“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 36

August, 2016

業績紹介：化学と数学でひもとくベルト状分子の構造〜分子の大きさが動的構造をきめる〜"Stereoisomerism, Crystal Structures, and Dynamics of Belt-shaped Cyclonaphthylenes"

Zhe Sun, Takuya Suenaga, Parantap Sarkar, Sota Sato, Motoko Kotani, and Hiroyuki Isobe
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., in press, (2016), DOI:10.1073/pnas.1606530113
かくなり、回転しやすくなっていくことがわかった。

佐藤宗太（東北大学 WPI-AIMR・A02
計画研究代表者）

6 枚のナフタレンからなる筒状の構造は、KEK フォトンファクトリーの NE3A ビームラインを使用した、放射光 X 線結晶構造解析により明らかにすることができた（図 2）。空孔を持つ大環状分子の結晶は、空孔内芳香族分子を環状に連結した分子を題材に、特に動で溶媒分子が激しくディスオーダーするため、また、的な物性と構造との相関に興味をもって研究を進めて軽元素のみからなる分子であり分子サイズも、たとえきている。今回、ナフタレンを環状に連結し、そのユば C60 フラーレンを上回るものであるため、良質な Xニット数を 6〜11 枚の範囲で変えた一連の分子を合成

線回折データを得ることが難しかった。結晶化と測定し、その構造的特徴を化学的・幾何学的に明確にする条件の最適化に努め、丁寧に解析することで、解析にことに成功した。

成功した。

芳香族分子である、ナフタレンを数珠つなぎに繋げ、なお、本成果はプレスリリースを行い（東北大学

その数を 6〜11 枚まで変えた 6 種類のベルト状分子をAIMR、JST）、また KEK IMSS、PF の web サイトで紹合成した（図 1）。ナフタレンの 2,6-位を使って環状に介された。

連結した場合、ナフタレンがひっくりかえることによる裏表が生じる。こうした要素を加味し、数学の順列と組み合わせの発展形から計算し、繋げる枚数と異性体の数を導いた。6 枚のナフタレンで構築したベルト状分子の立体異性体の数は、ジアステレオマーが 8 種類、エナンチオマーが 5 種類で合計 13 種類、11 枚のものではジアステレオマーが 63 種類、エナンチオマーが 63 種類で合計 126 種類にもおよぶ。幾何学の式を使って、明確にその数を明らかにすることができ、このような複雑な異性化を根本的に理解する基盤を築い

図 1：ナフタレンを 6〜11 枚、数珠つなぎにして構築したベルト状の分子とその堅さ／柔らかさ。

た。
つぎに、構造の剛直さを調べるため、ナフタレンのパネルが回転しない条件を、温度可変 NMR 測定により調べ、ナフタレンの枚数との相関を調べた。その結果、パネルの回転が始まる温度や、回転させるために必要なエネルギーといった重要な性質を定量化することができた。ナフタレンが 6 枚の場合、20 °C 程度の室温では回転しない堅い筒状の構造をとることがわかり、ナフタレンの枚数が増えるに従って、構造が柔ら

図 2：放射光 X 線を用いた単結晶構造解析により決定された分子構造。異性体の構造がディスオーダー解析により明瞭に決定できた。

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August, 2016

業績紹介：出発物質のわずかな違いを幾何学的に活用した動的秩序化〜120 本の結合を一挙に形成〜"Self-Assembly of M30L60 Icosidodecahedron"

Daishi Fujita, Yoshihiro Ueda, Sota Sato, Hiroyuki Yokoyama,
Nobuhiro Mizuno, Takashi Kumasaka, and Makoto Fujita
Chem, 1, 91-101, (2016), DOI:10.1016/j.chempr.2016.06.007
軟性、溶解度といった予測しきれない点は実際に合成

