新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 45平成 29 年 5 月

業績紹介：ヘパリンによるβ2-ミクログロブリンアミロイド線維形成促進・抑制機構の相図を用いた解釈
宗 正智 （阪大蛋白研・A02 連携研究者）
後藤 祐児 （阪大蛋白研・A02 公募研究代表者）とからも硫酸基が非常に重要であることがわかった。
しかし、硫酸ナトリウムに比べると、硫酸基当たりの濃度ではるかに低い濃度で凝集を促進することから、塩としての効果に加え、高分子ポリマーである効果がさらに加わっていることが示唆された。

論文題目： "Heparin-induced amyloid fibrillation of β2microglobulin explained by solubility and a supersaturationdependent phase diagram"
著者：Masatomo So, Yasuko Hata, Hironobu Naiki, and Yuji
Goto
雑誌巻号：Protein Science 26, 1024-1036 (2017).
アミロイド線維は分子間で規則的な水素結合を形成してできた結晶性の凝集であり、様々な疾患に関わる。
アミロイド線維形成過程では、蛋白質が溶解度を超えて溶けている過飽和状態が存在し、これが解消することにより、大規模な構造相転移が起きる[1]。NaCl などの塩では、低濃度では溶解度以下となり溶解していた蛋白質が、高濃度では結晶性の凝集が、さらに高濃度ではガラス性の不定形凝集が起こる。我々はこのような現象を、相図を用いたわかりやすい解釈を提案してきた。
アミロイド線維を促進・抑制する物質は数多く研究されているが、それらの多くは促進あるいは抑制のみに着目したものであり、濃度依存性について言及したものはほとんどない。抗血液凝固因子であるヘパリンは、硫酸基を多数持ったグリコサミノグリカンの一種であり(図 2C 挿入)、アミロイド線維形成を促進するといった報告や、出来上がったアミロイドを分解しオリゴマー形成を促進するといった報告があるが、アミロイド促進・抑制効果の包括的な理解はまだされていなかった。本論文では、ヘパリンが濃度依存的にアミロイド線維形成を促進・抑制することを示し、その分子機構について議論した。
本論文では、β2 ミクログロブリンをモデル蛋白質として、ヘパリン濃度や塩濃度を様々に変えて線維形成実験をおこなった(図 1)。塩のない試料ではヘパリン濃度が高くなるにつれて、アミロイド線維特異的に蛍光を発するチオフラビン T (ThT)の蛍光強度が上昇し、線維形成にかかる時間（ラグタイム）が短くなった。さらに濃度を上げていくと逆に ThT 蛍光が減少し、ラグタイムも長くなった。しかし、光散乱強度は高いままであるため、アミロイド線維でない凝集ができていることが示唆された。円二色性スペクトルや透過型電子顕微鏡画像でもこれを支持する結果が示された。
このように、ヘパリンも塩と同様の濃度依存性を示すことから、ヘパリンの硫酸基が塩として効いていることが示唆された(図 2)。実際に、NaCl 濃度を変化させるとヘパリン濃度依存性の山が左右にシフトするこ371

図 1 β2 ミクログロブリンアミロイド線維形成におけるThT の時間変化(A )と蛍光強度(B )、ラグタイム(C )、光散乱(D )のヘパリン濃度依存性。

図 2 ヘパリンによる蛋白質凝集形成の経路(A)と相図(B,C, D)。

引用文献[1] M. So, D. Hall, and Y. Goto, Curr. Opin. Struct. Biol. 36,32-39 (2016).

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No. 45平成 29 年 5 月

業績紹介 : 光で働くホスホジエステラーゼ分子を自然界から発見～新しい光遺伝学ツールとしての応用に期待～角田 聡 （JST さきがけ・名工大・A01 公募
研究連携研究者）
吉田 一帆 （名工大・A03 博士課程学生）
神取 秀樹（名工大・A03 計画研究代表者）

は予想した。そこでゲノム配列情報探索を行った

論 文 題 目 ： "A unique choanoflagellate enzyme
rhodopsin exhibits light-dependent cyclic nucleotideへ導入したところ全長タンパク質を発現、精製することに成功し、この分子を Rh-PDE と名付けた

phosphodiesterase activity"
著者：Kazuho Yoshida, Satoshi P. Tsunoda, Leonid S.

