新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：高濃度リガンド条件を利用した
MD シミュレーションによるリガンドドッキング（ColDock）
北尾 彰朗（東工大・A01 計画研究代表者）に反発力を導入している点以外は、蛋白質周辺にリガ

竹村 和浩（東工大・研究員）

ンドを多数配置して MD 計算を行い、リガンドのクラスタリングを行うだけの単純な手法である。このよう

論文題目："ColDock: Concentrated Ligand Docking with

な単純な方法にもかかわらず、図 2 に示したように、

All-Atom Molecular Dynamics Simulation "様々な複合体に対して、高精度で複合体構造予測に成著者：K. Takemura, C. Sato, and A. Kitao

功している。また、構造予測だけでなく、予測精度や雑誌巻号：J. Phys. Chem. B, 122, 7191 (2018)

全体に対するクラスターの割合等により、蛋白質に変異を与えた際の影響を正しく評価することにも成功し

蛋白質-リガンドドッキングは、蛋白質とリガンドのている。更に、図 1 に示した大きなリガンドである構造から複合体構造を予測する手法であり、創薬等に

FK506 も同様の方法で予測可能であることを示していおいて広く利用されている。長年数多くの手法が開発る。

されているが、現状の課題として、複合体モデルを評

今後は複数の結合サイトを持つ蛋白質や複合体形成

価するスコアリング関数の精度向上、蛋白質の柔軟性

時に構造変化を伴う蛋白質への適用を予定している。

や溶媒の影響の正確な取り扱い等が挙げられる。全原子モデルを用いた分子動力学（MD）シミュレーショ
ンは、分子力場を用いる点や溶媒分子や蛋白質の運動を露に取り扱う点において、上記の課題に有効であると考えられる。近年では、長時間の MD 計算を用いたリガンドの自発的な結合や、混合溶媒を用いた MD 計
算により溶媒の一部である小分子の蛋白質への結合が報告されている。後者では、小分子の濃度が高いため、比較的短い計算時間で蛋白質に結合すると考えられる。
そこで我々は、図 1 に示したように蛋白質の周辺にリガンドを多数配置、すなわち高濃度にすることにより結合を促進し、MD 計算により自発的にリガンドを結合させることを利用した結合予測（Concentrated ligand
Docking, ColDock）を試みた。

図 2：ColDock による予測構造と結晶構造の比較

図 1：ColDock 適用例 (FKBP:FK506)
リガンド高濃度条件で MD 計算を行った結果、期待結晶構造は炭素原子をシアン、予測構造はピンクで示

通り、数多くのリガンドが蛋白質に結合した。正しいしている。
図中の値は 2 構造間の RMSD (a)FKBP/DMSO,

位置に結合したリガンドは、同じ場所に留まる傾向が(b)FKBP/methyl sulfonyl methyl sulfoxide, (c)plasminogenある。その傾向を利用し、蛋白質と相互作用している

kringle 4/ε-aminocaproic acid, (d) plasminogen kringle 4 /リガンドを抽出してクラスタリングを行い、最も大きtransaminomethyl-cyclohexanoic acid (e)X-linked Inhibitor /い（リガンド数の多い）クラスターの代表構造を予測

bromo- pyrazolyl piperidinium (f) streptavidin/biotin

構造とする。リガンドの凝集を防ぐため、リガンド間

524

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介: チャネルロドプシンのチャネル光活性化前駆状態の分子モデルを提案
成	
  せい（京大・博士課程学生）
吉田	
  紀生（九大・A01 公募研究代表者）
林	
  重彦（京大・A01 計画研究代表者）

石を投じるものである（図 3）。現在は、開状態の解明に向けて研究を続行している。

論文題目: "An atomistic Model of a Precursor State ofLight-Induced Channel Opening of Channelrhodopsin"
著者: Cheng Cheng, Motoshi Kamiya, Mizuki Takemoto,
Ryuichiro

Ishitani,

Osamu

Nureki,

Norio

Yoshida,Shigehiko Hayashi
雑 誌 巻 号 : Biophys. J., In press, (2018) DOI:
図 1. チャネルロドプシンの構造 (a) と光サイクルにともなう発色団分子の構造変化の模式図 (b)10.1016/j.bpj.2018.08.024
微生物由来の光感受性イオンチャネルタンパク質であるチャンネルロドプシン（ChR）は（図 1）、オプト
ジェネティクス分野で広く利用されている。しかし、
ChR の光活性化イオン輸送メカニズムには不明のままである。実際に、複数の実験研究グループから、全く異なるメカニズムが提案されており、統一的な見解は得られていない[1,2]。これは、光活性化過程の中間状態構造が実験的に得られていないことにも起因する。
この光活性化イオン輸送メカニズムの解明のためには、
様々な時間・空間スケールを有する光励起による発色
団分子やタンパク質の構造変化と、それらに共役した

図 2. 3D-RISM でもとめたチャネル内の水分子分布(a:D0, b:P1, c:eP2) と MD で得られた水のスナップショット (d)、および His173 からの水の動径分布関数 (e)水及びイオンの分布を記述できる理論が必要となる。
そこで、A01 計画班・林グループで開発された長時間の QM/MM 計算を可能とする QM/MM-RWFE-SCF
法[3]と、A01 公募班・吉田グループの 3D-RISM 理論[4]を組み合わせることにより、ChR の光活性化における構造変化とイオン輸送メカニズムを解明することを目的として研究を行った。
本研究では、チャネル閉状態である暗状態（D0）から、チャネル開状態の前駆状態（eP2）にかけての構造変化とチャネルの形成に着目した解析を行い、これま

図 3. 本研究で提案したイオン輸送経路

で光活性化中間状態の構造が知られているバクテリオ
ロドプシン等の類縁タンパク質とは全く異なる発色団

引用文献

分子およびタンパク質の中間状態構造を明らかにした。

[1] Kuhne, J. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 54, 4953-4957

ここで得られた構造およびチャネル内の水分布は（図(2015)

2）、これまでに ChR に関して報告された多くの実験[2] Lohrenz-Fonfría, VA et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USAを良く説明している。更に、本研究で提案した構造モ110, E1273-1281（2013）

デルは、光活性化チャネル開状態生成に関して、これ[3] Hayashi, S. et al., Annu. Rev. Phys. Chem. 68, 135-154までに考えられてきたものとは全く異なるメカニズム(2017)

を提案しており、今後のチャネルロドプシン研究に一[4] N. Yoshida, J. Chem. Info. Model 57, 2646, 2017525

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介: 溶液内分子の電子状態理論を用いた定量的 pKa 予測手法の開発
避し、なおかつ計算条件による誤差もパラメー
タ中に吸収することができる手法である。本研
究では電子状態計算に 3D-RISM-SCF 法を採用し、溶質分子近傍の分子間相互作用を適切に反映させることで、計算精度の向上を達成した。
本論文では前述の手法を用いて、複数のアミノ酸の解離性残基の pKa を予測した。また現
在、タンパク質の解離性残基の pKa 値の予測にも適用が可能かどうか検討を行っている。

藤木 涼	
  （九大・博士課程学生）
吉田	
  紀生（九大・A01 公募研究代表者）
中野	
  晴之（九大・A01 公募研究連携研究者）
論文題目: " A computational scheme of pKa values basedon the three-dimensional reference interaction site model
self-consistent field theory coupled with the linear-fitting
correction scheme "著者: Ryo Fujiki, Yukako Kasai, Yuki Seno, Toru Matsui,
Yasuteru Shigeta, Norio Yoshida, Haruyuki Nakano
雑誌巻号: In press. DOI: 10.1039/C8CP04354J

酸解離定数（pKa）は分子のプロトン解離の傾向を示す数値であり、水素結合の有無によって構造や性質が変化するタンパク質や DNA といった生体分子の解析において重要な指標の一つである。この値は実験的には NMR や中性子回折法によって求められる。しかし、NMR
では、複数の解離性残基がある場合に得られるプロトンのピークの帰属が困難なこと、中性子回折では大きな結晶が必要となり、その生成が困難であることが問題点とされている。そのため、理論的に pKa を予測する手法の開発が求められており、精力的な開発が行われている。
分子軌道法や DFT 法に基づいて pKa を計算する場合、脱プロトン化反応にともなう自由エネ
ルギー変化を求める必要があるが、定量的な予測には 1 kcal/mol オーダーの精度が要求されるため（１）基底関数や汎関数、溶媒モデルといった計算条件に敏感であること（２）プロトンの自由エネルギー計算が困難であることが課題である。
そこで本研究では、pKa とプロトン化反応の反応自由エネルギーの間の線形性を利用したアプローチ(LFC scheme)[1]と、溶液内分子の電子状態理論である 3D-RISM-SCF 法[2]を組み合わせた手法を開発した。筑波大の松井らによって開発された LFC scheme は、モデル分子の pKa の実験値に対して DFT/PCM に基づ
く計算値の誤差が最小になるようにパラメー
タフィッティングすることで、困難なプロトンの自由エネルギー計算をパラメータ化して回526

図 1. 従来法と今回の手法で計算した pKa 値と実験値
との比較
引用文献
[1] T. Matsui, A. Oshiyama, Y. Shigeta, Chem. Phys. Lett.
502, 2011, 248.
[2] F. Hirata ed., Molecular theory of solvation, Kluwer
2003.