佐藤宗太（東北大学 WPI-AIMR・A02計画研究代表者）実験を通して検証した。生成物の解析は、イオンクーラーユニットを備えたブルカー・ダルトニクス社の質量分析計 maXis により、錯体分子の構造を損なわずにマススペクトルを得ることができた。また、単結晶を両 端 に結 合部 位を もつ 折 れ曲 が った 有機 配位 子得る条件を見いだし、放射光 X 線を用いた回折データ（ligand, L）と、Pd2+などの平面四配位の結合部位をもをも とに構造解 析を実施した。 単位格子の 体積がつ遷移金属イオン（metal ion, M）を出発物質とし、動641,600 Å3（monoclinic, C2/m, a = 122.3 Å, b = 78.3 Å, c的秩序化を用いると、すべての配位部位が使われ、対= 78.8 Å, β = 121.8 °）にも及び、また、体積の 90%が称性が高い MnL2n 球状錯体を合成できる。一見すると溶媒で充たされた空隙であるために、フラッシュクー多成分から生じる生成物の構造は多種多様である印象

リング法を用いた冷却によっても結晶性が損傷した。

があるが、3 次元空間として閉じた中空錯体は幾何学

最終的に、キャピラリーに結晶化溶媒と共に封入して的な制約を受けるために、n = 6, 12, 24, 30, 60 の 5 種類

室温で測定し、二十・十二面体（Icosidodecahedron）だけの構造が予測される（図 1）。これまでに、n = 6, 12,型の多面体の構造を決定できた（図 2）。

24 の合成とその構造決定を達成してきている。今回、120 本の配位結合を一段階の反応で一挙に形成し、n =30 の 90 成分からなる球状錯体の合成を達成した。
NMR、MS、単結晶 X 線構造解析という信頼性が高い手法により、その構造を確認できた。

図 1：5 種類しかない MnL2n 球状錯体のモデル構造．
幾何学的に考察すると、n = 30 の球状錯体の合成のためには、折れ曲がった有機配位子の角度を広げればよい。しかし、実際には一まわり小さい n = 24 の球状錯体が生じることが多く、角度の微調整が鍵であることがわかってきた。有機配位子の分子設計を理論化学

図 2：A) 放射光 X 線を用いた単結晶構造解析により明らかになった M30L60 球状錯体の構造．B) 電子密度マッ
プによる解析精度の確認．C) 巨大な内部空間の様子．
なお、本成果は Chem 誌創刊号に表紙掲載された。また、プレスリリースを行い（東京大学、JST）、SPring-8 の web サイトで紹介された。

による予測も併用して行い、また、分子の剛直性・柔2

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August, 2016

業績紹介：受精に関わる精子融合因子 IZUMO1 と卵子受容体 JUNO の認識機構の解明" Structure of IZUMO1-JUNO Reveals Sperm-oocyte Recognition during MammalianFertilization "Umeharu Ohto, Hanako Ishida, Elena Krayukhina, Susumu Uchiyama,Naokazu Inoue, and Toshiyuki Shimizu
Nature 534 (7608), 566-569, (2016), DOI:10.1038/nature18596

内山 進（大阪大学工学研究科、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 公募研究代表者）

写真

哺乳類における受精の過程において、結合や膜融合に関わる因子は特に重要視され、長い間研究の対象として注目されてきました。IZUMO1 は精子表面に存在する I 型膜タンパク質、JUNO は卵子表面に存在する複合体は、IZUMO1 の中央の β ヘアピン構造と JUNOの疎水性ポケットの裏側で結合しており、互いに相補的な形状で相互作用していました（図 1b）。結合に重要だと考えられる IZUMO1 の残基に変異を入れた変異体 IZUMO1 を発現させた COS7 細胞は卵母細胞への接着が著しく減少したことから、受精においてIZUMO1-JUNO 複合体形成が重要であることが示されました（図 1c）。本研究により、受精の最初のイベントである精子と卵子の結合がどのような相互作用によって起こっているのかが明らかとなりました。

