新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 22

平成 27 年 6 月

業績紹介：生物の持つ多燃料エンジンが働く仕組み
西原 泰孝
北尾 彰朗

（東大・特任研究員）（東大・A01 計画研究代表者）

オンチャネルを持つことがわかりました。その途中でチャネルの空間は狭くなっており、イオンや水分子の透過を制限するゲートがあることもわかりました。プ

論 文 題 目 ： "Gate-controlled proton diffusion andロトンがこの部分を透過するには、ヒドロニウムイオ

protonation-induced ratchet motion in the stator of theンとしてゲートを通過する必要があることもわかりまbacterial flagellar motor"

した。また、細菌の種類の違いによって生じると予想

著者：Yasutaka Nishihara and Akio Kitao

されるゲート付近のチャネルの大きさの違いは、それ

雑誌巻号：Proc. Natl. Acad. Sci., U.S.A. 112, 7737-7742

ぞれの細菌が利用できるイオンの大きさとよく対応し(2015).

ていることが明らかになりました。このことは、チャネルの大きさが、イオン選択性を決定する重要な要素

生物の持つモータータンパク質は、細胞内外のイオンであることを示しています。

勾配という化学エネルギーを利用して、モーターの回

さらに、長時間の分子動力学シミュレーションからは、転力を高効率に生み出すことができる優れた機能を持プロトンが透過・結合することで、MotA/B 膜貫通部っています。細菌のべん毛モーターはその代表的なも位の立体構造が変化することがわかりました。今回ののの 1 つですが、多種類・多数のタンパク質で複雑にシミュレーションにモーター回転子と相互作用すると構成されており、その機能の発現の仕組みには未解明考えられる MotA/B の細胞質ドメインは含まれていまなことが多く残されています。細菌のべん毛モーター

せん。しかし、細胞質ドメインが膜貫通部位の立体構には、大腸菌やサルモネラ菌のようにプロトンを利用造変化に応じてそのまま位置を変化させると考えると、するものだけでなく、ビブリオ菌のようにナトリウム

細胞質ドメインはプロトンの透過によってモーターのイオンを利用するものや、一部のバシラス属の細菌の回転方向を一方向に制限する大きなラチェット運動をように複数のイオンを利用できるものもあることから、生み出すような動きをすることが示唆されました。
今回、これまで得られていなかった細菌べん毛モー

複数の燃料を利用できる「多燃料エンジン」であるといえます。

ター固定子の原子レベルでの立体構造モデルが得られ今回の研究対象とした大腸菌のべん毛モーター固定

たことは、今後のべん毛モーターの研究戦略に大きな子 MotA/B は膜タンパク質で、通常、プロトンをエネ

影響を与えると期待されます。本成果ではプロトンをルギー源としますが、その膜貫通部位はプロトンだけ透過する仕組みだけでなく、重要なアミノ酸を変えるでなくナトリウムイオンも透過できると考えらえていことで利用できるイオンの種類が変わるという多燃料ます。しかし、細菌のべん毛モーターの原子構造はこエンジンとしてのべん毛のモーターの性質の一端が初れまで未解明で、イオンを透過する詳しい仕組みも明めて明らかになりました。

らかになっていませんでした。

生物が持つリニアモータ

我々は、大腸菌のべん毛モーター固定子 MotA/B の膜

ーでは、既にラチェット運貫通部位の立体構造を原子レベルで構築するために、動が利用されていることが先行研究で得られている多数のアミノ酸変異情報、特示唆されていましたが、回に 2 つの部位にシステインアミノ酸を導入した時に S

転モーターでこれが具体的－S 結合が形成されるかどうかという情報を用いましに示されたのは初めてのこた。また、アミノ酸配列に基づいて膜貫通部位予測をとです。細菌のべん毛モー

行い、さらに原子構造を組み上げ最適な立体構造を予

ターのような高効率なエネ測するために、分子動力学法などの大規模な計算機シルギー変換メカニズムを明ミュレーションを用いました。その結果、これまで知らかにすることは、エネル

