“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 38

October, 2016

業績紹介：シアノバクテリア時計タンパク質 KaiC 六量体のATP 加水分解による構造変化" Conversion between Two Conformational States of KaiC is Induced by ATP Hydrolysis as aTrigger for Cyanobacterial Circadian Oscillation "Katsuaki Oyama, Chihiro Azai, Kaori Nakamura, Syun Tanaka, and Kazuki Terauchi
Scientific Reports, 6, 32443, (2016), DOI: 10.1038/srep32443

寺内一姫（立命館大学生命科学部・A03 公募研究代表者）

きることを見出した。本研究成果により、KaiC と KaiBの結合メカニズムの一端が明らかとなった。
本論文にまとめた内容は、筆頭著者である大学院生の大山克明君が「シアノバクテリア時計タンパク質KaiC 六量体の状態変化とその役割」という研究題目で、2015 年度の第 15 回日本蛋白質科学会年会で発表し、生物は、生物時計（概日時計、体内時計）とよばれポスター賞を受賞したことも併せて報告する。

る時計機能を備え、地球の自転による昼夜の環境変化

0ンパク質 KaiA、KaiB、KaiC が、生物時計の中心的な0.8リン酸化型が 24 時間周期で往来するという生物時計再構成系が構築され、時間を計測するという複雑なメ

Ratio of P-KaiC

1質と ATP を混合することで、KaiC のリン酸化型と非1218243036424854606672 (hours)
P-KaiCNP-KaiCに適応している。シアノバクテリアでは 3 つの時計タはたらきを担っている。2005 年に 3 つの Kai タンパク60.60.40.200

カニズムがタンパク質に組み込まれていることが示さ122436486072

Time (hours)

れた （図 1）。この試験管内の分子時計は言うまでも

図 1：シアノバクテリア Synechococcus elongates

なく世界初の発見であり、現在でもこのようなタンパ

PCC 7942 由来の 3 つの Kai タンパク質を in vitro でク質の例の報告はない。我々は、この実験系を用いて、ATP と混合し、30℃でインキュベーションする。3 時間

分子レベルで 24 時間を計測するタンパク質の仕組み

毎にサンプルを取り、SDS-PAGE で分離すると、リン酸を明らかにしようとしている。

化型 KaiC の比率が 24 時間周期で変動していることが本論文では、KaiC の生化学解析により、24 時間のわかる。

ある特定の位相において生じた構造の変化が、概日振動の鍵になることを見出した。KaiC は構造のよく似た2 つの ATPase モチーフをもつドメインがタンデムに繰り返す（N 末端側から CI、CII ドメインと称する）という構造的特徴をもち、六量体を形成する（図 2）。周期的にリン酸化修飾を受ける部位は CII に含まれる。
本研究では、KaiC 六量体が CI の ATP 加水分解によって gs-KaiC から cs-KaiC という構造に変化することを見出した。両構造の差異はごくわずかで、ゲル濾過や

図 2：3 つの Kai タンパク質の結合解離と KaiC の構通常の電気泳動では分離できない。我々は、タンパク造変化による動的秩序形成モデル。KaiC は CI の ATP質の染色に広く使われる CBB の結合によって cs-KaiC加水分解により、gs-KaiC（白）から cs-KaiC（灰色）のみ単量体に分離され、BN-PAGE で gs-KaiC と分離でへと構造が変わる。KaiB は cs-KaiC にのみ結合する。

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October, 2016

業績紹介：「積み荷」の化学反応によって引き起こされるカプセルーボウル変換"Capsule-bowl Conversion Triggered by a Guest Reaction"
Shitao Wang, Tomohisa Sawada, and Makoto Fujita
Chem. Commun., 52, 11653-11656, (2016), DOI: 10.1039/C6CC06551A

澤田知久（東京大学 工学系研究科・班友）の M8L4 ボウル分子への構造変換が同時進行し、結果として環状テトラシロキサン 3（all-cis 体の単一の異性体）を内包する M8L4 ボウル分子となった（図 1e、結晶構造）。このように類似の基質にも関わらず、反応中

