 (PV) 法と ESR 法の酸化評価の比較
102

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

さらに、NMR と同様にパルス ESR を用いた FT-

ではほとんど差が出ない試料でも ESR 法では明ESR 装置もあり、これにより緩和時間や電子・核確に差が観測されている。これは ESR 法では過スピン間の相関など、より構造情報を得られる観酸化ラジカルだけではなく、すべての酸化ラジカ

測が可能である。特にタンパク質の距離情報ではルについて観測しているためであり、PV 法より

最大 100 Å ほどの情報を得ることができる。今後も感度のよい測定法といえる。さらに、最近は小様々な分野や場所において、NMR と同様に ESR型の ESR を用いた LC-ESR などの研究も行われてが用いられることを期待する。

いる。これは LC で食品の成分を分離し、その直後に ESR を測定することで、食品の各成分の抗酸化力などを求める手法である。

7. おわりに定法について述べてきたが、このほかにも核ス
ピンとの相互作用を検出する ENDOR（Electron

Nuclear Double Resonance）法 や ラ ジ カ ル の 空
間分布を観測する ESR イメージングなどがある。

原 英之（はら・ひでゆき）

1998

関西学院大学大学院理学研究科修了（理学博士）

1998 − 1999

TDK 株式会社 磁性材料事業本部

1999 −

ブルカージャパン株式会社、バイオスピン事業部、アプリケーション部

10巻

本稿では ESR の測定法の中でも CW 法での測

参考文献
［1］ Zavoisky E. (1945) Spin-magneticresonanceinparamagnetics, J, Phys. USSR.9, 211m245.
［2］ J. E. Bolton and J. R. Bolton (1972), Electron Spin
Resonance Elementary Theory and Applications,Chap.1, (McGraw-Hill, New York).
［3］ アルガー 著 磯部太郎 監訳（1973）電子スピン共鳴，p.344（吉岡書店）．
［4］ P. G. Fajer (2000) Electron Spin Resonance Spectroscopy Labeling in Peptide and Protein Analysis ,Encyclopedia of Analytical Chemistry R.A. Meyers(Ed.) p.5725 John Wiley & Sons Ltd, Chichester).

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

させ、60 分後に ESR 信号強度を観測した。PV 法103

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

NMR 史点描

封筒の裏
京都大学

寺尾 武彦
terao@beige.plala.or.jp

Einstein の妻 Elsa がウィルソン山天文台に招か

［1］

。

れた。
「この大きな最新の望遠鏡が宇宙の究極の磁気的に検出する方法を思いついたのだった

姿を明らかにしようとしているのです」と誇らし

Bloch は、 こ の 時 点 で Gorter お よ び Zavoisky がげに説明されて彼女が言うには、「夫は同じこと電子回路への影響で磁気共鳴を検出しようとしたを使い古しの封筒の裏でやっていますよ」。見事試みは知らなかったが、軍事研究でラジオ波技術な返しだが、Einstein でなくても誰しも咄嗟の思を身に付けていたことが幸いした：ラジオの通常

い付きや計算を身近にある紙切れ−往々にしての受信技術を用いて、共鳴によって引き起こされ封筒の裏−に書きつけた経験があるのではない

る核磁化の運動を、試料を囲むコイルに誘起されだろうか。英語で 封筒の裏の計算（back-of-the-る起電力として、観測できるのではないか、と着envelope calculation）といえば、当該の問題に見想したのだった。それは、磁気共鳴の本質は磁気当をつけるために封筒の裏などで行なう大まかなモーメントの方向を変えることにある、という古計算を意味し、それは科学者がよくやるステレオ

典的・動的・視覚的な猫像をもっていた Bloch なタイプな行為と思われているようだ。実際、科学らではの発想であった 。しかし、果たしてそのの研究においては浮かんだアイデアの成否を概算

誘導起電力は実際に観測可能な大きさなのだろで確かめることがしばしば必要となる。ここではうか。Bloch は手持ちの封筒の裏に粗っぽい計算

封筒の裏で行なった概算が歴史的実験の端緒を開を始めた：まず、試料は 1 cc の水とし、数千ガウいた例を 2, 3 挙げたい。

スの磁場中で水の陽子が作る平衡磁化を求めた；

i

iv

第二次世界大戦も終盤になったころ、ハーバー

次 に コ イ ル の 寸 法、 巻 数、Q – 値 を 適 当 に 仮 定

ドの電波研究所で軍事研究を行なっていた Blochし、その磁化の回転がコイルに誘起する起電力をは、レーダーの妨害手段を研究する傍ら、磁場を計算した 。得られた結果は熱雑音の大きさをは

精度良く測定する方法を考えていた。陽子、重るかに凌いだ；Bloch は非常に興奮した。それは陽子、中性子の各磁気モーメントの間に加成性がBloch が凝縮系での NMR 法の開発を目指す決心成立するかどうかに強い関心を抱いていた Blochをした歴史的瞬間だった。長い間、何か見落としは、1940 年に Alvaretz と共に中性子線共鳴法をていることがありはしないか、緩和時間が長すぎ開発し、中性子の磁気モーメントを測定することることはないか、と心配して考察や計算を繰り返に成功した。磁場は当時の標準的な方法であるフし、ようやくうまくいくはずだと感じた。戦争がリップ・コイル法で測定したが、その精度はかな

終わってスタンフォードに戻った Bloch は、直ちり低かった；したがって、中性子の磁気モーメンに準備を始め、翌年 1 月に水の陽子の信号観測に

トの決定精度は低く、加成性について明確な結論

成功した。

v

が下せなかったのだ 。Rabi らが開発した分子線メーザーとレーザーを発明した Townes がメー共鳴を磁場測定に使うのも一つの方法に違いない

ザーを開発する決意を固めたのも封筒の裏で計算が、そんな高度な装置は作りたくなかった。共鳴したときだったを検出する別の、望むらくはもっと簡単な方法を准教授となった Townes は、軍事研究で身に付け見つけたい、と考えていた。

たマイクロ波技術を生かして分光法の研究を行

ii

NMR史点描［3, 4］。1948 年にコロンビア大学の1945 年春のある日、Bloch は列車でシカゴに向なっていた。そのうちに分光学的興味と軍からのかった。そのまったく退屈な長旅の途中、ふとア

要請で波長 1 mm 以下の電磁波の発振を目指すよ

イデアがひらめいた ：核の磁気共鳴を、分子線うになった。しかし当時の技術でミリ波用の真空

iii

104

法とは大きく異なり、凝縮系の試料を用いて電

受領日：2019 年 9 月 16 日

受理日：2019 年 9 月 16 日

編集委員：池上 貴久

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

105

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019
巻

10

［2］

図 1 1945 年夏に Bloch が書いたノートの一部 ．NMR 信号の大きさが見積もられている。同年春に封筒の裏に行なった計算を基にしているものと思われる。

管や共振器などを作ることは不可能であり、彼は分子を使って発振・増幅する可能性を探り始めた。しかし、分子の集団を放置すると、分子は必ず高エネルギー状態よりも低エネルギー状態に多く分布する；したがって、エネルギー差の周波数をもつ電磁波を照射しても放出エネルギーは吸収エネルギーを下回り、増幅作用は起きない。これは熱力学第二法則の結果なのだ。いつもここで思考は止まっていた。

1951 年 4 月 26 日、Townes はミリ波の実現を目
指す会議に出席するためワシントンに来ていた。
早朝に目覚めた Townes は付近の公園まで散歩した。空は晴れ渡り、人気のない静かな公園には
アザレアの花が咲き誇っていた。ベンチに腰掛け、これまでの経過を振り返った。突然、ひらめ

ベンチに腰をかけ封筒の裏で計算している
Townes の像。彼の故郷であるサウスカロライナ州グ
リーンヴィルにあるフォールズ・パークに設置されている。 図の出典：https://www.flickr.com/photos/
42084480@N00/2652482930
図2

きが起きた：「待てよ！熱力学第二法則は熱平衡を仮定している。この法則に従わなければならないた。ポケットから封筒を取り出し、必要とする

いことはない！ もし、何らかの手段で、エネルエネルギーを出力するために要求される分子数

ギー準位間に熱平衡を破って反転分布を実現すれを計算した。すぐに共振器が必要であることが分ば、誘導放出により発振・増幅が起こるのではかった。最初に自然放出によって共振器中に電磁。アンモニア分子に慣れ親しんでいたないか 」

波が生じると、それが共振器中を往復するうちに

Townes は、その反転二重項状態間の遷移 に目

励起状態にある分子と衝突して次々に誘導放出ををつけた。さらに、Rabi の研究室にいる何人もの起こす。壁での反射による損失は生じるが、計算友人を通して分子線について熟知していた彼は、してみると誘導放出による増幅がなんとかこの損

アンモニア分子のビームに勾配電場をかけて高エ失に打ち勝つことがわかった。困難は多々予想さネルギー状態の分子のみを選択することを思い付れるもののうまくいきそうで、Townes はわくわ

vi

vii

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

くした。彼らは、周囲からそんなことは不可能だ

大何個の中性子を入れることができるか。プからやめるように、という忠告や勧告を受けながロトンならどうか。

らも実験を続け、1954 年 4 月にアンモニア・メー

2）長さ 1 km の銅線が 6 V の電池に繋がれている。

ザーによる電磁波の発振・増幅に成功した。

伝導電子が回路を一周するに要する時間を求

封筒の裏 はデジタルの世の中になった現在においても有用なアイテムであり続けているようめよ。

3）10 μK に冷却された雪片を普通の永久磁石で持ち上げることができるか。

だ。英国のスーパーダイエレクトリックス社のHighgate は、2016 年に神経系を義肢に繋ぐイン

4）これまでに生産されたすべての紙を使って地ターフェイスを開発するために吸水性高分子に添球の陸地を覆うことができるか。

加物を加えて導電性を高める実験を行なった。す5）海洋潮汐への月の影響の太陽の影響に対するると奇妙なことが起こった。そこで彼は封筒の裏比は約 7/3 である。この事実と今まで目にしてに静電容量を大雑把に計算してみた。そんなバカ

きたことを何でも使って月と太陽の平均密度な！と思ったという；計算値は、本来考えられるの比を求めよ。

値の 100 倍だった。自分が計算ミスをしたのだと

Bloch も自分の計算結果に驚いたが、これらの思ったという。彼は、誘電率が既存の電解質の問題の答を知って驚くことが多い：問題 1 の答

1,000 倍から 1 万倍もある素材を偶然見つけたのは、中性子は 10 個入るが、プロトンは 1 個しか［6, 7］

16。この素材を使えば従来よりはるかに大き入らない；2 の答は、約 1 年 5 ヶ月。物理現象は、な電力を貯蔵できるスーパーキャパシタを作れる

理論式で理解するだけでは不十分であり、数値計

可能性があり、電気自動車や電力システムへの応算して初めて実感できるということを改めて知ら用が期待されている。

された。問題 3 では、普通の永久磁石が 0.1 T/cm

だ

Purcell には上記のようなエピソードは残され程度の磁場勾配を十分与えられると判断できるこて い な い； し か し、NMR の 開 発 の み な ら ず 幾とが要求されている。なお、この問題の解答で多のきわめて創造性の高い研究を行なった彼が、は、核スピン系が反強磁性（磁化：0）を示さない

封筒の裏の計算 を数えきれないほど行なったことを確認している。問題 4 は、茫漠として取りであろうことは想像に難くない。教育者としてもつく島もないような問題であるが、これを解くに高い評価を得ていた Purcell は、1983 年 1 月に始は、なんとか手掛かりを見つけ、合理的な仮定とまった American Journal of Physics の 封筒の裏推論を重ねて答を導き出す能力が求められる。こという名の教育的なコラムの編集を担当した。毎xiのタイプの概算はしばしばフェルミ推定 と呼ば

月 3 題、物理の広い分野から数行の数値計算で解れる。問題 5 は、月と太陽の見かけの大きさがほける問題を出題し、次の号に教育的で洞察に満ち

ぼ同じである事実が使えることに気付けば解けるた解を与えた。この連載は翌年 7 月で終了し、以という面白い問題である。

viii

後散発的に 1988 年まで出題された。学生の封筒

このコラムの問題はかなり高度だが、列車の中の裏計算の能力を鍛えようとした Purcell のこのや公園のベンチで素手で解くとするとさらにハー［8］や大学のカリ

ドルが高くなる：物理法則や物理量の定義とそのキュラムへの導入 などの形で継承されている。

単位について正確に記憶していることに加えて、これらの試みが実を結び、第二、第三の Bloch やさまざまな物理定数を覚えていることが要求されTownes が現れることを期待したい。

