新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

計画班ワークショップ 開催報告
神取 秀樹

（名工大院工・総括班）

識を共有しており、なごやかな雰囲気はある一方、中間評価が迫っていることもあって、プレゼンや質疑に本新学術領域においては、比較的、少人数でテーマ

は緊張感が感じられた。10 グループの計画研究はいずを絞って行うワークショップの開催が大きな特徴であれもすでに高い達成度を示しており、科研費の実績報

り、班員の自由な発案をもとに会場費や旅費が総括班

告書的には、「当初の計画以上」か「おおむね順調」でから援助される。初年度には 2 回、平成 26 年度には 7あることが確認できた。

回のワークショップが開催されており、本年度もさま

夕食までの時間は個別の研究の検討だけに費やした

ざまな企画が検討されている。

ため、研究ハイライトや共同研究の議論をすべく午後

平成 27 年度、最初の企画として計画班ワークショ

8 時過ぎに宿泊用のコッテージに集合して討議を継続

ップが 5 月 1 日（金）、2 日（土）に静岡県御殿場市のした。そのためのスクリーンは準備していなかったも時之栖で開催された。このワークショップは、今年度のの、幸い円形のコッテージ内の白壁に映写することに予定されている当新学術領域の中間評価に向けて、ができた（写真右）。共同研究担当の立場としては、計各計画班員が当初計画に基づき現況を報告し、ハイラ

画班員がそれぞれに積極的な共同研究を展開している

イトとなる達成内容を討論することを目的とした。同ことに好感が持たれた。特に、2 グループによる（文時に共同研究に関する進捗を報告し、さらなる展開の

字通りの）共同研究だけでなく 3 グループによる展開可能性を検討することも予定していた。

（線から面への拡がり）がいくつか見られていたが、ゴールデンウイークの晴天の中、美しい富士山を横その中でも中西尚氏の試料を軸とした理論（倉重氏）

目に見ながら会場に集結した計画班員は、1 日の午後と高速分光（高屋氏）に NMR 分光（川村氏）が加わ

1 時から会議室に缶詰めになってワークショップを行って 4 グループの共同研究に進展していることは特筆った（写真左）。領域代表・田原氏のあいさつ、事務局・できる。計画班員である中西尚氏に 3 名の公募班員が藤井氏からの中間評価に関する説明に続いて、A01 の加わっての研究展開は、新学術領域における共同研究

3 名（北尾氏、林氏、森田氏）、A02 の 4 名（水谷氏、田原氏、高橋氏、藤井氏）、A03 の 4 名（神取、村橋の理想の姿として高く評価したい。ちなみに夜の部が終了した時間は、すでに二日目に日付がかわっていた。

氏、中西氏＋吉沢氏）の計画研究の進捗状況を検討しワークショップ二日目は、比較的余裕をもった日程

た。具体的には、申請した計画とその達成度、さらにのもと、参加者が富士山を眺めながら自由討論を行い、は共同研究について計画班員が 10 分程度で説明した

個々の共同研究の課題や解決法などを議論した。

後、質疑を行ったわけであるが、富士山を眺めるため

5 月末には中間評価資料をもとにコアメンバーが取の十分な休憩時間を確保していたにも関わらず、実際

りまとめを行い、7 月の国際シンポジウムにおいて評には議論が白熱して、トイレ休憩の確保がやっとであ

価委員からコメントをいただいた上で中間評価に臨むった。計画班員は準備期間も入れると 3 年近く仲間意ことになる。

121

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

業績紹介：SFG 分光の偏光測定と表面分子配向の関係とは？
― メタノールのメチル基の表面配向
石山 達也
森田 明弘

（富山大工・A01 計画研究分担者）（東北大理・A01 計画研究代表者）と結論された[1]。そのため高濃度で SFG 強度が減少す
るのは配向が乱れるためではなく、表面第 2 層が逆向きに成長するため（シナリオ２）という説が現れた。
一体どちらが正しいのだろうか？

論文題目："Surface Structure of Methanol/Water Solutions

そこで本研究においてメタノール水溶液でモル分率

via Sum-Frequency Orientational Analysis and Molecular
Dynamics Simulation"x を系統的に変化させて SFG を計算してみたところ、

著者：T. Ishihara, T. Ishiyama, and A. Morita*

上の実験的な特徴 2 つ（SFG 強度の turn-over および一

雑誌巻号：J. Phys. Chem. C 119, 9879-9889 (2015).

定の偏光強度比）が確かに計算で再現された。さらにMD で得られた表面配向を直接調べたところ、高濃度

液体の表面では異方的な環境のため、分子は一般にでメチル基配向が乱れていく傾向が明らかで、表面第片寄った配向を示す。その分子配向は表面構造の最も2 層が逆向きに成長することはないことも示された。

基本的な特徴であり、界面分光測定からも盛んに議論

これは上のシナリオ１を支持している。

されてきた。和周波発生(SFG)分光では、光の偏光によ

それでは分子配向が変化するのに、SFG 偏光強度比

る違いを利用して分子配向を測ることが一般的である。

が一定であるのはなぜなのか。そこで従来の偏光解析（平たくいえば、光の偏光面が分子配向に合致したとの手順を検討して、その中に含まれる配向角分布に関きに強いシグナルが出るようになる。
）しかし SFG のする仮定に重大な問題があることを明らかとした。従偏光測定から分子レベルの表面配向角を導出すること

来分子配向はある典型的な角度の周りに分布をもつとはそれほど単純ではなく、これまでの実験解析には多して、Gauss 分布などを仮定した解析がなされていた

くの仮定が必要とされてきた。その一方、本研究グル

が、メタノールの配向には全く当てはまらず、誤った

ープでは分子動力学（MD）シミュレーションによっ結論を導いてしまう。さらにメタノールのメチル基て SFG スペクトルを計算することを可能としてきた。

CH3 では、隣接 OH のために 3 回対称軸が破れ、従来MD を用いれば、液体界面の分子配向も、そこから得の C3v 対称性に基づく超分極率の分子モデルからのずられる SFG シグナルの偏光依存性も、共通の構造かられが大きいことも明らかとなった。本研究は、これま計算できるメリットを生かして、両者の関係を曖昧さで SFG 分光で広く用いられてきた配向解析に限界がなく明らかにすることができる。

あり、信頼できる配向結果を得るには精密化する必要

配向測定の検討は、水とメタノールの混合溶液で行を示している。

った。水とメタノールは歴史的にも初めて SFG スペク
トルが観測された液体で、我々の理論研究でスペクトル構造が詳細に解明されている。とくにメチル基の配向は、他のアルキル基や有機分子配向の指標として多く用いられており、そこでメチル基の配向を検討した。
メタノール水溶液でのメチル基の C-H 対称伸縮シ
グナルは数多くの実験測定例があり、一般にメタノー
ルのモル分率 x をあげていくと強度が上昇するが、高濃度(x > 0.5)になると強度が下がるようになる。このturn-over の振る舞いを説明するには、初めメタノールの表面濃度が高くなってシグナル強度が上昇するが、メタノール水溶液でモル分率を変えた際のやがて表面で飽和すると分子配向が乱れていくため

C-H 対称伸縮振動の turn-over（シナリオ１）と考えられた。しかし SFG の偏光測定によると、偏光面を変えた強度比(ssp/ppp)はモル分率 x

引用文献を変えても一定のままで、分子配向角には変化がない[1] J. Sung et al. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 18507.

122新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

業績紹介：発光強度が温度に依存するランタノイド化合物～発光・消光過程におけるエネルギー・構造変化を簡便に計算する～制であるため、寿命が非常に長い。そのため、Tb3+から

畑中 美穂(近大理工・A01 公募研究代表者)

配位子への逆向き EET(5b)や、配位子の三重項から一重項基底状態への項間交差(5c)が発光よりも速く進め

論文題目："Exploring the Reaction Coordinates for ff

ば消光してしまう。ここで、(5a)-(5c)のうち速度が温度

Emission and Quenching of Lanthanide Complexes –に依存するのは、(5b)と(5c)の過程のみである。つまり、

Thermosensitivity of Terbium(III) Luminescence"

発光強度の温度依存性を理解するには、消光の反応障

著者：Miho Hatanaka and Keiji Morokuma

壁を決める(5b)(5c)における分子構造とエネルギーを

雑誌巻号：J. Chem. Theory Comput. 10, 4184-4188 (2014).