られているさまざまな情報を満足する原子レベルでのギーを有効に利用できる生立体構造を構築することに成功しました。

物の仕組みを解明する上で今回の研究で、タンパク質複合体 MotA/B は内部にイ重要であると考えられます。

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No. 22

平成 27 年 6 月

業績紹介：微生物型ロドプシン光操作ツールの色変異体の atomistic 設計
林 重彦
須藤 雄気

（京都大・A01 計画研究代表者）（岡山大・A03 計画研究分担者）

入によるタンパク質の構造変化を長時間の MD シミ

論文題目：" Atomistic design of microbial opsin-basedを達成するべく、これまで考慮されていなかった発色

blue-shifted optogenetics tools"団の構造変化を引き起こす二～三箇所の変異を設計し、

著者：Hideaki E. Kato, Motoshi Kamiya, Seiya Sugo,

上記手法により変異モデル構造の精密化を行った。まJumpei Ito, Reiya Taniguchi, Ayaka Orito, Kunio Hirata,

た、静電相互作用的に波長シフトを引き起こす既知のAyumu Inutsuka, Akihiro Yamanaka, Andre´s D. Maturana,

一箇所の変異を加え、三～四重変異体を設計した。神

Ryuichiro Ishitani, Yuki Sudo, Shigehiko Hayashi*, and経細胞の不活性化に用いられる AR3、及び活性化に用Osamu Nureki*

いられる C1C2 に対して、それぞれ岡山大学及び東京

雑誌巻号：Nat. Commun. 6, 7177 (2015).

大学（濡木ら）のグループが実験的検証を行ったとこュレーションにより適切に考慮することが可能となる。
まず、少数の変異導入による大きな吸収波長シフト

ろ、理論的設計を基本として、最大 100 nm の短波長
光感受性イオン輸送体である微生物型ロドプシンは、シフトを有する色変異体を得た。これまでに実験で得神経科学における光操作のツールとして用いられていられた点変異による色変異体の最大の吸収波長シフトる。光操作実験では、神経細胞にこの異種由来の微生は 50 nm であり、本研究ではこれまでの倍以上のシ物型ロドプシンを発現することにより、光照射を用いフトを有する変異体の設計に成功したことになる。更た詳細な神経細胞活動の制御が可能になる。本研究でに、C1C2 の色変異体に対して東京大学のグループがは、ツールとして実際に用いられているいくつかの微X 線結晶構造解析を行ったところ、理論設計による構

生物の色変異体を理論的に設計し、大幅な吸収波長シ造モデルと同様な発色団分子の構造変化を観測した。

フトを有する変異体の作成に成功した。

また、C1C2 の色変異体は、マウスの脳スライス中で、微生物型ロドプシンは、レチナールシッフ塩基分子

より短波長の光を用いて活動電位を惹起出来ることが、を発色団として有し、異なるタンパク質における発色名古屋大学のグループ（山中ら）により確認された。

団とタンパク質の相互作用の違いにより、吸収波長が本研究では、実験的なタンパク質工学により得られ大きく変化する。そのような吸収波長の可変性は、光ていたものを大きく凌駕するタンパク質機能特性の改操作実験において、二つの異なる吸収波長を有する光

変を、物理化学的基盤に基づく理論的設計により達成受容体を用いた同時操作／観測実験を可能にする。

した（恐らく）初めての例であり、個人（林）的にもそのような吸収波長の異なる微生物型ロドプシン

非常に感慨深い。今後も、幅広い実験研究に対して意は、自然界に多く存在し、そのいくつかは実際の光操義のある予測・設計を行っていければ、と考えている。

作実験に応用されている。一方、大きく吸収波長が異なる色変異体のタンパク質工学的な作成は、発色団とタンパク質の相互作用の大きな変調とタンパク質の安定性の保持の両立を可能にする変異導入の原子レベルの詳細な制御が必要となるため、非常に困難であった。
原子レベルからの変異設計は、分子シミュレーションのアプローチから可能ではあるが、変異導入の際のタンパク質の構造変化を適切に考慮することが難しく、小さな吸収波長シフトの変異しか取り扱えなかった。
本研究では、その限界を超えるために、京都大学のグループがこれまでに開発してきた新規手法である
QM/MM RWFE-SCF 自由エネルギー構造最適化法を