る。Bloch や Purcell はおそらく、日頃からかなり試みは、その後、単行本の出版
ix

頻繁に数値計算していて自然に概数が頭に入って付録
NMR史点描

Purcell のコラム “ 封筒の裏 ” の問題例

いたのであろう。
x

封筒の裏計算の練習は学生にとって大きな意味があり、大学教育に積極的に取り入れられるべきだと思われる。参考のため以下にいくつかの問題を掲載し、一言二言コメントしたい。

1）もし、ティーカップが核子を通さない材料でできているとすれば、その中に絶対零度で最
106

注
i

1917 年当時、Einstein は、宇宙は膨張も収縮もしない静的な存在だと考えていた。しかし一般相対性理論に基づく重力場の方程式は膨張する解を与えるので、斥力として働く宇宙項を付け加えた。
この項が重力の効果を相殺し、静的な解が得られることを封筒の裏で計算を行なって確認したのであった。このエピソードには続きがある：そのBULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

ix
x
xi

で贈られるエールステッド・メダルを 1968 年に受賞している。
例 え ば、 ス タ ン フ ォ ー ド 大 学 で は Back of theEnvelope Physics と Science on the Back of theEnvelope という二つの授業が行なわれている。
すべての問題と解答は、American Journal of Physicsの web ページ（http://web.mit.edu/rhprice/www/
Readers/backEnv.html）に纏めて掲載されている。
名称は、この類の概算を得意とした Enrico Fermiに由来する。彼がシカゴ時代に学生によく出題した「シカゴに何人のピアノ調律師がいるか」という問題が有名。

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。

10

巻

引用文献
［1］ Bloch, F. (1971) Opening Lecture. Proceedings ofthe Fourth International Symposium on Magnetic
Resonance, Rehovot and Jerusalem 1.
［2］ Hahn, E. L. (1985) Felix Bloch and Magnetic Resonance. Bull. Magn. Reson. 7, 82.
［3］ Townes, C. H. (1999) How the Laser Happened:
Adventures of a Scientist. Oxford.
［4］ "Rosa Parks Biography -- Academy of Achievement" Academy of Achievement. 26 Feb. 2010.
Web. 3 June 2014. http://54.198.197.222/autodoc/
page/tow0int-1.
［5］ Purcell, E. M. and Pound, R. V. (1951) A Nuclear
Spin System at Negative Temperature. Phys. Rev.
81, 279-280.
［6］ Alternative to traditional batteries moves a step
closer after exciting progress in supercapacitor technology. Univ, Bristol, Press release issued:
27 Febr uar y 2018. http://www.bris.ac.uk/
news/2018/february/supercapacitor.html.
［7］ Katwala, A. (2018) A fluke breakthrough could be
the missing link for an electric car age. Wired 1
March. https://www.wired.co.uk/article/superdielectrics-supercapacitor-electric-car-battery.
［8］ 例 え ば、 Swartz C. (2003) Back-of-the-Envelope「物理
Physics. Johns Hopkins；園田英徳訳（2013）がわかる実例計算 101 選」講談社 .

107

日本核磁気共鳴学会 NMR 201912 年後、Hubble が宇宙の膨張を発見したのである。やはり、理論の成否を確かめるためにも、高価な実験装置や巨大望遠鏡に投資することに大きな 価 値 が あ る の だ。1931 年 2 月 3 日、Einstein はウィルソン山天文台の図書室に集まった記者たちを前に会見を行ない、自分の静的宇宙論を放棄し、ビッグバン宇宙モデルを支持することを表明した。
（ビッグバン宇宙論、新潮社）ちなみに、Einstein
は宇宙項の導入を「生涯最大の過ち」としたが、1998 年に超新星の観測結果から宇宙の膨張は加速していることがわかり、宇宙項は再評価されるに至っている。
ii
Rabi らが分子線法で決定した陽子、重陽子の磁気モーメントの値はそれぞれμp/μN ＝ 2.785 ± 0.02、
μd/μN ＝ 0.855 ± 0.006 で あ り、Bloch ら に よ る
中性子の磁気モーメントの値はμn/μN ＝− 1.935± 0.02 であった。Rabi らの値ももちろん磁場測定の 誤 差 を 含 む。Bloch ら は、 最 終 的 に は NMR 開
発後、陽子と重陽子の共鳴および陽子と中性子の共鳴をそれぞれ同一磁場で測定し、さらに陽子のNMR とサイクロトロンの共鳴を同一磁場で測定することにより、μp, μd, μn の絶対値を精度よく決定した。その結果、加成性からの若干のずれが認められた。
iii アイデアを得た場所については諸説あるが、ここ［1］
では Bloch 自身の記述 に従っておく。
iv 一 方、Purcell は 磁 気 共 鳴 の 本 質 は 2 準 位 系 に おける吸収であるという量子論的・分光学的描像をもっていた。
v
具体的な計算は、Bloch のものとは若干異なるだ
ろうが、Abragam の教科書に載っている。
vi Townes は、主に、Purcell と Pound が反転分布を5実現して負温度の概念を提唱した NMR の論文 からインスピレーションを得た。ただし、Purcell
らの実験では、反転分布による誘導放出のエネル
ギーがあまりにも小さく、増幅作用はまったく起きない。
vii 遷 移 周 波 数 は 約 23.9 GHz、 対 応 す る 波 長 は 約
1.26 cm であり、最初の目標であった 1 mm 以下の波長とは大きく離れてしまっている。
viii 物理教育に貢献した米国の教育者を毎年一人選んBULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

NMR 基礎講座

錯体結晶の固体 NMR
徳島大学大学院社会産業理工学研究部

犬飼 宗弘
inukai.munehiro@tokushima-u.ac.jp

1. 配位高分子・金属有機骨格体

X-ray diffraction）によって得ることができる。一

持続可能な社会を実現するために、環境やエ方、結晶骨格内部の空隙に含ませた溶媒や気体

ネルギーに関する諸問題の解決が強く望まれて分子などのゲスト分子は高い運動性を有していいる。それら諸問題を解決する材料として、金るため、X 線回折を得ることができず、他の解属イオンと有機配位子から組み上がる配位高分

析 方 法 を 用 い る。 例 え ば、 熱 重 量 分 析（TGA：

子（CP：Coordination polymer）や金属有機骨格

Thermogravimetric analysis）に よ る ゲ ス ト 分 子体（MOF：Metal organic framework）と呼ばれるの簡易的な定量測定、吸着等温測定による気体分［1 〜 2］。

子の吸着量の評価、交流インピーダンス測定によCP/MOF は、無数のナノ孔を有している結晶性

るイオンや電子伝導度測定などが挙げられる。し固体であり、従来のポーラス材料であるゼオライ

かしながら、それらの解析法で得られることは、トや活性炭にはない巨大な比表面積、多様性、柔試料全体に関するバルクな情報であり、空隙内部

らかい結晶構造などの特徴がある。機能面においにおけるナノレベルの情報ではない。

錯体結晶が、近年注目を浴びている（図 1）て、二酸化炭素、水素、メタン等の環境・エネル

他の分光・計測法と比較すると、固体 NMR はギーに関わるガス種に対して優れた分離・吸着能

非結晶の構造・運動性の解析を得意とし、空隙内が報告されており、吸着・分離材料として研究・部のゲスト分子の解析例が、数多く報告されてい開発が盛んに行われている。また、高いプロトンる

伝導性を示す CP も数多く報告されており、燃料解析も盛んに行われている

電池の電解質として検討されている。

折で得られる結晶構造は、あくまで平均構造で［3 〜 5］。近年では、CP の結晶骨格の固体 NMR［6 〜 8］。単結晶 X 線回機能の向上や新たな機能発現を目指した材料ある。そのため、金属イオンや配位子の構造欠合成において、CP の構造解析は必要不可欠であ

陥、構造の乱れ、固溶性、運動性等の解析においる。一般的な CP は結晶性が高く、5 − 50 μm ほて、固体 NMR は強力な解析方法となる。我々がどの単結晶を得ることができる。そのため、ほと取り組んできた CP の固体 NMR 解析を例に、固んどの CP の結晶構造は、単結晶 X 線回折（XRD：

体 NMR の使い所を紹介する。

2. プロトン伝導性 CP と固体 NMR 解析
プロトンが固体中で高速拡散するプロトン伝導体は、燃料電池の固体電解質としての応用が期待されており、プロトン輸送の場として、配位高分［9 〜 11］子が注目され始めている。中でも、低中温域（100 − 200℃）において高い伝導度を示す配位
NMR基礎講座

高分子が報告されており、排熱を利用した車載用などの燃料電池への応用が検討されている。配位高分子にプロトン伝導能を発現させる方法として、①水、アミン分子、酸性の分子などのプロト
ン伝導を引き起こすプロトンキャリアを空隙に含
図 1 金属イオンと有機配位子から組み上がる配位高
分子 / 金属有機骨格体（CP/MOF）

108

受領日：2019 年 9 月 16 日

受理日：2019 年 9 月 21 日

浸させる、②運動性の高い酸性部位を配位高分子の結晶構造に組み込む、などの方法が提案されて編集委員：川村 出

109

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019巻10

図 2 （a）ZnTz の結晶構造。紫：Zn、黄：P、赤：O、青：N、黒：C、薄桃：H を示す。
31（c）ZnTz-P 中の模式図と室温（b）室温における P CP-MAS と MAS NMR スペクトル。
1における超高速 H MAS NMR スペクトル（回転速度：70 kHz）と DQNMR スペクトル。
外部標準試料としてアダマンタンを用い 1.87 ppm に合わせることで TMS 基準とした。
A-F の 1H NMR 信号は模式図中の A-F の化学種由来。

いる。単結晶 X 線回折によって得られる平均結晶

結晶構造内に閉じ込めたリン酸を P 交差分極

構造と、固体 NMR による運動性解析を組み合わ−マジック角回転法（CP-MAS）と単一パルス励せることにより、CP の静的・動的構造を得るこ起法（MAS NMR）によって解析した。2 つのスとができる。一般的に、高速で運動しているプロ

ペクトルを比較すると、ZnTz-P の MAS NMR ス

トンを中性子・X 線回折を利用した従来法で水素

ペ ク ト ル に お い て 0 ppm と − 11.4 ppm に 非 配 位の位置・運動を精密に解析することは極めて困難−の H3PO4 と H2PO4 に 起 因 す る ピ ー ク を 確 認 でである。超高速 MAS NMR で得られる H 高分解

きた（図 2（b））。この 2 つのピークが MAS NMR

能スペクトルから、プロトンそのものの位置・運

スペクトルのみに現れたことから、液体に近い動を観測できる点も固体 NMR の使い所となる。

高い運動性を有していると考えられる。超高速

1

31

MAS NMR により、プロトン伝導の経路となる
研究例：無加湿環境下で高いプロトン伝導性を
［12］

示す CP

水素結合ネットワークのダイナミクスを調べた。
図 2（c）に、 H MAS NMR と Double quantum
1

リン酸を結晶骨格に有する二次元シート状のcorrelation NMR（DQNMR）ス ペ ク ト ル を 示

CP [Zn(H2PO4)2(C2N3H3)2]n（図 2（a）、ZnTz と呼す。これに H– P double CP, 2D H– H DQNMR,［13］ぶ） は、その配位したリン酸基の回転が駆動源

1となり、プロトンがリン酸間を移動する。このり、それぞれのピークを図のように帰属させた。

CP に構造欠陥を作り、リン酸を埋め込んだ CP を

ZnTz-P の DQNMR スペクトルにおいて、8.9 ppm

合成した（ZnTz-P と呼ぶ）。得られた ZnTz-P は、と 10.5 ppm に追加ピークが確認できた。 P NMR

ZnTz と比べて 1 万倍以上の高いプロトン伝導能の結果と組み合わせると、これらのピークは、

−1

1

31

1

1

H–14N HMQC の 結 果 を 組 み 合 わ せ る こ と に よ31@150℃）を示した。固体 NMR を用

プロトンキャリアとなり得る非配位の H3PO4 や

いて、局所構造・運動の解析、および伝導機構を

H2PO4 −、合成時に取り込まれた H2O に起因する考察した。

と考えられる。また興味深いことに、ZnTz-P の（4.6 mS cm

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

スピン−格子緩和時間（T1）を見積ったところ、

CP は応用展開の可能性を広げる重要なトピック

ZnTz と比較して、全てのピークの T1 が短かった。

の一つである。しかしながら、非結晶のため構造

運動性の高いプロトンキャリアを結晶内にドープ

解析が難しくなり、固体 NMR 解析のみで構造のすることで、水素結合ネットワークが緩み、プロ

詳細を決めることは困難である。このような難解トンが全体的に動きやすくなったとことが、高いな構造を理解するためには金属周辺の配位環境・

プロトン伝導度を引き起こした機構であると考え配位結合の周期性・有機物の配置の構造情報は必られる。

須であり、広域 X 線吸収微細構造測定（EXAFS）・

X 線 2 体 相 関 分 布 関 数（PDF）解 析・ 距 離 相 関

3. ガラス状 CP と固体 NMR 解析

NMR などを組み合わせることにより、ガラス状

CP/MOF のボトルネックとして、成形性に劣CP の構造に迫ることが可能となる。

る点が挙げられる。ガスの分離膜や電解質膜などのデバイスへの応用を考えたとき、CP を高圧プ

研究例：ゲスト分子が吸着可能な空隙とレスし、錠剤にする方法がこれまで取られている

プロトン伝導能を両立するガラス状 CPが、割れやすく、任意の形状に成形することが難

2 次 元 シ ー ト [Zn2(HPO4)2(H2PO4)] −、 及 び

しい。この問題を解決する方法として、メルトク

シート間の水素化した 5-chloro-1H-benzimidazole

エンチによるガラス状 CP が注目されている。CP(ClbimH+)、H2PO4 −、MeOH か ら 組 み 上 が る 結を融点以上に加熱し、液体状態の CP を急冷する