明らかにすれば良い。

ランタノイド(Ln)を用いる発光材料は、照明、ディス

起状態計算を回避して、簡便に(5b)(5c)を求めることはプレイ、生体内プローブなど、様々な分野で用いられできないだろうか？ここで、4f 電子が周囲環境の影響ている。これらの分野に対する理論化学の貢献は多くを受けにくいことに着目しよう。まず 4fN 準位間のエなく、理論的分子設計は、ほとんど行われていなかっネルギー差は系に依存せずほぼ一定値を持つ。
また 4fN

た。Ln 発光材料には、多くの場合、開殻 4f 軌道間の準位の PES の形は、4f 軌道内の電子配置が変わっても電子遷移（f-f 遷移）が用いられる。この 4f 電子が曲者

ほぼ変わらない。そこで、図 1 の Tb3+の 5D4 励起状態

で、開殻電子であるにも関わらず、閉殻 5s・5p 電子にの PES は、7F6 基底状態の PES を励起エネルギー(実験外側から遮蔽されるため、周囲環境の変化の影響をほ値)分シフトさせることで近似的に記述できると考え

とんど受けない。そのため、ff 遷移による発光波長はた。(図 2) この近似により、求める 3 状態の Tb3+の電周囲環境の変化によらず、ほぼ一定で、孤立イオンと子状態は全て 7F6 となる。そのため、Tb3+の 4f8 電子を同様のシャープなピークを持つ。この性質を巧みに利有効内殻ポテンシャルに含めてしまえば、求める 3 状

用した発光材料の一つに温度センサーがある。例えば態は一重項・三重項基底状態で表現される、つまり、

Tb3+錯体の場合、5D4→7F2 に起因する緑色発光を示す

簡便な基底状態計算法で記述できることになる。

しかし、Ln 錯体の励起状態計算は非常に難しい。励が、温度が変化しても発光色は変わらず、発光強度だ
けが変化する。しかも、この発光強度の温度に対する変化率は、配位子に大きく依存する。1 このような温度に対する発光強度の変化を理解するためには、図 1 に示す Ln 錯体の発光・消光過程を理解する必要がある。

図 2：消光過程に関わる PES とその交差点
この方法を用いて、3 種の配位子を持つ Tb3+錯体の発光温度依存性 1 について調べた。配位子が-ジケト
ンの場合(i)、温度上昇に対して発光強度が減少する
が、NO3の場合(ii)は、発光強度が微増する。この理由が発光・消光過程の律速段階の違いに起因すること
図 1：Tb3+錯体の発光・消光過程が分かった。(i)では配位子の項間交差(5c)が消光過程

まず、配位子の吸光により一重項励起状態に励起(1)さの反応障壁になるが、(ii)では EET(3)が発光過程の障れた後、三重項状態に緩和する(2)。その後、配位子か壁になっていた。 今後はこの計算方法を Ln 多核錯ら

Tb3+への励起エネルギー移動(EET; 3)が起こること

体に拡張し、温度に対する発光強度の変化率の異なる

3+

で Tb のみが励起された状態に至る。ここからの発光

配位子を理論的に設計することを目指していく。

を一般に ff 発光(5a)と呼ぶが、ff 発光はパリティ禁引用[1] S. Katagiri, Y. Hasegawa, S. Yanagida, Chem. Lett. 33, 1438 (2004).

123

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

業績紹介：2 次元ヘテロダイン検出和周波発生分光法を用いた
帯電した界面における水の超高速振動ダイナミクスの研究
井上 賢一 (理研・A02 計画研究協力者)
二本柳 聡史 (理研・A02 計画研究協力者)
山口 祥一 (埼玉大院理工・A02 計画研究分担者)
田原 太平 (理研・A02 計画研究代表者)

音とのフェルミ共鳴によって分裂しているということを示唆している[1]。
CTAB/HOD-D2O 界面の 2 次元スペクトル(図 1 (c))には、
OH 伸縮振動の v = 0→1 遷移のブリーチ(赤)と v = 1→2 遷移に相当するホットバンド(青)が観測された。ブ

論 文 題 目 ： "2D heterodyne-detected sum frequency

リーチは励起波数依存性を反映して傾いており、OH

generation study on the ultrafast vibrational dynamics of

伸縮振動バンドが不均一に広がっていることを示して

H2O and HOD water at charged interfaces "いる。この傾きの時間変化の解析から、水素結合の再著者：Ken-ichi Inoue, Satoshi Nihonyanagi, Prashant C.

構成や OH 伸縮振動間のエネルギー移動によって 0.3

Singh, Shoichi Yamaguchi, and Tahei Tahara

ピコ秒程度の時間スケールでスペクトル拡散が起こる

雑誌巻号：J. Chem. Phys. 142, 212431 (2015).

ことが分かった。
一方、CTAB/H2O 界面の 2 次元スペクトル(図 1 (d))
で は 、 定 常 ス ペ ク ト ル の ピー ク に 対 応 す る(pump,

帯電した水界面は、生体膜界面や電極界面など身近

2)=(3200 cm-1, 3200 cm-1)と(3400 cm-1, 3400 cm-1)に 2に存在し、表面電荷と対イオンが形成する電気二重層つの対角成分と(pump, 2)=(3400 cm-1, 3200 cm-1)との影響を受けた水の分子レベルでの構造やダイナミク(3200 cm-1, 3400 cm-1)に 2 つの非対角成分を持つブリースは非常に興味深い。本研究では、カチオン性界面活チが観測された。この複雑なスペクトルは、定常スペ

性剤 CTAB (cetyltrimethyl ammonium bromide)で形成しクトルで議論されてきたフェルミ共鳴とたモデル水界面に対して、界面選択的な分光法である

CTAB/HOD-D2O 界面で観測された不均一広がりを考

2 次元ヘテロダイン検出和周波発生分光法を用いた振動ダイナミクス測定とそのシミュレーションを行った。

慮したモデルを用いたシミュレーションを基に理解す

その結果、帯電した界面における水の超高速振動ダイることができる。フェルミ共鳴なしのシミュレーショ
ンで得られた定常・2 次元スペクトル(図 2 (a) (c))は、ナミクスの統一的な理解が得られた。

分子内・分子間結合の弱い CTAB/HOD-D2O 界面の実

CTAB/H2O 界面の OH 伸縮振動領域の定常スペクト

験結果と一致する。そして、フェルミ共鳴を考慮する

ル(図 1 (b))は 3200 cm-1 と 3400 cm-1 に 2 つのピークを持 つ 。 こ れ ら の ピ ー ク は 、 当 初 そ れ ぞ れ ”ice-like”と、図 2 (b) (d)に示す通り CTAB/H2O 界面で得られたと”liquid-like”という 2 つの構造の異なる水分子に由来

実験結果の特徴をよく捉えて定常・2 次元スペクトルを再現できる。
このように、帯電した界面における H2Oすると考えられていた。しかし、D2O を用いて同位体と HOD の 2 次元スペクトルはフェルミ共鳴と不均一希釈した HOD-D2O を用いて分子内・分子間結合の寄広がりで統一的に解釈できることが明らかとなった。

-1

与を取り除くと 3400 cm に単一のピークとなる(図 1(a))。これは、CTAB/H2O 界面の 2 つのピークは水分子の構造の違いではなく、OH 伸縮振動が変角振動の倍

図 2.

定常スペクトルと 2 次元スペクトル(遅延時間 0.0ps)のシミュレーション結果。
(a) (c) フェルミ共鳴なし, (b) (d) フェルミ共鳴あり

図 1. 定常スペクトルと 2 次元スペクトル(遅延時間 0.0 ps)。
(a) (c) CTAB/HOD-D2O 界面, (b) (d) CTAB/H2O 界面

124

引用文献
[1] S. Nihonyanagi, et al., JACS 132, 6867 (2010).

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

業績紹介：高速一分子蛍光計測により明らかにした BdpA のフォールディング運動の複雑さ
小井川浩之 (東北大学・A02 計画研究連携研究者)
鎌形清人 (東北大学・A02 計画研究連携研究者)
新井宗仁 (東京大学・A03 班友)高橋

聡 (東北大学・A02 計画研究代表者)

論文題目：”Complexity of the Folding Transition of
the B domain of Protein A Revealed by the High-Speed
Trackingof Single-Molecule Fluorescence

Time

Series”
著者：Hiroyuki Oikawa, Kiyoto Kamagata, Munehito
Arai and Satoshi Takahashi
雑誌巻号：J. Phys. Chem. B, 119, 6081–6091 (2015).
図：（左）BdpA の構造。残基番号 22 と 55 に色

プロテイン A の B ドメイン（BdpA）は、ヘリッ

素をラベルした試料１と番号 5 と 55 にラベルしクスが三つ束ねた構造を持つ小タンパク質である

た試料２を用意した。
（右）時系列データの例。

（図）。BdpA は、変性状態と折り畳まれた状態の二状態間のフォールディング転移を示す代表例の試料１が変性状態にある条件にて得られた。表一つであり、変性剤がない条件では 105 s-1 を越える

題の文献の図を一部改変して作図した。

フォールディング速度を示す。そのため、フォー
ルディング研究のモデルタンパク質の一つとして、実験および理論による研究が積み重ねられている。

態の構造の不均一性である。図に示すように、変性状態における時系列データは、分子毎にわずかに異なるエネルギー移動効率を示している。一般

本研究では、当グループが開発した高速一分子蛍に、変性状態のタンパク質鎖は数十ナノ秒の時間

光測定装置を用いることで、BdpA が示すフォール

領域における揺らぎ運動を行うと考えられている。

ディング転移を詳細に調べた。

そのため、我々の時間分解能では構造間の平均化

我々は、タンパク質に蛍光共鳴エネルギー移動が起こり、変性状態でも単一の移動効率のみが観のドナーおよびアクセプターとして働く蛍光色素

察されるはずである。このような常識に反し、我々をラベルし、色素間のエネルギー移動を一分子レのデータは、変性状態における構造の不均一性は、ベルで観測する実験を続けている。特に、マイク