図：（左）色変異体の理論的構造モデル。
（右上）AR3 の適用した。本手法では、複雑な電子構造を有する発色

色変異体の実験的吸収スペクトル。
（右下）C1C2 の色団を高精度な量子化学的手法で取り扱いつつ、変異導変異体の X 線結晶解析による電子密度と構造モデル。

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平成 27 年 6 月

業績紹介： F 1 - ATPase の 1 分子実験による拡散の Giant Acceleration の観察
林

久美子（東北大・A01 公募研究代表者）

私たちのグループは拡散の Giant Acceleration の理論
を回転タンパク質モーターF1-ATPase に応用した。生論文題目："Giant acceleration of diffusion observed in a

物系への応用は初めての試みである。F1 の回転ポテン

single-molecule experiment on F1-ATPase"シ ャ ル も 周 期 的 で あ る た め 、 F1 は 拡 散 の Giant

著者：

Ryunosuke Hayashi, Kazuo Sasaki, Shuichi

Acceleration の応用に適した系だと考えられた（図２）。

Nakamura, Seishi Kudo, Yuichi Inouke, Hiroyuki Noji andF1 は ATP を加水分解して回転するモーターであるが、Kumiko Hayashi*

ATP（アデノシン三リン酸）がない状態で ADP（アデノシン二リン酸）濃度を上げると F1 は ADP 阻害状態

雑誌巻号：Phys. Rev. Lett. 114, 248101 (2015).

になると考えられる。F1 に ADP がタイトに付いた状
態のエネルギーバリアを拡散の Giant Acceleration を利用して推定した。

拡散の Giant Acceleration とは、拡散の外力に対する共鳴現象である。非平衡統計力学の理論分野で近年研F1 の回転子にポリスチレンビーズ（誘電体）を付け究されて来た[1]。周期ポテンシャル中を運動する粒子て、回転電場系を用いてビーズに外部トルクを加えた。

に、力を加える。すると、周期ポテンシャルの傾きとビーズの回転角度の拡散係数を外部トルクの関数とし外力が釣り合うとき、ゆらぎが最大になる（図 1）。ゆてプロットした（図２）。グラフのピーク値から、F1

らぎの大きさはポテンシャルの深さに依存する。深さに ADP がタイトに付いた状態のエネルギーバリアのが深ければ深いほど、拡散係数は加速的に増大してい高さは 20kBT 程度と推定された。

く。つまり、拡散の Giant Accelertion を利用することこのようにタンパク質のゆらぎには、系のエネルギ

で、系のエネルギーの大きさを推定することができる。

ー情報が潜んでいる。今後も柔らかな分子の性質を活

コロイド粒子などの物理系の実験でも研究されて来た。

かした理論を実験に応用する研究を行っていきたい。
引用文献[1] P. Reimann, et al., Phys. Rev. Lett. 87, 010602 (2001).

図 1 拡散の Giant Acceleration（理論）

図2

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F1-ATPase の１分子実験への応用

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平成 27 年 6 月

業績紹介：柔らかな構造を持つランタノイド不斉触媒
水中での向山アルドール反応における立体選択性発現機構の理論的解明
畑中 美穂(近大理工・A01 公募研究代表者)

この反応では、立体選択性を決める C-C 結合生成段階の TS が 164 個も見つかり、そのうち安定な 17 個が立体異性体の生成比に寄与していた。つまり、立体選択論 文題 目： "How Can Fluctional Chiral Lanthanide(III)比の定量的な計算には、TS の網羅的探索が不可欠であComplexes Achieve a High Stereoselectivity in Aqueous

ったわけである。

Mukaiyama-Aldol Reaction?"

ここまでの話から、Ln3+錯体触媒は構造が柔らかすぎ

著者：Miho Hatanaka and Keiji Morokumaて高立体選択性を実現するには不向きであると考える

雑誌巻号：ACS Catal. 5, 3731-3739 (2015).