晶性 CP を合成した（図 3（a））。交流インピーダ［14 〜 15］。

ンス測定、および吸着等温測定において、プロガス吸着能を示すマイクロポーラスを有するガ

トン伝導性と H2O や MeOH などの溶媒吸着を示ことで、ガラス状 CP を得ることができる［16］

ラス状 CP も報告されており

NMR基礎講座
110［17］、機能性ガラス状した。結晶構造から、シート間に位置する非配

図 3 （a）[{Zn2(HPO4)2(H2PO4)}(ClbimH+)2・(H2PO4 − )・(MeOH)]n の 結 晶 構 造。 紫：Zn、
31
黄：P、赤：O、青：N、黒：C を示す。水素は省略している。（b）室温における P CP1
1
MAS スペクトル。（c）室温におけるガラス状 CP の超高速 H- H DQNMR スペクトル（回。O–H と C–H（緑）、N–H と C–H（青）、N–H と O–H（黄）は、それぞれ
転速度：70 kHz）
2+の相関を示している。
（d）ガラス状 CP の概略図。緑は Zn とリン酸から組み上がる 2 次
元シートを表している。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10−などのさまざまな機能と密に相関があることが分

MeOH を除去したあとが、ゲスト分子の吸着サ

かってきており、固体 NMR はそれらの情報にアイトであることが考えられる。この結晶性 CP をクセスできる有力な手法となっている。超高速

融点以上の 150 ℃で加熱し、急冷することで薄MAS NMR や動的核分極 (DNP) MAS［20 〜 21］など

茶色の半透明な化合物を得た。XRD 測定からブの最新の NMR 技術を駆使した MOF の構造解析

ロードなパターン、および DSC 測定からベースの研究例も報告されており、MOF 解析において

ラインシフトが確認できたことから、得られた

固体 NMR 解析の重要度は、今後より増していく

CP はガラスであることが明らかとなった。ガラ

ことを予想している。

ス状 CP は、結晶性 CP と同様に H2O や MeOH の−1
吸 着 を 示 し、1.2 mS cm （130 ℃、 相 対 湿 度 ＝−10％）、0.12 mS cm （25℃、相対湿度＝ 98％）のプロトン伝導を示した。

EXAFS、シート間の分子構造を固体 NMR 測定によってそれぞれ調べた。EXAFS によって得られた動径分布関数は、結晶性 CP のものと類似しており、第 1、第 2 配位圏内に Zn-O や Zn-P が存在す
ることが確認できた。ガラスの構造は、亜鉛とリン酸から組み上がる非結晶性の 2 次元シート状であることが予想される。

P CP-MAS NMR により、プロトン伝導経路と31−なるシート間の非配位 H2PO4 の構造を調べた。

− 8 ppm と 3.2 ppm 付 近 に、2 次 元 シ ー ト に 配 位子しているリン酸とピロリン酸に帰属できるピー）。融解中に非配位のリンクを確認した（図 3（b）酸が脱水反応を起こし、2 量体化したと考えられる。加えて、2D H– H DQNMR スペクトルによ
11り、2 次元シートとシート間分子の相関が確認で）、ClbimH がシート間にきたことから（図 3（c）
分散していると予想できる。ClbimH がシート間の柱の役割を果たし、その隙間にゲスト分子が吸着できる細孔が存在していると考えている（図 3（d））
。 以 上、EXAFS と 固 体 NMR 測 定 を 組 み 合
わせることにより、ガラス状 CP の構造解析を行い、プロトン輸送経路と空隙に関する考察を行った。

まとめ
ここ数年、固体 NMR を用いた MOF の構造解
析はますます増えており、この分野において標［18 〜 19］

準的な測定になりつつある。配位子に 1H,

C, 15N などが含まれており、金属イオンも 67Zn,

13

Mg, 27Al などの NMR アクティブな核スピンで25あることから、配位高分子は固体 NMR 向けの試料でもある。結晶構造のなかに潜む運動や局所構造の変化が、プロトン伝導能やガス貯蔵・分離能10

巻

次 に、 非 結 晶 化 し た 2 次 元 シ ー ト の 構 造 を

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日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

位の H2PO4 間でプロトンが輸送し、シート間の111

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

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犬飼 宗弘（いぬかい・むねひろ）

NMR基礎講座

2002 年 3 月

信州大学理学部物理科学科 卒業

2008 年 9 月

大阪大学大学院基礎工学研究科システム創成専攻博士後期課程単位取得退学2009 年 3 月

博士（理学 大阪大学）取得

2008 年 10 月 京都大学大学院医学研究科 流動研究員
2009 年 4 月

京都大学大学院理学研究科 特定研究員

2011 年 1 月

京都大学（WPI）物質−細胞統合システム拠点 特定研究員

2014 年 10 月 徳島大学大学院社会産業理工学研究部 講師（現在に至る）

112

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

113

NMR 研究室だより

室蘭工業大学 大学院工学研究科、環境調和材料工学研究センター（兼務）馬渡 康輝
mawatari@mmm.muroran-it.ac.jp

1. はじめにれたため、一度消磁し、連結した隣の棟に移設した。再始動後は大きなトラブルもなく、順調に稼れたカルデラ湖の洞爺湖、東には国内有数の温泉働して現在に至っている。プローブは溶液 5 mm、地である登別があり、地図上では、札幌と函館

10 mm、3.2 mm 固 体、 低 周 波 の 4 本 保 有 し て いを結んだ直線のほぼ中間に位置する。室蘭工業る。現在 9 研究室がユーザー登録しており、装置大学の前身にあたる室蘭高等工業学校が 1939（昭稼働率が非常に高い。大多数が 5 mm プローブで和 14）年に設置され、5 年後に室蘭工業専門学校

1
13の溶液 H および C 測定であり、いくつかの研究と改称、1949（昭和 24）年に北大付属土木専門部

室はプローブ交換して使用している。本学の研究と統合して室蘭工業大学が設置された。2004（平における NMR の利用分野は多岐にわたる。本稿

成 16）年には国立大学法人室蘭工業大学となり、では、いくつかのユーザー研究室の研究内容とと「創造的な科学技術で夢をかたちに」の理念のももに各研究が NMR をどのように利用しているのと、天然の良港と鉄鋼業を中心として発展したもか簡単に紹介させていただく。

のづくりのまちである室蘭の特性に多くを学びつつ、それらを生かした教育と研究を展開して

2. 本学 NMR ユーザーの研究紹介いる。2009（平成 21）年に設立 60 周年を迎えたこ

中野英之研究室では、光機能を有する新しい有とを機に、頭文字の「M」と「∞（無限大）」をモ

機化合物の設計・合成と物性・機能の解明に関すチーフとした大学のロゴマークが一新された（図る研究を進めており、合成した新規化合物を同定

1）。設立 70 周年を迎えた今年は、工学部から理するうえで NMR は欠かせない。また、最近では学の要素を強くした理工学部に学部改組された。

光照射に伴ってどのような反応が進行しているの

物事の本質を掴む観点から、本学の NMR に対すかを確認するためにも NMR を活用している。たる重要性が更に高まってきている感触を装置管理

とえば、新規化合物 CSB-5 の結晶粉末をガラス基者の一人として実感している。

板に擦り付けて作製したアモルファス膜に光を照著者が室蘭工大に着任した 2007 年当時、本学射し続けると、膜の発光色が橙色から緑色に徐々は 270 MHz NMR を一台のみ保有していた。幸いに変化することを見い出し、光照射後の試料のなことに、数年後には 500 MHz の導入が決まり、

NMR 測定により、膜中で［2 ＋ 2］光環化付加反入れ替わりで 270 MHz はその任を終えた。その応等が進行することに基づいて発光色が変化する

数年後に、設置している建物の改修工事が開始さことを明らかにした。結晶状態では光反応が進行しないため、結晶膜をひっかいて文字を書き込んだ部分のみ発光色が変化する発光パターンを作製［1］できる（図 2） 。
庭山聡美研究室では、有機合成化学を主とする研究を行っており、合成した有機化合物の構造決定に NMR は無くてはならぬものである。当研究室では環境に最も優しい溶媒である水を主溶媒として、一般に安価で市販されているか安価で大量に合成できることで知られている対称化合物、特図 1 室蘭工業大学のロゴ
受領日：2019 年 9 月 28 日

受理日：2019 年 10 月 2 日に対称ジエステルの実用的な高選択的モノ加水分
編集委員：池上 貴久

10

巻

室蘭は、西には 2008 年に G8 サミットが開催さ

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019室蘭工業大学における NMR の利用状況

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

解反応の研究を行っている（図 3）。さらにその生

機能性食品のシーズとなる機能性物質の探索と成物を天然物や高分子合成に応用している。それその誘導体を基盤とした生物機能解明に関する研らの反応生成物の構造決定の際に NMR を利用し究を進めており、機能性物質の構造決定やそれている。

らのターゲットタンパク質との相互作用解析に

飯森敏文研究室では、磁気光学機能を有する液NMR が強力な武器となっている。最近では、ア

体材料の合成と物性評価に関する研究を進めていルツハイマー病の病因の一つとされるアミロイドる。最近、テトラクロロ鉄（Ⅲ）錯体アニオンをβ（Aβ）の凝集を阻害する物質に注目し複数の北含む磁性イオン液体が、優れた磁気光学効果を示

海道に自生する植物の抽出エキスより活性物質単［2］。磁性イオン液体は図 4 に示

離・構造決定し、その作用機構の解析を NMR にすようにイミダゾリウムカチオンと鉄（Ⅲ）錯体

より進めている（図 5） 。また、活性物質の探索

アニオンから構成され、実験に用いる試料は塩に STD-NMR シグナルを指標とする評価法の可能

化イミダゾリウムと塩化鉄を混合し作成してい性を検討中である。

すことを見出した［3］

る。合成の確認において NMR を用いる場合があ

本学の NMR ユーザー内で唯一の建築系の研究

るが、試料は常磁性のため NMR スペクトルの測室である金志訓研究室では、コンクリートやセメ

定には専門知識を要する。本学は NMR 測定に関

ントの研究に NMR を用いている。コンクリートする技術的な相談が可能な環境とサポート体制がはセメントと水の水和反応をベースに、粗骨材お整っている。そのため専門外の研究者でも実験をよび細骨材との混合によって凝固し、構造物とし支障なく行うことができ、合成の確認に活用してて強度を発現する。セメントの水和反応から生成いる。

される C – S –H（Calcium Silicate Hydrate）は、コ

上井幸司研究室では、天然資源から医薬品やンクリートの強度発現に重要な役割をするが、非図 2 CSB-5 結晶膜の発光の様子。膜にしばらく 450 nm の光を当て続けると、ひっかいた部分だけ発光色が変化する（励起光：365 nm）

CO2R

aqueous base (NaOH, KOH), H2O
co-solvent (THF, CH3CN, DMSO etc.)

CO2R

H3O+

0 oC

NMR研究室だより

symmetric diesters
図 3 対称ジエステルの実用的な高選択的モノ加水分解反応

図 4 優れた磁気光学効果を示す磁性イオン液体の分子構造
114

CO2H
CO2R
half-ester

115

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

Critical functional groups in rosmarinic acid derivatives for Aβ aggregation inhibitory activity

O
HO

O

HO

CH3

Aβ ﬁbril

Chain length of alkyl group.

Presence of phenolic hydroxyl
group on one side.

Aβ peptide

図 6 Schematic representation of a single layer in the crystal structure for C-S-H

図 7 一置換芳香族アセチレンモノマーの重合で得られるらせんポリマーの色彩の重合溶媒依存。黄色い場合は伸びたらせん、赤い場合は縮んだらせん

10巻

図 5 シソ科植物の代表的 Aβ凝集阻害物質ロスマリン酸誘導体の構造活性相関。フェノール性水酸基と疎水性側鎖構造が活性発現に重要である

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

The crusial structure of alkoxy moiety was not
an aromatic ring but hydrophobic group.