マイクロ秒よりも長い時間スケールでも残ってい

ロ流路とライン共焦点顕微鏡を組み合わせること
で、単位時間当りに得られる蛍光光子数を増やし、ることを示している。これは、変性状態のタンパ
ク質の描像を変える可能性のある観察である。

従来の装置の時間分解能（ミリ秒程度）を劇的に今後、他のタンパク質についての観測やより高向上させ、最短で 20 マイクロ秒の時間分解能での時間分解能での観察を行い、構造の不均一性の一一分子観察を可能にした。また、エネルギー移動

般性や、フォールディング機構における意義を追効率をより正確に見積もることも可能にした[1]。

求する予定である。

蛍光色素をラベルする位置を変えた二つの試料を用意し、180 マイクロ秒の時間分解能で多数の時

引用文献

系列データを取得した。データを詳細に解釈する[1] Oikawa, H.; Suzuki, Y.; Saito, M.; Kamagata, K.;

ことで、通常の実験では二状態的な転移を示す

Arai, M.; Takahashi, S. Sci. Rep. 3, 2151 (2013).

BdpA が、一分子レベルでは複雑な運動を示すことが明らかとなった。
本研究の過程で我々が最も驚いたのは、変性状

125新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月)(,'!"%+






Ă £đÞ¾UA02 ir×Ûûª×ÛåĒ
Ö¹ ÝđÞ¾UA02 ir×Û_ìåĒ#&$!áµ"6OQVSFGgy

CQ7Ô

7ô

),/lhÑ

·

,<TD

hýÙ/Ì,'gyď¢+tlçRJQ),ď¢s/À
,6OQ

s!Ä

£p

Ë£Ó"6OQNHcâ©q
îÄ-

TA(

Ã-"Ü»/¼ÅÁÎċèß1¯ą

)$1MAICTA"ZC|Õ¯Æ"vë:V@¸ú/§
α−6N@PH:T¿Ò/Ć',[1]6OQVSFG"Ĉ»uÜ»/¼Îċ!<TD

I>S=3T¶k½

Îċ

7ô!\º¸ú/ñ%,­¥½6OQ
VSFGlØ°m!},

HD-VSFG;K7@Q!¯ą,<TD7ô!×ÛøÎċÍ´,

α−6N@PH:TÅÁ!Ü»Îċ

LN=3T¶kVSFG½/

*

Îċ

ÅÁìċ!6OQVSFGgy*Îċl/×Û,¥½Ċ«ë.-

*"

*gy"

!×Û"ĈĊjĐ³aX!<TD7ô¼©q~¾ÐËđVSFGĒlh½"ďÎċþ¦Ì&&Îċvëβ:V@¸úÍ´,/v®,ä*-,&*o,-&*

6OQHD-VSFGgy!Ĉ!eÔò ¬ č Ò Ĕ ”Heterodyne-Detected Achiral and ChiralVibrational Sum Frequency Generation of Proteins at
Air/Water Interface”
èåĔMasanari Okuno and Taka-aki IshibashićðyĔJ. Phys. Chem. C, 119, 9947-9954 (2015).

/§



\º¸ú



àü,

bÎċ

s/öF4VQ?2T8-ïā,*!gy!w

¯ą


.

,

xæ,¤"`n6OQVSFGgy/I>S=3T¶k,I>S=3T¶k6OQ©q~¾ÐËđHD-6OQVSFGĒlh½/ĄÐ/}[2]²×Û"HD-6OQVSFG/Ü»/¼Îċ
,0#

ô

Ìď¢<TD7ô!

\º¸ú!¡/,/Ò¨&16O
QHD-VSFG;K7@Q*<TD7ô

)$~÷

¼l!Āz¡/ÄóÅÁ[!
\º¸ú

]¥½)

ñ%*-,ÇêÂ1QG

MTKH:T9T5BCPTAα−6N@PH:
T/w+W!¼ÅÁìċ!CH~OHcâ©q)$1MAIČ!VSFG;K7@Q/ĈĊjĐ³a,¾ă630 nm!xíHSVG¾ă/Ìv

ē 9T5BCPT A ¼ÅÁ!Ü»Îċ * HD-VSFG ;K7@Q!éÿđõĒ )$ÿđĉĒ(a) 1MA I )$(b) CH~OH câ©qČ!16OQ;K7@Q
)$(c) 1MA I )$(b) NH câ©qČ!6OQ;K7@Q

ĀãÄ
16OQHD-VSFG;K7@Q"<TD7ô!
ÚĎ)*Ďdjù!É/§!

6OQHD-VSFG"{±,\º¸úÈ/§;K7@Q/Yf9T5B
CPTA¼ÅÁìċ!16OQ
HD-VSFG;K7@Q/1
CTA"1630 cm-1^øÌ¬Ê
[1] E. C. Y. Yan, L. Fu, Z. Wang and W. Liu, Chem. Rev.
114, 8471-8498 (2014).
[2] M. Okuno and T. Ishibashi, J. Phys. Chem. Lett., 5,2874-2878 (2014).

)$6OQ

Ø6OQ1MAI

îÄ-1650 cm-1^øîÄ-16OQEV7eã

Ï

126

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

業績紹介：光駆動ナトリウムポンプによる輸送機構の提唱
神取 秀樹 （名工大・A03 計画研究代表者）
井上 圭一 （名工大・A03 計画研究連携研究者）
論文題目：" Structural basis for Na+ transport mechanism
by a light-driven Na+ pump "著者：Hideaki E. Kato, Keiichi Inoue, Rei Abe-Yoshizumi,
Yoshitaka Kato, Hikaru Ono, Masae Konno, Toru Ishizuka,
Mohammad Razuanul Hoque, Shoko Hososhima, Hirohumi
Kunitomo, Jumpei Ito, Susumu Yoshizawa, Keitaro
Yamashita, Mizuki Takemoto, Tomohiro Nishizawa, Reiya
Taniguchi, Kazuhiro Kogure, Andrés D. Maturana, Yuichi
Iino, Hiromu Yawo, Ryuichiro Ishitani, Hideki Kandori,
Osamu Nureki
雑誌巻号：Nature 521, 48-53 (2015).
光のエネルギーを使ってイオンをポンプする膜タン

Na+ポンプ活性がなくなり、S70T, N112D では Na+をポ

パク質は 1970 年代に報告された外向き H+ポンプと内ンプした。水素結合との対応関係はこのモデルの正し向き

Cl-ポンプ以外には存在しないというのがロドプさを強く支持する。

シン分野の常識だった[1]。光吸収を担う全トランス型

私は井上さんと 2014 年 1 月に濡木教授室で D116 がレチナールのシッフ塩基がプロトン化して正電荷を持向きを変える構造を見たとき、Nature に出せる仕事だ

つため、Na+などはレチナール近傍に結合できず、結ろうと直感したのだが、実際には難産であった。7 月

合できなければ光のエネルギーを使って輸送できない

上旬に投稿したところ 2 名のレフェリーは絶賛した一と考えられていたためである。従って光駆動 Na+ポン方、残る 1 名が応用研究の必要性を主張したため、我々プの発見は分野に大きな驚きを与えた[2]。面白いこと

は KR2 がオプトジェネティクスのツールとして使えに、Na+は予想通りレチナール近傍には結合せずポンることを示すとともに新たな機能創成にも挑んだ（こプの出口側表面に結合していたが、この結合部位を変れは本領域における私のテーマである）。その結果、神異によってなくしても外向き Na+ポンプは機能した[2]。

経細胞や線虫における光制御を達成する一方、天然に分子メカニズムを議論するためには立体構造の情は存在しない K+ポンプを創り出すことに成功し（図）、報が必要となるが、本論文において東大・濡木研究室の加藤博士らは酸性条件での光駆動 Na+ポンプ KR2 の結晶化と構造解析に成功した。彼らはそれを中性の液に浸して色を変化させた結晶の構造解析を行ったところ、タンパク質構造はほとんど変化がなかった一方、
対イ オンとし てはたらく D116 の向きが 変わったrotamer 状態を観察した。
酸性では D116 はプロトン化、2015 年 2 月 11 日にようやくアクセプトとなった。長中性では解離していると考えられるので、我々はこのい時間と大きな労力を要した仕事であったが、結果的結果 をもとに図 のような輸送モ デルを提唱 した。

に構造解析から機能解析、光遺伝学応用から機能創成のすべてを含む重厚な論文をオールジャパン（7 グル

Resting 状態では、レチナールシッフ塩基と D116 がイープの 23 名）で成し遂げることができてよかったと思オン対を形成するのに対して、光反応の過程で M 中間っている。K+ポンプの創成は「柔らかな分子系」の成体が生成してシッフ塩基から D116 にプロトンが移動果であり、KR2 について本領域で複数の共同研究が進すると、D116 が向きを変えて S70, N112 と水素結合を形成する結果、Na+の取込みが可能になるというもの

行していることを付記しておきたい。

である。得られた構造は光反応中間体のものではない[1] O. Ernst et al. Chem. Rev. 114, 126 (2014).