人もいるかもしれない。しかし、実際には Ln3+不斉触媒による高立体選択的反応が複数報告されている。そLewis 酸触媒は、C-C 結合反応をはじめとする様々なの一つが Allen らの不斉 Eu3+触媒を用いる水中向山ア反応の触媒として広く用いられているが、多くの場合

ルドール反応である。[4] 本研究では、この反応の立体

水存在下でその触媒活性を失ってしまう。これに対し、選択性発現機構を明らかにすることを目的とし、Eu3+

ランタノイド(Ln3+)錯体は水溶媒中でも触媒活性を失触媒の構造と、立体選択性を決める C-C 結合生成段階

わないため、水中触媒反応を可能にするクリーンな触の TS 構造を GRRM 法によって網羅的に探索した。そ媒として注目されている。Ln3+触媒を用いる水中反応の結果、Eu3+触媒の配位構造は柔らかく、図 1 に示すの最初の報告例は、小林らによる向山アルドール反応

3 種のコンフォマーが共存することが分かった。C-C 結であった。[1]この反応は、20 年近く前に報告されたに合生成段階の TS については計 64 個もの構造が得らも関わらず、水の役割に関する未解決の疑問があった。

れ、これらを考慮することで立体異性体生成比の実験

量子化学計算による反応機構解析が多く報告される値を定量的に再現することができた。また、予想に反中、なぜ 20 年もの間未解決のままだったのか。その原し、最も安定な TS は最安定コンフォマーA ではなく、因は Ln3+ 錯体特有の性質にある。Ln3+ の電子配置は2 番目に安定な B から形成されていた。

1s22s2…4fN5s25p6 のようになっており、開殻 4f 電子が閉殻 5s・5p 電子に外側から遮蔽されている。そのため、開殻 4f 電子は、Ln3+まわりの配位子と直接共有結合を形成することができず、Ln3+と配位子の結合はイオン
結合的性質を持つ。つまり、配位子から見ると、Ln3+はFigure 1. 不斉 Eu3+錯体触媒の安定構造

ほとんど“つるつる”の球体であり、Ln3+の周りをある

さて、得られた多数の TS から何か新しい情報が得ら程度自由に動ける状態になっているのだ。

れないか？ここでは、エナンチオ選択性を向上させる

Ln3+周りの配位構造が定まらないことは、配位構造がための触媒設計の方向性について議論する。エナンチ

少しずつ異なるコンフォマー(局所安定構造)が多数存在することを意味する。触媒の安定なコンフォマーが、反応において必ずしも最安定な遷移状態(TS)を形成す

オ選択性を向上させるには、主生成物のエナンチオマ
ーの生成を抑制しなければならない。このエナンチオ
マーの生成に関わる最も安定な TS を形成するのは、るとは限らない。そのため、多数のコンフォマーが共コンフォマーB でなく C であった。つまり、C の存在

存する反応系の反応機構や立体選択性を調べるには、比率を減少させれば、エナンチオ選択性を向上させる

様々なコンフォマー構造を含む TS の構造を網羅的にことができる。様々な触媒の構造を検討した結果、イ

探索しなければならないという問題がある。

オン半径の大きい Ln3+(=Pr3+)を用いることで C の比率

この問題を解決する方法の一つに自動反応経路探索を減少させられることが分かった。

(GRRM; Global Reaction Route Mapping)がある。[2] 我々は以前、Eu3+(H2O)8 を触媒とする水中向山アルドール反応に着目し、GRRM 法を用いた反応機構解析により、前述の未解決の疑問を明らかにした。[3] 驚いたことに、

144【文献】[1] Kobayashi, S. Synlett 1994, 689. [2] Maeda, S. et al.
Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 3683. [3] Hatanaka, M. et al. J.
Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13972. [4] Mei, Y. et al, J. Am. Chem.
Soc. 2010, 132, 12871.