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

結晶物質（アモルファス）になっており、XRD な

る。もちろんその実現には、NMR を有効に活用

どの測定からは分析が困難である。そこで、 Siした成果を継続して出していかなければならない

固体 NMR が建築材料分野で広く使われており、ことは言うまでもない。室蘭には、水平線が円弧

セメント系材料の C – S –H 挙動変化に関する研究を描いて見える「地球岬」、歩くと音がする「鳴り。例えば、火災から被害をを行なっている（図 6）

砂」のイタンキ浜、最近では白鳥大橋と工場夜景受けたコンクリートを対象として、再水和反応にが観光スポットに紹介されている。食では、室工よる強度回復と C – S –H の変化挙動の関係性を比大生はもちろん市民の活力源となっている、玉ね較定量評価し、また、環境配慮型セメントの反応ぎを挟んだ豚串焼きに洋がらしを組み合わせる

メカニズムを明らかにする基礎研究も行なってい「室蘭やきとり」、筆者も札幌から室蘭に移って初る。

めて知った「室蘭カレーラーメン」など、独特の29

筆者の馬渡康輝研究室では、π共役系らせん文化が培われてきている。その中にある本学の学

ポリマーの一つである一置換ポリアセチレンの生らは、自らを個性的と評し、それを強みに変え研究を進めている。これは、一置換アセチレンモて各業界へ挑戦を続けている。我々教員も負けず

ノマーのロジウム錯体触媒による重合反応によっにオリジナリティのある研究を進めていこうと意て合成できる。このポリマーが固体状態で示す色

気込んでいる。本稿の読者の皆様が室蘭工業大学

彩が、用いる重合溶媒の種類によって大きく変化

に対して興味を持っていただき、これが縁で本学することを見出した。一種類のモノマーから合成との新たなお付き合いがうまれることを祈念しされるにも関わらず、色の違いが生じる現象につている。最後に、本稿の執筆にあたり、本学ユー

いて興味を持ち、その制御を目指した分子構造のザーの先生方から研究紹介文をご提供頂いた。こ

検討を続けている。現時点では、色彩の変化はらの場を借りて感謝申し上げる。

せんの伸縮の程度の差に起因すると解釈してい［4］

る（図 7） 。NMR は、新規に合成したモノマーの同定に利用し、またポリマーの構造解析では、溶液中での H および C の VT 測定によるらせん
113の伸縮速度の評価、らせんポリマーを形成するモノマー連鎖の解析、さらに固体状態で生じる色の違いとポリマー構造の違いを解析するために固体

C を測定している。

13

3. おわりに本学の NMR ユーザーの研究内容の一端を紹介させていただいた。これらの研究をすすめるに
あたり不可欠な NMR であるが、装置維持管理では課題が多い。特に、近年のヘリウム供給の状況を横目に、ヘリウム回収機を有していない本学では、大変心苦しいが気化分をすべて大気放出している。次回の装置更新時には、再凝縮装置を備え

引用文献［1］ Kaneko, R., Sagara, Y., Katao, S., Tamaoki, N.,
Weder, C., Nakano, H., (2019) Mechano- andPhotoresponsive Behavior of a Bis(cyanostyr yl)benzene Fluorophore. Chem. Eur. J., 25 (24), 61626169.
［2］ Iimori, T., Abe, Y., (2016) Magneto-optical Spectroscopy of the Magnetic Room-temperature Ionic
Liquid 1-Butyl-3-methylimidazolium Tetrachloroferrate. Chem. Lett. 45, 347-349.
［3］ Taguchi, R., Hatayama, K., Takahashi, T., Hayashi,T., Sato, Y., Sato, D., Ohta, K., Nakano, H., Seki, C.,
Endo, Y., Tokuraku, K., Uwai, K., (2017) Structureactivity relations of rosmarinic acid derivatives
for the amyloid β aggregation inhibition and antioxidant properties. Eur. J. Med. Chem. 138, 10661075.
［4］ Tabata, M., Mawatari, Y., (2017) Emerging πConjugated Stretched and Contracted Helices andtheir Mutual Conversions of Substituted Polyacetylenes Prepared using an Organo-rhodium Catalyst.
Polym. Rev. 57, 65-88.

た装置が導入されることを個人的に希望してい
NMR研究室だより

馬渡 康輝（まわたり・やすてる）

2005 年 3 月 北海道大学大学院工学研究科分子化学専攻 修了 博士（工学）2005 年 4 月 北海道大学大学院工学研究科 博士研究員
2007 年 1 月 室蘭工業大学教育研究等支援機構（研究支援）助手
2010 年 1 月 室蘭工業大学大学院工学研究科 助教
2013 年 2 月 室蘭工業大学環境調和材料工学研究センター 兼務
2019 年 8 月 室蘭工業大学大学院工学研究科 准教授

116

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

117

若手 NMR 研究会便り

自然科学研究機構

分子科学研究所／生命創成探究センター

助教

谷中 冴子
saeko-yanaka@ims.ac.jp

はじめに県西浦市）を会場としました。開催決定から多くの先生方にお声がけをさせていただき、その結

20 回 若 手 NMR 研 究 会 」を 開 催 し ま し た。 若 手果、総勢 64 名の研究者・学生に参加いただくこ

NMR 研 究 会 は、 毎 年 合 宿 形 式 で 開 催 さ れ ておとができました。また多数の企業や学会から協賛

り、全国から学生や若手の研究者が集まります。

や後援をいただきました。

NMR を用いた研究の基礎から応用まで幅広く学

今年の研究会は第 20 回の記念すべき会であっ

ぶだけでなく、研究者同士の交流も目的としていたこともあり、企画準備に気合が入りました。生ます。ここでは実行委員を代表して、今年度の研

体分子の構造解析において昨今大きな潮流となっ究会のご報告を致します。

ている Integrative approach を踏まえて、NMR 研
究のアイデンティティーを見つめ直す機会となれ

開催にあたってばと考えて準備を行いました。NMR 関連の講演

今年の若手 NMR 研究会は、自然科学研究機構に加えて、高速原子間力顕微鏡、電子顕微鏡、分生命創成探究センター／分子科学研究所の矢木真子動力学計算、量子ビーム溶液散乱、中性子結晶

穂助教と私で実行委員を務めました。また会期中

構造解析など、様々な手法の専門家をお呼びし、の運営に関しては、実行委員に加え、生命創成探手法の枠を超えた研究交流を目指しました。多く

究センターおよび名古屋市立大学大学院薬学研究の先生方から講演の快諾をいただき、最終的に以科の加藤晃一研究室のメンバーが担当しました。

下のようなプログラムに決定しました。（敬称略）

今年は、三河湾を見渡す「ホテルたつき」（愛知

写真 1 ホテルたつきにて撮影した集合写真
受領日：2019 年 9 月 16 日

受理日：2019 年 9 月 16 日

編集委員：池上 貴久

10巻

2019 年 8 月 2 日（金）〜 4 日（日）の 3 日間、「第日本核磁気共鳴学会 NMR 2019第 20 回若手 NMR 研究会開催報告

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

8 月 2 日（金）

千葉大学

基調講演：

「NMR とクライオ電顕を用いた細胞質ダイニンの生命創成探究センター 加藤晃一 先生

親和性制御機構の解明」

一番勝負：

五番勝負：

名古屋大学

内橋貴之 先生

西田紀貴 先生

分子科学研究所中村彰彦 先生「高速原子間力顕微鏡：「中性子／ X 線結晶構造解析で（重）水素はどう見

触って見るタンパク質の動き」

える？」

横浜国立大学

児嶋長次郎 先生

産業技術総合研究所

竹内 恒 先生「NMR 構造とは何か？

「溶液 NMR における水素に頼らない構造研究」−集団平均の長所と短所−」

講演：

講演：京都大学

片平正人 先生

京都大学

森本大智 先生「抗プリオン・抗アルツハイマー性 RNA アプタ「バイオレオロジー NMR 法の開発と応用」

マーの構造／機能解析及び核酸の in-cell NMR」

広島大学

吉村優一 先生「試料に応じた NMR 測定手法の選択」

8 月 3 日（土）理化学研究所

二番勝負：「NMR で細胞の中を観る、細胞の調子を診る」

京都大学

杉山正明 先生「溶液散乱で探る生体高分子の構造とダイナミクス」
京都大学

星野大 先生

大阪大学

八木宏昌 先生

宮ノ入洋平 先生

「新しい安定同位体標識技術を利用した高分子量
蛋白質の動態構造解析法の開発」「高分解能溶液 NMR によるタンパク質の動的構造解析」

8 月 4 日（日）三番勝負：

企業セミナー：ブルカージャパン株式会社（佐藤生命創成探究センター

奥村久士 先生一 様）「分子動力学シミュレーションでわかること、わか

企業セミナー：日本電子株式会社（笹川拡明 様）

らないこと」

企業セミナー：株式会社シゲミ（室岡太郎 様）

首都大学東京池谷鉄兵 先生

企業セミナー：大陽日酸株式会社（星野 誠 様）

「溶液 NMR データを用いた蛋白質立体構造計算」
四番勝負：
生理学研究所

基礎講義：
村田和義 先生「クライオ電顕によるバイオイメージング」

横浜市立大学

池上貴久先生「ベクトルモデルだけでは駄目なのか？」

若手NMR 研究会便り
写真 2 今年の目玉企画の一つ、NMR 五番勝負：様々な手法の専門家との対談はとても刺激的でした
118

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

会期中の様子

また、今回はじめての試みとして、パネルディ

生命創成探究センターの加藤晃一先生の基調講演

structural biology の中で、NMR がいかにアイデ

で始まりました。故・荒田洋治先生とのエピソー

ンティティーを示していくのか」ということをドの中にあった「陰翳礼讃」の紹介においては、

テーマに議論を行いました。NMR が生体分子の既存の価値に迎合せず、新しい概念を生み出し構造解析に使われるようになり、多次元 NMR のていくことの大切さを学ぶことができました。まパルスプログラムが盛んに開発されてきた時代にた、近年勃興しつつある「研究界の産業革命」に比べると、NMR は成熟した技術となってきましついて問題提起がありました。研究プロジェクトた。そして、クライオ電子顕微鏡や高速原子間力が大型化する今日において、若手研究者がどのよ

顕微鏡が隆盛を誇る中で、NMR がどう対して行

うなスタンスで研究と向き合うべきかについて考けばよいのかを悩ましく思うという学生の声もフえさせられました。この問題意識は今回の目玉企

ロアから聞かれました。しかし、NMR には NMR画である NMR 五番勝負にも通ずるものでありまにしかない良さがあります。特に、児嶋長次郎先した。

生からは、網羅性、定量性、再現性、時間細工

その後、NMR 五番勝負と講演へと会は進行し性、非破壊性において、特に優れているとのコメていきました。五番勝負においては高速原子間力

ントが有りました。そして、番勝負の中でも述べ

顕微鏡、電子顕微鏡、分子動力学計算、量子ビーられたように、様々な手法とのコラボレーション

ム溶液散乱、中性子結晶構造解析の専門家の方々において、NMR が生きてくるのであると思いまにそれぞれの手法のフロンティアについてご紹介

す。企業の方々からも NMR 研究のあり方についいただきました。そのうえで、NMR を専門とすてコメントやご意見を多数いただきました。議論る先生方に、他の手法を意識したときに NMR がの最後に差し掛かって、量子ビーム溶液散乱の専

際立つところを交えてご講演いただきました。各門家である杉山正明先生から、印象的なコメント

セッション、お二人の番勝負に登壇いただいたが有りました。NMR の将来を考える場にこれだ

先生の講演の後に質疑応答を行いました。多くのけの人が集まって議論できる事自体がすばらしい

番勝負において、それぞれの手法のメリット・デことだという趣旨の発言でした。技術的に成熟しメリットが語られ、対する手法と NMR とのコラ

た NMR であるからこその新しい展開が今後期待

ボレーションによって、相乗的な効果が期待できできるのではないかという結論に達し、白熱したることが浮き彫りとなりました。講演においては議論のうちにパネルディスカッションは幕を閉じ

NMR による最新の研究成果に議論が盛り上がりました。
懇親会においては、研究者同士の交流が活発に

写真 3 パネルディスカッション中の様子：白熱した議論がかわされました10

巻

スカッションの時間を設けました。
「Integrative

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

会の冒頭は、日本核磁気共鳴学会の会長である

ました。

119

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

写真 4 ポスター発表の様子

写真 5 懇親会の様子：夜遅くまで話に花が咲きました。

行われました。初日の夕食後には恒例の研究室紹ただいたホテルたつきの皆様に、この場をお借り介が行われ、参加者のアイディアを凝らした発表

して心よりお礼申し上げます。

に会場は盛り上がりました。研究室紹介を皮切り

最後に、次回の第 21 回若手 NMR 研究会は京都に、懇親会では学生、ポスドク、教員、企業から大学 森本大智先生が中心となり開催される予定の参加者の皆さんが入り混じって、大いに盛り上となっております。ご参加、ご講演、ご宣伝等、がりました。