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介: 3D-RISM 法と分子シミュレーションによる制限酵素の反応初期過程におけるマグネシウムイオンの役割の解明
大西	  到	  （九工大）砂場	  俊哉（九工大）
吉田	
  紀生（九大・A01 公募研究代表者）
平田	
  文男（豊田理研）
入佐	
  正幸（九工大）

ら提案されているマグネシウムイオン位置を初期配置とした MD も実行したが、このような DNA 構造変化は観測できなかった。
このことから、本研究で特定したマグネシウムイオン位置が加水分解反応の初期過程に必須の配置である
ことが示された。

2+

論文題目: "Role of Mg ions in DNA hydrolysis by EcoRV,

現在はこの構造をもとに、QM/MM-MD 計算を行い、Studied by the 3D-reference interaction site model and

加水分解反応がどのように進行するのか、そのときのmolecular dynamics"

マグネシウムイオンの配置はどのようになるのか、に

著者: Itaru Onishi, Shunya Sunaba, Norio Yoshida, Fumio

ついての解析を行っている。

Hirata, Masayuki Irisa

本研究は、九州工業大学情報工学部入佐正幸准教授

雑 誌 巻 号 : J. Phys. Chem. B, In press, (2018) DOI:のグループを中心とした共同研究として実施された。

10.1021/acs.jpcb.7b12555
制限酵素は、２本鎖 DNA を加水分解により切断する酵素であり、特に II 型酵素と呼ばれるものは遺伝子組換えに用いられる。この加水分解反応は ATP を必要としないが、溶液環境から大きな影響を受けることが知られている。II 型酵素である EcoRV の場合は、マグ
ネシウムイオン存在下でのみ反応が進行する。このよ

図 1. 加水分解初期過程におけるリン酸のねじれに関与する Mg2+イオンを特定

うにマグネシウムイオンが重要な役割を果たしているのにもかかわらず、マグネシウムイオンの位置とその働きについては論争があり、十分なコンセンサスが得

引用文献

られていないのが現状である。[1-6][1] N.C. Horton et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 95,

そこで、本研究では EcoRV の DNA 加水分解反応におけるマグネシウムイオンの役割を明らかにすること

13489, 1998を目的として、
3D-RISM 理論と分子動力学(MD)シミュ[2] N.C. Horton, John J. Perona, Biochemistry, 43, 6841,

レーションを用いた解析を行った。[7]2004.
[3] D. Kostrewa, F.K. Winkler,. Biochemistry, 34, 683, 1995.

3D-RISM 理論は生体分子の溶媒和構造を統計力学に基づき記述する理論であり、イオンを溶媒の一成分[4] I.B. Vipond et al. Biochemistry, 34, 697, 1995と見なして計算を行うことで、完全に統計平均のとら[5] D.H. Groll et al., Biochemistry, 36, 11389, 1996

れたイオンの分布関数を得ることができる。[7,8,9][6] P. Imhof et al., Biochemistry, 48, 9061, 2009[7] I. Onishi et al., J. Phys. Chem. B In press. (2018) DOI:

本研究では、まず未反応状態の EcoRV-DNA 複合体

10.1021/acs.jpcb.7b12555の X 線結晶構造をもとに 3D-RISM 計算を行い、水およびマグネ シウムイオンの分布を得た 。続いて、[8] F. Hirata ed., Molecular Theory of Solvation, Kluwer

Placevent アルゴリズム[11]を用いて、分布関数から、

2003「もっともそれらしいイオンと水の配置」を決定した。

[9] N. Yoshida et al., J. Phys. Chem. B 113, 873, 2009

このイオンおよび水の配置を初期構造として MD を実[10] N. Yoshida, J. Chem. Info. Model 57, 2646, 2017

行した。複数の独立したトラジェクトリのほぼすべて[11] D. Sindhikara et al., J. Comput. Chem. 33, 1536, 2012

において、加水分解の初期状態として特徴的な DNA リ
ン酸基の構造ねじれを観測した。これまでに、実験か527

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：ゆらぎの定理の応用：
回転タンパク質 F1 からキネシン・ダイニンによる軸索輸送へ
林 久美子（東北大・A01 公募研究代表者）

論文題目："Application of the fluctuation theorem to motor
proteins: from F1-ATPase to axonal cargo transport bykinesin and dynein"
著者：Kumiko Hayashi
雑誌巻号：Biophys. Rev. (2018).
DOI：10.1007/s12551-018-0440-5

図 2 神経細胞の小胞輸送（a）では、小胞に作用する
有効的なノイズを有効温度（Teff）で記述した。

柔らかな分子系の 4 年間の研究で、私たちの研究グ
ループは非平衡統計力学のゆらぎの定理を回転タンパ

N=kBT・ln[P(Δθ)/P(-Δθ)]/Δθ

ク質 F1-ATPase や微小管を歩くタンパク質キネシン、………………...（２）から回転トルクを見積もることを私たちは提案してきダイニンの運動の解析に利用してきた。ゆらぎは柔らた[1]。ここで kB は Boltzmann 定数、T は温度、θ(t)は回かい分子であるタンパク質の特徴的な運動だが、本研

転角度のタイムコース、Δθ=θ(t+Δt)- θ(t)、P(Δθ)は Δθ の究ではゆらぐ運動の数理的性質からタンパク質のトル分布である。この式は粘性係数が出現せずタイムコー

クや力などのエネルギーを推定することを目指した。

ス θ(t)だけからトルク N を見積もることができる。

本論文では F1 への応用[1]から軸索輸送への応用[2-4]P(Δθ)はゆらぎ Δθ を特徴付ける量であるため、(1)式はへの拡張についてレビューした。

ゆらぎからトルクを見積もる、と解釈できる。ここで回転タンパク質 F1-ATPase の１分子実験では F1 は小回転するビーズのゆらぎの主な原因は熱ノイズである。

さくて見えないためビーズなどの目印をつけて光学顕(2)式のような粘性係数のいらない測定は粘性係数

微鏡で観察する（図 1）。角速度（ω）から回転トルクが不明な細胞内測定で重要である。神経細胞内の軸索（N）は輸送では、カーゴ（荷物）である小胞をキネシンやダN=Γω………………………………...（１）

イニンが輸送する（図 2a）。軸索内の複雑な環境（図で書ける。Γはビーズの粘性係数であるが、時にビー2b）ではカーゴがゆらぐ原因は熱ノイズだけではない。

ズの形状が不定であったり(図１a)、F1 への付き方が制

そのような複雑な相互作用を有効温度 Teff を用いて表御できなっかったり、Γを理論式から正確に見積もる

し、(2)式をことは困難である。この式に代わって非平衡統計力学

F=kBTeff・ln[P(ΔX)/P(-ΔX)]/ΔXのゆらぎの定理を利用して、………………...（３）と拡張した[2-4]。ここで、X(t)は小胞重心位置のタイム
コース、F は小胞に働く力である。今後は（３）式の利用で細胞内の分子モーターの力、速度関係を明らかにし、小胞輸送の分子メカニズム解明を目指したい。
引用文献[1] K. Hayashi, H. Ueno, R. Iino and H. Noji, Phys. Rev. Let.
B 104, 218103 (2010).
[2] K. Hayashi, S. Hasegawa, T. Sagawa, S. Tasaki and S.
Niwa, Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 3403-3410 (2018).
[3] K. Hayashi, S. Tsuchizawa, M. Iwaki and Y. Okada,preprint DOI:10.1101233064

図 1 ビーズの形状やビーズと F1 の接着の仕方は制御できず粘性係数を理論的に見積もることは難しい。

528[4] S. Hasegawa, T. Sagawa, K. Ikeda, Y. Okada and K.
Hayashi, preprint arXiv:1808.03469v1

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：過冷却水において水素結合はどのように破断するのか？：
2 次元自由エネルギー曲面の鞍点を通過しない反応経路の検出
金 鋼（阪大院基礎工・A01 公募研究代表者）
菊辻 卓真（阪大院基礎工・A01 研究協力者）
松林 伸幸（阪大院基礎工・A01 班友）の結果、2 つの反応速度定数の比である透過係数κ= k/ k が顕著な温度依存性を示すことがわかった。遷移
TST

状態理論によれば、仮に透過係数の温度依存性が無視できれば、反応速度定数 k の活性化エネルギーは遷移

論文題目："How do hydrogen bonds break in supercooled

状態における自由エネルギー障壁値ΔG‡の Boltzmann

water?: Detecting pathways not going through the saddle因子で特徴付けられる。言い換えれば、顕著な透過係

point of two-dimensional potential of mean force"

数の温度依存性は自由エネルギー曲面上の鞍点が正し

著 者 ： Takuma Kikutsuji, Kang Kim, and Nobuyuki

く水素結合の破断経路を表現していないことを意味す

Matubayasi

る。そこで、実際の破断経路が自由エネルギー曲面上

雑誌巻号：J. Chem. Phys. 148, 244501 (2018).