（図 A）。そして in vitro において Rh-PDE のcAMP、cGMP 加水分解活性を測定すると、490

Brown, Hideki Kandori
雑誌巻号：J. Biol. Chem. 292, 7531–7541 (2017).

nm の青緑色の光照射依存的な活性化が観察された（図 B に cAMP の結果を示す）。

ところ、襟べん毛虫の一種、Salpingoeca rosetta
が微生物型ロドプシンとホスホジエステラーゼを連続してコードする遺伝子を持つことを発見した。次にこの遺伝子を哺乳類細胞(HEK293 細胞)

本論文において我々は、環状ヌクレオチドを光さらに光による活性化メカニズムを調べるために、単離精製した全長 Rh-PDE の分光測定を行っで分解するタンパク質分子(Rh-PDE)を発見した。
環状ヌクレオチドである cAMP や cGMP は細胞内た。その結果、Rh-PDE は暗状態で 492 nm に吸収極大を持ち、光吸収によってレチナールシッフ塩

シグナル情報伝達物質であり、生体の代謝調節や細胞分化、増殖など、様々な生命現象を調節してい基からプロトンが解離して M 中間体を生成する一方、M 中間体は室温で 7 秒の時定数で始状態へ戻る。細胞内において環状ヌクレオチドは必要に応じてシクラーゼ (cyclase) により合成され、ホスホることがわかった。次に HEK293 細胞中で同じように発現させた Rh-PDE の機能を調べたところ、青ジエステラーゼ (phosphodiesterase: PDE) により分解されることで、細胞内での濃度が適切に保たれ緑色光照射に応じた cAMP 濃度の減少を観察することに成功した（図 C）。これらの結果を総合し、る。
一方、微生物型ロドプシンの仲間にはバクリオ

Rh-PDE は M 中間体の減衰に伴って活性化する一方、PDE 活性は数分で元の状態に戻ることを結論

ロドプシンのような光駆動イオンポンプや、チャネルロドプシンのような光開閉型イオンチャネした。
以上の事実は細胞内環状ヌクレオチド濃度の光ル、またセンサー型の分子が知られていた。しかし近年、光依存的な酵素活性を示す微生物型ロド操作が可能であることを示しており、我々は本論文中で繰り返し光照射など応用に向けた可能性もプシンの存在が明らかになり、このファミリーの機能の多様性が注目されている。実際、2014 年に検討している。今後、Rh-PDE を光遺伝学ツールとして細胞内シグナル伝達の光操作技術に応用すれは光依存的に cGMP を合成する酵素型ロドプシン(BeGC1) が水生菌類 Blastocladiella emersonii からば、代謝調節や細胞分化など生命現象の理解に役立つことが期待される。

発見され[1]、光遺伝学応用の可能性が報告された[2]。では逆に「光依存的に cAMP や cGMP を加水[1] Aveler et al. Curr. Biol. 24, 1234–1240 (2014).

分解する分子も存在するのではないか？」と我々[2] Scheib et al. Sci. Signal. 8, 389, pp. rs8Sc (2015).

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No. 45平成 29 年 5 月

第 22 回ワークショップ「氷の分子科学」開催報告
山口 祥一（埼玉大院理工・A02 計画研究分担者）
森田 明弘（東北大院理・A01 計画研究代表者）

た。
本研究会でご講演いただいた先生方は、結晶成長学、地球化学、分析化学、理論化学、分子分光学、物性物

第 22 回ワークショップ「氷の分子科学」が 2017 年

理学と多岐にわたっていて、これだけバックグラウン

5 月 13 日に埼玉大学にて行われました。氷は古くからドが違った方が同時に議論する機会はあまりないと思

人類に興味をもたれてきた研究対象で、これまでに優います。しかし、それぞれの分野で目指す目標も研究れた研究が数多く残されてきました。例えば、マイケ

内容もお互いに十分に理解しあうことができて、主催

ル・ファラデーの氷表面の疑似液体層の提案、中谷宇者としても大変に勉強のしがいがある興味深い研究会

吉郎の人工雪の製作、ライナス・ポーリングの氷結晶となりました。氷というキーワードはそれを可能にでの残余エントロピーの見積もりなどは、歴史的にも現きるものであることを再認識しました。本新学術領域