が、実際に機能解析を行ってみると S70A と N112A で[2] K. Inoue et al. Nature Commun. 4, 1678 (2013).

127

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

業績紹介：霊長類が赤と緑を見分けるメカニズムの解明
神取 秀樹 （名工大・A03 計画研究代表者）を感じるタンパク質を大量に作製、高精度の低温赤外論文題目："Identical hydrogen-bonding strength of the

解析を実現した[2]。その結果、レチナールのねじれに

retinal Schiff base between primate green- and red-sensitive

は違いがなかった。赤と緑で異なるアミノ酸は疎水部

分光計測を用いて 2010 年に初めて色覚視物質の構造

pigments: New insight into color tuning mechanism"

位に存在することが予想されているが、（２）の電気的

著者：Kota Katayama, Takashi Okitsu, Hiroo Imai, Akimori

な相互作用は（３）よりもはるかに強いため、（２）とWada, Hideki Kandori（３）がどう影響しているかは不明であった。

雑誌巻号：J. Phys. Chem. Lett. 6, 1130-1133 (2015).

発色団であるレチナールシッフ塩基はプロトン化して正電荷を持っており、負電荷を持った対イオンとの魚類や鳥類は 4 種類の色覚視物質を持つのに対して、相互作用を調べることで赤と緑の比較が可能になる。

哺乳類は 2 個の遺伝子を失ったため限られた色覚しかシッフ塩基の N-H 伸縮振動が最も直接的なプローブ持たない。夜行性であったためと考えられているが、となるが、我々は様々な微生物型ロドプシンに対して例外的な哺乳類として我々ヒトなどの霊長類が挙げら

重水中での N-D 伸縮の振動数を決定してきた[3]。このれる。霊長類は長波長側の 1 つの遺伝子を重複させた

場合、大腸菌でタンパク質を作製する際に、リジンの結果、赤と緑を区別して緑の森林で赤い果実を見つけ

窒素原子を 15N 標識することで帰属することができる。

ることができるようになった。このため 2 つのタンパ

しかし、ヒト培養細胞では窒素原子の標識が確立して

ク質は 98 %を超えるアミノ酸の一致度を示すが、緑いなかったため、窒素に隣り合うレチナールの C15 位（λmax~530 nm）と赤（λmax~560 nm）の 30 nm の違いを重水素化することでシッフ塩基の N-D 伸縮振動をは何に由来するのであろうか？

帰属することに成功した。その結果、赤と緑における視物質の吸収波長はレチナールとタンパク質とのN-D 伸縮の振動数は完全に一致し（図右）、（２）の静相互作用によって決まるが、具体的に（１）レチナー

電的な相互作用は赤と緑で同じであることがわかった。

ルのねじれ、（２）親水部位の静電相互作用、（３）疎今回の研究成果により、光を吸収する分子の構造歪

水部位の極性相互作用などが関わると考えられている

みや正電荷と負電荷の相互作用ではなく、第三の弱い（図左）[1]。これを実験的に明らかにするためには、

極性相互作用だけが赤と緑を見分けるのに使われていタンパク質の構造情報が不可欠であるが、明暗視の視ることが明らかになった。計算科学の驚異的な進歩に物質ロドプシンが X 線結晶構造解析まで完了しているも関わらず、未だに我々が見分ける色の波長をコンピのに対して、色覚視物質の構造解析は最近まで皆無でュータで決めることはできない。今回の赤と緑の色識あった。その理由としては、ヒトやサルの試料調製が別の解明により、計算科学のさらなる発展が促され、困難であること、光を当てると色を失ってしまうため

レチナールの吸収波長を決定するタンパク質との相互

暗室での作業が必要であることに加えて、限られた量作用の全容解明が期待される。

の試料では X 線結晶構造解析や NMR といった通常の[1] O. Ernst et al. Chem. Rev. 114, 126 (2014).

構造解析手法が利用できなかったためである。そんな[2] K. Katayama et al. Angew. Chem. Int. Ed. 49, 891 (2010).

中、我々はヒトの培養細胞を用いてサルが赤色、緑色[3] H. Kandori et al. Biochemistry 41, 6026 (2002).

128

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

業績紹介：β－カロテン金属クラスターの創製と構造解明
村橋 哲郎 （東工大・A03 計画研究代表者）
山本 浩二 （分子研・A03 計画研究分担者）
倉重 佑輝 （分子研・A01 公募研究代表者）

間に集合してクラスターを形成していることが特徴である。10 核鎖錯体は 2 種類の異性体混合物として得られるが、溶解性の違いを利用して分離可能である。錯体 1-meso と 1-rac の分子構造は X 線結晶構造解析によ

論 文 題 目 ： "Multinuclear metal-binding ability of a

り決定した（1-meso の構造を図 1(b)に示す）。-カロ

carotene"

テン配位子は 11 個の共役二重結合のすべてを用いて

著 者 ： Shinnosuke Horiuchi, Yuki Tachibana, Mitsuki

10 核パラジウム鎖に対して配位しており、各 PdPd

Yamashita, Koji Yamamoto, Kohei Masai, Kohei Takase,

結合距離はバルク中の PdPd 結合距離(2.76 Å)より短Teruo Matsutani, Shiori Kawamata, Yuki Kurashige,い。
ビス(-カロテン)パラジウム錯体は、脱メタル化・

Takeshi Yanai, Tetsuro Murahashi

メタル化反応を起こすこともわかった(図 1(c))。すな

雑誌巻号：Nature Commun. 6, 6742 (2015).

わち、パラジウム 10 核鎖錯体 1-meso に対して CO を
我々のグループでは-共役系不飽和炭化水素類と金反応させることにより減核反応が進行し、金属不充填

属－金属結合種との間に形成される連続的な多点-配型の Pd5 鎖錯体 2 が生成した。金属を再充填すること位結合の柔軟な結合組み替え能を解明し、これを活用も可能であり、再充填の際に Pt(0)種を用いた場合には、した pπ―電子系―d 電子系複合体の創製を目指して

パラジウム 5 核－白金 3 核からなる異種金属混合 8 核研究を進めている。今回、長鎖-共役系ポリエン配位

クラスター錯体 3 が生成する。錯体 3 に対して Pd(0)子を用いた長鎖一次元金属鎖錯体の合成に関する成果

種を反応させると、異種金属混合 10 核鎖錯体 4 が生成について論文発表した。

する。

我々は、長鎖-共役系ポリエン配位子として、天然

また、理論計算により、今回得られた化合物の多点に豊富に存在し入手容易な-カロテンを選択し、前例

連続π―配位結合構造を解明した。ビス(-カロテン)のない大きさの連続多点π―配位結合構造を持つ長鎖パラジウム錯体は、核数に依存した色の変化を示すが、一次元金属鎖構造の構築を目指した。-カロテンを連

この理由についても、分子軌道解析によって明らかに

続多点π―配位型配位子として用いて、最大で 10 核金した。
本研究成果は、本新学術領域の実験（A03 班）と理属鎖を構築できることを明らかにした。

- カ ロ テ ン 配 位 子 を Pd2(dba)3·C6H6 お よ び論（A01 班）の共同研究による成果である。また、本

[Pd2(CH3CN)6][BF4]2 と反応させることにより、パラジ

成果はプレスリリースされ、「科学新聞」(2015 年 5 月

ウム 10 核鎖錯体 1-meso および 1-rac が生成すること

1 日号一面)等において報道された。

がわかった(図 1(a))。多数の金属が収束的にカロテン

129

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

業績紹介：背面配位子効果を活用したパラジウムクラスターの反応制御
村橋 哲郎 （東工大・A03 計画研究代表者）
山本 浩二 （分子研・A03 計画研究分担者）
倉重 佑輝 （分子研・A01 公募研究代表者）

1/2 Pd2(dba)3  CHCl 3

2+
+

+
L
L

L
L
(L = CH3CN)

論 文 題 目 ： "Modulation of Benzene or Naphthalene

L

Pd

CH3NO2/C 6H6

L

Pd

Pd

2+

L
Pd

Pd

L

(1)

2 BF4-

L

2 BF4-

1

Binding to Palladium Cluster Sites by the Backside-Ligand
Effect"
著者：Yuki Ishikawa, Seita Kimura, Kohei Takase, Koji
Yamamoto, Yuki Kurashige, Takeshi Yanai, Tetsuro
Murahashi
雑誌巻号：Angew. Chem. Int. Ed. 54, 2482 (2015).
パラジウム―アレーン錯体はアレーン類の分子変換
図 1. 錯体 1 (L = ピリジン)の X 線構造図

