New Lab研 究 室 紹 介 1

奥村

久士 計 算 科 学 研 究 セ ン タ ー 准 教 授

1 年ぶりの岡崎、3 年ぶりの分子研
おくむら・ひさし
1998 年慶應義塾大学理工学部卒業、2002 年同大学大学院理工学研究科博士課程修了、博士（理学）。東京大学工学系研究科日本学術振興会特別研究員 (PD)、分子科学研究所助手、名古屋大学大学院理学研究科 COE 特任講師、ラトガース大学研究助手、同研究助教授を経て 2009 年 5 月より現職。

2009 年 5 月 1 日付けで計算科学研究

だいたい一回戦で敗退し 1 軍の応援に物質のシミュレーションをおこなってセンターに着任しました。私は 2002

回るパターンが多いのですが、応援もいます。タンパク質には多くの自由エ

年 10 月から 2006 年 3 月まで理論分子そのあとの飲み会も楽しい思い出です。

ネルギー極小構造があります。このた科学研究系の岡本祐幸グループで助手

また冬には良くスキーに連れて行ってめ通常の分子動力学シミュレーションを務めていました。その後岡本先生のいただきました。特に平田文男先生はではこれらの極小構造にトラップされ異動にともなって 2008 年 1 月まで名古スキーがお上手なのでよく教えていたてしまい、広い範囲の構造を探索でき屋大学 COE 特任講師を務めました。名だきました。おかげで私もだいぶ上達ません。そこで生体分子の分子動力学大に勤務していたときも岡崎のアパーしました。今後も分子研の方々とソフシミュレーションをより効率的におこトから通っていたので 1 年 3 ヶ月ぶり

トボールやスキーができるのを楽しみなう新しい手法を開発しています。現に岡崎に、また分子研には 3 年 1 ヶ月にしています。

在興味ある研究テーマは以下のとおりぶりに帰ってきたことになります。昨

自分の研究室を持つというのは初め年、名大からアメリカのラトガース大ての経験なので、周りの先生方のアド学に異動したときには「次、日本に帰っバイスをいただきながら試行錯誤して①マルチバーリック・マルチサーマルてきたときにはどこの都道府県に行くいるところです。2009 年 6 月現在、私法の開発ことになるのだろう？」と漠然と思っの研究室には私しかいません。いずれ温度や圧力を変えると分子の形は変ていましたが、まさかまた分子研に赴は私の研究室にも人が来てくれると思わります。特に生体分子について温度任することになるとは全く想像していいますが、その人たちが私の研究室かや圧力を変えたときの構造の変化を理ませんでした。分子研の恵まれた環境ら転出するときには、私が以前分子研論的に研究することはこれまで困難でで再び研究できることを幸せに感じてから転出したときに思ったように、「こした。この問題を解決するためマルチいます。またその機会を与えていただの研究室にいて良かったな」と思ってバーリック・マルチサーマル法を提案

き中村宏樹所長はじめ多くの先生方にもらえるような研究室を作りたいとしました（図 1 参照）。この方法を使う深く感謝いたします。

思っています。良かったと思ってもらと生体分子の各構造のエンタルピー差

以 前、 分 子 研 に 在 籍 し て い た と き

うには第一に良い成果がでることが重や体積差を精度良く計算できます。エの思い出はソフトボール大会とスキー要ですが、研究とは苦労せずに成果がンタルピー差と体積差は各構造の存在です。ご存知の方も多いと思いますが、でるものではありません。私の好きな確率がそれぞれ温度，圧力とともにど理論・計算分子科学研究領域で作るソ言葉に「良く学び良く遊べ」があります。のように変化するかを示す重要な物理

フトボールチームは岡崎 3 研究所ソフ

良く学び良く遊んで研究の苦労と同じ量です。これらの物理量を分子シミュトボール大会で優勝の常連です。といっくらい多くの楽しい思い出もつくってレーションで求めたのは本研究が初めても私は強いほうのチームには入れてほしいと思います。てです。この方法を用いることによりもらえず、2 軍のピッチャー（時には 2私の専門は分子動力学シミュレー軍の控えピッチャー）をしていました。