代的にも重要な科学の金字塔です。現在でも地球惑星

では、原子・分子の精密な理解を武器とする分子科学

化学、宇宙化学、結晶成長、固体物性、分析化学などの研究者が、他分野の複雑な系に進出していくことを非常に学際的な広がりをもって研究が行われています。

目指しており、氷という研究対象はそれにふさわしい

そのためまとまった形で氷の研究の全体を知る機会はと思いました。いろいろな分野で氷を研究されているむしろ乏しく、様々な分野で氷を研究対象にして活躍研究者も、分子レベルの詳細な知見を強く必要としてされている先生方をお招きした研究会を開催しました。

いる点で共通点があるといえ、分子科学の貢献ができ参加者は講演者を含めて 59 名におよびました。

る余地が大きいと思います。最後に本研究会のために、お忙しいところわざわざお越しくださった講演者の先本研究会では、主催者の山口祥一教授（埼玉大）に生方に改めて感謝申し上げます。

よる全体説明に始まって、鍵裕之教授（東京大）は地球科学の観点から地球深部での水や氷の役割を研究されており、とくに広い温度・圧力領域での水の相図、未知の氷構造の探索や高圧下での現象を講演されました。平田聡教授（イリノイ大）は ab initio 電子状態計
算に基づく精密な振動スペクトルの計算手法の開発と、それを用いて氷・ドライアイスなどのバルク結晶の解析への応用をお話しされました。藤井朱鳥博士（東北大）はサイズ選別した大きな水クラスターの生成と分光を通して、氷の分光的・構造的な特徴が現れる起源について講演されました。古川義純教授（北大）は自然界で低温下での生物が用いている氷化阻害タンパク質の機能の解明に向けて、氷結晶成長面の精密な観測に基づく研究の進展について講演されました。石山達也博士（富山大）は分子動力学シミュレーションによる和周波分光の解析を通して明らかとなる氷表面構造の研究について、実験との共同での成果をお話しされました。岡田哲男教授（東工大）は氷‐水界面を利用した新たなクロマトグラフィーや氷‐水界面近傍での新規な現象の開拓についてお話しされました。杉本敏(上) 講演会場の様子、

樹博士（京都大）は金属基盤に積層した氷の構造や相(左下)鍵裕之教授、(右下)平田聡教授の講演。

転移挙動を表面科学的な実験手法を用いて迫り、バルクと表面の物性の違いを明らかにされました。また研究会終了後の意見交換会でも、活発な議論が続きまし373

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No. 45平成 29 年 5 月

領域代表の田原さんが平成 29 年度科学技術分野の文部科学大臣表彰科学技術賞（研究部門）を受賞しました竹内佐年（理研・A02 計画研究分担者）

私は長年、共同研究者として研究の苦楽をご一緒させていただき、最も近くで研究者はいかにあるべきか

本新学術領域「柔らかな分子系」の領域代表者で A02の良き範を示し続けていただきました。サイエンスに計画班研究代表者の田原太平さん（理化学研究所）が対する熱いハートを原動力にして、上述のように常に平成 29 年度科学技術分野の文部科学大臣表彰・科学新しい研究分野に果敢に挑戦し続けてこられただけで技術賞（研究部門）を受賞されました。

なく、分野全体としての発展と新たなサイエンスの潮文部科学省では毎年、科学技術に関する研究開発、流の創出をめざされています。本新学術領域や理研で理解増進等において顕著な成果を収めた方たちを「科のプロジェクト課題「分子システム研究」を牽引して学技術分野の文部科学大臣表彰」として顕彰していまこられた情熱はまさにその現れであり、そうした田原す。この大臣表彰には科学技術賞、若手科学賞、創意さんのサイエンス愛が今回の受賞につながったものと工夫功労者賞、創意工夫育成功労学校賞の 4 つの賞が思います。年齢を重ねるのと比例するように、問題のあり、さらに科学技術賞も幾つかのカテゴリーに分か本質を見抜く洞察力と鮮やかな研究ぶりはますます冴れます。田原さんが受賞したのは科学技術賞のうち「我えをみせています。