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平成 27 年 6 月

業績紹介：蛍光タンパク質 eGFP 発色団モデル化合物の二光子吸収スペクトルの溶媒依存性
細井 晴子
竹内 佐年
田原 太平

（東邦大学・A02 班友）（理研・A02 計画研究分担者）（理研・A02 計画研究代表者）

論 文 題 目 ： "Solvent Dependence of Two-photon
Absorption Spectra of the Enhanced Green FluorescentProtein (eGFP) Chromophore"
著者：Haruko Hosoi, Ryo Tayama, Satoshi Takeuchi, andTahei Tahara
雑誌巻号： Chem. Phys. Lett., 630, 32-36 (2015).
蛍光タンパク質（Green Fluorescent Protein, GFP）を用いたイメージングは生命科学分野における最先端技術の一つであり、特に近年、二光子励起蛍光イメージ
ングが注目されている。イメージング技術が確立している一方、その基礎となる二光子励起された GFP の発
光メカニズムは、適切な観測手段が限られているため不明のままであった。
そこでわれわれは以前、新規に開発されたマルチプ
レックス二光子吸収分光法を用いて、最もイメージン
グに利用される GFP 変異体 enhanced GFP（eGFP、図 a）の二光子吸収（TPA）スペクトルを精度よく測定した。

図. (a) eGFP と(b) 発色団モデル化合物
HBDI の構造。(c) eGFP
および(d)-(h) HBDI の一光子吸収(OPA)、および二光子吸収(TPA)
スペクトル。OPA とTPA ピークのエネル
ギー差を緑で示す（波数 単 位 ）。 eGFP とHBDI でともに、OPAと TPA スペクトルが一致しない。また
HBDI では溶媒によってエネルギー差が大きく異なる。

た OPA と TPA ピークのエネルギー差は 670～1100 cm-1

観測された TPA スペクトルが一光子吸収（OPA）スペと溶媒によって大きく変化した。この結果は S1 (>0)

クトルと一致せず高エネルギー側に現れた（図 c）こ← S0 遷移への帰属と矛盾する。なぜならば、S1 (>0) ←とから、eGFP では、一光子励起によって生成する S1

S0 遷移と考える場合、OPA と TPA ピークのエネルギ

電子励起状態の近傍に”隠れた”電子励起状態（S2 ）がー差は関与する振動モードのエネルギーに相当するが、存在すると報告した[1]。しかしその後、蛍光励起スペ

その溶媒依存性は一般に非常に小さい（数 cm-1 程度）

クトル測定に基づき、eGFP の二光子励起過程に関与からである。よって、HBDI の二光子励起過程に関与するのは S2 励起状態ではなく、S1 の高い振動励起状態

するのは S1 (>0)ではなく S2 励起状態であると結論し（S1 (>0)）であるという、われわれとは異なる帰属がた。

報告された[2]。また計算科学によっても研究され広く

HBDI で得られた結論を適用して eGFP の二光子励議論になっている。そこで本研究では eGFP の二光子起蛍光過程を理解することができる。二光子励起され励起過程への S2 励起状態の関与を明確に証明するこ

た eGFP はまず S2 状態となるが速やかに S1 状態へと緩とを目的として、eGFP 発色団モデル化合物 HBDI（図和する。その S1 状態の蛍光は、一光子励起によって観b）の二光子吸収スペクトルの溶媒依存性を研究した。
5 種類の溶媒（メタノール、酢酸エチル、アセトニ

測される蛍光と全く同じとなる。本研究により、最も広く利用される eGFP の二光子蛍光メカニズムを明ら

トリル、N,N-ジメチルホルムアミド（DMF）、ジメチ

かにすることができた。

ルスルホキシド（DMSO））中の HBDI の OPA および[1] H. Hosoi, S. Yamaguchi, H. Mizuno, A. Miyawaki, andTPA スペクトルをそれぞれ図 d－h に示す。eGFP と同

T. Tahara, J. Phys. Chem. B, 112, 2761-2763 (2008).

様に、全ての溶媒中で HBDI の TPA スペクトルは OPA[2] M. Drobizhev, S. Tillo, N. S. Makarov, T. E. Hughes, A.