GPI アンカー型のタンパク質で互いに結合することが分かっています。いずれのタンパク質も欠損させることで受精が起こらなくなることから、精子と卵子の認識において必須の役割を果たしていると考えられます。
今回、IZUMO1 単体、JUNO 単体、IZUMO1-JUNO複合体の 3 種類の結晶構造を、2.0～3.2 Å の分解能で決定しました。IZUMO1 は細長いロッド状の構造、JUNO は球状の構造をしていました。また、IZUMO1と JUNO は 1 対 1 の比率で複合体を形成しており、基本的にそれぞれ単体の場合と同じ構造でした（図 1a）。
超遠心分析により、溶液中で、IZUMO1 は二量体化する傾向を持っていること、JUNO は単量体で存在すること、IZUMO1 と JUNO は結晶構造と同様に 1 対 1 の複合体を安定に形成することが分かりました（図 2）。

図 1: IZUMO1-JUNO 複合体の結晶構造（a, b）と細胞を用いたアミノ酸置換による重要残基の検証(c)構造を詳細にみると、IZUMO1 は、N 末端側の４本の α へリックスの束からなる IZUMO ドメイン、中央部分のβヘアピン構造、C 末端側のイムノグロブリン様ドメインから構成されていました。中央の β ヘアピン構造が主に JUNO との結合に関与していて、この部分は N 末端側 IZUMO ドメインと C 末端側イムノグロ

図 2: 超遠心分析による IZUMO1 の濃度依存性（左）ブリン様ドメインとジスルフィド結合でつながれるこおよび IZUMO-JUNO 複合体の化学量論（右）とにより安定化されていました。また IZUMO1-JUNO3

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August, 2016

業績紹介：ハミルトニアンレプリカ置換分子動力学シミュレーションを用いたアミロイドベータ(29-42)の多量体形成"Oligomer Formation of Amyloid-β(29–42) from Its Monomers Using
the Hamiltonian Replica-Permutation Molecular Dynamics Simulation"
Satoru G. Itoh and Hisashi Okumura
J. Phys. Chem. B, 120, 6555-6561, (2016), DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b03828

伊藤暁（分子科学研究所
・A03 公募研究連携研究者）
奥村久士（分子科学研究所
計算科学研究センター
・A03 公募研究代表者）

体形成過程で三量体状態を経由せずに、2 つの二量体の状態を経由する過程も考えられるが、2M1D 状態と2D 状態の間の自由エネルギーバリアが高く、このような形成過程は自由エネルギー的に不利であることが分かった。この結果は、小さなオリゴマーが会合してより大きなオリゴマーを形成するよりも、オリゴマーに順次単量体が結合して大きなオリゴマーを形成する方が自由エネルギー的に有利であることを示唆している。

アミロイドベータペプチド（A）が形成するアミロ

また、A(29–42)のオリゴマー形成に関して、A(29–42)

イド線維はアルツハイマー病との関連が指摘されてい間の相互作用だけでなく、溶媒も重要な役割を果たしる。Aの 29 番目の残基以降の C 末端部分はアミロイていることを示した。

ド線維形成を促進することが知られており、29 番目から 42 番目の残基からなるフラグメント A(29–42)はそれ自身でアミロイド線維を形成する。アミロイド線維形成初期にはオリゴマーが形成されるが、その形成過程の詳細は明らかになっていない。アルツハイマー病
は Aのオリゴマーが原因とも考えられており、オリゴマー形成過程の解明は不可欠である。そこで、我々は水中の A(29–42) 4 分子に対するハミルトニアンレ
プリカ置換分子動力学シミュレーションを行い、四量体形成の過程を調べた。
A(29–42) 4 分子に対して、5 つの状態を考えることができる。5 つの状態は 4 分子が全て単量体の状態（4M）、2 分子が二量体を形成して残り 2 分子が単量体の状態（2M1D）、3 分子が三量体を形成し残りの分子が単量体の状態（1M1Tr）、2 つの二量体が形成されている状態（2D）、四量体の状態（1Te）である。四量体形成過程は 4M 状態から 1Te 状態へ状態遷移に対応している。
シミュレーションの結果、図 1 に示すように、単量体状態から二量体が 1 つ形成され、次に三量体が形成