が国の科学技術の発展等に寄与する可能性の高い独創

表彰式は松野文部科学大臣出席のもと、4 月 19 日に的な研究又は開発を行った者」を対象とする科学技術霞ヶ関の文部科学省の講堂で行なわれました。田原さ賞（研究部門）で、今年度は全分野から４２名が受賞

んが受賞した科学技術賞（研究部門）の他、「社会経済、しました。田原さんの受賞業績は「新しい分光計測法

国民生活の発展向上等に寄与し、実際に利活用されての開発とそれを用いた複雑分子系の研究」というものいる（今後利活用が期待されるものを含む）画期的なで、まさにこの新学術領域「柔らかな分子系」の一環研究開発若しくは発明を行った者」を対象とする科学として理研で行なっている、超高速分光による光応答

技術賞（開発部門）、「中小企業、地場産業等において、タンパク質の超高速ダイナミクスの研究、非線形分光

地域経済の発展に寄与する優れた技術を開発した者」

による液体界面の研究、新しい単分子分光を用いた生を対象とする科学技術賞（技術部門）など、科学技術体高分子の構造ダイナミクスの研究などが受賞理由で賞の他部門の受賞者や若手科学者賞の受賞者などに対す。

して賞状と副賞の盾が授与されました。
田原さん、おめでとうございます！

授与された記念の盾授賞式にて、開発部門で受賞した理研の研究者たちと一緒に。

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No. 45平成 29 年 5 月

A02 班 田原グループの井上さんが日本化学会第 97 春季年会において優秀講演賞（学術）を受賞しました
田原 太平

位体希釈すると一部の水分子は HOD 分子として存在（理研・A02 計画研究代表者）するので、もし free OH が分子内エネルギー移動によA02 計画班の田原グループ（理化学研究所）の博士って緩和するのであれば、同位体希釈によって緩和時研究員である井上賢一さんが、2017 年 3 月 16 日から間は長くなるはずです。しかし実験では同位体希釈に19 日まで開催された日本化学会第 97 春季年会で優秀

よって free OH の緩和時間はほとんど変わらなかった講演賞（学術）を受賞しました。受賞対象の講演題目ことから、空気/水界面の free OH の振動励起状態は分は、”Vibrational relaxation dynamics of free OH at the

子内エネルギー移動ではなく、主として水分子の回転

air/water interface revealed by time-resolved heterodyne-

によって緩和することが初めて明らかとなりました。

generation

バルクの水の HB OH は、効率的な分子間・分子内spectroscopy”です。受賞対象となった発表の概要を以エネルギー移動によって振動緩和は 300 フェムト秒以下に紹介します。

下で起こることが報告されています 1。今回得られた

detected

vibrational

sumfrequency

空気/水界面のスペクトルには、水素結合したOHの結果は、界面の free OH がバルクの HB OH と比較して伸縮振動（HB OH）と空気側に水素原子を突き出してエネルギー的に孤立した状態にある特異的な OH 伸縮

水素結合していないOHの伸縮振動（free OH）に帰属振動であることを端的に示しています。

されるバンドが観測されます。井上さんは、界面にしか存在しないfree OHが振動励起された後、どのように緩和するかを界面選択的な超高速分光法である時間分
解 ヘ テ ロ ダ イ ン 検 出 振 動 和 周 波 発 生 分 光 法 (Timeresolved heterodyne-detected vibrational sum frequencygeneration: TR-HD-VSFG)を用いて研究しました。
TR-HD-VSFG を用いて測定した時間分解スペクト
ルは解析の結果、励起状態の free OH に由来するスペ
クトルと励起光による温度上昇に由来する熱化スペク
トルの 2 つの成分にうまく分解できることがわかりました。前者のスペクトル強度の時間変化から励起状態の free OH の緩和時間を見積もることができ、これに図 1：振動励起された free OH の緩和機構