スペクトルと一致せず、高エネルギー側に現れた。まRebane, J. Phys. Chem. B, 113, 855-859 (2009).

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平成 27 年 6 月

東京工業大学・藤井正明教授が 「 日本 分光学会 賞」を受 賞
酒井 誠	
  （東工大・A02 計画研究共同研究者）
このたび、本新学術研究 A02 項目の計画研究代表者である藤井正明・東京工業大学教授が、「先端的多色レーザー分光法の開発とその応用」という業績により、
平成 27 年度日本分光学会賞を受賞されました。この賞は、分光学およびその関連分野において優れた研究実績をもち、学術の発展に特に顕著な功績のあった研究者に授与されるものです。本新学術研究のメンバーの一員として、また、15 年以上に渡り一緒に研究を行ってきた者として、藤井教授の受賞に心よりお祝い申し上げたいと思います。以下に、今回の受賞対象となった主たる研究業績をご紹介いたします。
２台以上のレーザー光を同時に用いる多色レーザー

藤井正明・東京工業大学教授（右：授賞式にて）

分光法は、吸収、発光といった伝統的な分光法では観測が困難な様々な分子の状態を観測することが可能で液では観測が難しい単分子の挙動を正確に捉えた例とす。藤井教授は、まず、分子の高励起電子状態 Sn を観なっています。この成果は、タンパク質で不可欠な測するのに２台のレーザーを同時に用いる２波長（２-CONH-結合周りでの水分子再配向に対する基礎的な色）レーザー分光法が大変効果的であることを見出し、ダイナミックスの理解に繋がると期待されています。

これを契機として種々の多色レーザー分光法の開発を	  環境分析法への応用においては、多色レーザー分光

行ってきました。中でも、様々な状態の分子が混在す法の分子・状態選択性に着目することで、伝統的な環る中で、特定の状態にある分子の遷移だけを選択して境分析法ならば必須ともいえる抽出操作を一切省いた観測できるといった分子・状態選択性の特徴を最大限

全く新しいリアルタイム環境分析法の開発に成功した。

に生かして、光反応ダイナミックスへの適用、さらに詳細は割愛させて頂きますが、共鳴効果を利用して自は、環境分析や顕微鏡への応用を展開してきました。

動車排気ガス中の環境汚染物質をリアルタイムで検出	  分光学における基礎研究として光励起後の反応ダイ可能としたこと、また、自動車専用の FT-IR では検出

ナミックス追跡を実現する時間分解赤外分光法への展できないベンゼンを車速変化に対応してリアルタイム

開では、高励起電子状態の観測に用いた蛍光 Dip 分光

ppb 感度で検出可能としたことが特筆されるべき成果

法を劇的に発展させた、分子振動を区別できる波長分です。他にも、集束イオンビームと融合した微粒子履

解能と光反応の変化を追跡できるピコ秒の時間分解能

歴解析装置（固体分析装置）の開発にも成功しており、を両立させた多色ピコ秒時間分解赤外分光法を開発しこの装置は PM2.5 の高感度履歴解析が可能な装置とました。赤外スペクトルは分子の構造や環境を鋭敏にして TV 等でも紹介されました。

反映するいわば分子の指紋であり、赤外スペクトルを	  以上のように、藤井教授は多色レーザー分光法の特

ごく短い時間ごとに測定する方法があれば反応中の分徴である分子・状態選択性を最大限に活かし、分光法子が変化していく姿をコマ落としのように観測できまが分子の挙動を正確に捉える学術的側面を有するだけす。藤井教授は、これを種々の気相分子クラスターにでなく、分析分野においても大きな発展をもたらす可

適用し、イオン化により溶媒が結合部位を移動する過能性を有することを併せて示しました。現在、藤井教程を赤外スペクトルの時間変化として初めて実時間で授は、本新学術研究において、神経伝達物質、ポリペ