引き続き当研究会にお力をお貸しいただければ幸いです。

第 20 回研究会を振り返って
第 20 回若手 NMR 研究会は、多くの方々のご協

第 20 回若手 NMR 研究会ホームページ

力の下で盛会のうちに終えることができました。

https://groups.ims.ac.jp/organization/

ご参加いただきました皆様、ご講演いただいた

seimei/20thNMRHP/index.html

方々、協賛企業や後援学会、また会場とさせてい

若手NMR 研究会便り
120

121

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

海外学会報告京都大学工学研究科分子工学専攻博士後期課程 2 年

西澤 茉由
nishizawa.mayu.85a@st.kyoto-u.ac.jp

れ、口頭発表やポスター発表を含め 700 題を超え

回若手研究者渡航費助成の支援を受け、2019 年 8

る発表が行われました。口頭発表の中で特に印

月 25 日から 8 月 30 日までの 6 日間、ドイツのベル象的だったのは Peter Wright 先生の TAZ1 に対すリンで開催された EUROISMAR 2019 に参加致しる HIF-1α 及 び CITED2 の 結 合 競 合 性、Markus

ました。本助成金により海外における NMR の国

Zweckstetter 先生の Tau タンパク質の液−液相分際学会に参加させていただいたことを、故京極好離、Phil Selenko 先 生 の in-cell NMR 法 の 歴 史 お

正先生と故阿久津政明様ならびにご家族の皆様、よびエレクトロポレーションの細胞導入条件の検株式会社エルエイシステムズ、日本核磁気共鳴学

討、Ulrich Scheler 先生の Rheo-NMR 法を用いた会加藤晃一会長、若手研究者渡航費助成金選考委

ポリマーの動的解析、Fabien Ferrage 先生の二磁員長・池上貴久先生をはじめとする関係者の皆様

場 NMR 分光法などでした。多くの論文でお名前に心より御礼申し上げます。

を拝見してきた著名な先生方の講義を生で聴くこ

開催地であるベルリンでは日中の気温が 30 度とができ、とても充実していました。

前後のうだるような暑さであり、湿気はないも

ポスター発表は開催 2 日目の 14 –16 時、3 日目ののの例年とは異なるようで、日本から暑さを連

14 –16 時と 2 日間に分けて行われました。報告者

れてきてしまったのではと錯覚してしまうようは weak interaction between ATP and proteins

な気候でした。オープンセレモニーでは NMR とと題したポスターを発表致しました。近年、生EPR の歌がジャズテイストで演奏され、これが体内のエネルギーの貯蔵や供給、運搬を仲介する

海外学会なのか！と初めての海外学会の雰囲気

アデノシン三リン酸（ATP）がタンパク質の線維に大いに感動いたしました。このように素敵な化を阻害することが明らかにされました

音楽から始まった欧州最大規模の NMR 学会でた、ATP 濃度の低下と神経変性疾患に関連性があある本会ですが、本年は ISMAR と合同で開催さることが報告されたことから

写真 1 会場の様子
ニュースレター掲載日：2019 年 10 月 4 日

［1］

［2］

。ま

、ATP の線維化阻

写真 2 オープニングセレモニーの様子

10巻

この度、日本核磁気共鳴学会の令和元年度第 1日本核磁気共鳴学会 NMR 2019EUROISMAR 2019 参加報告書

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

写真 3 ポスター会場の様子

写真 4 ベルリンケバブ

害能の分子基盤の解明は、神経変性疾患の治療法

英語でのコミュニケーションの実力が向上したの開発に重要な知見となることが期待されます。標ではないかと考えております。もっと英語が話せ的タンパク質との非共有結合性の相互作用によたら上手く伝える事ができるのにと悔しい場面もり、ATP は線維化の阻害能を持つと考えられまあったため、帰国後の課題としてこれから精進しすが、なぜ阻害能を持つのか、相互作用に選択性て参りたいと思います。また、発表を聞いていたや特異性があるのかは不明です。そこで私の研究だいた方が最後に「あなたの研究面白いね」とおでは、溶液 NMR、剪断流を与えながらリアルタ

声がけしてくださった際には、研究者として今一イム測定が可能な Rheo-NMR 法、固体 NMR 法を

度やりがいと感動を覚えました。本学会で得た用いて ATP と標的タンパク質との相互作用を原知見などを、自分の研究や研究室でのディスカッ

子レベルで解析し、線維化の阻害機構を解明する

ションに取り入れるべく、論文や講義に対するアことを目的としています。事前に introduction か

ンテナを日常から張っていきたいと思います。

ら discussion まで丸々発表原稿を覚えたのと裏腹

最後に、貴重な機会を与えてくださいました日本に、聴者の方々からは全部の説明はいらない、端核磁気共鳴学会に重ねて御礼申し上げます。

的に結論を説明してほしい、質問だけでいい、といった声も多く、国内学会と海外学会との違いを感じました。結合強度はどのくらいなのか、どのようにして NMR で線維化過程を追うことができるのか、他のヌクレオチドは調べたのかといったご質問も多々頂き、ポスターセッションの前後で

海外学会報告122

References［1］ Patel, A., et al., ATP as a biological hydrotrope. Science, 356, 753-756 (2017).
［2］ Pathak, D., et al., The role of mitochondrially derived ATP in synaptic vesicle recycling. Journal of
Biological Chemistry, 290, 22325-22336 (2015).

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

123

海外学会報告参加報告書

理化学研究所環境資源科学研究センター 特別研究員

朝倉 大河
Taiga.asakura@riken.jp

本学会が開催されたシンガポールは東南アジ

回若手研究者渡航費助成の支援を受け、2019 年 7

アの中心部に位置し、貿易の栄えた歴史背景か

月 3 日から 6 日の期間シンガポール共和国で開催

ら街並みや行き交う人々からは多様で熱気溢れされた AP-NMR Symposium 2019 に参加致しましる 印 象 を 受 け ま し た。 会 場 と な っ た Nanyang

た。本助成金により海外における NMR の国際学

Technological University は 2018 年の世界大学ラ会に参加させていただいたことを、故京極好正先ンキングでは 11 位を獲得した名門大学であり、生と故阿久津政明様ならびにご家族の皆様、株式

近代的な建物と 200 ha の広さには圧倒されるばか会社 LA システムズ、日本核磁気共鳴学会 加藤晃りでした。

一会長、若手研究者渡航費助成金に関して細やか

本学会では 100 近くの口頭講演と 100 近くのポに対応してくださった池上貴久先生をはじめ関係

スター発表が行われ、その中では私は Machine-

者の皆様に心より感謝申し上げます。

lear ning Based Growth Modeling of Fishes

写真 1 ポスター発表会場

写真 2
ニュースレター掲載日：2019 年 7 月 26 日

口頭発表会場

10巻

この度、日本核磁気共鳴学会の令和元年度第 1日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

8th Asia-Paciﬁc NMR Symposium 2019

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

and Integrated Analysis of NMR Profiles andEnvironmental Factors という演題でポスター発

その他興味深い話題として、東京大学の西田紀表を行いました。水産養殖において NMR の実用

貴先生は NMR 管内の嫌気環境を克服した新しい的な応用を目指す本発表において、メタボロミク

バイオリアクターシステムについて開発し、それスと深層学習の組み合わせについては多くの関らによって細胞内タンパク質−タンパク質複合体

心を得て、有意義な議論を交わすことができまの結合表面の同定について示していました。5 時した。同様に水産分野での応用に関しては Pusan

間を超える生きた細胞の計測に関して、自身の研National University, Suhkmann Kim 先 生 研 究 室

究に（例えば魚卵などに）応用できるのではないに所属する Seonghye Kim 氏と Seohee Ma 氏がそかと、大変刺激となりました。また、Kunming

れぞれイシダイとエビの感染症について HR-MAS

Institute of Botany の Tao Huang 先生は、試料かNMR によって健康体と感染症の判別が可能であら直接抽出された混合物から物質を帰属するためることを示していました。残念ながらポスター周の新しいアルゴリズムについて発表がありまし囲でお会いすることができず、議論には至りませた。HSQC、H2BC、高分解ピュアシフト HSQC

んでしたが、彼らの今後の動向について着目しての特徴を活かした物質帰属は高精度の帰属が可能

いこうと考えております。

で、NMR の特性を充分に発揮することが帰属に

メタボロミクスの分野では Nanyang Technologicalおいて重要性を持つことが感じられました。

University の Yulan Wang 先 生 が B 型 肝 炎 ウ イ ル

本発表では多くの方々と議論させていただき、ス治療において Glutamine: fructose-6-phosphate

口頭発表は大変勉強となり学会期間を大変有意義

amidotransferase 1 お よ び choline kinase α がに過ごすことができました。また今後、本学会で指 標 と な る こ と を 示 し、The University of New

集めた情報・応用などを自身の研究に取り入れる

South Wales の Caroline Rae 先生からは脳の代謝べく、詳細や動向について追跡し、NMR 研究の情報を得るための Edited H-MRS による情報の最向上・発展に貢献できるよう尽力いたします。最適化など行うなど、多く方によって NMR が仮説後に、貴重な機会を与えてくださいました日本核を得るための強力なツールであるが示されていま

磁気共鳴学会に重ねて御礼申し上げます。

1

海外学会報告124

した。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

125

NMR 学会からのお知らせ

一夫

東京大学

竹腰清乃理

京都大学

嶋田

2018 年度 通常総会 議事次第
2018 年 9 月 6 日（木）未明に発生した北海道胆振東部地震の影響により、9 月 18 日正午に予定し会計監査（2018-2019）ていた通常総会をメール総会にて実施した。