よって空気/水（H2O：100%）界面では 0.87±0.06 ピコ秒で緩和することが明らかとなりました。さらに、同位体希釈した水（H2O：50% + D2O：50%）を用いた同様の実験では 0.84±0.09 ピコ秒という緩和時間が得られ、励起状態の free OH の緩和時間は同位体希釈してもほとんど変化しないことも明らかとなりました。
振動励起状態の free OH の緩和機構としては、図 1に示すように(a) HB OH への分子内エネルギー移動、(b) 変角振動の倍音への分子内エネルギー移動、(c) 水
分子の回転による HB OH の励起状態への転換、の 3つの機構が考えられます。HOD 分子の OD 伸縮振動と変角振動の振動数は、H2O 分子の OH 伸縮振動と変角優秀講演賞（学術）を受賞した井上さん振動と比較して低波数に大きくシフトします。そのため HOD 分子では free OH との振動数の違いから (a)、引用文献(b)で挙げた分子内エネルギー移動は抑制されます。同

[1] K. Ramasesha et. al., Nat. Chem. 5, 935 (2013).

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No. 45平成 29 年 5 月

A02 班 田原グループの浦島さんが日本化学会第 97 春季年会において優秀講演賞（学術）を受賞しました田原 太平（理研・A02 計画研究代表者）な問題は起こりません。実際に、電気二重層中の水由来のスペクトルは、バルクの場合と同様に振動カップ

A02 計画班の田原グループ（理化学研究所）の博士リングの影響を受けていることが明らかになりました。

研究員である浦島周平さんが、2017 年 3 月 16 日から一方、最表面水のスペクトルは同位体希釈の影響をほ19 日にかけて行われた日本化学会第 97 春季年会にてとんど受けないことがわかりました。これは、この界優秀講演賞（学術）を受賞したことを報告します。

面では水分子(H2O)の振動カップリングが自然に解け

受賞講演の演題は“Structure of the topmost water atていることを示唆しており、珍しい結果です。これら

charged silica/aqueous interfaces studied by heterodyne-の結果を総合的に解釈することで、帯電したシリカ／

detected vibrational sum frequency generation spectroscopy”

水溶液界面の最表面水の構造を明らかにしました。

です。この研究では、界面選択的な振動分光法である非線形分光による界面研究において観測領域についヘテロダイン検出振動和周波発生(HD-VSFG)分光法をての理解は本質的な問題で、この研究で考案されたス

帯電したシリカ／水溶液界面の適用し、その最表面水ペクトル分解の方法は、今後多くの帯電界面におけるの構造を詳細に解析しました。

研究にも適応できると期待されます。

HD-VSFG 分光法は界面分子の振動スペクトルを選択的に観測できる優れた手法で、非帯電界面においてはその観測領域は界面からの深さ 1 nm 程度と考えられています。一方で帯電界面においては、界面電荷の作る電場の影響で界面から離れた分子も配向し、厚さ数十ナノメートル以上に及ぶ電気二重層全体が観測されてしまう場合があります。これは水のような小分子にとっては十分大きな厚みといえ、このような深い位置に存在する水はもはや界面最表面にある水の性質を
図 1. 本研究により分離された電気二重層分子由来のスペクトル(黒)と最表面水のスペクトル(赤).

示さないと考えられます。そこで浦島さんは、電気二重層の厚みは溶液のイオン強度に依存して変化することを利用し、帯電したシリカ／水溶液界面について測定された HD-VSFG スペクトルを最表面水分子由来の成分と電気二重層中の水分子由来の成分とに分解することを試みました。
スペクトルのイオン強度依存性を解析した結果、実験で得られたスペクトルを図 1 に示す 2 つの成分に分離することができました。電気二重層中のスペクトル（黒線）はバルク水の振動スペクトルとよく似ており、この領域の水はバルクの水とほぼ同様の性質をもっていることがわかります。一方、赤線で示した最表面水のスペクトルはそれとは全く異なっていて、シリカとの特異的な相互作用を反映しています。
この研究ではさらに、同様の実験を同位体希釈水（HOD）についても行いました。これは、軽水(H2O)の振動スペクトルは一般に振動カップリングの影響で複雑化してしまい、解釈が困難であるためです。二つの水素分子の片方が重水素化された HOD ではこのよう優秀講演賞(学術)を受賞した浦島さん

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