をどのように移動していくのかを解析した。
その結果、過冷却された状態になると、自由エネルギー曲面の鞍

柔らかな分子系の性質を決める上で水分子間の水素点を通過しない遷移経路成分が増大することがわかっ結合が重要な役割を果たし、従来までに多くの理論・た。この遷移経路は主に距離 R を増大させる分子の並実験研究が行われてきた。最近では、水と同じく四面進運動によって起こるものであった。すなわち、透過体構造を取るシリカなどで見られるガラス転移との類係数の温度依存性は遷移状態を通過せずより高い自由

推から、過冷却状態における水の異常性に多くの注目

エネルギー障壁を通過する遷移経路成分の増加によっが集まり、そこでの水素結合の組み換えダイナミクスて与えられることを見出した。
柔らかな分子系の理論研究において、多数ある自由を分子論的に解明することが求められている。

度の中から遅い反応ダイナミクスのみを適切に記述す

本研究では分子動力学シミュレーションにより、過冷却された水における水素結合組み換えダイナミクス

る反応座標を獲得することは一般的に難しい。事実、を解析した。特に、水素結合の結合から破断の過程を本研究で得られた結果は、多数の水分子が関与する水一種の化学反応であるとみなし、遷移状態理論との類

素結合組み換えダイナミクスは、そもそも水分子間の推を用いた解析をすれば、分子振動の時間スケールよ

幾何構造変数だけでは記述できないことを意味していり遥かに遅くなった水素結合寿命の活性化エネルギーる。これを克服するには水分子間の協働的運動を表現の実態を明らかにできるはずである。そこで水分子間するオーダーパラメータの抽出が必須であり、それにの幾何学的変数を反応座標とした自由エネルギー曲面

向けてさらなる研究を展開している。

を定量化した。具体的には水分子間の水素結合に対して水分子 2 量体の分子間距離 R と分子間角度 β の 2 変数を用いた。この分布関数は平均力ポテンシャル、つまり自由エネルギー曲面を特徴付ける。得られた自由
エネルギー曲面上には鞍点が存在しており、水素結合
領域と非結合領域の 2 つの状態間遷移を規定できる。
この鞍点は回転運動に伴う角度βの増加によって水素結合が破断することを予測する【図 1】。
次に、水素結合破断の反応速度定数 k を水素結合時

図 1: 分子間距離 R と分子間角度 β を反応座標とした自由エネルギー曲面(R および β の定義はインセットに示す)。カラーバーの値は k T を単位としている。四角で囲まれた部分が水素結合領域であり、遷移状態の位置を●で示す。過冷却状態において、水素結合の破断経路は鞍点を通過する回転運動成分(赤矢印)と鞍点を通過しない並進運動成分(青矢印)からなる。

間相関関数 c(t)=<h(t)h(0)>/<h(0)>の緩和時間 τ の逆数
HBによって求めた。ここで h(t)は時刻 t において水素結B

合していれば 1、破断していれば 0 を取る変数である。
また、<・>は水素結合ペアに関する平均を意味している。さらに、遷移状態における反応速度定数 k を反応TST

流速 k(t)=-dc(t)/dt の t=0 における値から決定した。そ529

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：好熱菌由来光駆動プロトンポンプ TR の発色団構造および多量体安定性に膜環境が与える効果
水野 操 （阪大院理・A02 計画研究分担者）
須藤 雄気 （岡山大院医歯薬・A02 計画研究分
担者）
川村 出 （横浜国大院工・A02 公募研究代表者）
水谷 泰久 （阪大院理・A02 計画研究代表者）

る。脂質膜中においては、熱処理の有無、75 ℃の試料で振動数に差がなかった。また、振動数は多量体の振動数とほぼ一致したことから、脂質膜中では、TR は75℃においも多量体を維持することがわかった。これ
らの結果から、高度好熱菌中で TR は多量体で機能していることが示唆された。

論 文 題 目 ： "High Thermal Stability of Oligomeric

我々は共鳴ラマン分光法に加えて、他の計測手法を

Assemblies of Thermophilic Rhodopsin in a Lipid

用いて TR の会合状態の熱安定性を調べた。脂質膜中

Environment"

試料の高速 AFM 画像は、加熱前では TR は五量体をと

著 者 ： Tomomi Shionoya, Misao Mizuno, Takashiっており、加熱後もそれは変化しないことを示した。

Tsukamoto, Kento Ikeda, Hayato Seki, Keiichi Kojima,

また、固体 15N- NMR スペクトルでは、シッフ塩基おMikihiro Shibata, Izuru Kawamura, Yuki Sudo, andよびアミノ酸残基の共鳴線が観測されたが、これらはYasuhisa Mizutani

加熱前と加熱後ではほとんど変化がなかった。以上の雑誌巻号：J. Phys. Chem. B 122, 6945-6953 (2018).

実験結果に基づいて、TR の熱安定性は界面活性剤中に比べ脂質膜中および細胞膜中では高いこと、脂質膜中

Thermophilic rhodopsin（TR）は、約 75 ℃の高温環境

では五量体を形成していると結論した。

に生息する高度好熱菌から発見された光駆動プロトン

ν(C=N)バンドの重水素化シフトの大きさは、シッフポンプである。界面活性剤で可溶化した TR は、室温

塩基の水素結合強度を反映する。単量体と多量体につでは三量体を形成するが、75 ℃付近で加熱すると不いて重水素化シフトを基に判定すると、水素結合の強可逆的に単量体へ解離する。そこで本研究では、加熱さは単量体の方が多量体よりも強いものの、両者ともによる構造転移への脂質膜の効果を調べるため、ミセ

これまで報告されている微生物型ロドプシンの中では

ル中、脂質膜中および細胞膜中での TR の発色団の共水素結合の強い部類に属することがわかった。また、鳴ラマンスペクトルを加熱前後で比較し、TR の会合状

ν(C=N)バンドのバンド幅から、単量体、多量体ともに、態およびレチナール発色団構造について調べた。

シッフ塩基の水素結合パートナーは水分子であること

我々は以前、ミセル中の加熱前後の TR の共鳴ラマがわかった。シッフ塩基が水分子と強い水素結合を形

ンスペクトルを比較し、両者のスペクトルは全体とし成しているのはプロトンポンプの特徴である。以上のてよく似ているが、発色団のプロトン化シッフ塩基のことから、TR は単量体においてもプロトンポンプの特構造を反映する C=N 伸縮振動バンドの振動数が異な徴は維持していることが明らかになった。

ることを明らかにした[1]。そこで、C=N 伸縮振動バン
ドをマーカーとして注目し、その振動数変化をもとに議論した。
ミセル中の TR の C=N 伸縮振動バンドは、加熱前では 1640 cm-1 に、加熱後では 1645 cm-1 に観測された。
ミセル中では、体積排除クロマトグラフィーにより、
加熱前は多量体、加熱後は単量体であることを確認した。これより、多量体より単量体の C=N 伸縮振動の振動数が高いことがわかった。これは、TR では会合状態

図 脂質膜環境は TR の会合状態を熱的に安定化する。

に応じて、各プロトマー間の界面での構造変化が発色
団構造に影響を及ぼすことを示唆している。一方、細引用文献

胞膜中では、熱処理の有無で振動数に差がなかった。

[1] 塩谷，水野，塚本，須藤，水谷，日本化学会第 97

これは、熱処理によって単量化しないことを示してい春季年会講演予稿集, 2B1-16 (2017).