反応における重要な鍵中間体と考えられており、その配位挙動について興味が持たれている。しかしながら、アレーン類のパラジウム中心に対する配位力は弱く、パラジウム 3 核クラスターがベンゼンをバインドす溶液中でパラジウム－アレーン錯体が安定に存在する

る際に、COT が背面配位子として有効に働く現象は、かどうかはわかっていなかった。実際に、単核や 2 核理論計算により考察した。錯体 1 とビス(ベンゼン)パ

パラジウム金属種に対してアレーン類が配位することラジウム 3 核のモデル錯体のエネルギー計算を行ったは知られているものの、これらの錯体は、溶液中で安結果、これらの錯体におけるベンゼンの解離エネルギ

定に存在しない。我々のグループは、パラジウムクラ

ーはそれぞれ 105 kcal mol-1 および 88 kcal mol-1 であっスターがアレーン類を溶液中で安定にバインドする能た。このことはベンゼンよりも COT を背面配位子とし力を持つ可能性に着目し、検討をおこなった。その結て用いた方が、パラジウム 3 核上のベンゼン配位子を果、パラジウムクラスターの背面配位子を適切に選択

より強固にバインドすることを示している。背面配位することにより、溶液中でベンゼンやナフタレンを安子のパラジウムクラスターに供与する電子数が、パラ定にバインドするパラジウムクラスターを初めて開発

ジウムクラスターの電子構造および幾何構造に大きくすることに成功した。

影響を与えることも判明した。

パラジウム 3 核クラスター上にアレーン類を配位ささらに我々は、COT 配位子を用いることで、パラジせるにあたって、パラジウム 3 核中心の背面配位子がウム 4 核中心上にナフタレンをバインドすることを明アレーンのバインド能に大きく寄与するのではないか

らかにした(式 2)。この反応においても、背面配位子とと考え、種々の環状不飽和炭化水素を背面配位子としして用いた COT の役割は重要であると考えられる。

て用いて検討した。その結果、シクロオクタテトラエ
Pd2 (dba)3  CHCl3ン(COT)を用いた場合にパラジウム 3 核中心上にベンゼンが配位した錯体 1 が生成することを明らかにしたL(式 1)。錯体 1 の分子構造は X 線結晶構造解析によっ

L

Pd

L
Pd

2+
+

+

Pd

2+

L

L

Pd

CH3 NO2 /CH 2ClCH2ClL
2 BF4L(L = CH3CN)て明らかにした(図 1)。一方、ベンゼンやシクロヘプタ

Pd

L

(2)

Pd

2 BF4-

2

トリエンは、背面配位子として有効に機能しなかった。
3 核錯体 1 は溶液中においてもベンゼン配位子を安定

本研究成果は、本新学術領域の実験（A03 班）と理に保持する。錯体 1 をピリジンやホスフィン配位子と論（A01 班）の共同研究による成果である。また、本反応させると、錯体 1 のエカトリアル位の配位子の交成果はプレスリリースされ、「化学工業日報」(2015 年

換反応が進行するが、パラジウム 3 核面上に配位した

2 月 10 日号一面)において報道された。

ベンゼン配位子は容易に交換されない。

130

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

業績紹介：結晶伸縮挙動を示す柔らかなニッケル錯体分子結晶の開発
lnWより17であると見積もることができた（阪大構造佐藤 治 （九大先導研・A03 公募研究代表者）

熱科学研究センターグループとの共同研究）。
論文題目： "Molecular motor-driven abrupt anisotropic

図に錯体1の結晶伸縮の顕微鏡写真を示した。b軸とshape change in a single crystal of a Ni complex"

c軸方向は相転移温度で正の熱膨張を示すのに対し、a

著 者 ： Zi-Shuo Yao, Masaki Mito, Takashi Kamachi,

軸方向は負の熱膨張を示すことがわかった。また、分Yoshihito Shiota, Kazunari Yoshizawa,, Nobuaki Azuma,

子結晶中でシュウ酸イオンの分子回転が協同的に誘起

Yuji Miyazaki, Kazuyuki Takahashi, Kuirun Zhang,

されるため、回転に基づくサブナノメーターの変化がTakumi Nakanishi, Soonchul Kang, Shinji Kanegawa,

増幅し、数十ミクロンオーダーのダイナミックな結晶

Osamu Sato

伸縮が観測されることが分かった。c軸方向の結晶伸縮

雑誌巻号：Nature Chem., 6, 1079-1083 (2014).

の大きさは結晶サイズの約5％であった。
錯 体 1 の en の 水 素 を 重 水 素 置 換 し た 物 質

生体関連物質に学び、優れた機能を有する動的な分[NiII(en-N-d4)3](ox)においても錯体 1 と同様の結晶変子集合システムを設計・開発することは物質化学にお形が観測された。相転移温度は 4 K 程度錯体 1 より高ける重要な研究課題である。我々はこれまで、金属間温側にシフトした。このことは、ニッケル錯体とシュ電子移動やスピン転移により中心金属の酸化数・スピ

ウ酸イオン間の水素結合が協同的な結晶変形に重要なン状態がダイナミックに変化する電子的に柔らかな金役割を果たしていることを示している。

属錯体分子結晶を開発してきた[1]。本研究では分子配結晶変形に関する実験結果は、DFT計算（九大先導向の変化やナノスケールレベルの分子の変位・回転が研・吉澤教授グループとの共同研究）によっても支持

マクロな機械的機能に変換される柔らかな金属錯体分された。また、相転移が二段階で起きていることが示

子結晶を開発することを目指し検討を行った。その結唆された。

果 、 ニ ッ ケ ル 錯 体[NiII(en)3](ox) (1; en =ethylenediamine, ox2− = oxalate anion) が強弾性相転移を示し、相転移温度で異方的な結晶伸縮を示すことを見出した。
ニッケル錯体 1 は NiII(ox)の水溶液に en を加えることで得た。得られた紫色結晶について単結晶 X 線構
造解析、熱量測定、顕微鏡観察、DFT 計算を行い、構造および物性について検討した。
熱量測定から、錯体 1 が約 260 K で構造相転移を示
すことがわかった。相転移に伴う構造変化を明らかにするために、高温相と低温相の結晶構造を測定した。

図 （左）ニッケル錯体 1 の相転移温度前後の結晶構

その結果、ニッケル錯体とシュウ酸イオンが交互に配造の変化（シュウ酸イオンが 90 度回転している）。

列した水素結合ネットワークを形成していることがわ（右）ニッケル錯体単結晶の結晶伸縮の顕微鏡写真。

かった。相転移温度前後の単結晶構造解析の結果を比（LT = 低温相、HT = 高温相）

較したところ、相転移点でシュウ酸イオンが 90 度回
転し、c 軸方向のニッケル錯体間の分子間距離が 0.519

引用文献Å変化することが分かった（図）。

[1] T. Liu, H. Zheng, S. Kang, Y. Shiota, S. Hayami, M.

この物質の熱容量を測定したところ、相転移温度でMito, O. Sato, K. Yoshizawa, S. Kanegawa, C. Duan,

シャープなピークが観測され、エンタルピーとエント

Nature Commun. 4, 2826 (2013).

ロピーの変化がそれぞれ、ΔH = 6.322 ± 0.020 kJ
mol−1とΔS = 23.70 ± 0.07 J K−1 mol−1であることがわかった。エネルギー的に縮重した状態（W）はΔS = R

131

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター
	
  	
  No.
	
  	
  21
	
 
平成 27 年 5 月

業績紹介：異常な互変異性体構造を安定に有するポルフィリノイド化合物
特に最も長波長に吸収を示す 1047 nm のピークは、無大洞 光司	
  （阪大・A03 公募研究代表者）
林	  高史	
  （阪大・A03 公募研究連携研究者）	
  	  	  置換のポルフィセンに比べて 418 nm の大きなシフトを示し、オレフィン架橋部位へのベンゼンの縮環が非論 文 題 目 ： "meso-Dibenzoporphycene has a Large

常に効果的であることが明らかになった（図下）。また

Bathochromic Shift and a Porphycene Framework with an

NMR スペクトルから、高い対称性が確認され、非常

Unusual cis Tautomeric Form"に速い分子内水素移動を起こしている。合わせて、一

著者：Koji Oohora, Ayumu Ogawa, Tamaki Fukuda, Akira

見剛直な構造のように感じられるが、柔らかな歪んだ

Onoda, Jun-ya Hasegawa and Takashi Hayashi

鞍型構造を有していると計算化学的に予想されている。

雑誌巻号：Angew. Chem. Int. Ed. 54, 6227-6230 (2015).