図 1：A(29–42)が四量体を形成する様子。2M1D 状態され、最後に四量体が形成される（4M→2M1D→1M1Trと 2D 状態の間には高い自由エネルギーバリアが存在→1Te）という四量体形成過程が明らかとなった。四量する。各状態の代表的な構造も示す。

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August, 2016

業績紹介：内部で膜生成触媒を合成するベシクル系の構築-脂質合成リボザイムを内包する人工細胞の創成に向けて"Generation of Catalytic Amphiphiles in a Self-reproducing Giant Vesicle"
Li Sheng, and Kensuke Kurihara
Chemistry Letters, 45, 598-600, (2016), DOI:10.1246/cl.160107

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）

駆体の総量とほぼ同じにしたところ、これまでの脱水縮合反応だけでなく加水分解反応もおこり、平衡が解消された。デシルアニリンを各前駆体が奪い合うことで、膜生産と触媒分子生成がデシルアニリンを介して二生産系の振動反応が示唆された。

近年、生命の基本的性質を定義したモデルを分子レベルから構成し、それらが創発する現象から生命の普遍的性質を考察する「構成的生物学アプローチ」が注目を集めている。我々の研究室は、構成的生物学アプローチに基づき、中空状の脂質膜であるベシクル(リポソーム)を擬似細胞膜とし、有機化学的な手法を用いてベシクル型人工細胞の構築を目指している。
本研究で構築した系は、生命に必須な要素である「境界」と代謝のための「触媒」を、同一のベシクル内部で有機化学的に合成した系である (図 1)。本系は二系の合成経路からなる。まずベシクルがアルデヒド基を

図 1. 本研究の概要図
触媒合成と膜分子合成を同一ベシクル内部で行う。

持つ触媒分子前駆体を取り込み、デシルアニリンと反応して膜分子生産のための触媒をベシクル内部で合成する。次いで、同じくアルデヒド基を持つ触媒分子をもつベシクルが膜分子の前駆体を取り込み、触媒分子がベシクルの膜分子合成を促進する。
膜分子増殖に伴い、ベシクルが肥大(図 2b-f)・分裂(図 2g)するダイナミクスを、微分干渉・蛍光顕微鏡を用いてリアルタイム観察した(図 2)。触媒と膜分子が同じイミン結合を持つ一本鎖型両親媒性分子とし、デシルアニリンという共通の“養分”から生成する設計を施すことで、触媒生産と膜分子生産が連動する系が誕生した。

図 2. ベシクルの自己生産ダイナミクスの顕微鏡写真
新しいベシクル(矢印)が触媒を含むベシクルから誕生した。

本系では、養分であるデシルアニリンが触媒分子と膜分子の各前駆体の総量より多いため、ベシクル内部において触媒分子も膜分子も単調増加していくことがNMR や質量分析から示された。デシルアニリンを各前

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August, 2016

加藤グループの谷中冴子さんと内山グループの石井健太郎さん
が 80 回日本生化学会中部支部支部会にて奨励賞を受賞とが期待されての受賞であったと思います。両名のま加藤晃一(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

すますの活躍に期待します。支部会終了後は名古屋に移動し、グループで食事会を行いました。谷中博士、石井博士両名の受賞を祝賀するとともに、シンポジウ

計画研究代表者)

ムにて質疑を行った名古屋市立大学 4 年生の吉田さん、内山 進姫田さんを労いました。

（大阪大学工学研究科、自然科

次年度行われる第 81 回日本生化学会中部支部支部

学研究機構岡崎統合バイオサイ

会は当グループの主催により、名古屋市立大学・薬学

エンスセンター・A03 公募研究代表者）

部キャンパスで行われる予定です。現在グループを挙げて準備を進めております。中部地区の皆様におかれ加藤グループの谷中冴子特任助教（分子研）および内山グループの石井健太郎研究員（岡崎統合バイオサ