530

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：原子間接触を介したタンパク質内振動エネルギー移動経路
V68W/H93G (Im)変異体の吸収スペクトルおよび可水野 操 （阪大院理・A02 計画研究分担者）
北尾 彰朗 （東工大生命理工・A01 計画研究代表者）
水谷 泰久 （阪大院理・A02 計画研究代表者）

視共鳴ラマンスペクトルは、V68W 変異体のスペクトルと類似していた。このことから、ヘム周辺の構造は、共有結合を切断しても保たれていることを確認した。
V68W 変異体と V68W/H93G (Im)変異体の時間分解

論文題目："Vibrational Energy Transfer from Heme throughスペクトルでは、ヘムの光励起に伴って、アンチスト

Atomic Contacts in Proteins"ークスバンド強度の増大および減少がみられた。バン

著者：Satoshi Yamashita, Misao Mizuno, Duy Phuoc Tran,

ド強度の増大はトリプトファン残基へのエネルギーのHisham Dokainish, Akio Kitao, and Yasuhisa Mizutani

流入を、バンド強度の減少はトリプトファン残基から

雑誌巻号：J. Phys. Chem. B 122, 5877-5884 (2018).

のエネルギーの流出を示している。得られた時間分解
スペクトルには、ヘムとポリペプチド鎖との共有結合

タンパク質内の振動エネルギー移動の理解は、そのの有無による有意な差は見られなかった。このことは、化学反応を理解するために重要である。これまで我々

ヘムとポリペプチド鎖との共有結合を介した経路は、は、ヘムタンパク質を用いて、ヒーターとなるヘムのエネルギー移動への寄与が小さいことを意味している。

光励起で発生した余剰エネルギーが移動する過程を、2 種類の変異体について分子動力学シミュレーショ

ピコ秒時間分解紫外共鳴アンチストークスラマン分光

ンによって計算した立体構造を比較した。主鎖の構造法によって研究してきた[1-3]。紫外光を用いると、プは両者でほとんど差がなく、前述の実験結果を支持しローブとなるタンパク質内の芳香族アミノ酸残基の共た。また、ヘムと Trp68 間の距離も両者でほぼ同じで

鳴ラマンスペクトルが選択的に得られる。アンチストあった。アンチストークスラマンスペクトルおよび分ークスラマン散乱光の強度は振動励起状態の分子の分子シミュレーションの結果から、ヘムからポリペプチ

布数に比例するため、その強度から余剰エネルギーのド鎖へのエネルギー移動には原子間接触が主要な役割

大きさを求めることができる。したがって、ヘムの光を果たしていると結論した。

励起後、アミノ酸残基のアンチストークス共鳴ラマン
スペクトルを時間分解測定することで、特定の残基へのエネルギーの流入・流出を観測することができる。
我々の先行研究において、タンパク質内のエネルギ
ー移動では、原子間接触を通してエネルギーが移動することが示唆された[3]。そこで本研究では、タンパク
質内エネルギー移動における共有結合の効果を直接的に調べるために、プローブ分子であるトリプトファン
残基を導入した変異体（V68W 変異体）と、これに加えてヒーター分子であるヘムとポリペプチド鎖の間の共有結合を切断した変異体（V68W/H93G (Im)変異体）を作製した。通常ミオグロビンは、ヘムとポリペプチ

図

ド鎖がヒスチジン残基によって共有結合している。こ

ヒーター分子であるヘムとプローブ分子であるトリ

プトファン残基間の原子間接触。

のヒスチジンをヘムと共有結合しないグリシンに変異させることで、ヘムとポリペプチド鎖間の共有結合を

引用文献

なくすわけである。さらに、共有結合をなくしたミオ[1] N. Fujii et al. J. Phys. Chem. B 115, 13057-13064 (2011).

グロビンに対して、ヒスチジンと類似の構造をもつイ[2] N. Fujii et al. J. Phys. Chem. Lett. 5, 3269-3273 (2014).

ミダゾールを 1 分子配位させた。このようにして、共[3] M. Kondoh et al. J. Phys. Chem. Lett. 7, 1950-1954

有結合の有無に対するヘム近傍のトリプトファン残基(2016).

へのエネルギー移動の影響を調べた。

531

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：p53 は天然変性領域を使って二本の DNA の間を高速に乗り移る
伊藤 優志（東北大学・A02 研究協力者）
高橋 聡 （東北大学・A02 計画研究代表者）
鎌形 清人（東北大学・A02 連携研究員）

ストップトフロー装置を用いて過剰量の DNA と混合し、p53 が DNA から解離する速度の競合 DNA 濃度依存性からセグメント間移動の速度を見積もった。その結果、疑似野生型 p53 のセグメント間移動の速度定数論 文 題 目 ： "Intrinsically disordered domain of tumor

は約 108 M-1 s-1 で、拡散律速に近かった。C 末端領域

suppressor p53 facilitates target search by ultrafast transferを持つ TetCT 変異体でも同様のセグメント間移動が観

between different DNA strands"

察された。一方で、C 末端領域を持たない CoreTet 変

著者：Yuji Itoh, Agato Murata, Satoshi Takahashi and

異体ではセグメント間移動が見られなかった。このよ

Kiyoto Kamagata

うに、変性した C 末端領域が p53 のセグメント間移動

雑誌巻号：Nucleic Acids Res. 46, 7261-7269 (2018).

に重要であることが示唆された。
次に、一分子蛍光顕微鏡を用いて p53 の交差 DNA

転写活性化因子などの DNA 結合タンパク質は、膨上における運動を直接観察した。このために、アビジ

大な DNA 配列のなかからターゲット配列を探し出し

ンを格子状に並べ、DNA を導入しながらフロー圧を縦、結合することで機能を発揮する。我々は、がん抑制タ

横方向と順番にかけることで、基板上に十字に交差しンパク質である p53 を用いて、ターゲット配列探索過

た DNA を作成した。交差 DNA 上において、疑似野生程の分子解明に取り組んできた[1]。本研究では、p53

型、TetCT 変異体ではセグメント間移動が観察され、が異なる DNA の間を乗り移る過程の分子機構を調べ

移動効率は 9~26%であった。一方で、CoreTet 変異体

た。

ではセグメント間移動が観察されず、移動効率は 0%

DNA 結合タンパク質がターゲット配列を探索するであった。すなわち、一分子測定からも、変性した C機構として、「一次元拡散」と「三次元探索」が知られ末端領域が p53 のセグメント間移動に必要であることている。一次元拡散とは、転写活性化因子が DNA 上が示された。

を滑ることでターゲット配列に結合する機構である。

p53 のセグメント間移動の速度は、これまでに調べ

三次元探索とは、転写活性化因子が DNA のある部位

られた他の DNA 結合タンパク質の速度と比べてもっから離れ、拡散運動により空間的に他の部位に移る機とも速かった。p53 は変性した C 末端領域を用いて二構である。我々のこれまでの研究により、擬似野生型

本の DNA と同時に結合し、セグメント間移動を行うの p53 が一次元拡散によりターゲット配列に出会ったと考えられる。DNA 上には多くのタンパク質が存在すとしても、ターゲット配列に結合する確率が低いこと

るため、一次元拡散だけでは p53 は動けなくなる可能を見出した。一方で、リン酸化などの翻訳後修飾を模性がある。しかし、p53 はセグメント間移動を行うこした変異体の p53 では、ターゲット配列への結合確率とで、DNA 上にある他の DNA 結合タンパク質を避けが上昇することを示した[2]。

ることを可能とし、標的配列を効率的に探すのではな

本研究では、二本の DNA が交差する部分におけるいかと推定される。

p53 の運動を調べることを目的とした。p53 は二本のDNA を橋渡しするように乗り移る「セグメント間移動」

引用文献

を起こすと提案されてきた。セグメント間移動は、三[1] K. Kamagata, A. Murata, Y. Itoh, S. Takahashi, J.

次元拡散と同様に標的探索を促進すると考えられるが、Photochem. Photobiol. C: Photochem. Rev. 30, 36-50

セグメント間移動を引き起こす p53 の構造的特徴は解(2017).

明されていなかった。そのため、p53 の異なる構造ド[2] Y. Itoh, A. Murata, S. Sakamoto, K. Nanatani, T. Wada,

メインの役割を調べることを目的に、疑似野生型の

S. Takahashi and K. Kamagata, J. Mol. Biol. 428,

p53、ターゲット配列の認識に用いられるコア領域を持2916-2930 (2016).

