2-9 タンパク質分子の構造及び機能の解明とその応用に関する統合的基盤研究●代表者

中里勝芳（物理生命システム科学科・教授）●分担者

茶圓茂（物理生命システム科学科・教授）

斎藤稔（物理生命システム科学科・教授）

末永敦（物理生命システム科学科・准教授）【研究の目的および概要】
本研究の目的は生命現象を対象として，異分野のスペシャリストが生化学・生理学・生物物理学・構造生物学・計算機化学などの多角的視野から，統合的な考察と検証を行うことである。このような体制は，生命科学におけるそれぞれの異分野のスペシャリストが集まった本学科の特長を最大限に生かしたものといえる。この研究では以下の 4 つのテーマについて統合的な考察と検証を行った。1）新規なバイオセンシング・バイオマシン・バイオイメー
ジング技術開発のためのタンパク質分子の機能解明，2）脳，神経，筋肉などの作用機構およびそれらの分化・発生機構の解明，3）植物の光合成を模倣した人工光合成システムの開発，4）高機能性分子の計算化学的設計，これらの基盤研究を通じて，診断や創薬などの医療産業分野，食品・化学産業分野あるいはエネルギー産業分野への応用技術の開発を目指していく。
【研究の結果】
1. 生体分子モーターであるキネシン分子の力発生を測定するための光ピンセット装置を製作した。この実験において，キネシンはその DNA を大腸菌に導入し，発現させ，精製したものを用いた。またレールとしては牛脳より抽出したチューブリンを重合させ，蛍光標識した微小管を用いた。製作した光ピンセット装置により，微小管上でキネシンが力を発生しながら滑り運動する様子をイメージングできた（茶圓）。
2. 軟体動物ヨーロッパモノアラガイの味覚嫌悪学習に着目し，それによって咀嚼調節ニューロン CGC（CerebralGiant Cell）の神経活動にどのような変化が生じるかを調べた。条件付けトレーニングにより咀嚼回数が減少した味覚嫌悪学習の成立した個体では，CGC の 1 分間当たりの平均発火回数も減少した。この CGC の活動低下がCPG（Central Pattern Generator），運動ニューロンの活動低下を引き起こし，咀嚼運動を減少させたものと考えられる（斎藤）。
3. 植物の光合成を模倣した人工光合成を実現するためには，ATP と NADPH を再生する必要がある。ATP 合成酵素を駆動させるための膜内外のΔ pH をバクテリオロドプシン再構成リポソームの光照射によって長時間形成させる手法を確立した。また，有機電気化学的手法により NADP+ から NADPH を再生させるために，化学修飾電極の作製，フェレドキシン及びフェレドキシン酸化還元酵素の単離精製を行った（中里）。
4. ペプチドを使った医薬品は，効果が高く副作用が少ないことで注目されている。そのようなペプチドの溶解性について計算科学的手法を用いて予測した結果，生化学実験データを良く再現しており，計算科学的アプローチの有効性を示すことができた（末永）。
【研究の考察・反省】
1. 今回の測定系は「光ピンセットで捕捉したキネシン結合ビーズが微小管上を滑る様子をビデオ画像として記録し，その後に各フレームごとにビーズの重心解析（光強度のガウス曲線近似）により動きの時間変化をナノメートル精度で解析する」ものであるが，今後はリアルタイムにナノメートル解析記録できるように装置の改良を行いたい（茶圓）。
2. 味覚嫌悪学習成立群では CGC の活動に対する GABA 抑制作用が増大したことから，GABA 作動性ニューロンと結31合するニューロンの GABA 感受性が増大しているものと考えられる。その GABA 感受性の増大は GABA 受容体の数や構造の変化によるものと考えられる（斎藤）。
3. プロテオリポソームにΔ pH を長時間形成させることやフェレドキシンの単離精製はできたが，ATP 合成酵素とバクテリオロドプシンを含むリポソームの作製方法やフェレドキシン酸化還元酵素の純度の向上についてはさらに検討する必要がある（中里）。
4. 同一アミノ酸からなるペプチドについて，計算科学的手法の有効性を示すことができたが，計算機資源を増強させ，複雑な配列，長さを持ったペプチドでさらなる検証を行う必要がある（末永）。
【研究発表】
複数ペプチドの全原子分子動力学シミュレーションを用いたアミロイド形成機構の解析，小須田慧司，末永
泰地真弘人，黒田敦，裕，第 53 回日本生物物理学会年会，2015 年 9 月 13 〜 15 日，石川