鈴木

悠

福井大学

武藤

裕

武蔵野大学

総会次第

評議員（2018-2019）2. 会長挨拶池上貴久

横浜市立大学3. 第 57 回 NMR 討論会（2018）世話人挨拶大木進野

北陸先端科学技術大学院大学

4. 事業報告大澤匡範

慶應義塾大学5. 2017 年度収支決算の承認

梶

弘典

京都大学

6. 2019 年度収支予算案の承認

片平

正人

京都大学

7. 2019 年度役員（評議員 (H31-H32)）の選任

加藤晃一

自然科学研究機構

8. 日本核磁気共鳴学会会則の改訂

金橋康二

新日鐵住金（株）

9. 第 58 回 NMR 討論会（2019）世話人挨拶

小林

直宏

大阪大学

10. その他

嶋田

一夫

東京大学

11. 閉会の辞

竹内

恒

会員数

産業技術総合研究所

竹腰清乃理

京都大学

楯

真一

広島大学

堤

遊

ブルカージャパン（株）

出村

誠

北海道大学

会員種別

2016 年9 月 30 日

2017 年9 月 30 日

2018 年8 月 31 日

正会員

436

428

427

栃尾

尚哉

帝京大学

学生会員

147

125

124

西村

善文

横浜市立大学

名誉会員

12

12

12

野村

薫

賛助会員

8

7

7

半沢

宏之

第一三共 RD ノバーレ（株）

603

572

570

廣明

秀一

名古屋大学

合

計

サントリー生命科学財団

評議員（2017-2018）2018 年度現役役員名簿
会長（2018-2019）加藤

自然科学研究機構

晃一

浅野

敦志

防衛大学校

伊藤

隆

首都大学東京河合剛太

千葉工業大学川村出

横浜国立大学＊＊木川隆則

理化学研究所晃一＊

自然科学研究機構

菊地淳

理化学研究所池上貴久＊＊

横浜市立大学

北原

亮

立命館大学

浅野

敦志

防衛大学校

神田

大輔

九州大学

伊藤

隆

首都大学東京

佐藤

一

片平

正人

京都大学

武田

和行

京都大学

河合

剛太

千葉工業大学

杤尾

豪人

京都大学

神田

大輔

九州大学

西山

裕介

日本電子（株）理事
加藤＊会長（ ）副会長（）

ブルカー・バイオスピン（株）

10

巻

1. 開会の辞

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019日本核磁気共鳴学会の決定事項

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

松木

陽

大阪大学

三島

正規

首都大学東京

村田

道雄

大阪大学

山田

和彦

高知大学

ご協力いただきまして、どうもありがとうございました。
日本核磁気共鳴学会
会長 加藤晃一

事業報告
Ⅰ. 現時点での会員数

日本核磁気共鳴学会役員

Ⅱ. 活動報告と方針の提案● 2017 年度

2019 年度の評議員が選出、承認された。
評議員（2019-2020）

1. 第 56 回 NMR 討論会（2017）

相沢

智康

北海道大学

2.「日本核磁気共鳴学会 若手研究者渡航費助成

伊藤隆

首都大学東京金」の募集と選定

河合剛太

千葉工業大学3. 会員サービスの推進

川村出

横浜国立大学

4. 学会機関誌 8 巻の発行

木川隆則

理化学研究所

5. その他

菊地淳

理化学研究所

北原

亮

立命館大学

● 2018 年度

神田

大輔

九州大学

1. 第 57 回 NMR 討論会（2018）

菅瀬

謙治

京都大学

2.「日本核磁気共鳴学会 若手研究者渡航費助成

西山裕介（株）JEOL RESONANCE金」の募集と選定

松木陽

3. 会員サービスの推進

三島正規

首都大学東京4. 学会機関誌 9 巻の発行

矢澤宏次（株）JEOL RESONANCE

5. その他

山口秀幸

味の素（株）

山田

和彦

高知大学

山本

泰彦

筑波大学

● 2019 年度（方針）大阪大学

1. 第 58 回 NMR 討論会（2019）
2.「日本核磁気共鳴学会 若手研究者渡航費助成金」の募集と選定が選出された結果、2019 年度の理事は以下のよ

3. 会員サービスの推進うに決定した。2018 年 12 月 1 日（土）開催の第 9

4. 学会機関誌 10 巻の発行

期第 3 回理事会にて役員選挙担当理事より報告が5. その他なされた。会計監査は 2018 年度より継続する。

2018 年度 通常総会 議事録

NMR学会からのお知らせ
1262019 年度選出の新評議員から新理事（追加分）

理事
加藤

＊

＊＊

会長（ ）副会長（晃一）＊

自然科学研究機構 （2018-2019）＊＊日本核磁気共鳴学会

池上貴久

横浜市立大学（2018-2019）

正会員 各位伊藤隆

首都大学東京（2019-2020）

片平

正人

京都大学

（2018-2019）河合剛太

千葉工業大学（2019-2020）

木川隆則

理化学研究所（2019-2020）

一般会員（正会員）数が 427 名（8 月 31 日現在）

神田

大輔

九州大学

（2019-2020）であるのに対し、表決権行使が 99 名、委任状 9 名

嶋田

一夫

東京大学

（2018-2019）の合計 108 名の「出席」により成立し、承認 99 名

竹腰清乃理

京都大学

（2018-2019）

によりすべての議題が承認されました。

山本

筑波大学

（2019-2020）10 月 4 日までにメールにて実施いたしました総会についてのご報告です。

泰彦

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

NMR ニュースレターは核磁気共鳴学会会員相互の NMR に関する情報交換の場を提供するものです。
会員サービスの一環として、会員からご投稿いただいたニュースレターを会員メーリングリストで配信するとともに、学会ホームページ（http://www.nmrj.jp）でもバックナンバーを公開いたします。配信内
容は 6 ジャンルに分類しております。

1. 学会からのお知らせ・学会誌新着情報
2. 若手研究者渡航費助成
3. NMR 討論会・チュートリアルコース（参加方法、若手ポスター賞応募方法など）
5. 求人（企業・研究機関など）
6. 研究支援情報（施設利用、教科書、機器提供、実験アイデア・ティップス、ソフトウエアの公開等）◎ニュースレターの受信設定（会員個人登録情報の更新）
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ニュースレター No.865-926（2018 年 4 月〜 2019 年 3 月）

10

巻

4. 共催事業・学会・会議等開催案内

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

ニュースレターの記録

127

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

ニュースレター投稿規定
本ニュースレターは日本核磁気共鳴学会会員相互の NMR に関する情報交換の場を提供するものです。
会員からの情報提供（投稿）を随時受け付けます。お送りいただいた原稿は、原則として無審査で掲載しますが、NMR に無関係のものや公序良俗に反するなど本レターに不適切と理事会で判断したものは掲載
不可とします。なお文責は投稿者にあり、本学会はレターの内容に起因するトラブルには一切責任を負
わないものとします。
投稿ご希望の方は投稿規定をご覧いただき、原稿（PDF）を指定送付先（※）までお送りください。

［1］ニュースレターの内容について▶学会からのお知らせ・学会誌新着情報
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▶若手研究者渡航費助成
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▶ NMR 討論会・チュートリアルコース

NMR 討論会の発表・参加案内。チュートリアルコースの参加案内。若手ポスター賞応募方法など。
▶共催事業・学会・会議等開催案内
講演会・研究会のお知らせ。国際会議の開催案内、参加報告（内容・感想等）。研究室の訪問者による小規模セミナー等で部外者参加を歓迎される場合など。
▶求人
企業、研究機関等からの求人情報。博士研究員・教官等の公募案内。
▶研究支援情報
施設利用、教科書（※ 1）、機器提供（※ 2）、その他 NMR に関する研究支援情報（※ 3）。
※ 1： 新刊書の書評、最近読んだ興味深い論文の紹介。
※ 2： 新製品情報（新製品の紹介は賛助会員に限らせて頂きます）。不用物品情報（譲り受け等の交渉に関しては直接当人同士でお願いします）。
※ 3： 実験上のちょっとしたアイデア・工夫・ティップス、ソフトウエアの公開、出版はしないが報告しておきたい興味深い実験結果・スペクトル、研究に関する報告等。ただし、本レターはプ
ライオリティーを保証するものではありません。自己の責任においてご投稿ください。引用は
ニュースレター内では自由ですが、他所で引用されたい場合はご本人の了解を得て私信として引用してください。

［2］原稿の書式について▶原稿（PDF）の長さは原則として A4 半ページ程度までとします。ただし、研究に関する報告、国際学会参加報告については 2 ページまでとします。
NMR学会からのお知らせ▶書式：1 行目左端に日付（2009 年 4 月 1 日なら 2009/04/01 と書いて下さい）。2 行目にタイトルを書いてください。3 行目に所属・名前を書いてください。一行あけ、5 行目から本文を書き始めてください。フォントは角ゴシック体、サイズはタイトル 16 ポイント、他はすべて 12 ポイントとしてください。原稿（PDF）はそのまま本学会ホームページに掲載します。
▶送付：原稿（PDF）はメール添付ファイルで指定送付先（※）へお送りください。メールのタイトルは
ニュースレター としてください。
※指定送付先kyoumei_postman@sci.hokudai.ac.jp（2017 年 4 月 1 日から）▶メールには原稿（PDF）を添付する以外に、メール本文には原稿の日付、タイトル、所属・名前をコ
ピーし、一行あけて要約を記載してください。要約は会員メール案内用に使用します（若干編集する場合があります）。

128

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

日本核磁気共鳴学会会則

第 10 条

本会には、次の役員（理事、評議員）および会計監査をおく。

第 1 条 本会は、日本核磁気共鳴学会（The Nuclear

1. 理事 10 名以内（会長、副会長各 1 名を含む）

Magnetic Resonance Society of Japan）という。

ただし、会長の理事任期が 3 年目になる場合は 11

第2条

本会は、核磁気共鳴に関する基礎・応用名以内。

2. 評議員 35 名以内（理事を含む）

における核磁気共鳴研究の発展に寄与すること

3. 会計監査 2 名を目的とする。

第 11 条

第3条

役員は一般会員の中から一般会員の投

本会は、学術集会の開催、会報の発行、票により選出され、総会で承認を得るものとその他前条の目的を達成するために必要な事業する。理事は役員の互選により決定する。会を行う。

長、副会長は理事の互選による。会計監査は役

第4条

本会は、必要な地に支部を置くことがで

きる。
第5条

本会の会員は一般会員、学生会員、賛助会員および名誉会員とする。

員（理事、評議員）以外の一般会員の中から一般会員の投票により選出される。役員の任期は2 年とする。ただし、会長の任期は選出されてから 2 年とし、役員任期が 3 年となることを妨

1. 一般会員および学生会員は核磁気共鳴に関すげない。会長は連続して再選されないものとする研究に従事、またはこれに関心を持つ個人でる。ただし、非連続の再選はこれを妨げない。

あって、本会の目的に賛同し、定められた会費

第 12 条会長は本会を代表して会務を総括する。

を納める者をいう。

第 13 条会長は理事会の承認を得て諸業務担当

2. 賛助会員は本会の目的に賛同し、定められた賛助会費 1 口以上を納める個人または団体をい

3. 名誉会員は、我が国の磁気共鳴研究に特に功労のあった者から、理事会の推薦を経て総会の議決により決定する。
会員は本会の行う諸事業に参加し、本会が出版物を発行する際は配布を受けることができる。
第7条

会員として入会しようとする個人または団体は、細則に定められた手続きに従って申込
み、会長の承認を得なければならない。
第8条

事は会長を助け、本会の運営にあたる。
第 14 条う。

第6条の幹事若干名をおくことができる。業務担当幹

会員は別に定める会費を納めるものとする。ただし名誉会員はこれを要しない。原則と副会長は会長を補佐し、会長が欠けたとき、または会長に事故があるときは会長の職務を代行する。
第 15 条理事は理事会の審議に加わるほか、会長を助けて会務を執行する。
第 16 条評議員は評議員会の審議に加わり、会の運営について評議する。また、理事会の諮問があった事項、その他必要と認める事項について助言する。
第 17 条会議を分けて、総会、評議員会、理事

会の 3 つとする。
第 18 条

総会を分けて、通常総会と臨時総会として、毎年 3 月 31 日までに次年度の会費を納入し、会長がこれを召集してその議長となる。通するものとする。

常総会は毎年 1 回開催する。臨時総会は次の場

第9条

会員は会長に届け出て退会することがで合にこれを開く。

きる。会費を滞納した会員、または理事会で理（1）理事会が必要と認めた場合

由をあげて本会の会員として適当でないと決議（2）一般会員の 3 分の 1 以上から議案を添えて請された会員に関して、会長はそれらの者の会員資格を停止、あるいは除籍に処するすることができる。

求があった場合
第 19 条

総会は一般会員の 5 分の 1 の出席により成立し、議事は出席者の過半数の同意を持って

10

巻

研究、並びに啓蒙・教育活動を推進し、我が国

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019日本核磁気共鳴学会規約

129

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

決する。ただし、可否同数のときは議長がこれを決する。一般会員は総会における議決権の行使を他の出席者に書面をもって委任することが評議員会は会長がこれを招集して議長となる。評議員会は年 1 回以上これを開く。ただし、理事会が必要と認めた場合はこれを開かなければならない。
第 21 条改定

2008 年 11 月 12 日
第 10 条できる。
第 20 条2003 年 11 月 26 日

評議員会は 2 分の 1 以上の出席がなければ開くことができない。ただし、出席者に書面

改定

2009 年 11 月 11 日
第 10 条、第 11 条、第 12 条
改定2016 年 11 月 17 日
第 11 条事は出席者の過半数の同意をもって決し、可否改定

第 22 条理事会は会長がこれを招集して議長となる。理事会は会則に定めてある事項ならびに総会および評議員会の執行について議決する。
第 23 条理事会は 3 分の 2 以上の出席がなければ開くことができない。理事会の議事は出席者の会長の非連続選出についてをもって委任することができる。評議員会の議同数の場合は議長がこれを決する。

評議員数、および第 11 条2017 年 11 月 14 日
第8条
改定

2018 年 9 月 18 日
第8条
改定

過半数の同意をもって決し、可否同数の場合は議長がこれを決する。ただし、理事会に出席で細きない理事はあらかじめ通知された事項につい則て書面をもって議決に加わることができる。理事会があらかじめ通知していない事項について

第1章

会員

可決した場合は、これを欠席理事に通知しそ

第1条

本会に入会を希望する者は、所定の入会の賛否を求め、理事会の決議とすることができ申込書に必要事項を記入し、会長に提出するも

る。

のとする。

第 24 条理事会は年 1 回以上開催するものとする。
第 25 条本会の会計年度は 4 月 1 日に始まり、翌年 3 月 31 日に終わる。
第 26 条

本会則の施行についての細則は別に定め、その変更は理事会の議決を経る。
第 27 条本会則の変更ならびに本会の解散は総会の議決を経る必要がある。
第 28 条本 会 則 は、2001 年 11 月 15 日 よ り 施 行

NMR学会からのお知らせ

付則2004 年 4 月から 3 年間は経過的措置として、役員の半数の任期を 3 年とすることができる。

一般会員

年額 7,000 円

学生会員

年額 1,000 円

賛助会員

年間 一口以上（一口 50,000 円）

第2章

総会

第3条

総会の議案は会長が作成し、理事会の議を経た後提出する。議案には前年度の事業内容
および収支決算、新年度の事業計画、および収支予算を含むものとする。なお、一般会員の 3た場合には、これを最も近い総会の議題としなければならない。
第4条