たない TetCT 変異体と、C 末端の天然変性領域を持たない CoreTet 変異体を作成した。
はじめに、蛍光修飾した DNA と p53 を結合させ、532

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：ナトリウムイオンポンプロドプシン KR2 の反応性・非反応性 S1 状態の起源の解明
田原 進也 (理研・A02 計画研究協力者)
竹内 佐年 (理研・A02 計画研究分担者)
吉住 玲 (名工大・A03 計画研究協力者)
井上 圭一 (名工大・A03 計画研究連携研究者)
神取 秀樹 (名工大・A03 計画研究代表者)
田原 太平 （理研・A02 計画研究代表者）の生成量が増大することが分かった。KR2 のプロトン化シッフ塩基のカウンターイオンは 116 番目のアスパ
ラギン酸残基（Asp 116）の側鎖であり、その pH 滴定曲線が報告されている[1]。これを反応性 S1 状態の収量の pH 依存性と比較したところ、両者は大変良い相関を示すことがわかった（図 b）。このことは、
Asp116 が脱プロトン化しているときには反応性 S1 状

論文題目：”Origin of the Reactive and Nonreactive
Excited States in the Primary Reaction of
Rhodopsins: pH Dependence of Femtosecond
Absorption of Light-Driven Sodium Ion Pump
Rhodopsin KR2”
著 者 ： Shinya Tahara, Satoshi Takeuchi, Rei
Abe-Yoshizumi, Keiichi Inoue, Hiroyuki Ohtani,
Hideki Kandori, Tahei Tahara
雑誌巻号：J. Phys. Chem. B 2018, 122, 4784-4792.

態、プロトン化していると非反応性 S1 状態を主に生成することを示唆している（図 c）。これまでに複数のロドプシンタンパク質で反応性・非反応性の S1 状態が生成することが報告されてきたが、この研究は KR2 についてその起源を解明したものであり、ロドプシンタ
ンパク質の光初期過程の理解を大きく前進させるものと考えている。

KR2 は神取研究室が発見した世界最初の光駆動ナ
トリウムイオン輸送ロドプシンである[1]。この KR2の特異なナトリウムイオン輸送機構を明らかにするため、様々な研究が行われている。特に田原研究室ではKR2 のレチナール発色団の光異性化が起こるフェム
ト秒からピコ秒のダイナミクスについて研究を行ってきた。これまでに、生理条件 pH 8 付近で KR2 のレチ
ナール発色団を光励起すると、0.2 ps で発色団が異性化する反応性 S1 状態のほかに、異性化せずに 10 ps 程度の時間スケールで元の S0 状態に戻る非反応性 S1 状態が生成することを明らかにしている。しかしなぜこのような反応性の異なる S1 状態が生成するのか、その起源はこれまで明らかになっていなかった。そこで反図 (a) いくつかの pH における波長 720 nm の S1 →

応性・非反応性 S1 状態の生成量の pH 依存性を定量的

S0 誘導放出の時間変化。 (b)反応性 S1 状態の割合のに調べることにより、この問題の解明を試みた。

pH 依存性と Asp 116 の pH 滴定曲線との相関。(c) 明

実験では pH 11 から pH 4 の範囲でフェムト秒過渡
吸収分光測定を行った。S1→S0 誘導放出に注目すると、らかとなった Asp 116 のプロトン化状態と反応性・非1 ピコ秒以内に速やかに減衰する成分とピコ秒よりも反応性ダイナミクスとの関係。タンパク質の図には構造データ PDBID:3X3C (ref.2)を利用した。

長い時間スケールで減衰する成分が見られ(図 a)、前者の振幅は反応性 S1 状態、後者の振幅は非反応性 S1 状

引用文献

態の生成量に対応する。実験の結果、pH 11 では反応[1] K. Inoue et al. Nat. Commun. 2013, 4, 1678.

性 S1 状態が支配的に生成するのに対し、pH を下げる

[2] H. E. Kato et al. Nature 2015, 521, 48.

と反応性 S1 状態の生成量が減少して非反応性 S1 状態

533

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：ビニレン基挿入レチナール誘導体による光開閉型プロトンチャネルの創成
高山 理穂（岡山大・研究協力者：学部学生）
金子 明正（岡山大・研究協力者：学部学生）
水野 操（大阪大・A02 計画研究分担者）
小島 慧一（岡山大・研究協力者：助教）
神取 秀樹（名工大・A03 計画研究代表者）
水谷 泰久（大阪大・A02 計画研究代表者）
須藤 雄気（岡山大・A02 計画研究分担者）

用いてプロトンの輸送能およびその特性を調べた。哺乳類神経細胞に AR3 を異所発現させ、光照射に伴う電流変化を測定したところ、保持電位によらず A1-レチ
ナール結合体では、外向きの光誘起電流のみ観察された（図 B）。つまり、細胞外へのプロトンポンプとして機能することが確認できた。一方、14V-A2 結合体では、光誘起電流の向きは保持電位に依存して変化し（マイナスの膜電位でマイナスの電流、プラスの膜電位でプラスの電流が流れる）、その逆転電位が 0 mV 付近であることが確認できたため（図 B）、14V-A2 結合体はプロトンチャネルとして機能することが分かった。さらに、精製タンパク質を用いて種々の分光学的解析を行った。その結果、A1-レチナール結合体と比べて、14V-A2 結合体ではシッフ塩基周辺の構造が変化し、光反応中間体・O 中間体の寿命が大きく延長するという特徴が見られ、先にアミノ酸変異により作出したプロトンチャネル型 AR3 変異体と同様の特徴を示していた。このことから、これらの要素が機能変換において重要であると考えられた。
AR3 という同一分子にもかかわらず、発色団を置換することで機能が変わることは、まさに“ロドプシンの分子機能の柔らかさ”を示すものであり、オプシンに変異を導入するという従来型の発想を“柔らかく”転換した賜物である。今後は、この手法を光遺伝学へ適用していきたい。

論文題目：”Production of a Light-Gated Proton Channel by
Replacing the Retinal Chromophore with its Synthetic
Vinylene Derivative”
著者：Riho Takayama, Akimasa Kaneko, Takashi Okitsu,
Satoshi P. Tsunoda, Kazumi Shimono, Misao Mizuno,
Keiichi Kojima, Takashi Tsukamoto, Hideki Kandori,
Yasuhisa Mizutani, Akimori Wada & *Yuki Sudo
雑誌巻号：J. Phys. Chem. Lett. 11, 2857 (2018)
生物はその活動を維持するために、様々なイオントランスポーターを細胞膜中に有している。イオンを能動輸送するポンプや、受動輸送するチャネルを駆使することで、細胞内外のイオン濃度勾配や膜電位を制御している。この負に帯電した膜電位は、生命活動にとって極めて重要であり、その消失は死を意味する。
微生物型ロドプシンは発色団としてレチナールを持
つ光受容膜タンパク質であり、レチナールの光異性化に伴ってタンパク質部分（オプシンと呼ぶ）の構造変化が誘起され、イオンポンプやイオンチャネル、光センサーなど多様な生物学的機能を示す[1]。このような多様な機能を制御するメカニズムに関心が持たれており、私たちのグループではこれまで、オプシン部分に人為的なアミノ酸の変異を導入することで機能を変換し、機能を制御するアミノ酸や構造基盤の解明を行ってきた[2-5]。
このような背景のもと本研究では、機能発揮のトリガーとなる発色団レチナールに着目し、機能変換を目指した。私たちは、天然の発色団である A1-レチナー
ル（図 A 左）のイオノン環に二重結合を追加し、さらにポリエン鎖にビニレン基を挿入したレチナール誘導体・C(14)-vinylene A2-retinal（14V-A2）（図 A 右）を新規に合成した（神戸薬科大学・沖津貴志博士、和田昭
盛博士の協力）。次に、外向きプロトンポンプとして機能する古細菌由来のロドプシン・Archaerhodopsin-3（AR3）を、大腸菌を宿主として異所発現させたとこ
ろ、14V-A2 を添加した場合では菌体が紫色に着色することが確認できた。つまり、14V-A2 は AR3 のオプ
シン部分に取り込まれ、色素タンパク質を形成することが分かった。次に、生化学的・電気生理学的手法を

図 レチナールの構造（Ａ）とイオン輸送特性（Ｂ）
引用文献[1] Kurihara M, et al., Biophys. Physicobiol. 12,121 (2015)[Review].
[2] Sudo Y, & Spudich JL., Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103,
16129 (2006).
[3] Sudo Y, et al., J. Biol. Chem. 288, 20624 (2013).
[4] Inoue K, et al., J. Am. Chem. Soc. 137, 3291 (2015).
[5] Kaneko A, et al., Biophys. Rev. 6, 861 (2017) [Review].