捉えることに成功しました。特に、アセトアニリド水

プチド、超分子など柔らかな分子系の取る構造多様性

和クラスターでは、光イオン化により水分子が C=Oを明らかにし、その特異な機能の分子論的な理解に挑

から NH サイトに移動する様子をリアルタイムで観測戦しています。今後さらにどのような新しい化学が発することに成功し、分子動力学計算との連動から、溶見されていくのか、私自身も大変楽しみにしています。

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平成 27 年 6 月

近藤正人氏が TRVS 2015 Poster Award を受賞
水谷 泰久（阪大院理・A03 計画研究代表者）

近藤氏はこれまでに、過渡回折格子法によるタンパ
ク質複合体間の反応に関する研究やテラヘルツ分光法

近藤正人氏が、平成 27 年 6 月 21 日～26 日にアメによる電解質水溶液に関する研究を行ってきた。今回

リカ・ウィスコンシン大学マディソン校において開催の受賞対象となった研究も含め、いずれの研究でも、された、Seventeenth International Conference ofTime-resolved

Vibrational

ユニークな計測手法を活用し独創性の高い研究を行っSpectroscopyてきた点が彼の研究の特徴である。それは、彼の分子（TRVS2015）にて Poster Award を受賞した。この科学者としての高い能力が基盤となっているのはもち国際学会では 145 件のポスター発表があり、そのなかから氏の発表も含め 4 件が賞に選ばれた。近藤氏は、私の研究室で平成 26 年 4 月から博士研究員として「タろんであるが、同時に表には見せない忍耐強い努力にも支えられていると私は感じている。
近藤氏は本新学術領域研究の若手研究者の海外派遣

ンパク質中のエネルギーフローの時空間マッピング」

制度の支援を受けて、受賞のあった国際学会の後、スに関する研究を行っている。今回の受賞は氏のこれまタンフォード大学の Michael Fayer 教授の研究室を訪での努力の成果が高く評価されたものであり、心から問しセミナーを行った。その詳細は次号のニュースレ

お祝いの言葉を贈りたい。

ターにて報告していただく予定である。

近藤氏の研究成果を簡単に説明する。タンパク質で受賞の様子を写真に示す。右側が近藤氏、左側はこ起きる化学反応において、反応部位で生じた余剰エネの国際学会の主催者である Martin Zanni 教授（ウィルギーは、タンパク質部分を経て溶媒へと速やかに散スコンシン大学マディソン校）である。Zanni 教授の逸する。この散逸過程は、タンパク質における化学反ジョークで、地元の名産であるチーズをかたどった帽応の速度や経路を決める重要な過程である。われわれ

子を被らされたり（これは他の受賞者も同様）、学会中の研究グループでは、ヘムタンパク質を利用して、タのドタバタで賞状の宛名が間違っていたり（翌日正し

ンパク質中のエネルギーフローについて研究を行ってい名前が印刷された賞状を改めて受け取っている）しきた。それには、芳香族アミノ酸残基の時間分解アンているが、この賞は賞状の上部に記載されているよう

チストークス共鳴ラマンスペクトルに基づき、タンパに、Journal of Physical Chemistry がスポンサーとな

ク質中のエネルギーフローをアミノ酸残基の空間分解った栄誉ある賞であることを強調しておきたい。日本

能で検出するというオリジナルな手法を開発し用いての若手研究者が国際舞台で評価されるのは大変うれしいる。これは、「共鳴効果によってタンパク質の局所的い。近藤氏のこれからの益々の活躍に期待する。

な情報がシャープに得られる」、「アンチストークスバ
ンド強度から振動励起状態に関する情報が得られる」という共鳴ラマン分光法の長所を最大限に活かした手法である。これまでの研究から、エネルギーフローの距離依存性については知見が得られていたが、ヘムからの方向依存性については明らかではなかった。近藤氏は、ヘム周辺の 3 カ所にそれぞれトリプトファン残基を導入したミオグロビン変異体を作成し、その時間
分解アンチストークス共鳴ラマンスペクトルを測定することによって、エネルギーフローの異方性について調べた。その結果、ヘムからの距離がほとんど変わらないにもかかわらず、位置によってトリプトファン残基の受け取る余剰エネルギーには違いがあることを明らかにした。さらに、トリプトファン残基の溶媒への露出度と相関をもつことを見いだした。これは、溶媒とのコンタクトがエネルギー散逸において重要であることを意味している。

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平成 27 年 6 月
Report on 48th Heyrovsky Discussion and Visit to Prof. Pavel Jungwirth’s
Laboratory
Lingjian Wang (Graduate Student of Morita
Lab., Tohoku Univ., A01 Group)

strengthoftheoreticalsimulation
andelectrochemical experiments, this puzzle might get
solved.