ましてはぜひとも積極的にご参加いただけますよう、何卒よろしくお願い申し上げます。

イエンスセンター）が第 80 回日本生化学会中部支部例会にて奨励賞を受賞しました。第 80 回日本生化学会
中部支部支部会は 2016 年 5 月 21 日に三重大学にて行われました。120 名を超える参加者が集まり、シンポジウム「先端生命科学と生化学」とポスター発表が行われました。シンポジウム「先端生命科学と生化学」
では、著名な生化学研究者 3 名（九大・医 佐々木裕之先生、京大・農植田和光先生、京大・生命 石川冬木）による講演があり、それぞれの先端的生命科学授賞式の贈呈の様子研究について、大変わかり易くお話し頂きました。本
支部会には当グループの名古屋市立大学 4 年生も参加し、シンポジウムにて果敢に質疑を行いました。ポス
ター発表は 61 演題と大変盛況でした。その中で、大学院生を含む若手研究者、計 9 名に奨励賞が贈られました。
谷中博士は「動的構造解析を通した抗体の高機能化」、石井博士は「タンパク質-リガンド複合体の超分子質量分析」の演題でポスター発表を行いました。谷中博士、石井博士はそれぞれ、高磁場 NMR, 高精度 ESI-MS による先端的計測手法を取り入れた蛋白質−蛋白質相互作用研究について発表を行いました。NMR や MS を普段使

第 80 回日本生化学会中部支部支部会にて、加藤グループメンバーと石井健太郎博士

用しない研究者からも好評価をいただき、これらの先端計測技術が今後とも生化学の発展に貢献していくこ

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August, 2016佐藤啓文グループの笠原健人さんが第 19 回理論化学討論会において最優秀ポスター賞を受賞
こうした状況の下、笠原君は系の解析的記述を追求佐藤啓文（京都大学工学研究科・A01 計画研究代表者）

する液体の積分方程式理論の立場から、この問題に取り組み、拡散律速反応ダイナミクス理論の枠組みを構築しつつあります。実際の研究過程では数値解法の処理など、技術的な側面での苦労も絶えなかったようで

平成 28 年 5 月 23 日から 25 日まで、早稲田大学西早すが、一つ一つを根気強く、丹念に解決してきました。

稲田キャンパスで開催された第 19 回理論化学討論会

理論の詳細については現在執筆中の論文に譲る事としにおいて、博士後期課程大学院生・笠原健人君が最優ますが、自己集合過程は、系を構成する分子の拡散的秀ポスター賞を受賞しました。同討論会は、理論化学挙動に依存するはずです。こうした研究はその理論的研究会の主催により毎年一回開催されており、理論化基盤を提供するものとして意義深いと考えております。

学、計算化学、情報化学といった分野（さらには実験

笠原君は第 36 回溶液化学シンポジウムにおいても化学も）の研究者が集い、活発な議論が行われていま「SSSV 方程式の三次元化および電解質溶液への適す。2 年前の第 17 回討論会から若手研究者および大学用」で優秀ポスター賞を受賞しています[1]。溶液内分院生を主な対象とした講演賞・ポスター賞を創設して子の拡散過程に対する様々なアプローチを創出してきおり、特に後者について本年度からは、優秀ポスターており[2]、博士後期課程の最終年度にあたって、拡散賞（２件）の他に、イギリス王立化学会 Phys. Chem.