本論文では、ゲスト分子（”積み荷”）の化学反応を間体がカプセル内に安定化される場合と、反応に伴っ利用して、カプセル分子が構造変換する（珍しい）系て構造変換が起きる場合という顕著な違いが見られた。

を報告している。八面体カプセル分子に対して、ある

以上、本論文では、内包した特定のゲスト分子の化

特定のゲスト分子を包接させたのち、加熱によってゲ学反応を駆動力としてカプセルーボウル変換を起こす

スト分子間の縮合反応を起こすと、巨大化したゲストことに成功した。基質の化学反応を駆動力としてタン分子によってカプセル分子が真っ二つに分解し、結果パク質の大きな構造変換がいともたやすく行われていとして巨大ゲスト分子を内包するボウル（お椀状）分る生体系に、人工系の分子システムも一歩近づけたの子へと至る動的な系を、創出することができた。

ではないかと考えている。

“留め金”となるパラジウムイオン（M）と、５カ所で配位結合できる”三角形パネル”配位子（L）を、20：8 の比で水中にて混合すると、M20L8 組成の八面体カプセルが定量的に組み上がった。今回の設計のポイントは、三角形パネルの各辺を２カ所ずつ計６カ所配位させた以前の配位子から、１カ所の配位サイトを欠損させた計５カ所の配位子へ変更したことである（図 1b）。
これにより、パラジウムイオン（M）との自己集合の後に得られる八面体カプセル分子に、ちょっとした脆弱性が生まれ、条件によっては真っ二つに分解する動的な挙動につながった。
M20L8 組成の八面体カプセル分子の示す、ゲスト分子の包接挙動は以下のとおりであった。まず、ナフタ
レントリメトキシシラン（1）を、カプセル分子の水溶液へ加え、100℃で 15 分間、さらに 80℃で 2 時間加熱撹拌した。この条件では、1 の加水分解されたシラントリオール 1’が次々と縮合してオリゴマー化すると予想されたものの、結果としては、加水分解のみで停止した 1’がカプセル分子内に２分子トラップされた状態であった（図 1d、結晶構造）。一方、フェニルトリメ
トキシシラン（2）を用いて同様の実験を行った場合は、2’の特異的な４量体化反応と、M20L8 カプセル分子から

図 1：スキーム(a)と構造式(b,c)、結晶構造(d,e)

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October, 2016

活動報告
「バイオ AFM 夏の学校 2016」の開催

料の観察を行い（写真２）、最終日には受講生全員が研究背景や観察結果を発表しました。装置の都合上、実習は分かれて行うため受講生同士が会う機会が少ないので、中日の夕方からビアガーデンなどを企画して親睦をはかりました。また、最終日の夜は打ち上げの食事会で大変盛り上がりました。

内橋貴之（金沢大学自理工研究域・A01 公募研究代表者）
平成 28 年 8 月 1 日から 6 日まで金沢大学理工研究域バイオ AFM 先端研究センターで「バイオ AFM 夏の学校 2016」を開催しました。この夏の学校は、金沢大学で開発された高速 AFM と超解像液中 AFM の普及活動の一環として、2012 年度から毎年 8 月に開催し、国内外の大学院学生や若手研究者を対象に hands-on 形式の 1 週間に亘る実習を行っています。単に講義や標準試料の観察で AFM の操作を学ぶだけでなく、受講者自身の研究試料を持ち込み観察することで、試料に応じた観察条件や解析方法の検討も含めた実践的な講習会になるようにしています。実際、夏の学校で出た成果を発展させ、論文として発表した例もあります。
応募者数は毎年高速 AFM には 20－30 名、超解像 AFMには数名－10 名ありますが、装置の台数と講師の数に限界があるため、研究テーマによって１週間で AFM 観察が可能かどうかをある程度考慮して、高速 AFM では 10－20 名に、超解像 AFM では 3－4 名に受講生を絞っています。
今回は、高速 AFM に 21 名（国内 16、国外 5）、超解像 AFM に 5 名（国内 4、国外１）、また、今年から加わった走査型イオンコンダクタンス顕微鏡(SICM)に 3 名の合計 29 名の受講者がありました（写真１）。
本領域を含むセンター教員が関係する新学術領域に宣伝を協力頂いた結果、過去最多の受講者数となりました。本領域からは、松村先生(A01)の研究室から３名の学生さん、二木先生(A02)の研究室の河野先生、田中先生(A03)の研究室から１名の学生さんに参加いただきました。