前述の特徴に加えて、当初は予想していなかった異常な互変異性体構造を有することが、N1s エネルギー

我々の研究室では、生体内に存在するヘムの配位子

領域のＸ線光電子分光および理論計算による解析から骨格であるポルフィリンおよびその類縁体の研究につ明らかになってきた。通常のポルフィリノイドは、四いて、その物理化学的な性質や金属錯体の挙動・反応

つのピロールが互い違いにプロトン化されたトランス性に関する研究を展開している。特に、ポルフィリン体が安定であるのに対し、mDBPc では隣り合うピロの構造異性体の一つであるポルフィセン（図上左）にールがプロトン化したシス体が安定であることが示唆

注目している。ポルフィセンは二つのビピロールがエされた（図上右）。シス体がトランス体よりも安定なポ

チレン架橋によりつながった環状化合物であり、色素

ルフィリノイド化合物はほとんど報告例がなく、対称としてはポルフィリンよりも長波長領域の可視光を効性の高いポルフィセン類では、特殊な環境下を除いて、率よく吸収できる優れた性質を有している。また金属

本系がはじめての例である。現在、シス体が安定であの配位子としても非常にユニークな反応性を示し、最る理由はわかっていないが、DFT 計算で得られている

近ではヘムの代わりにポルフィセンマンガン錯体が挿

ひずみを有した鞍型構造にヒントがあると考えており、入された補因子置換型ミオグロビンでは通常は困難な

今後より直接的な構造評価や特殊な分光手法を用いて反応である C–H 活性化を伴うオレフィンの水酸化が研究を進めていく計画である。

触媒可能であることを示している[1]。
本論文では、より長波長領域に吸収を有するポルフィリノイドをめざして、二つのオレフィン架橋部位にベンゼン環を縮環したメソジベンゾポルフィセン（mDBPc, 図上右）の合成を行った。この mDBPc は長谷川らにより 2005 年に計算化学により物理化学的性質の予測のみが報告されており[2]、種々の縮環型ポルフィセンが報告されているにもかかわらず、今まで合成が達成されてこなかった化合物である。本稿では詳細は割愛するが、我々はこの化合物の合成に際して、ジホルミル化ビピロールの分子間マクマリーカップリ

図 	  ポルフィセンとメソジベンゾポルフィセンの分子構

ングによる従来のポルフィセン合成とは異なるアプロ

造およびその考えられる互変異性体（上図）. それらのーチ（ジヨードベンゼンを出発原料とする分子内マク

Vis-NIR 吸収スペクトル（下図）．

マリーカップリングを用いる手法）を開発した。得ら

引用文献

れた mDBPc は NMR および X 線結晶構造解析により[1] K. Oohora, Y. Kihira, E. Mizohata, T. Inoue and T.

同定した。また計算化学による予測と一致するように、

Hayashi, J. Am. Chem. Soc. 135, 17282-17285 (2013).

HOMO の大きな不安定化と LUMO の安定化により吸[2] J. Hasegawa, K. Takata, T. Miyahara, S. Neya, M.

収波長が大きく長波長シフトしていることを電気化学

Frisch and H. Nakatsuji, J. Phys. Chem. A 109, 3187-3200

測定および吸収スペクトル測定よりそれぞれ確認した。

(2005).

132

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

A03 班・神取グループらの研究成果が新聞に報道される
A03 班・計画研究 神取グループ（神取班員、井上関する成果であり、Nature 誌の Article に発表した論文

連携研究者）らの研究成果が、2015 年 4 月 7 日の日経

中ではこのタンパク質がオプトジェネティクス（光遺テレコン 21、4 月 8 日の日経産業新聞、4 月 15 日の日

伝学）のツールとして使えることを示すとともに、天経バイオテク、4 月 17 日の科学新聞などで報道されま

然には存在しないカリウムポンプの創成にも成功してした。これは、光駆動ナトリウムポンプの結晶構造解います。

析と機能解析をもとにしたポンプメカニズムの提唱に133

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

分子研研究会「膜タンパク質内部のプロトン透過を考える」報告
神取 秀樹（名工大院工・総括班）

したのは、初日に水チャネル、プロトンチャネル、イ
オンチャネル、べん毛モーターなどチャネル型経路の標記研究会が当新学術領域研究の協賛を得て開催さ膜タンパク質、二日目にロドプシン、オキシデース、れましたので、経緯も含めてご報告します。

ATPase、輸送体などトランスポータ型経路の膜タンパ

私は生物系の新学術領域「運動マシナリー」の連携ク質です。研究会には 114 名の参加者があり、29 件の研究者でもありますが、「運動マシナリー」には『代表ポスター発表と 24 件の口頭発表がありました。本領域

から質問』シリーズという名物企画があります。これからは、私が趣旨説明を行った他、A01 の吉田紀生氏、は、宮田真人代表からメーリングリストを通していろ北尾彰朗氏、林 重彦氏、A02 の小倉尚志氏、飯野亮太

んな問いが発せられ、班員で討議するというものです。

氏、A03 の井上圭一氏が話題提供を行いました。またあるとき、「プロトン駆動のバクテリアべん毛モーター

評価委員の北川禎三先生には討論参加者としてご出席

では H3O+でも e-でもなく，H+が実際に流れていると考いただきました。

えられていますか？もしそうだとすると，直接の証拠

イオンそのものが輸送される Na+や Cl-と違い、プロは何でしょう？『Na+駆動のものがあるから』は‘直

トンは H3O+や OH-として輸送される他に、水の水素結接’の証拠ではありません．
」という質問がありました。

合を介した玉突き的輸送（Grotthuss 機構）が可能です。

それに対して私の「H+か H3O+か（OH-か）e-か、と問

私自身は膜内では Grotthuss 機構が支配的であろうとわれると、コメントしないわけにはいきません。いち思っていたところ、べん毛モーターに関する北尾グル

ばんよくわかっているバクテリオロドプシンの研究者

ープの研究で H3O+が実際に移動する過程が重要であとして BR についてコメントしますが、…」からスタるという提案がなされました（驚きました）。話題提供

ートして、べん毛モーターのプロトン透過について難者には 5 分間の討論時間を残すことをお願いしていま

波啓一先生（阪大）と私が中心になって意見交換を行したが、活発な質疑討論が行われ、討論参加者としていました。そして一度、集まってべん毛モーターを含参加の吉田賢右先生が飛び入りでプレゼンをされるな

む膜タンパク質の内部を流れるプロトンやイオンにつど、きわめて充実した研究会となりました。

いて徹底的に議論する機会を設けましょう、というこ

膜タンパク質内部のイオン透過が深く議論できる時とで新学術「柔らかな分子系」の仲間である北尾彰朗代になったことを参加者一同、確認することができ、先生（東大）、飯野亮太先生（岡崎統合バイオ）に世話

理工系と生物系の 2 つの新学術領域が協賛した研究会人として加わっていただき、分子研研究会として申請が成功したという意味でも意義深いものとなりました。

する運びとなりました。
世話人代表として私が最初から決めていたことは、あまり研究会のない４月に大会議室で２日間フルに行うことです。幸い、分子研研究会として採択していただいたのですが、旅費の不足分が発生したため、本領域からも協賛
として旅費の支援をいただきました。ここに感謝申し上げます。
「柔らかな分子系」では、理論、
先端計測、機能創成が三つ巴になっていますが、今回の研究会では、理論、構造解析、機能解析の立場
から話題提供をいただき、ディス
カッションを行いました。対象と134

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

A03 班・中西尚志氏の作品が科学技術の「美」パネル展で優秀賞
A03 班・計画研究 中西グループの作品「青色に光
新しい液体材料」が、科学技術週間における第 9 回『科学技術の「美」パネル展』において優秀賞を受賞しました。この作品は、有機蛍光色素のアントラセンを基に、中西の特異とするアルキル－π エンジニアリング技術を使って常温液化した青色発光液体の写真です。
これに関する研究成果は、Nature Communications, 2013,
4:1969 に発表している。
ここで利用された画像作品は、
平成 26 年「第 55 回科学技術週間」における行事の一つとして、科学技術団体連合が開催した「科学技術の『美』パネル展」（一般の方々と『美』の感動を共有しながら科学技術への興味を広げてもらう）での展示作品になり、来場者の投票により優秀賞に選出された。
平成 27 年 4 月 13 日に独立行政法人科学技術振興機
構東京本部会館において表彰式が行われ、科学技術団
体連合の有馬朗人会長より、賞状および記念品の楯が贈られました。

「青色に光る新しい液体材料」表彰式（左：中西尚志、右：有馬朗人会長）、ならびに優秀賞を受賞したパネル作品画像（紫外光照射下で青色に発光する常温アントラセン液体）

135

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

University of Wisconsin 訪問及び 249th ACS National Meeting 参加報告
内田 芳裕 （京大院理・A01 林グループ・研究
協力者 D3）人のメンバーとの議論は大いに盛り上がった。
次の日、私は ACS National Meeting（2015 年 3 月
22 日～26 日）に参加するためコロラド州デンバーに

私は、去る 2015 年 3 月 19 日～28 日に本領域の海移動した。デンバーは標高約 1 マイル（約 1,609 m）

外派遣の支援を受け、アメリカ合衆国に渡航した。目にある広大な平原の只中に位置し、豊富な鉱物資源と的は、University of Wisconsin, Madison の Qiang Cui

とも に発展した 町である。その ため、今回 の学会

教授のグループで研究発表を行うことと Denver で開も”Chemistry of Natural Resources”というテーマの催された 249th ACS National Meeting & Exposition