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：In-situ 光照射固体 NMR によるフォボロドプシンの光中間体の観測とレチナール構造の解明
川村 出 (横浜国大・A02 公募研究代表者）
光照射 NMR としてはアミノ酸残基間の相関信号を

論文題目："Retinal configuration of ppR intermediates

十分に観測できるように装置改良に取り組むとともに、

revealed by photoirradiation solid-state NMR and DFT "他のロドプシンにも適用していきたい。柔らかな分子著者：Yoshiteru Makino, Izuru Kawamura*, Takashi Okitsu,

系で 4 年間お世話になりました。今後も柔らかな分子

Akimori Wada, Naoki Kamo, Yuki Sudo, Kazuyoshi Ueda*,

系で獲得したあらゆる技術や人脈を利用して研究を推Akira Naito*

進していきたい。

雑誌巻号：Biophysical Journal, 115, (1), pp.72-83 (2018).
Cover article
DOI: https://doi.org/10.1016/j.bpj.2018.05.030
柔らかな分子系のニュースレターにおいても何度か紹介させていただいてきたが、我々はレチナールを発色団としてもつ微生物型ロドプシンの光活性構造を明らかにするために、固体 NMR 測定中のタンパク質試料に対して、マジック角回転条件で光照射を可能とす
る In-situ 光照射-固体 NMR 装置の開発・改良を進めてきました。
この論文では、
In-situ 光照射固体 NMR 法を用いて、負の走光性機能を示すフォボロドプシンの光中間体を
レチナールの 13C NMR 信号変化として観測した。方法

Biophysical Journal 表紙 (Vol. 115, 1)

としては、光照射前後においてレチナールの 20 位の掲載された In-situ 光照射固体 NMR のイメージ

1313

メチル炭素 C および 14 位の C の化学シフト変化を慎重に評価し、各中間体を区別することに成功した。

引用文献

具体的にはこれまで NMR 観測してきた M 中間体に加[1] Y. Tomonaga, T. Hidaka, I. Kawamura, T. Nishio,

え[1]、O 中間体を観測することに成功した。さらに O

K. Osawa, T. Okitsu, A. Wada, Y. Sudo, N. Kamo, A.

中間体との平衡状態にある N’中間体も検出した。このNMR 実験はセンサリーロドプシン I(SRI)の光照射

Ramamoorthy, A. Naito. Biophys. J. 101, (10), L50-

NMR の経験を生かしながら[2]、二つのレチナールの52 (2011).

信号を利用して、13-トランス/シスおよび 15-シン/アン[2] H. Yomoda, Y. Makino, Y. Tomonaga, T. Hidaka, I.

チ配座を評価した。さらに、量子化学計算 DFT を用い

Kawamura, T. Okitsu, A. Wada, Y. Sudo, A. Naito.

て計算し、実験で得られた化学シフト値を評価して、Angew. Chem. Int. Ed. 53, (27) 6960-6964 (2014).

詳細なレチナール構造を示した。今回の成果は信号伝達状態において、原子レベルの構造と機能発現を結びつける重要な研究内容として米国生物物理学会のブログでも紹介された。また、データの解釈などをわかりやすく示し、この投稿原稿は 3 名の査読者に高く評価され 2 ヶ月ほどでアクセプトに至った。また、光栄なことにマジック角回転条件で行っている光照射 NMRの Image が Biophysical Journal の表紙として採用された。

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：ゲル化過程における線維形成に伴う VCD 強度増大の起源の解明
鳥居 肇 （静岡大学・A01 公募研究代表者）
佐藤 久子（愛媛大学・A02 公募研究代表者）

ップリング定数と，TDC メカニズムにより見積った遠距離 C=O 伸縮間の振動カップリング定数を当てはめる こ と に よ り ， ペ プ チ ド 鎖 の 場 合 [R. Schweitzer-

論文題目："Intermediate length-scale chirality related to

Stenner et al, J. Am. Chem. Soc. 126, 2768−2776 (2004)]

the vibrational circular dichroism intensity enhancementと同様の表式に基づいて IR および VCD スペクトルを

upon fibril formation in a gelation process"

計算した。一方，VCD スペクトルの時間分解測定は，

著者：Hajime Torii and Hisako Sato

RR-CF7 の 0.012 mol L-1 CD3CN 溶液を対象に，80 ºC

雑誌巻号：Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 14992–14996

から 20 ºC に冷却することによりゲル化を開始させ，(2018). [selected as a 2018 PCCP HOT Article]

約 0.5 分ごとの測定により実施した。
その結果，(1) RR-CFn 分子内の２つの二級アミド基

分子の自己組織化による構造形成は，多くの化学が分子間水素結合により共軸の逆平行右巻二重螺旋を的・生物化学的過程において興味を持たれている現象

形成し，C=O 伸縮の VCD スペクトルは負の couplet をである。典型例の１つとして，ゲル化過程におけるゲ示すこと，(2) VCD / IR 強度比は，顕著な系サイズ依

ル化剤分子の自己集合が挙げられる。特に，ゲル化剤

存性を示し，溶液のゲル化による線維形成に伴って分子がキラリティを持つ場合，自己組織化による構造

VCD / IR 強度比が 0.05 程度にまで増大するという実形成に伴ってキラリティが増幅され，中間視的或いは

験結果と整合すること，(3) その強度増大を時間分解

巨視的なキラル構造が生成される。しかし，その増幅測定することにより，ゲル化過程の時間挙動を追跡可メカニズムは十分には明らかになっていない。

能であること，(4) SEM で得られた 0.1–10 m スケー

以 前 の 研 究 [H. Sato et al, Chem. Commun. 47,

ルの螺旋線維構造と考え合わせると，RR-CFn のゲル

3736−3738 (2011)] で，ゲル化剤分子 N,N’-diperfluoro-

系には，少なくとも３階層のキラリティが存在し，

heptanoyl-1,2(R,R)-diaminocyclohexane (RR-CF7) を溶解

VCD 強度増大はそのうち２番目の ~50 nm スケールのしたアセトニトリル溶液が温度変化によりゲル化する

ものに由来すること，が明らかとなった。

際に，C=O 伸縮バンドの振動円二色性 (VCD) 強度が

上述した類の VCD 強度増大は，アミロイド線維形

著しく増大することが示されている。VCD 分光法はキ成やペプチドのゲル形成などにおいても見られること

ラリティを持つ系の構造的特徴を明らかにする上で有が知られている。今後，こうした多様なキラル系を対用な手法であるが，実測スペクトルを正しく解釈する

象に，スペクトル解析に基づいて構造形成の様相が明ためには，実測と比較し得るような適切なモデリング

らかにされることが望まれる。

が必要である。そこで本研究では，観測された VCD
強度増大現象が生ずるメカニズムを解明し，分子集合体の構造とスペクトルの相関を明らかにするとともに，
時間分解測定の結果との比較により，ゲル化過程の時間挙動追跡の可能性を示すことを目指した。
理論計算は，次の手順で進めた。(i) 十分な精度のDFT 計 算 が 可 能 な サ イ ズ の 分 子 集 合 体 と し て ，perfluroalkyl 基を短縮した RR-CF2 の４量体とアセトニ
ト リ ル ２ 分 子 か ら 成 る 会 合 体 を 選 び ， B97XD/
6-31+G(2df,p) レベルでの計算を行った後，APV 法 [H.
Torii, J. Phys. Chem. A 108, 7272−7280 (2004)] により

図１：RR-CF7 の分子会合によって形成される線維構C=O 伸縮の縮約 F 行列を求め，中央２分子に関わる振造に存在する３階層のキラリティと，そのうち中間的

動カップリング定数を抽出した。(ii) 上記会合体の中長さスケールのキラリティにより起こる VCD 強度の

央２分子の分子間配置に基づいて，300 までの分子数増大から成る会合体を組み立て，上記 i で抽出した振動カ

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：キチン加水分解酵素は熱ゆらぎを利用して一方向に動きながら結晶性バイオマスを分解する分子モノレールカーである
飯野 亮太（分子研・A02 公募研究代表者）
櫻井 実（東工大・A01 公募研究代表者）