現象に対する独自の立場・視点を確立しつつあります。

Chem. Phys. (PCCP) 誌支援のもと最優秀ポスター賞がまた先達ても、蛍光消光反応に取り組む実験研究者を１件選出されることとなりました。笠原君は、その記

訪ね、自身の理論の今後の展開について討論してもら念すべき第１回目を「分子性液体中における拡散律速う機会を得ました。笠原君の受賞を心からお祝いする反応ダイナミクス」と題する研究で受賞しました。

とともに、一層の飛躍を期待したいと思います。

凝縮系における化学反応の中にあって、拡散過程に支配される「拡散律速反応」は重要なトピックスであり、蛍光消光反応など古くから実験的研究が行われてきました。一方、理論的な観点から、これはなかなか厄介な問題です。もちろん、凝縮系を記述する上で分子動力学法(MD 法)は今日もっとも一般的で、直接的なアプローチです。原理的には拡散律速反応へも適用することが可能ですが、通常の平衡状態の MD に比べ、適切に統計収束した結果を得るために必要な計算コストが大きいために、現時点では二原子分子液体等、単純な系にしか適用されて来ていません。またより現象論的な立場からは、適切な境界条件を課した
Smoluchowsk 方程式や Fokker-Planck-Kramers 方程式による取り扱いが提案されていますが、いずれも分子を球体と仮定するなど、極めて簡単なモデルに基づい参考文献ています。もちろん、実際の反応は分子同士の衝突に[1] ニュースレター vol. 3.

誘起されるものであり、その相対的な配向が重要な因[2] K. Kasahara, H. Sato, J. Chem. Phys., 140, 244110

子であることは間違いありません。

(2014); ニュースレター vol. 11.

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August, 2016

栗原班員らの研究が新聞に掲載される
A03 計画研究分担者の栗原顕輔班員の研究紹介記事が 7 月 17 日（日）朝 日 新 聞 『 先 端 人 』の コ ーナーに掲載されました。

URL: http://www.asahi.com/area/aichi/articles/MTW20160719241370001.html

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August, 2016

新学術領域研究「動的秩序と機能」第３回若手研究会のご案内
昨年、一昨年に続き、第３回若手研究会を以下の通り開催いたします。この会は、班員の研究室に所属される大学院・学部学生、博士研究員、助教等の若手研究者の方にご参加頂き、研究発表等を通じて本領域についての理解を深めるとともに、若手研究者レベルでの共同研究も含めたネットワーク作りを進める機会にして頂きたいと考えております。なお、今回も学生オーガナイザーの方に会の運営を担当して頂きます。
日時：2016 年 10 月 11 日(火)～13 日(木)会場：片山津温泉

加賀観光ホテル（http://www.kagakankoh-hotel.co.jp/）
加賀温泉駅（京都・名古屋から 2 時間、東京から北陸新幹線＋在来線で 3 時間）、小松空港（羽田から 1 時間など）から送迎あり
世話人：芳坂 貴弘（北陸先端大）
学生オーガナイザー：
甲斐 詢平

東京大（平岡研）

松井 秀介

信州大（鈴木研）

山本 陽平

東京農工大（養王田研）

與語 理那

名古屋市立大（加藤研）

内容：・招待講演・参加者による口頭発表
・参加者によるポスター発表（ポスター賞あり）※既に発表した内容でも構いませんので、なるべく全員の方に発表をお願いします。
・特別企画（グループワーク演習、研究活動の社会科学的考察に関する講演）・エクスカーション（中谷宇吉郎 雪の科学館 http://kagashi-ss.co.jp/yuki-mus/yuki_home/）
参加費：2 万円を予定（2 泊 3 日）
参加申込み方法：氏名、所属、職位/学年、性別、E-mail アドレス、口頭発表希望の有無、ポスター発表希望の有無、を記載の上、seimei_summer@riron.moleng.kyoto-u.ac.jp までお送り下さい。なるべく研究室単位でお申し込みをお願いします。
参加申込締切：8 月 31 日
多くの皆様のご参加をお待ちしております。
芳坂貴弘（北陸先端大マテリアル、A02 計画研究代表者）

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