下に持続可能な社会を目指した研究、展示が多くなさに参加することだ。私にとって、西洋に渡航することれていた。私は、物理、計算化学の分野を中心に、「生も、一人で海外渡航をすることも始めてであったため、体（凝縮）系」、「エネルギー、電子移動」、「振動-電子

渡航する前は不安も少なからずあったが、初めての経相互作用」といったキーワードに沿って、多くの講演

験に興奮もしていた。

を拝聴した。ユニークな着眼点や新奇で精緻な計算手

ウィスコンシン州マディソンは、4 つの湖に囲まれ法の研究を多く聞き、とても刺激を受けた。

た静かな町で、その中心に University of Wisconsin

この学会で私は、3 日目に”Theoretical study on theは位置する。大学スポーツのシーズンの最中というこ

fluorescent spectrum of enhanced green fluorescentともあり、構内は学生の活気に満ちていた。その中のprotein”という題目でポスター発表を行った。ポスタ

化学棟の一角にある Qiang Cui 教授の研究室を 3 月

ー会場には自分と同じ若手の研究者が多く来場してお20 日に訪問した。そこで、「蛍光タンパク質(EGFP)り、互いの研究テーマの目的や困難、面白さについての蛍光スペクトルについてのシミュレーション研究」

楽しく話し合った。本当に楽しく、とても充実した時の成果について発表を行った。特にタンパク質の熱揺間を過ごすことができたと思う。

らぎと発色団の蛍光特性の間の静電気相互作用に基づ

私は今回の渡航で、一人で海外渡航を無事に遂行す

く相関について紹介した。質疑応答の時間では、タンるというだけでなく、研究発表をし、活発に議論を行

パク質の構造揺らぎを考慮することの重要性やそのサうという貴重な経験を得ることができた。このようなンプリングの計算コストや収束性などについて質問が経験は、何物にも変えがたく、私の視点を多様なもの寄せられた。タンパク質の構造緩和を考慮するのにかにするとともに、私に大きな自信を与えた。最後に、かる計算コストは非常に大きいものの、タンパク質中

私を暖かく迎えてくださった Qiang Cui 教授を始めとでの蛍光（や反応）を取り扱う上でそれらは非常に重するグループのみなさま、私の渡航の手続きの後押し

要であることが伝えられたと思う。私の英語能力はまをしてくださった総括班、事務局のみなさまにお礼をだまだ発展途上ではあるが、1 時間の研究発表を無事申し上げます。

終えたことで、英語で発表を行い、議論を行うという点で私の自信に繋がった。
また、このグループの主要な研究テーマの一つである DFTB(Density Functional based Tight-Binding)の手法についてポスドクや学生から実際の研究内容に沿って、紹介してもらった。DFTB は半経験的なパラ
University of Wisconsin の風景

メータを用いることにより小さな計算コストで電子状
態計算を行うことができる方法である。巨視的なタンパク質の揺らぎと、蛍光や反応といった微視的なスケールで起こる化学の相関をみる際に、小さな計算コス
トで電子状態計算を行うことは必須であるので、私たちの研究に応用できないかということを念頭に話を聞いた。互いの研究の困難などを話に交えながら、5, 6

左：学会会場の外観。右：筆者のポスター

136

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

NIH Eaton, Best 研究室訪問報告伊藤 真志保（京大院理・A01 高田グループ・研究協力者 D3）
本学術領域における海外渡航費支援を受け、2014 年 11 月 19 日から 26 日まで米国 National
Institute of Health の W. A. Eaton, R. Best らを訪問し行ったので報告させていただきます。
私は現在、粗視化分子動力学 (MD) シミュレーションを用いたタンパク質 folding 研究を行っています。私の研究はさまざまな構造のタンパ
ク質を folding させ、その Transition path time
をシミュレーション上で計測し、その時間とタン
パク質構造の間の関連性を見出すというものです。今回 Eaton 先生と Best 先生を訪問したのは、両先生がこの Transition path の問題に関して多くの理論・実験的研究を行っており、私の研究についてご意見を伺う事と、この研究に関して
全原子シミュレーションの結果を追加して考えるためです。
訪問は 11 月だったのですが、たまたま米国に寒波が到来し気温が-7℃程度まで下がり、外を歩くのには冬物のコートが必須のきびしい気候でした。
NIH という研究機関について印象的なことは、
いわゆる大学に比べてかなりセキュリティが厳しいという事でした。毎日入り口のゲートで荷物のチェックが行われ、パスポートをチェックしていました。このあたりはやはり危険な感染症も扱
う組織という感じがしました。ちょうど私の滞在した頃に、エボラ出血熱の患者がひとり NIH で治療中だったようです。
残念ながら Eaton 先生は多忙のためあまり話せなかったのですが、Best 先生には大変親身にご相談にのっていただき、当初予定していた私の理論の全原子シミュレーションのデータとの照合のみならず、MD simulation のデータに対しdiffusion analysis という解析を行う手法についてご指導いただました。この解析では Best 先生
が自身で作成しているプログラムを用いて、あるタンパク質の folding 経路上の自由エネルギー
および拡散係数を求めるというものです。

137

これらの解析を私のデータおよび全原子シミュレーションのデータに適用することで、当初考えていたよりも高度に folding の transition
path を理解することが出来るようになりました。
またタンパク質間の transition path time の普遍性に関して元々私が考えていた理論に対してもより本質的なアイデアをいただきました。
私が英語に不得手なせいで少々コミュニケー
ションに手間取ることがあったのですが、先生やラボの皆さんには大変親切にしていただきました。
滞在中に行われた NIH でのセミナーや研究室内での論文輪読会に参加させていただきましたが、ここでは本当に世界各国から多くの研究者が集まって議論が行われているのだと感心いたしました。
余談ですが、帰りの飛行機でシカゴを経由した
際、到着前に腕時計を見て「一時間も遅延してるじゃないか、日本行きの飛行機に乗り遅れてしまう」と焦ったのですが、空港の時計を見たら正規の到着時刻だったという事がありました。ワシン
トンとシカゴには一時間の時差があるとそこで気づいたのですが、国内でも時差があるという事はちょっと日本人には思いもよらない事ですね。

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

International Conference on Magnetic Resonance in Biological Systems
2014 (ICMRBS) 参加報告
また、今回の海外渡航では会期中に University of

山置 佑大 （京大エネルギー理工学研究所・A03
片平グループ・研究協力者 D3）

Texas Southwestern Medical Center at Dallas のJose Rizo-Rey 教授にお時間をいただき、先生の研究2014 年 8 月 24 日から 29 日まで、アメリカ・テキ

内容および私の研究についてディスカッションさせてサ ス 州 ダ ラ ス で 開 催 さ れ た 16th International

いただく機会を得ました。先生は神経伝達物質の放出

Conference on Magnetic Resonance in Biological

メカニズム、特にこの際に起こるベシクルの膜融合のSystems (ICMRBS 2014)に参加致しました。今回の学メカニズムを研究されておられます。とりわけベシク

会参加にあたり、本新学術領域研究より若手研究者のルの膜融合制御に関わる SNARE 蛋白質複合体の構造研究促進のための海外派遣支援制度を通して多大なご解析などで非常に著名な先生です。分野も異なってい支援を賜りました。関係者の方々にこの場をお借りしたためこれまで面識はなく、会期中のお忙しい身であて感謝申し上げます。

ったにも関わらず丁寧に研究の内容をご説明くださり、

ICMRBS はタンパク質、核酸、脂質膜といった生体

私の拙い英語でのディスカッションにも親切にお答え

高分子に関してその構造、ダイナミクスなどを NMRくださいました。タンパク質を用いた脂質膜の制御にや EPR、MRI を用いて研究している研究者が一堂に関する知見は今後私の研究にも取り入れていくことが会する非常に刺激的な国際会議であり、1964 年から 2できるのではないかと感じました。

年毎に開催されています。

今回の海外渡航では普段国内では出会うことのない

今回、私は RNA の柔軟な構造変化を利用した標的

多くの方と交流をもつ機会に恵まれ、貴重なご意見、タンパク質の捕捉活性および酵素活性のスイッチング

アドバイスを頂きました。また、一からアポイントメ

について議論させていただきました。NMR によるントを取り、これまで接点のなかった先生を訪問しデRNA 構造解析によって得られた原子レベルの立体構ィスカッションさせていただくといった貴重な経験も造情報および構造変化に関する知見を利用し、RNAさせていただくことができました。研究そのものだけに新たに活性スイッチング機能を付与するという内容

でなく、研究者として成長するためにも非常に実り多です。標的タンパク質への結合活性や標的 RNA 切断

い体験となりました。これもひとえに我々若手研究者

活性を示す機能性 RNA に対し、カリウムイオンを特へのご指導に力を注いでくださる本新学術領域研究関異的に認識して柔軟に構造を変化させる RNA 配列を係者の皆様のおかげに他なりません。改めて深く感謝