ションです。特にタンパク質など生体36

分子研レターズ 60 September 2009です。

高温・高圧下での生命現象を理論的に解析できると考えています。

New Lab
研 究 室 紹 介

これまで提案されてきたシミュレー

いると時間刻み幅を 4 fs に設定した場ション手法には大きな系に適用できない合でもハミルトニアンはよく保存しまという問題がありました。この問題を解す。これは時間刻み幅を従来のアルゴ決するために部分的マルチカノニカル法

リズムにおける値 0.5-2 fs よりも長くを提案しました。この方法では重要なポ設定でき，高速かつ安定にシミュレーテンシャルエネルギー項についてだけ広ションをおこなえることを示していまくサンプルするので大きな系にも適用しす。この手法はタンパク質や水分子のやすくなります。この手法をタンパク質分子動力学シミュレーションを高速化の折りたたみシミュレーションに応用しするために有効な手法です。

log ( WC5 / WPII )

法を私は提案しました。この手法を用

log ( WC5 / WPII )②部分的マルチカノニカル法の開発

10
2.5

3.0

3.5

4.01.00.50.0-0.50

100 200 300 400

1/T (1×10 −3/K)

P (MPa)

しているのでシミュレーションを安定に実行できる。

ようと考えています。
④独自の分子動力学シミュレーション③剛体分子の定温シンプレクティックプログラム（GEMB）の開発
私 は こ れ ま で 独 自 に Generalized-分子動力学法の開発

この 2 点を兼ね備えたプログラムは他にはありません。今後新たに開発した手法も本プログラムに実装し生体分子系にシンプレクティック分子動力学法とEnsemble Molecular Biophysics

総称される手法では長時間シミュレー（GEMB）プログラムを開発してきまし

ションを実行してもハミルトニアンのた。このプログラムには以下の特徴が誤差が生じません。カノニカルアンサあります。

が、今後とも皆様のご指導、ご鞭撻のンブル，定温定圧アンサンブルにおい（1）拡張アンサンブル分子動力学法ほどよろしくお願いいたします。て剛体分子のシンプレクティック分子により多くの構造を効率よく探索できる。

動力学シミュレーションをおこなう手（2）シンプレクティック解法を採用

New Lab研 究 室 紹 介 2

古谷

応用していきたいと考えています。

まだいたらぬ点は多いかと思います

祐詞 生 命 ・ 錯 体 分 子 科 学 研 究 領 域 生 体 分 子 情 報 研 究 部 門 准 教 授

赤外分光法によるタンパク質の構造・機能相関研究に魅せられてふるたに・ゆうじ
1999 年京都大学理学部卒業、2001 年同大学大学院理学研究科修士、2004
年 博 士 課 程 修 了、 博 士（ 理 学 ） 2003- 2005 年 学 術 振 興 会 特 別 研 究 員、
2006 - 2008 年名古屋工業大学大学院工学研究科助手、助教を経て、2009 年 3月より現職
趣味：分子科学研究の歴史を知ること（回想の水島研究室：科学昭和史の一断面）

2009 年 3 月より分子研に赴任致しま法による立体構造解明を目指した研究

換機構について赤外分光法を用いた研した。よろしくお願い致します。これ（藤吉好則教授との共同研究）を行って究を行ってきました。2001 年に神取先までの経歴を簡単に説明します。京都

いました。博士課程に進学後は、当時生が名古屋工業大学に異動され、私も大学大学院修士課程に在学中は、七田七田研究室に在籍されていた神取秀樹依託学生として指導を受けるべく、名芳則教授の研究室において、視物質ロ先生の指導のもと、光受容タンパク質古屋に引っ越しました。その後は日本