総会を開くときは、会長は予定された審議事項の内容を一般会員にあらかじめ通告しな2001 年 11 月 15 日
日本核磁気共鳴学会総会議決

2002 年 4 月 1 日
制定

2002 年 11 月 7 日
改定
130

会員の会費は次の通りとする。

分の 1 以上の賛成を得て、理事会に提案があっする。
第 29 条

第2条

ければならない。
第3章

役員の選出

第5条

毎年役員の半数を改選する。役員および会計監査の候補者は次のものの中から一般会員の投票によって選ぶ。

1. 立候補した一般会員

131

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

2. 一般会員が推薦した一般会員（以下会員推薦候神3. 理事会が推薦した一般会員（以下理事会推薦候

3F（株）プロアクティブ内
第 13 条補者）

4. 会計監査と役員を兼ねることはできない。
役員および会計監査の投票は次のように行う。

1. 理事会は役員および会計監査の立候補者、およ

年会費は（株）プロアクティブが指定する方法により納入するものとする。
第7章

細則の変更

第 14 条本細則の変更は理事会の議決による。

第 15 条本 細 則 は、2001 年 11 月 15 日 よ り こ れび会員推薦候補者をつのり、理事会推薦候補者を実施する。ただし、本会発足時、第 1 回の役とともに一般会員に公示し、一般会員の投票

員の選出および幹事の承認は総会で行うものとにより役員および会計監査候補者を選ぶ。

し、それらの任期は 2004 年 3 月 31 日までとす

2. 会長は一般会員の中から 2 名を選んで選挙管理る。

委員を委嘱する。選挙管理委員会は選挙事務を委託することができる。選挙管理委員は被選挙権を有する。

3. 役員は連続して 3 回まで、会計監査は連続して2 回まで選出されることができる。それぞれ退任後 2 年間は同じ役職に就任することはできない。すでに、上記の選出回数に達した者の氏名
は選挙要項に公告される。

4. 役員は得票者中の上位の者より順に改選定員数以内を選出、会計監査は得票者中の上位の者より順に 2 名を選出する。同数得票者については
選挙要項に従って順位を定める。
第4章

幹事

第7条

会長は理事会の承認を得て、会員の中から、必要に応じて諸業務担当幹事を委嘱する。

10

巻

行い、一部を選挙管理委員会管理の下に業者に2001 年 11 月 15 日
日本核磁気共鳴学会総会議決

2002 年 4 月 1 日
制定

2002 年 11 月 6 日
改定

2003 年 6 月 21 日
改定

2003 年 11 月 25 日
改定

2005 年 6 月 25 日
改定

2007 年 5 月 12 日
改定

2008 年 4 月 29 日

幹事の任期は 1 年とする。ただし、会長の任期

第 5 条 -3

内で延長を妨げない。

正。

第5章

学会機関誌編集委員会

第 11 条

第8条

本学会に学会機関誌編集委員会をおく。

変更。

第9条

非選出期間の設定ならびに文言の修
プロアクティブの移転に伴う住所の改定

1．学会機関誌編集委員長は会長が理事または評2008 年 11 月 11 日

議員の中から指名し、理事会の承認をもって決

第6条

定する。

改定

幹事の選出、任期について

2．編集委員長が理事以外から選出された場合に2009 年 3 月 21 日

は、会長は第 6 条に基づき編集委員長を幹事に

第 4 条、第 5 条

任命する。

改定

第 10 条学会機関誌編集委員は編集委員長が評2012 年 11 月 7 日

議員から過半数を、残りを会員の中から指名

第5章

し、理事会の承認をもって決定する。

定義について追加

第 11 条学会機関誌編集委員会は定期的に学会

機関誌を発行し、会員に情報を発信する。

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

戸市中央区京町 83 番地 三宮センチュリービル

補者）

第6条

日本核磁気共鳴学会事務局 〒 650-0034

第 7, 8, 9 条

学会機関誌編集委員会の改定2013 年 3 月 17 日

第6章

事務所

第5章

第 12 条本会の事務所は次のところにおく。

ついて追加

第 10 条学会機関誌編集委員の定義に

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

い候補者から、順次、会則第 10 条および細則改定

2014 年 3 月 9 日
第5章

第 5 条によって定められた定数までの候補者を

第 9 条と第 10 条の内容を交換

改定

当選とする。評議員、会計監査ともに当選圏内にある者は前者の当選者とする。

2017 年 11 月 13 日
第 11 条2. 末位に得票数の等しい候補者が 2 名以上あった

プロアクティブの移転に伴う住所のときは、選挙管理委員会はこれらを併記して理変更。

事会に報告する。これらの候補者の当落は理事

改定会が決定する。
第 11 条2018 月 7 月 21 日
第1章

第2条

会費の定義について追加

改定

当理事が管理する。新理事の被選挙権は次年度役員に選ばれた評議員にのみある。選挙権は次2018 年 7 月 21 日
第5章

評議員会における理事の選挙は選挙担

年度の全評議員にある。選挙は 5 名連記の無記

第 9 条および第 10 条の内容を修正追加

改訂

名投票によって行い、定数および次点を決定する。開票に当たっては被選挙権を有しない評議員が立ち会う。

選挙要項

第 12 条

理事会における次期会長および次期副会長の選挙は選挙担当理事が管理する。まず、次期会長の選挙を行い、その結果を踏まえて次第1条

日本核磁気共鳴学会細則第 3 章に定める期副会長選挙を行う。次期会長、次期副会長の役員および会計監査の選出が、円滑に行われる被選挙権、選挙権は次年度の全理事にある。たようこの要項を定める。

だし、現会長は会則第 11 条に基づき次期会長

第2条

選挙管理委員会は役員および会計監査のの被選挙権を持たない。副会長の任期は役員任選挙を行うたびごとに設け、当選人を理事会へ期内とする。その後任の副会長の任期は会長の報告した時点で解散する。

任期終了までとする。選挙は無記名投票によっ

第3条

選挙管理委員会は委員の互選により委員長を定める。
第4条

選挙管理委員会は一般会員に対して役員

および会計監査選挙の告示を行う。
第5条

選挙管理委員会は役員および会計監査のて行う。開票は選挙担当以外の理事の立会いの下に行う。
第 13 条評議員および会計監査の選挙に関して疑義を生じたときは、選挙管理委員会の合議によって決定し、理事会に報告するものとする。

立候補者、および会員推薦候補者の受付を一般会員に公示しなければならない。
第6条

役員および会計監査の候補者を推薦する

場合は、一般会員 1 名につき役員候補者は 3 名

制定

2009 年 3 月 21 日以内、会計監査は 1 名を推薦することができ第 6 条、第 10 条る。役員候補者は 3 名以上推薦のあった会員を改定

会員推薦役員候補者とする。

第 11 条、第 12 条

NMR学会からのお知らせ

第7条

選挙管理委員会は、候補者の氏名、その他必要な事項を掲載した候補者名簿を作成し、追加

2009 年 7 月 11 日

これを選挙用ウェブサイトに公表しなければな

第 13 条

らない。

改定

第8条

投票は選挙用ウェブサイトで行う。投票

2012 年 7 月 14 日

用候補者リストより、役員は 10 名以内、会計

第 7、8 条監査は 2 名以内を選ぶ。

改定

第9条

開票は、選挙管理委員会がこれを行う。

第 10 条1. 評議員および会計監査は、得票数のもっとも多132

2003 年 6 月 21 日

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10（2014 年 9 月 30 日改訂）
日本核磁気共鳴学会機関誌（NMR 学会誌）は、主

NMR 基礎講座に NMR に関する情報を公開し、会員の皆様の学術

主に NMR 討論会のチュートリアル講演者など交流を目的とした会員サービスを提供します。会員

による NMR の基礎の解説。4,000 〜 10,000 字、2の皆様からは、下に示す原稿の分類のうち、会長〜 4 ページ（図、表を含む）。
技術レポート

歓迎します。また、解説、トピックス、技術レ

NMR の装置や測定方法の開発に関するレポー

ポートには、非会員の方からの投稿も受け付けまト。4,000 〜 8,000 字、2 〜 4 ページ（図、表を含す。ただし、投稿原稿の採択の可否は、編集委員

む）。

の査読結果をもとに編集委員会で決定します。まNMR 便利帳

た、掲載された著作物の著作権は、本学会に帰属

NMR 実験に便利な装置（ハードウェア）や実するものとします。

験方法・解析（ソフトウェア）の工夫、安全衛生

原稿は下に示す原稿作成要領を参考に作成し、（磁場、高圧、高電圧、酸欠、毒物劇物）などに

NMR 学会ホームページのトップページ（ http://

関する分かりやすい解説。4,000 〜 6,000 字、2 〜

www.nmrj.jp/index.php） に あ る NMR 学 会 誌

3 ページ（図、表を含む）。

ページの原稿投稿フォームから投稿して下さい。

海外学会参加報告

図や表を他の文献から引用して使用する場合に主に、若手研究者渡航費助成金受領者による寄は、投稿前に著作権所有者から使用許可を得た上稿。NMR ニュースレターとして公開される報告書でで、原稿投稿フォームから原稿と共に使用許可書も可。会員からの寄稿も歓迎します。2,000 〜 4,000（PDF）を提出して下さい。

字、1 〜 2 ページ（図、表を含む）。

NMR 研究室便り

原稿の分類

主に NMR を使って研究を行っている大学や公会長メッセージ

的機関、企業の開発室が、研究テーマ、構成員、NMR 学会会長からのメッセージ。2,000 字以

特 徴 な ど、 研 究 室 の 内 容 を 紹 介 す る。2,000 〜

内、1 ページ。

6,000 字、1 〜 3 ページ（図、表を含む）。

巻頭エッセイ

若手 NMR 研究会便り

主に NMR 討論会特別講演者からの寄稿。NMR

若手 NMR 研究会の主催者による研究会報告、

学 会、NMR 討 論 会 と の 関 わ り な ど に つ い て の

参 加 者 の 報 告、 講 演 者 の 要 旨 の 寄 稿。4,000 〜

エッセイ。NMR 討論会の講演要旨と同一でも可。

8,000 字、2 〜 4 ページ（図、表を含む）。

2,000 〜 4,000 字、1 〜 2 ページ（図表を含む）。
解説

原稿作成要領著者の研究成果および関連分野の現状の分か・和文は明朝体、英文は Times のフォントを用りやすい解説。8,000 〜 16,000 字、4 〜 8 ページ

い、表題は 14 ポイント、本文は 12 ポイントで、（図、表を含む）。

doc または docx ファイルで作成してください。

トピックス

・原稿は、表題、執筆者氏名・所属、本文、引用数年以内に発展した新しい NMR の展開についてのミニレビュー。 4,000 〜 8,000 字、 2 〜 4 ペー
ジ（図、表を含む）。

文献、表、図の順番にまとめ、1 つのファイルとして提出して下さい。
・巻頭エッセイ、解説、トピックス、研究報告、研究報告

NMR 基礎講座、技術レポート、NMR 便利帳の会員が単著あるいは共著（非会員でも可）で投執筆者は、略歴と顔写真のファイルを提出して稿するオリジナル研究報告。6,000 〜 12,000 字、

3 〜 6 ページ（図、表を含む）。

ください。
・図は、TIF, JPG, PDF ファイルで 600 dpi 以上の10

巻

メッセージと巻頭エッセイを除外した原稿の投稿を

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019日本核磁気共鳴学会機関誌投稿規程133

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

解像度で作成してください。
・図、表には、番号を付すと共に、それぞれの説明を記入してください。
・引用文献は、次を参考にして書式を統一して下さい。

1）Javkhlantugs, N., Naito, A. and Ueda, K.,（2011）
Molecular dynamics simulation of bonbolitin
II in the dipalmitoylphosphatidylcholine mem-

NMR学会からのお知らせ
134

brane bilayer. Biophys. J. 101, 1212-1220.
2）内藤 晶（2011）光センサータンパク質の情報伝達機能．化学 66, 68-69.

3）Saito, H., Ando, I. and Naito, A.,（2006）Solid
State NMR Spectroscopy for Biopolymers.
Principles and Applications. pp. 1-464, Springer,
Dordrecht.