写真１. 集合写真
初日の午後に AFM に関する一般的な話と、高速AFM 及び超解像 AFM の装置の詳細、取り扱いにおける注意事項等に関する講義を行い、二日目には標準的な試料を用いて装置の操作を訓練しました。三日目から六日目まで自ら装置を操作して、各自が持参した試

写真２. 実習の様子

写真 3. 発表会の様子
受講者が普段研究している試料を観察するということもあり、皆さん非常に熱心に実験に取り組み、中には深夜まで実験しているグループもありました。最終日には受講者全員による成果発表を行いました（写真３）が、意外と言ってはなんですが、１週間という短い期間にもかかわらず皆さんの発表データのクオリティは高く、面白い結果が出ているグループもありました。夏の学校終了後も共同研究として再訪問し、AFM 実験を継続していくことが決まった参加者もいます。AFM はもちろん一分子観察技術に触れたことがない参加者も多く、また、若手研究者が普段使っていない装置を自ら操作して集中的に実験に取り組む機会はあまりないことから、新鮮な経験だったとの意見を多く聞きました。また、講師役のポスドクや学生にとっても、受講者と一丸となって新規な試料を短期間で観察するという経験は、自らの研究を進める上でも貴重な経験であったと思います。私自身は、今回で５回目の夏の学校になりますが、毎回若い参加者との交流や新しい試料・知識と出会えることから、とても楽しんでいます。来年以降の開催は未定ですが、開催した場合は本領域関係者からの多数の参加を期待しています。
最後になりますが、素晴らしい夏の学校にしていただいた講師・参加者の皆様、運営スタッフに感謝いたします。また、夏の学校開催にあたり、開催宣伝に快く協力いただきました加藤先生ならびに計画班の先生方に深く感謝いたします。

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October, 2016

活動報告
「第 25 回日本バイオイメージング学会学術集会」の開催

学術講演会では、当領域からは、計 6 名の班員の先生方がご講演されました。まず、「細胞レベルの分子ダイナミクス」のセッションでは、佐甲靖志班員は“細胞膜受容体の 1 分子可視化”、菊池和也班員は“GLUT4加藤晃一（自然科学研究機構 岡崎統合バイオサイエンスセン
ター・A03 計画研究代表者）の糖鎖機能を追う蛋白質履歴追跡プローブ”のタイトルでご講演されました。次に、「イ メ ー ジ ン グ 技術 が 明 ら か に す る 分 子・細 胞・組 織 の 新 た な
動 態 」のセッションでは、稲垣直之班員は “蛍光ライブイメージングと牽引力顕微鏡による神経軸索ガイダンス機構の解析”のタイトルで講演されました。

平成 28 年 9 月 4 日からの 3 日間、名古屋市立大学薬学部キャンパスに於いて本新学術領域の協賛のもと、日本バイオイメージング学会学術集会が行われました。
当学会は、1991 年に設立され、新しいイメージング法の開発ならびにイメージング法の生物学への応用に関する理論およびバイオイメージング法を用いた研究などを対象とした、国内外で唯一のバイオイメージング分野の学術団体です。学術集会は毎年 1 回され、今回佐甲班員、菊池班員、稲垣班員のご講演の様子