Motile activity and thermal stability of SH1 helix mutant myosin II Kotomi Shibata, Tsubasa Koyama, Sosuke Iwai,Shigeru Chaen，第 53 回日本生物物理学会，2015．9．15

金沢

Motor function analysis of SH1 helix mutated myosin II causing myopathy and MYH9 disorder，Kotomi Shibata, Tsubasa
Koyama, Sosuke Iwai, Shigeru Chaen，60th Biophysical society Annual Meeting, March 2, 2016 Los Angeles,California
新しいカルシウム感受性色素を用いたマウス海馬スライスのレーザー共焦点イメージング，宇野祥規，浜崎雄太，
小山内裕美，小原航，鈴木涼太，斎藤稔，第 38 回日本神経科学大会，2015 年 7 月 28 日〜 31 日，神戸．

嫌悪条件付けによるナメクジ嗅覚系の神経活動変化に対するトーン―エントロピー解析，宮本まりえ，橋口小春，小松崎良将，斎藤稔，第 38 回日本神経科学大会，2015 年 7 月 28 日〜 31 日，神戸．

聴覚刺激によって引き起こされる脳波の引き込み現象と確率共鳴，川本祥悟，内藤友香，澁谷勝裕，陳佳駿，齊藤健，山本哲也，浜崎雄太，斎藤稔，第 38 回日本神経科学大会，2015 年 7 月 28 日〜 31 日，神戸．

金属フタロシアニンを用いた SAW センサの気体選択性に対する一検討，杉山克俊，佐伯勝敏，斎藤稔，関根好文，

電気学会電子・情報・システム部門大会，2015 年 8 月 26 日〜 29 日，長崎．
The effect of GABA on serotonergic neuron CGC modulated by taste aversive conditioning in pond snail, Yoshimasa
Komatsuzaki, Kouya Kato, Ken Lukowiak, Minoru Saito, 8th FAOPS (Federation of the Asian and OceanianPhysiological Societies) Congress, November 22-25, 2015, Bangkok.
匂い味覚連合学習によって生じるナメクジ嗅覚系神経活動の匂い応答変化，橋口小春，石田康平，小松崎良将，斎藤稔，第 59 回日本大学理工学部学術講演会，2015 年 12 月 5 日，東京．

マウス脳海馬に見られる時空間神経活動パターンのレーザー共焦点イメージング，河村将，斎藤賢，浜崎雄太，小松崎良稔，第 59 回日本大学理工学部学術講演会，2015 年 12 月 5 日，東京．

金属フタロシアニンを用いたガスセンサの気体判別に対する検討，杉山克俊，佐伯勝敏，斎藤稔，関根好文，第59 回日本大学理工学部学術講演会，2015 年 12 月 5 日，東京．
【研究成果物】
All-atom molecular dynamics analysis of multi-peptide systems reproduces peptide solubility in line with experimental
observations, Yutaka Kuroda, Atsushi Suenaga, Yuji Sato, Satoshi Kosuda, Makoto Taiji, Scientific Reports 6, 19479,
2016.
Electron microscopic recording of myosin head power stroke in hydrated myosin filament, Haruo Sugi, ShigeruChaen,Tsuyoshi Akimoto, Hiroki Minoda, Takuya Miyakawa, Yumiko Miyauchi, Masaru Tanokura & Seiryo Sugiura，

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Scientific Reports 5, 15700 (2015) DOi: 10.1038/srep15700
Comprehensive analysis of the dynamic structure of nuclear localization signals,Ryosuke Yamagishi, Takahide Okuyama,Shuntaro Oba, Jiro Shimada, Shigeru Chaen, Hiroki Kaneko，Biochemistry and Biophysics Reports 4, (2015) 392-396
Nitric Oxide-Mediated Modulation of Central Network Dynamics during Olfactory Perception, Satoshi Watanabe, FumihitoTakanashi, Kohei Ishida, Suguru Kobayashi, Yoshiichiro Kitamura, Yuuta Hamasaki, Minoru Saito, PLoS ONE 10, 9(2015) e0136846.
軟体動物ヨーロッパモノアラガイの味覚嫌悪学習による咀嚼運動ニューロンの神経活動変化，斎藤稔，加藤功弥，

相川裕貴，川本祥悟，仲田正吾，小松崎良将，日本大学文理学部自然科学研究所研究紀要 No.51，pp.333-338，
2016．

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