ました。この運動の仕組みは、「退路を絶って強制的に前に進ませる」という意味で、Burnt-bridge（橋を燃やす）ブラウニアンラチェットと呼ばれています。

論文題目："Processive chitinase is Brownian monorail

SmChiA が Burnt-bridge ブラウニアンラチェットでoperated by fast catalysis after peeling rail from crystalline

あることをさらに確認するため、様々な長さのキチン

chitin "オリゴ糖との複合体の X 線結晶構造解析を行い、運動

著 者 ： Akihiko Nakamura, Kei-ichi Okazaki, Tadaomi

中間状態での SmChiA とキチン分子鎖の相互作用を調Furuta, Minoru Sakurai, Ryota Iino

べました。キチンの結合位置が異なる様々な構造が得

雑誌巻号：Nature Communications, 9, Article number:られましたが、SmChiA の構造はキチンが結合してい3814 (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-06362-3ない構造とほぼ同じでした。この結果は、SmChiA の構造変化（パワーストローク）により運動が駆動され本研究では、独自に開発した全反射暗視野顕微鏡をるのではないことを支持します。また、中間状態のキ用い、粒径 40 nm の金ナノ粒子で可視化したキチン加

チンオリゴ糖が結合した SmChiA を初期構造として分水分解酵素 SmChiA がキチン結晶上を運動する様子を、

子動力学シミュレーションを行い、ブラウン運動で0.3 nm の位置決定精度と 500 マイクロ秒の時間分解能

SmChiA が前進・後退運動する様子を再現できました。

で１分子観測することに成功しました（図 1）。高精

これらの結果から、SmChiA はタンパク質の構造変化

度・高時間分解能での１分子観測を達成することで、で動くパワーストロークモーターではなく、熱ゆらぎ

SmChiA が 1 nm 間隔のステップと停止を繰り返しながで動くブラウニアンラチェットモーターであることがら直進運動する様子を直接捉えることができました。

確認されました。

SmChiA の運動を詳細に観測し、1 nm ずつ連続的に前方へ進むステップだけでなく、後退するステップや後退した状態から復帰するステップも見いだしました。
前進ステップの割合は 84%であり、運動方向は前方に大きく偏っていることがわかりました。
また、ステップする前の停止時間の分布の解析および速度論的同位体効果の検証により、各反応素過程の時定数を求めました（図 2）。前進ステップが起こる際

図 1：キチン加水分解酵素 SmChiA の 1 nm ステップ運動

は、キチンの分解（2.9 ミリ秒）と後退ステップ（18ミリ秒）が競合し、前進ステップの割合は時定数の比からも 86%と算出され、前述の運動方向の解析から得られた値と一致しました。他方、後退ステップと復帰
ステップの前の停止の時定数がほぼ同じであることか
ら、これらの状態（図 2A および E）の自由エネルギ
ーに差がないこと、および前進・後退のステップは熱ゆらぎで駆動されていることが明らかとなりました。
これらの結果は、キチンの分解反応が後退ステップに比べて十分速く起こるために、熱ゆらぎによる方向性のないブラウン運動が一方向に偏ることを示しています。言い換えると、分解反応によってレールであるキ
チンが１キトビオース分短くなることで SmChiA は後退できなくなり、前に進まざるを得なくなると結論し

図 2：SmChiA の化学力学共役と反応時定数のまとめ

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：ポリ(置換メチレン)構造によるピレン側鎖の高速なエキシマー形成
高屋 智久
井原 栄治

図 1 の側鎖メチレン基が 0 個（m = 0）であるポリ(ピ（学習院大・A02 公募研究代表者）（愛媛大・A03 公募研究代表者）

レン置換メチレン)について観測された時間分解近赤外スペクトルを図 2a に示す．励起後 0〜0.6 ps に観測

論文題目："Excited-State Dynamics of Pyrene Incorporated

された，波長 1000 nm 付近に極大を持つ吸収帯はピレ

into Poly(substituted methylene)s: Effects of Dense Packing

ンの励起モノマーに帰属される．この吸収帯は励起後of Pyrenes on Excimer Formation"

100 ps には消失し，波長 1200 nm 付近に極大を持つエ

著 者 ： Tomohisa Takaya, Tatsuya Oda, Yuki Shibazaki,

キシマーの吸収帯に変化した．同じく m = 0 であるポ

Yumiko Hayashi, Hiroaki Shimomoto, Eiji Ihara, Yukihide

リ(ピレン置換エチレン)の時間分解吸収スペクトル

Ishibashi, Tsuyoshi Asahi, and Koichi Iwata（図 2b）と比較すると，励起モノマーの吸収帯の振動

雑誌巻号：Macromolecules 51, 5430-5439 (2018).

構造が不明瞭であり，モノマー吸収帯が消失するまでの時間が短い．以上の結果から，ポリ(ピレン置換メチ

A03 井原グループで合成された「ポリ(ピレン置換メレン)中では励起直後に励起ピレン環と周囲のピレン

チレン)」について，ピレン側鎖間のエキシマー形成ダ環とが強く相互作用しており，速やかにエキシマーをイナミクスを A02 高屋グループの時間分解近赤外分光形成できることが明らかとなった．
側鎖メチレン基の数を 1 個（m = 1）
，4 個（m = 4）

計によって計測し，ポリ(置換メチレン)構造によるピレンの集積によってエキシマーがきわめて高速に形成と増やしていくと，ポリ(ピレン置換エチレン)ではエ

されることを明らかにした．

キシマー形成速度が単調に減少したが，ポリ(ピレン置

置換ビニルのラジカル重合によって生成する高分子

換メチレン)では m = 1 においてエキシマー形成速度が（「ポリ(置換エチレン)」）には，C–C 主鎖の 2 つのメ最大となった．この結果は，ポリ(置換メチレン)構造に

チレン基につき 1 個しか置換基を導入できない（図 1a）．

より，少し側鎖が長くともピレン間の強い相互作用がこれに対し，井原グループでは目的とする置換基を有維持されることを示している．すなわち，ポリ(置換メするジアゾ化合物を有機パラジウム触媒下で重合させ，チレン)によって，より柔軟な機能性高分子設計が可能

C–C 主鎖のすべてのメチレン基に置換基を導入する方になると強く期待される．

法を開発してきた（図 1b）．本合成手法により，1 本の高分子鎖に対してポリ(置換エチレン)の 2 倍の密度で置換基が導入可能となった．高密度に集積された側鎖によって，高分子の溶解性などの物性を自在に制御できることがこれまでに報告されている[1]．
本研究では，ポリ(置換メチレン)構造によって側鎖間の相互作用がどれだけ強く働くかを詳細に調べるた
め，側鎖にピレンを導入し，ピレンの励起ダイナミクスを観測してエキシマー形成速度を評価した．ピレンの励起モノマー成分とエキシマー成分による吸収スペ
クトルを同時かつ詳細に計測するため，高屋グループのフェムト秒時間分解近赤外分光計[2]を使用した．

図 2 ポリ(ピレン置換メチレン) (a)とポリ(ピレン置換エチレン) (b)の時間分解近赤外吸収スペクトル．側鎖メチレン基の数はともに 0 である．

引用文献
[1] H. Shimomoto, E. Itoh, T. Itoh, E. Ihara, N. Hoshikawa,
N. Hasegawa, Macromolecules 2014, 53, 125.

図 1 ポリ(ピレン置換エチレン) (a)とポリ(ピレン置換メチレン) (b)の合成スキーム．

[2] T. Takaya and K. Iwata, J. Phys. Chem. A 2014, 118, 4071.

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：高速原子間力顕微鏡により明らかにする時計タンパク質 Kai の複合体形
成の一分子ダイナミクスと概日周期の安定性
内橋 貴之のリン酸化に依存しない場合には、KaiC 六量体に対し（名大・A02 公募研究代表者）て KaiA 二量体の濃度が約 2 倍になると概日周期が長
論文題目："Revealing circadian mechanisms of integration

周期化し、2.5 倍程度の濃度比で振動しなくなった。一and resilience by visualizing clock proteins working in real

方、PDDA を計算に取り込むと、濃度比 2 倍以上でもtime "

長周期化が抑えられ、濃度比が 3 倍程度まで安定に発

著者：Tetsuya Mori, Shogo Sugiyama, Mark Byrne, Carl

振することがわかった(図１b). 実際に、概日周期の測Hirschie Johnson, Takayuki Uchihashi and Toshio Ando

定中に KaiA 濃度を急激に上昇させて KaiC のリン酸化

雑誌巻号：Nat. Commun. 9, 3245 (2018).