で第 25 回を迎えます。
本会には、多くの方々に足を運んでいただき、参加最後に、「ナノバイオイメージング：1 分子から細胞者は 177 名にも及びました。筆者は、飯野亮太副大会までの先端手法」セッションでは、飯野亮太班員、村長ならびに、稲垣直之班員を初めとした 8 名の運営委

田和義班員、内橋貴之班員は、それぞれ、“金ナノプ員の協力のもと、大会長として学会運営に携わりましローブで生体分子の速いダイナミクスを観る”、“クたが、学会会場は常に活発な議論がなされ、多くの参ライオ電子顕微鏡によるタンパク質の単粒子構造解加者から好評を頂くことができました。

析”、“高速 AFM による生体試料の動態イメージン

本会では、例年公開市民講座を行っておりますが、グ” のタイトルで講演されました。非常に多彩な顔

今回は「分子から心まで観るバイオイメージング」とぶれで、参加者から「新鮮な話ばかりで非常に刺激的表して、浦野泰照先生、永山國昭先生、川上勝先生、だった」などの声が届き、様々な視点からの質問・コ

瀬尾拡史先生、定藤規弘先生のお話を頂きました。高

メントが活発に飛び交いました。

校生から年配の方まで幅広い年代の方々にご参加頂き、実演あり実習ありで、大好評でした。

飯野班員、内橋班員、村田班員のご講演の様子
こうして成功裡に終えることができた学術集会でしたが、当領域も重要な貢献をするとともに、新しい異永山國昭先生のスマホ顕微鏡の実演の様子分野交流を行うことができました。皆様のご支援に感謝いたします。

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October, 2016

試み 」 角田慎一 博士（神戸学院大）活動報告
第 4 回バイオ関連
化学シンポジウム若手フォーラム「ラマン顕微鏡：分光分析とイメージングとの融合」
藤田克昌 博士（阪大）「植物に学ぶ触媒デザイン：水から酸素をつくる鉄 5核錯体」

正岡重行 博士（分子研）「凍結濃縮を利用した両性電解質高分子ナノキャリア/タンパク質複合体の細胞内デリバリー」

山口拓実（北陸先端科学技術大学院大学・A03 計画研究分担者）
渡邉貴嘉（北陸先端科学技術大学院大学・助教（A02 芳坂グループ））松村和明

博士（北陸先端大）さらに、フォーラム参加者は有機・無機化学、タンパク質科学、分子認識・超分子化学、生物物理学など多様な研究背景をもった研究室から 100 名を超え（うち学生が 64 名）、またポスター発表の総数は 60 件に及びました。このように本フォーラムは、普段の研究分野とは異なるサイエンスを学ぶとともに、同世代の研究者の高いアクティビティに直に触れて交流を深める、9 月 6 日、バイオ関連化学シンポジウム若手フォーまたとない機会となりました。

ラムを金沢にて開催しました。ここ北陸地方は、かねところで、本フォーラムの会場は、金沢の新しいシてより大阪・京都からは特急サンダーバード、名古屋ンボルの一つである JR 金沢駅「鼓門」の下に広がる、からは特急しらさぎを利用したアクセス容易な立地にもてなしドームのイベント広場を活用した特設ステー加え、北陸新幹線開業によって東京や東北方面との距ジでした。ドームの由来は「雨や雪の多い金沢で、訪離も格段に近くなりました。そのため、観光ブームのれた人に傘を差し出すもてなしの心を表現する」とさみならず、多くの学術集会が盛んに開催されるようにれていますが、実は金沢の夏は暑く、当日も秋の足音なっています。本フォーラムの母体であるバイオ関連は遥か遠く、厳しい残暑となりました。そのため、活化学シンポジウムは、生物やバイオテクノロジーに関気ある議論も相まって特設会場の温度はヒートアップわる様々な化学分野の研究成果発表・討論の場としてするばかり。しかし、“おもてなしに”と配布した特製国内最大規模のものであり、前身の生体機能関連化学団扇で涼を得ながら、招待講演、ポスター発表においシンポジウムを含め 30 年以上の歴史があります。近年ても質疑は途切れることなく続き、大変な盛会となりでは分野融合の進展に伴い、日本化学会−生体機能関連ました。本フォーラムを通して培われた研究や人の化学部会、−バイオテクノロジー部会、フロンティア生ネットワークは、他の学会にはない学際的な内容と、命化学研究会、ホスト−ゲスト・超分子化学研究会の共忘れがたい会場によって、参加者の間に強く共有され催のもと、学問領域の枠を超え基礎から応用に渡る幅たものと思います。