ドプシンの二次元結晶化と電子線回折

ロドプシンの光−エネルギー・情報変

学術振興会特別研究員、名古屋工業大

分子研レターズ 60

September 200937

学の助手、助教を経て、現在に至ります。

なく、タンパク質内部の水分子が重要ける光化学反応においても、微細な構これまで一貫して、光受容タンパク質な役割を果たしていることがよく指摘

造変化を検出するのに有効です 5)。しロドプシンの研究を行ってきました。

されています。私は、様々な古細菌型かしながら、光が関与しないタンパクロドプシンに対して網羅的な解析を行質においては、その分子機構解明に十光受容タンパク質ロドプシンについてうことにより、強い水素結合を形成し分に役立てられているとは言い難い状

ロドプシンには、視覚ではたらく視た水分子の存在と光駆動プロトンポン況にあります。最近、全反射赤外分光物質ロドプシン（11- cis 型レチナール

プ活性に相関が見られることを明らか

法により、光ではなく、イオン結合に1)を発色団とする）と古細菌から見つかっにしました 。また、2008 年にはバクよる赤外差スペクトルを計測することてきた古細菌型ロドプシン（all- trans

テリオロドプシンに対する時間分解赤外で、p pR の塩化物イオン結合に伴うア型レチナールを発色団とする）があり、分光計測を行い、プロトンポンプ機能にスパラギン酸のプロトン化を検出しま

両者とも 7 回膜貫通型ヘリックスを基関与する水分子の OH 伸縮振動のダイナした 6)。この手法は、KcsA などのイオ

本 構 造 と し、 類 似 点 が 多 く 見 ら れ るミクスを実時間で観測することに成功し、ンチャネル、V 型 ATPase などのトラが、進化的にはまったく異なる起源か長年の謎であった M 中間体形成時に観ンスポーターにも適用できる手法であ-1ら生じたと考えられています。前者は測される 2000-1800 cm のコンティり、現在、研究を進めています。今後、基本的には光を受けると退色し、新たナムバンドがプロトン化水クラスターに

光受容タンパク質だけでなく、他の膜に 11- cis 型レチナールを加えないと再2)由来することを明らかにしました 。

タンパク質についてもケージド化合物やストップトフロー法を活用すること生しないが、後者は光サイクル反応を示し、光反応後も元の状態に戻るためファラオニスフォボロドプシンの光情でマイクロ秒程度の時間分解計測を目に、実験的な取り扱いが比較的容易で報伝達機構に関する研究指し、X 線結晶構造からは見えてこなす。また、前者の試料は生体試料を元古細菌の負の走光性に関与するファに精製を行うか、培養細胞を用いて強ラオニスフォボロドプシン（p pR）に制発現させることで、試料を得る必要対して赤外分光計測を行い、その情報があります。特に培養細胞を用いた試伝達機構に関わる構造変化を明らかに

料調製は、大腸菌での発現が可能な古し て き ま し た。 光 異 性 化 直 後 に 形 成X線および電子線結晶構造解析や細菌型ロドプシンに比べると多くの研される K 中間体においてレチナールのNMR 分光法は、タンパク質の構造をき究費と手間を必要とするが、得られるC14 位が Thr204 と立体障害を起こし、れいな分子モデルとして示せるため、研タンパク質量は極めて少量であるためその結果、Thr204 の水素結合が p HtrII

究者だけでなく一般の人にも訴えかけるに物理化学的な計測をするには覚悟がと複合体を形成しているときだけ変化強力な手法です。一方、振動分光法と総4)いタンパク質のダイナミックな分子実態に迫りたいと考えています。

最後に必要となります。そのため、ロドプシすることを明らかにしました 。また、称される赤外分光法やラマン分光法は、ンの光−エネルギー・情報変換機構にM 中間体の形成に伴って、情報伝達タ1 Å以下の微細な構造変化も検出できる

関わるプロトン移動やタンパク質間相ンパク質の Asn74 の分子振動に変化が高精度な構造解析手法であるが、スペク互作用など機能発現をもたらす分子機生じることを明らかにし、レチナールトルをそのまま解析する必要があるため、構解明は、古細菌型ロドプシンを中心の光異性化から Thr204 の水素結合変一般の人のみならず研究者にも取っつに研究が発展してきました。次に、私化を経て、p HtrII の Asn74 へと伝わる「分子かきにくいものです。それでも、がこれまでに行ってきた赤外分光法に情報伝達経路を明らかにしました。