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

ブルカージャパン 株式会社株式会社 JEOL RESONANCE
大陽日酸 株式会社

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

賛助会員名簿135

巻10

株式会社 シゲミ
味の素 株式会社
ジャパン スーパーコンダクタ テクノロジー 株式会社（JASTEC）
昭光サイエンス 株式会社

令和元年 11 月 1 日現在の本学会賛助会員は、上記の通りです。
本学会の事業への御賛助に対しまして、厚く御礼申し上げます。

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

日本核磁気共鳴学会機関誌編集委員会委員名簿（2018–2019 年度）

委員長

池上

貴久

横浜市立大学

副委員長

児嶋長次郎

横浜国立大学

橋本

康博

旭化成

浅野

敦志

防衛大学校

三島

正規

首都大学東京野村薫

サントリー生命科学財団

北原

亮

立命館大学

福士

江里

北海道大学

村上

美和

京都大学

西山

裕介

JEOL RESONANCE

山田

和彦

高知大学

川村

出

小林

直宏

大阪大学

栃尾

尚哉

帝京大学

委員

NMR学会からのお知らせ
136

横浜国立大学137

BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIET Y OF JAPAN 2019 Vol.10

NMR 学会の機関誌 Vol.10 をお届けいたします。
当巻ではいつもとは異なり、若手ポスター賞に関する記事（選考経緯報告や受賞者の要旨）がございません。これは 2018 年度の NMR 討論会が北海道胆振東部地震により残念ながら札幌で開催できなかったためです。その分を補う意味もあり、別の記事３編を「研究報告」として加えました。ちょうど当学会が内藤晶先生を中心とした NMR 書籍編集員会を置き、書籍 Experimental Approaches of NMR Spectroscopy（Springer） を出版した直後でしたので、その中の著者３名に日本語でのダイジェストを執筆して頂きました。この記事を機会に同書籍にもご興味をもって頂けますと幸いです。お陰様をもちまして、例年のページ数とほぼ同じ容量、そして質を保つことができたのではないかと思います。ご参考までに広告を除いた各巻のページ数を以下に示します（第 1 巻：146，第 2 巻：63，第 3 巻：177，第 4 巻：154，第 5
巻：146，第 6 巻：109，第 7 巻：128，第 8 巻：135，第 9 巻：130，第 10 巻：137 ページ）。

巻

10

いつものことながら、当巻にも多くの企業や団体様から広告をお寄せ頂きました。こちらからの依頼がだんだんと事務的になってしまい、後から出来上がった冊子体の山を見て、その有り難さをしみじみと感じる次第です。
これもいつものことですが、各記事が非常にきれいにフォーマットされていることにお気づきかと思います。私はこれまで存じませんでしたが、株式会社クバプロの編集ご担当の方々は、どうも各記事の参照文献の番号の順番までチェックされているようでした。校正刷りをみて、その指摘事項に驚かれた
著者も多かったのではと思います。今回は発刊が大幅に遅れることを覚悟していたのですが、特別のお願いを受け入れていただき、このような形で何事も無かったかのように発刊にこぎつけることができました。
最後になりましたが、たいへん興味深い記事を寄稿してくださった著者の先生方、郵送などにご協力いただいた事務局（株式会社プロアクティブ）の方々、短時間にもかかわらず細かく査読していただいた
編集委員の皆様に厚くお礼申し上げます。

2019 年 霜月 3 日
核磁気共鳴学会誌 編集委員長

NMR
BULLETIN OF THE NUCLEAR
M AG N E T I C R E S O N A N C E S O C I E T Y O F J A PA N

Vol.102019 年 11 月 20 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

TEL：03-3238-1689 FAX：03-3238-1837

日本核磁気共鳴学会 NMR 2019

編集後記

池上貴久

固体NMRアクセサリー

各種プローブ、ローター、サンプリングツール等を取り揃えています。

$JLOHQW9DULDQおよび&0;プローブに完全互換$JLOHQW用0$6ローター（PP – PP）

0$6モジュール
（自作プローブ用）%UXNHUプローブに準拠%UXNHU用0$6ローター（PP – PP）

キャップリムーバー（PP– PP）

液体サンプル測定用スペーサー$JLOHQW9DULDQ 7プローブの正統派後継機

2リング付き0$6キャップ（左：.HO)右：9HVSHO）

高温0$6プローブ、'LIIXVLRQプローブ

0$6コントローラー
プローブヘッド)DVW0$6サンプリングツール

株式会社エルエイシステムズ〒110-0005 東京都台東区上野1-11-5 時計会館ビル1F
TEL : 03-5812-5311 E-mail : support@las.jp URL : https://www.las.jp

180mm5mm
8mm, 12mm, 15mm

外管

封緘

190mm

4.1mm

4.17mm

内管30mm

5mm サンプルチューブ

5mm サンプルチューブ

対称形ミクロサンプルチューブ

5mm

5mm

5mm

磁化率調整ガラスRF コイル

15mm

30mm

15mm

空気

5mmφサンプルチューブにシムが十分調整可能な液高に注入。

5mmφサンプルチューブに濃度を上げるために溶媒を減らしたが、液高が低いためシム調整できない。

5mmφ対称ミクロ形サンプル
チューブに 5mmφサンプルチ
ューブの半分の量注入。シム調整問題なし。

液高：30mm

液高：15mm

液高：15mm

量：410μL

量：210μL

量：210μL

電話
FAX

042-624-2207
042-622-0937

http://www.shigemi.co.jp
mail:shigemi-corp@nifty.com

大陽日酸は多次元NMRでの構造解析に必須な安定同位体標識化合物を高品質・お求め易い価格で販売しております。

New! 無細胞タンパク質受託合成
無細胞タンパク質合成技術を用いた受託合成を開始しました。
細胞内タンパク質、分泌系タンパク質、膜タンパク質発現を承ります。
■ 鋳型DNA設計・作製■ 発現・可溶性確認試験■ 条件検討試験■ 中量・大量スケール合成

無細胞くん®
理化学研究所の高度な無細胞タンパク質合成技術をキット化いたしました。大腸菌抽出液を用いており、抗体や膜タンパク質などをはじめ各種タ
ンパク質を迅速・簡便に大量合成し、高効率に安定同位体標識できます。

■ 無細胞くんStart
特徴

製品番号

数量

保存温度 希望納入価格（円）

1キット
A183-0242 無細胞くんStart−80℃（0.1mL反応×6回分）

28,000

A89-0126 無細胞くんSI SS

1キット
−80℃
（1mL反応×1回分）

65,000

A29-0059

1キット−80℃（1mL反応×1回分）

55,000New!

無細胞タンパク質合成をお手軽にお試しいただけます 。小スケール（0.1mL）反応を付属の微量透析カップで6回実施できます。発現量や可溶性の確認および条件検討用に
最適です。

製品名

無細胞くんSI◎ PCRで調製した直鎖状DNAもご使用いただけます。
国立研究開発法人 科学技術振興機構「産学共同シーズイノベーション化事業」の支援を受け、開発された製品です。

無細胞くん用 安定同位体標識アミノ酸・膜タンパク質合成用試薬■SAIL メチル・芳香族選択標識
製品番号
SAT2001

製品名
SAIL アミノ酸混合物水溶液[δ2-13CH3;2H]Leu＋ [γ1-13CH3;2H]Val+ 18種重水素標識アミノ酸

G07-0226■ 膜タンパク質合成用試薬
数量 希望納入価格（円）1mL
220,000
1mL

120,000

膜タンパク質 発現例■各種安定同位体標識アミノ酸
製品番号
A107-0144
A39-0072
A41-0074
A40-0073
A42-0075
A91-0128
A92-0129
A108-0145

製品番号
製品名
数量 希望納入価格（円）A226-0290 膜タンパク質合成用添加剤 Set A 1キット
20,000Bacteriorhodopsin

製品名
数量 希望納入価格（円）
アミノ酸混合物水溶液-UL-d
1mL
25,0001mL
15,000アミノ酸混合物水溶液-UL-15N
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
20,000アミノ酸混合物水溶液-Lys,Arg-UL-13C,15N 1mL
アミノ酸混合物水溶液-Lys,Leu-UL-13C,15N 1mL
20,000アミノ酸混合物水溶液-SeMet
1mL
12,00020種類のアミノ酸を含有しております。

Template DNA
Detergent (Internal solution)
Lipid(Internal solution)kDa

No DNA

Bacteriorhodopsin
Cho CHA Dig
PC
PC
PC
PC

Dch
PC

30
20.1

Purplish brown color represents proper folding of Bacteriorhodopsin.

用途例◎ スクリーニング用多検体発現、細胞毒性タンパク質発現、変異体発現
PC,L-α-Phosphatidylcholine; Cho, Cholate; CHA, CHAPS; Dig, Digitonin;
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

アミノ酸・ケト酸

核酸● New! 10%, 20% Phosphoramidites (13C, 15N, d)● NTPs / NMPs (13C, 15N, d)● RNA・DNAオリゴマ合成● L-Amino Acids (13C, 15N, d)●α-Keto Acids (13C, d)

その他

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

15● Algal Amino Acids (13C, 15N, d)● New! Lanthanide Tag● Water-17O (10-90atom%)● Pf1 NMR Cosolvent※Biomolecular NMR専門カタログをご用意しておりますのでお気軽にお問い合わせください。
製造・総販売元

大陽日酸株式会社 SI 事業部〒142-8558 東京都品川区小山1-3-26 東洋Bldg.
Tel.03-5788-8550（代表） Fax.03-5788-8710●資料のご請求は、大陽日酸までお気軽にご用命ください。
メ ー ル ア ド レ ス Isotope.TNS@tn-sanso.co.jp
ホームページアドレス http://stableisotope.tn-sanso.co.jp

不純物確認試験や定量試験に最適な重溶媒！

高純度NMR溶媒NMR測定に影響する不純物を低減した化学純度の高いNMR測定用溶媒です。
本製品は水分と軽水素溶媒以外のシグナル※1を認めません。
※1……ベースラインの強度差の30％以上のシグナルを指します。

製品概要

H NMR チャート例

1

製品規格（クロロホルム-d,99.8％（高純度）の場合）
試験項目

規格値

外観

無色澄明の液体

水分0.003％以下

重水素化率

99.8％以上

含量（GC）

99.9％以上

不純物（NMR）（1H）

試験適合

不純物（NMR）（13C）

試験適合

不純物（NMR）（31P）

試験適合

不純物（NMR）（19F）

試験適合

当社クロロホルム-d, 99.8％（高純度）

拡大

他社品

拡大

クロロホルム-d
当社

他社品

水分

0.003% 以下

0.0015％（成績値）規格：0.01％以下

含量

99.9% 以上

99％以上

不純物（NMR）（1H）

試験適合1.25, 1.51, 2.10ppm 付近に不純物ピークあり

不純物（NMR）（ C）

試験適合

―

不純物（NMR）（31P）

試験適合

―

不純物（NMR）（19F）

試験適合

―

13

提案
開発
継承
株式会社9$57(&では105関連のサポートを営んでおります。
＊105サポート プローブ修理

点検・修理・液体ヘリウム充填作業。移設作業＋移設前後の点検・メンテナンス対応
撤去・廃棄作業などに迅速に対応致します
プローブ修理例）7プローブ修理・清掃作業など＊2[IRUG社製マグネット  '13装置 +\SHU6HQVH サポート

弊社はオックスフォード社と代理店契約を結んでいます。
マグネットの励磁・消磁（600MHｚまで）やDNP装置の点検等対応可能です＊高圧ガス販売・供給作業

事業一環として高圧ガス販売をしています。
液体ヘリウム・ヘリウムガス・液体窒素・窒素ガス ※その他要相談
105マグネットへの冷媒充填作業と合わせて依頼を承っております。
作業後の簡易点検も含みます。

＊液体窒素再凝縮装置 販売・サポート＊コンプレッサー及びチラー 販売・メンテナンス＊105消耗品販売
シゲミ製105サンプルチューブ取扱

105関連部品のカスタマイズ・105関連部品の開発も行っております。
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株式会社9$57(&
大阪府吹田市広芝町第マイダビルVarious Technology Succession

http://vartec-inc.com

文部科学省
先端研究基盤共用促進事業（共用プラットフォーム形成支援プログラム）

105共用プラットフォームでは、参画機関が保有する
105装置を産業界・アカデミアに開放しています。
各機関の情報や、応募方法等の詳細は:HEサイトをご覧ください

85/： KWWSQPUSIMS

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105共用プラットフォーム

検索

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ランタニドプローブ

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高速0$6、)*0$6

装置実習、
教育プログラム0+]固体105
高速0$6

105立体構造解析
パイプライン

世界最大規模の台数を有する105棟

105のプロフェッショナルが豊富な経験に基づいて、皆様の研究をサポートいたします。

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0+]溶液105)スクリーニング0+]溶液105/&105、固体1050+]溶液105
最大本オートサンプラー

0+]溶液/&105
最大本オートサンプラー&U\R7&,)プローブ装備

参画機関◎代表機関 国立研究開発法人理化学研究所○実施機関 公立大学法人横浜市立大学
国立大学法人大阪大学
国立大学法人北海道大学
協力機関 日本電子株式会社、ブルカージャパン株式会社

105共用プラットフォームポータルサイト
85/： KWWSQPUSIMS広告掲載一覧（順不同）

株式会社 エルエイシステムズ
株式会社 シゲミ
大陽日酸 株式会社
日本電子 株式会社
富士フイルム和光純薬 株式会社
ブルカージャパン 株式会社株式会社 VARTECNMR 共用プラットフォーム（文科省 先端研究基盤共用促進事業）

本学会機関誌へのご賛助に対しまして、厚く御礼申し上げます。