広い分野の研究者が一同に会する場となっています。
一方、例年、シンポジウムの前日に開かれる若手フォーラムは、各部会の若手が中心となり、学生を含めた若手研究者同士の交流を目的として企画されてきました。そのため、シンポジウム本会が纏まった研究成果の発表を主体とするのに対し、若手フォーラムはポスターセッションと講師陣による招待講演を中心に構成されます。今回、新学術領域研究「動的秩序と機能」からご支援をいただき、各分野で活躍されている若手講師を招き、バラエティに富んだ下記 5 件の講演を実施することができました。
「生体分子の分光スペクトルに現れる H/D 同位体効果の理論解析」 兼松佑典 博士（広島市大）会場およびポスターセッションの様子。

「機能性人工タンパク質の創製と疾患治療への応用の5

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October, 2016

アウトリーチ活動報告
虹のキャラヴァンサライ・
あいちトリエンナーレ２０１６
栗原顕輔（自然科学研究機構
岡崎統合バイオサイエンスセンター・A03 計画研究分担者）

さて、あいちトリエンナーレ２０１６と新学術との関わりですが、飯野亮太先生(A02 班)と筆者が「科学のデザインアート」のカテゴリーで、論文雑誌の表紙、裏表紙を飾った研究について、その表紙を出展しました(写真 1, 写真 2)。

平成 28 年 8 月 11 日から 10 月 23 日にかけて、岡崎で開催中の「虹のキャラヴァンサライ・あいちトリエンナーレ２０１６」への参加報告です。あいちトリエンナーレとは、愛知県の名古屋・豊橋・岡崎の 3 地区で同時に展開されている国際芸術祭のことで、愛知の写真 1. 飯野グループの展示作品各地域でアートプロジェクトを展開することで県内の元になった論文は、 J. Biol. Chem. 288, 32700-

アートコミュニティーを形成することを目的としてい32707(2013) です。

ます。2010 年から 3 年ごとに開催されており、今年で3 回目を迎えます。あいちトリエンナーレ２０１６の詳細につきましては、公式ホームページ(http://aichitriennale.jp/index.html)を、岡崎地区での美術展の様子は、オカザえもん ( 注 1) さんによる紹介記事(https://en.blendboard.jp/okazaki/feed/86454/7386253/14322694) をご覧ください。
今回のトリエンナーレでは「ART & SCIENCE」のコンセプトのもと、科学と現代アートのコラボ企画が展開されています。筆者の所属する岡崎 3 機関(分子科学

写真 2. 展示全体の様子 (矢印が筆者の作品)研究所、基礎生物学研究所、生理学研究所)でも「サイ元 に な っ た 論 文 は 、 Chem. Commun. 52, 7786-

エンス・ミュージアム in CIBICO(注 2)」と題して、研究7789(2016)です。

者とアーティストによる対談や、錯視に関するパネル展示、共焦点顕微鏡など一般の方があまり目にしないこの日は休日ということもあり、買い物客も大勢い実験器具などの展示を 8 月 6 日から 8 月 29 日の期間て盛況でした。来場者からも「興味深い」「おもしろい」限定で行いました。などの声がありました。筆者自身も普段は意識しない科学と芸術の融合が、とても刺激的でした。

(注 1) 愛知県岡崎市の非公式キャラクター
(注 2) CIBICO(シビコ)は岡崎市にあるショッピングセ【写真提供】鈴木達哉研究員 (A03 班・加藤グループ)ンター

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