組み込むことでこれらの活性をカリウムイオン依存的申し上げます。今回得られました経験を活かし、今後に制御する人工設計機能性 RNA の開発についてディ

一層の努力を重ね精進していく所存です。今後ともごスカッションさせていただくことができました。これ

指導・ご鞭撻の程どうかよろしくお願い致します。

らの新規 RNA の改良、応用利用、活性スイッチイン
グメカニズムなどについて示唆に富んだご意見をいた
だき大きな刺激を受けることができました。
本会議には日本では珍しい NMR による核酸の構造解析、ダイナミクス解析を主軸に活躍されている研究者の方が大勢参加されており、有意義なディスカッシ
ョンをさせていただくことができました。これまで主に国内での学会に参加していたこともあり、英語でじっくりとディスカッションさせていただく機会はあまり多くはありませんでした。今回、私自身の研究はもちろんのこと、様々な研究内容についてじっくりとデポスター会場前にてィスカッションする機会を得られたことは今後の研究生活において重要な経験であると感じております。

138

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

26th ICMRBS 参加報告
神庭 圭佑（京大エネルギー理工学研究所・A03
片平グループ・研究協力者 D3）

かすべく、関連分野内外を問わず発表を聞き、議論を行いました。さらに当会中ルームメイトとなった Ph.
D. student の Ryan Slack 氏とお互いの研究について2014 年 8 月 24 日から 29 日まで、アメリカ・ダ

議論を交わし、親交を深めました。このように多くのラスで開催された 26th International Conference on
Magnetic

ResonanceinBiological

海外の研究者と議論を交わすことができ、大変大きな

Systems

収穫でした。

（ICMRBS）に片平正人教授、D3 の山置佑大さんと学会終了後に、本会のオーガナイザーで、磁気共鳴

参加しました。今回のアメリカ出張にあたり、本学術

イメージング(MRI)の専門家である Dean Sherry 教授

領域の若手研究者海外派遣プログラムに採択され、旅の研究室を訪問しました。Dean Sherry 教授は 2 つの費支援をしていただきました。ICMRBS は生体分子

研 究 機 関 で 研 究 室 を 運 営 し て お り 、 今 回 は Theを対象とした核磁気共鳴(NMR)分野の研究者と関連

University of Texas Southwestern Medical Center

企業が一堂に会する国際会議で、2 年毎に開催されて(UT Southwestern)の研究室を訪問しました。先生といます。26 回目となる今回は、25 ヶ国から研究者がは事前にメールで打ち合わせをし、学会のレセプショ

集まり 400 件を超える発表が行われ、6 日間にわたりンで落ち合い詳細な内容を詰める運びで、大変緊張し議論を交わしました。演題登録当初は当研究室からはました。学会会場から Dean Sherry 教授の車に乗せて片平教授がポスター発表を行う予定でしたが、片平教

もらい、研究室に移動しました。先生の研究室は 50

授のご厚意と本領域の支援をいただけたということも人近い構成員と数フロアにまたがる各種実験室、居室あり、私が発表を行う機会をいただきました。ポスタを備えており、規模の大きさに大変驚きました。加えーは大会 2 日目から 5 日目まで掲載されており、私はて最先端の研究用の MRI 装置を含む 15 台の MRI 装そのうち 3 日目と 5 日目に発表を行いました。

置を管理、利用されており、特別にこれらの施設を見

私 は 「 Functional mechanism of an anti-HIV

学させていただきました。Dean Sherry 研究室では高protein, APOBEC3G, as revealed by real-time NMR

橋昌哉准教授に話を伺うことができ、高橋先生から先

monitoring of its enzymatic reaction」という 題目で生の研究からキャリア、アメリでの研究について等、

ポスター発表を行いました。APOBEC3G タンパク質

様々なことを教えていただきました。

(A3G)は HIV を初めとしたレトロウイルスのゲノムに末筆となりますが、今回の海外と渡航を通じて多く変異を導入し無力化する抗ウイルス因子です。A3G はの方々と関わる機会をいただきました。海外での発表

一本鎖 DNA 中の CC 配列中のシトシンを選択的にウを経験することができ、大いに成長することができま

ラシル(CU)に脱アミノ化します。この変異が蓄積するした。さらに海外の研究室に実際に行き、話をするこことによりウイルスのゲノム情報が破壊されます。

とで世界が広がったと思います。ICMRBS で行った議A3G は 5′側に近いシチジンほど高い脱アミノ化活性論を受けて研究を示します。この性質は A3G は特定の配列に強く結が進み、論文を発合することにより静的な複合体を形成する訳ではなく、高度に動的であることに起因しています。従って A3Gと DNA の相互作用に関する知見を得るのが困難です。
本学会では、当研究室で確立した実時間 NMR 法を活表することができました（ Kamba et al.
2015 PLoS One）。

用し、A3G-DNA 相互作用の知見を報告しました。A3G

このように貴重の酵素活性をプローブとすることにより、A3G の基質

な成長の機会を認識部位を同定しました。さらに 5′側に近いシチジ設けていただいンほど高い脱アミノ化活性を示す現象は A3G が DNA

た関係者各位にをスライディングすることに起因していることを明ら

この場をお借りかにしました（詳細は下記論文を参照）。会場では HIV

して心より御礼研究の専門家である Dmitri Ivanov 助教、伊島理枝子

申し上げます。

准教授らと議論を行いました。この機会を十二分に生139

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 21

平成 27 年 5 月

ICBS 2014 参加および UCSF 研究室訪問報告
沼澤 宏治 （東大院薬・A03 花岡グループ・研究協力者(D2)）集に加えて非常に良い経験になりました。
また、学会最終日の翌日には東京医科歯科大学准教
授 の 平 野 智 也 先 生 に 同 行 し て University of2014 年 11 月 17 日から 19 日までサンフランシスコ

California San Francisco (UCSF)の Kevan Shokatで行われた International Chemical Biology Society

先生の研究室および Zachary Knight 先生の研究室を(ICBS) 2014 に参加しました。今回の学会参加にあた

訪問しました。Shokat 研は、タンパク質の遺伝子改って、本学術領域から若手研究者海外渡航支援という変技術と有機合成とを組み合わせてケミカルツールを形で旅費を支援して頂きました。この場を借りて感謝開発し、シグナルネットワークの理解や個々のキナー

申し上げます。

ゼの機能解明を目指す研究に取り組んでおり、多様な

ICBS はケミカルバイオロジーの分野における研究分野をカバーする様々な研究施設を見学させて頂きまの促進と教育機会の拡充に寄与する非営利組織であり、した。一方 Knight 研ではマウスの摂食や行動をコン

毎年 1 回、学術領域、企業、政府機関などあらゆる領

トロールする神経回路を対象とした研究を行っており、域のケミカルバイオロジストの情報交換の場として学

実際にマウスの脳の神経活動を見る実験の様子を拝見会を開催しています。2014 年で 4 回目になる本学会させて頂きました。

は、世界各国からケミカルバイオロジー分野の第一線

また、それぞれの研究室で平野先生の研究成果につの研究者が集まり、開催期間中は朝の早い時間から夜いてのディスカッションに参加させていただきました。

までセッションが組まれ、ケミカルバイオロジーの多両先生とも非常にフランクな方で、ディスカッション

様な分野を網羅する非常に内容の濃い学会でした。

は次から次へとアイディアやサジェスチョンが飛び出

私は「Development of a fluorescence probe for

し、とても活発なものでした。UCSF は敷地全域でユ

folate receptors on the cell membrane（細胞膜上の葉ーモアに溢れるオブジェや開放感がある作りの建物が酸受容体を可視化する蛍光プローブの開発）」の題目で多く、そうしたものに象徴されるような自由な雰囲気

ポスター発表をしました。本研究は、葉酸受容体に結が最先端の研究を生み出す土壌になっているのだなと合したプローブがエンドサイトーシスによる細胞内取感じました。

り込みを引き金として蛍光を発するのではなく、細胞

今回の渡航では、日本では感じることのできない雰

膜上に存在する葉酸受容体に結合することで蛍光シグ囲気を体験し、様々な経験を積むことができました。

ナルが変化する蛍光プローブを開発し、早いタイムス

この経験を刺激にして今後の研究により一層取り組ん

ケールで葉酸受容体を選択的に可視化できることを目でいきたいです。

的としています。今回は、イメージングに最適な色素骨格の検討とその知見を活かしたプローブの長波長化、そしてプローブの蛍光寿命の変化によって細胞膜上の葉酸受容体を選択的に可視化できることを報告しました。
英語でのポスターブリーフィングおよび学会発表は今回が初めてでした。準備してきたセリフは言えてもとっさに言いたい内容が英語のフレーズとして出ず、
ディスカッションはかなり苦労しました。英語でコミュニケーションを取れることの重要性を痛感した一方で、拙い英語でも伝えようとすれば相手は理解しようと努めてくれるので、それに応えようとすることが大事だということも強く感じました。ポスターセッショ
ンでは蛍光イメージングを中心に他の発表者の方の発

写真：今回訪問させて頂いた Shokat 先生と Knight

表を聴いてディスカッションすることができ、情報収先生の研究室がある UCSF

140