らの手紙」とも言われるスペクトルから、タンパク質の機能発現に重要な構よる古細菌型ロドプシンの分子機構解明に関する研究について概説します。

今後の研究について造変化を見いだしたときは、秘密の暗こ れ ま で に 示 し た よ う に、 赤 外 差号を解読できたような楽しさがありま

光駆動プロトンポンプ活性と内部結合スペクトル法はロドプシンなどの光受す。最後に、ロドプシン研究に導いて水に関する研究

容タンパク質では盛んに研究が行われ、頂いた七田芳則先生と、赤外分光法とその分子メカニズムの解明に大いに役いう魅力的な研究手法を教えて頂いた

立てられています。また、超分子にお神取秀樹先生に感謝致します。

一般的にプロトンポンプ機構において、アスパラギン酸やグルタミン酸だけで

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分子研レターズ 60 September 2009

New Lab研 究 室 紹 介

図１ バクテリオロドプシンの内部結合水と時間分解赤外差スペクトル

Glu194 と Glu204 の近傍にプロトン化水クラスターが存在し、M 中間体形成時にプロトンを放出することを明らかにした。また、M 中間体とは異なり、L 中間体には、水分子の OH 伸縮振動に温度効果が存在することを明らかにした。

図２ ファラオニスフォボロドプシンの光情報伝達に関わる赤外吸収スペクトル変化

ppR は pHtrII と 2:2 の複合体を形成し、光を受容すると K, L, M, O 中間体を経て元に戻る光反応サイクルを示す。これまでに K および M 中間体において上記に示す構造変化を赤外分光法により明らかにした。

図３ 全反射赤外分光法によるイオン結合誘起赤外差スペクトルの計測

ATR 結晶の表面に膜タンパク質を吸着させ、組成の異なる緩衝液を交互に流すことで、イオン結合に由来する赤外吸収スペクトル変化を計測する。1724 cm-1 のバンドは Asp193が Cl- イオン結合に伴ってプロトン化したことを示す。

参考文献
1) Yuji Furutani, Mikihiro Shibata and Hideki Kandori, “Strongly Hydrogen-Bonded Water Molecules in the Schiff Base Region of Rhodopsins”,
Photochemical & Photobiological Sciences 4, 661-666, 2005.
2) Víctor A. Lórenz-Fonfría, Yuji Furutani and Hideki Kandori, “Active Internal Waters in the Bacteriorhodopsin Photocycle. A Comparative Study ofthe L and M Intermediates at Room and Cryogenic Temperatures by Infrared Spectroscopy”, Biochemistry 47 (13), 4071-4081, 2008.
3) Motohiro Ito, Yuki Sudo, Yuji Furutani, Takashi Okitsu, Akimori Wada, Michio Homma, John L. Spudich, and Hideki Kandori, “Steric Constraint inthe Primary Photoproduct of Sensory Rhodopsin II Is a Prerequisite for Light-Signal Transfer to HtrII”, Biochemistry 47 (23), 6208-6215, 2008.
4) Yuji Furutani, Yuki Sudo, and Hideki Kandori, “FTIR Studies of Protein-Protein Interaction Changes between pharaonis Phoborhodopsin and its
Cognate Transducer Protein”, Curr. Top. Biochem. Res. in press.
5) Yuji Furutani, Hideki Kandori, Masaki Kawano, Koji Nakabayashi, Michito Yoshizawa and Makoto Fujita, “In situ Spectroscopic, Electrochemical,and Theoretical Studies on the Photoinduced Host-Guest Electron Transfer that Precedes Unusual Host-mediated Alkane Photooxidation”, J. Am.
Chem. Soc. 131 (13), 4764-4768, 2009.
6) Yuya Kitade, Yuji Furutani, Naoki Kamo and Hideki Kandori, “Proton release group of pharaonis phoborhodopsin revealed by ATR-FTIR
spectroscopy”, Biochemistry 48 (7),1596-1603, 2009.

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