Supported by the grant-in-aid for science researchon innovative areas of “soft molecular systems”, I
was able to attend the 48th Heyrovsky discussion in
Prague and pay a visit to Prof. Pavel Jungwirth’ slaboratory from 13th June to 20th June. It is a
privilege for me to have this chance.

After the discussion, I visited Prof. Pavel
Jungwirth’s laboratory located in Prague. Prof.
Jungwirth’s group have produced many impressive
papers by molecular dynamics and quantum
calculations. Their current research interest
includestheinfiltration
process
through
phosphorous lipid bilayer membranes. During thelaboratory visit, I have talked to him and his
students about the difficulties I encountered in mycurrent research like the sampling efficiency
problem and the effects of bias potentials. Though
there was no clear solution to all these problems, it
was indeed very helpful to be able to talk with peerscientists working in the same field because thiskind of communication stimulates new perspectives
and ideas.

The Heyrovský Discussion has been organized
during the last four decades every year by the J.
Heyrovský Institute of Physical Chemistry of the
Academy of Sciences of the Czech Republic. Eachyear a different field of electrochemistry is selected
as the discussion theme. This year’s theme was“progress in electrochemistry at liquid-liquidinterface and liquid membranes”. During 7 days’
discussion, novel experimental and theoreticalmethods/discoveries/applications
about
electrochemistry at liquid- liquid interface werereported by 42 invited speakers. Thanks to thefact that all the participants stayed at the sameplace and had meals together every day, there wereplenty of chances talking to the pioneeringscientists in this field in person.
Prof. Yuanhua Shao from Peking University,
whose recent paper reviewing the experimental
details about micropipette [1] was of great help tome, talked to me about the difference in theeasiness of ion transport process throughliquid-liquid interface between cations and anions. I
had intensive discussion on the details of
micropipettes and possible artifacts. Prof. Micheal
Mirkin from City University of New York was very
interested in my theoretical researches and wasvery positive to the idea of collaboration with ourlaboratory. His 2007 JACS paper [2] reporting thecatalytic effect of trace water to the ion transfer
actually led to the idea of investigating the effect ofhydration using simulations that I am currently
working on. On the barbecue time, I was lucky tofind Prof. Ilan Benjamin sitting near us. He is
among the most well-known theoreticians in thefield of liquid-liquid interface because of his 1993
science paper first proposing the “water finger”
mechanism [3]. He has discussed with me about theroles and goals of MD simulations on theliquid-liquid interface, which was very instructive
to my future research. I also had chance to talk with
Prof. Shigeru Amemiya from Pittsburgh University.
He mentioned their recent discovery on mysterious
rate constant difference for cations. It came to theidea that if we work together combining theThis 8 days’ trip to Czech Republic provided both abird’s eye view on the recent progress of theliquid-liquid interface research field and an on-site
study of peer researchers working in similar field.
Based on the information collected this time,
especially the view from experimental experts, mycurrent research on the mechanism of ion transfer
process managed to get some fresh advances on theinterpretation of the results. And hopefully we caninitiate new collaboration projects with Prof. M.
Mirkin and Prof. S. Amemiya. Thanks again for the
grant-in-aid to offer me such a chance.
References[1] S. Liu et al. Chem. Sov. Rev. 40, 2236 (2011).
[2] P. Sun et al. J. Am. Chem. Soc. 129, 12410 (2007).
[3] I. Benjamin, Science 261, 1558 (1993).

A photo with Prof. Pavel Jungwirth (left) at hislaboratory.

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