リズムの変動を計測したところ、計算結果とよく一致した。この結果から、PDDA は細胞内で安定な概日振シアノバクテリアの概日時計システムは Kai 遺伝子動を実現するタンパク質濃度変動の許容範囲を広げ、群がコードする３つの Kai タンパク質(KaiA, KaiB,

概日振動の頑強性を担保していることが明らかになっ

KaiC)を構成因子とする振動体から構成されている。

た(図１c)。

Kai タンパク質システムのユニークな点は、KaiA、KaiB

以上のように、高速 AFM 観察によって、時間スケ

および Kai C と ATP を試験管内で混合するだけで KaiC

ールで変動する Kai タンパク質の概日周期が、秒スケのリン酸化状態が概日周期的に長期間に渡って自律的ールの分子間ダイナミクスと密接に関連しており、さに振動することである[1]。この概日周期は、i) 温度がらにこれが、システムの頑強性を発現していることが変化してもその周期はほとんど変化しない、ii) 異なるわかった。今後、さらに温度補償能や位相同調能と一リン酸化状態の KaiC を混合してもしばらくするとリ分子ダイナミクスの関係を探っていきたい。

ン酸化の位相が同期する、iii)３種類の Kai タンパク質の濃度変動に対しても安定に発振する、などの頑強性を備えている。 このような Kai タンパク質による概日
振動の頑強性の分子メカニズムは明らかではなかった。
高速原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、Kai タンパク質
間、特に KaiC と KaiA の複合体形成のダイナミクスを一分子レベルで観察した結果、KaiA と KaiC の結合と解離が秒スケールで起こり、さらに KaiA と KaiC の親和性が KaiC のリン酸化状態に依存して大きく変化する、すなわち、KaiA と KaiC の親和性が概日周期と同期して振動する事がわかった (図 1a)。この現象をPhosphoform Dependent Differential Affinity (PDDA)と名付けて、PDDA が概日周期に与える影響を数理モデル
シミュレーションにより探った。KaiC の 2 ヶ所のリン酸化部位(Ser-431 と Thr-432)のリン酸化及び非リン酸化状態を模倣した 4 種類の変異体(KaiC-AA, AE、DE、るまでの時間（τunbound）を決定し、それらの値と従来か

図 1：(a) KaiC のリン酸化周期と KaiA-KaiC の結合時間。(b)[KaiA2]/[KaiC6]の変動に対する KaiC のリン酸化リズムの変化（シミュレイション）（c）Kai タンパク質の複合体形成と概日周期の関係。

ら知られていた KaiC の各リン酸化状態のリン酸化お引用文献

よび脱リン酸化の反応速度定数を用いて、KaiC のリン[1] M. Nakajima, K. Imai, H. Ito, T. Nishiwaki, Y. Murayama,

酸化リズムをシミュレイションした。その結果、PDDA

H. Iwasaki, T. Oyama and T. Kondo, Science 308, 5720: 414-がない場合、すなわち KaiC と KaiA の親和性が KaiC

415 (2005).

DA)の高速 AFM 観察によって KaiC が KaiA に結合すする時定数（τbound）および、解離してから再び結合す

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：第三のロドプシン・ヘリオロドプシン
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）
角田 聡 （名工大・A01 公募研究連携研究者）（K241）とシッフ塩基結合を形成すること、シッフ塩
基のプロトン化を安定化するため、３番目のヘリック
スのカルボン酸（E107）が対イオンとしてはたらくこと、光を吸収すると１３シス型へ異性化し K 中間体を論 文 題 目 ： "A distinct abundant group of microbial

生成すること、その後、シッフ塩基のプロトンが解離

rhodopsins discovered using functional metagenomics"

して M 中間体を生成すること、さらに M 中間体の減著者：Alina Pushkarev, Keiichi Inoue, Shirley Larom, José

衰に伴い O 中間体が生成すること、などである。
一方、

Flores-Uribe, Manish Singh, Masae Konno, Sahoko Tomida,

このロドプシンは膜の配向が逆転しており、N 末端側

Shota Ito, Ryoko Nakamura, Satoshi P. Tsunoda, Alonが細胞内に面していることがわかった（図左）。さらにPhilosof, Itai Sharon, Natalya Yutin, Eugene V. Koonin,

タイプ１ロドプシンに特徴的なイオンを輸送する性質

Hideki Kandori, Oded Béjà

はなく、光反応サイクルが遅いことからこのロドプシ

雑誌巻号：Nature 558, 595-599 (2018).

ンは光情報伝達に関わるものと考えられた。実際、赤ロドプシンは微生物に由来するタイプ１ロドプシン、動物に由来するタイプ２ロドプシンに分類できる。現

外分光法によれば、最後に生成する O 中間体では大きくタンパク質が構造変化しており、これが信号伝達をもたらすものと考えられる（図右）。

在も次々に新しいロドプシンが報告されているが、そ興味深いことに、本研究により発見されたロドプシ

れらは必ずタイプ１かタイプ２に分類され、地球上のン遺伝子を検索してみると、たちまち 500 種類を超え

ロドプシンはタイプ１とタイプ２しか存在しないと考る類似タンパク質が見つかった。その生物種は古細菌、えられていた。

真正細菌、藻類などの真核生物から巨大ウイルスにま今回、ゲノム解析を専門とするイスラエルのグルーで見つかっており、我々は第三のロドプシンとも言う

プが、イスラエル最大の淡水湖であるガリラヤ湖（英べきこのタンパク質群にギリシャ語の「太陽」からヘ語名 Lake Kinneret）の水中から様々な微生物の遺伝子

リオロドプシンと名付けた。

を網羅的に解析（メタゲノム解析）した結果、大腸菌

今回のヘリオロドプシンの発見により、地球上で生発現とレチナールの添加により着色する遺伝子を見出物が行う新しい光利用戦略が存在することが明らかにした。これはロドプシンに特徴的な性質であるが、そなった。しかしながら、ヘリオロドプシンの機能が解のタンパク質のアミノ酸配列はそれまでに知られてい明されたわけではない。ヘリオロドプシンは反応性がるタイプ１ともタイプ２とも大きく異なっていること

遅いことから情報伝達にはたらいていると考えているがわかった。

が、我々の目のロドプシンが活性化する G タンパク質

そこでイスラエルのグループは神取グループに遺伝のようなパートナーとなるタンパク質探しは始まった子を提供し、その物性を調べる国際共同研究が始まっばかりであり、分子メカニズムと併せて、より深い理た。その結果、この新しいロドプシンは、配列が全く解が期待される。

異なるにも関わらず、タイプ１ロドプシンと様々な点でよく似た性質を示すことがわかった。例えば、全トランス型レチナール
分子を７番目のヘリックスのリジン

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：アニオンチャネルロドプシンの構造とメカニズム
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）

もしれないが、クロライドイオン濃度は細胞外が高いため、膜電位より濃度効果の方が大きく、チャネルが開くとクロライドイオンが流入する結果、細胞は過分

論文１："Crystal structure of a natural anion-conducting

極する。従って光遺伝学においては、神経抑制にはた

channelrhodopsin GtACR1"

らくのである。

著者：Yoon Seok Kim, Hideaki E. Kato, Keitaro Yamashita,

2015 年、このようなチャネルが自然界に存在するこ

Shota Ito, Keiichi Inoue, Charu Ramakrishnan, Lief E.

とが米国のグループにより発表され[2]、以降、それぞFenno, Kathryn E. Evans, Joseph M. Paggi, Ron O. Dror,

れ cation channelrhodopsin (CCR), anion channelrhodopsin

Hideki Kandori, Brian K. Kobilka, Karl Deisseroth(ACR) と 分類されて いる。東大・ 濡木研において

雑誌巻号：Nature 561, 343-348 (2018).

CCR[3]と光駆動ナトリウムポンプ KR2[4]の構造を決定

論文２："Structural mechanisms of selectivity and gating inした加藤英明博士はスタンフォード大学の Kobilka 研

anion channelrhodopsins "に在籍中、Deisseroth 研と共同で ACR の X 線結晶構造

著者：Hideaki E. Kato, Yoon Seok Kim, Joseph M. Paggi,解析に成功した（論文１：図左）。さらに CCR から遺Kathryn E. Evans, William E. Allen, Claire Richardson,

伝子改変により作製した機能転換型 ACR の構造（図Keiichi Inoue, Shota Ito, Charu Ramakrishnan, Lief E.

中左）も決定した上で、新しい光遺伝学ツールの開発

Fenno, Keitaro Yamashita, Daniel Hilger, Soo Yeun Lee,に成功した（論文２）。
我々は論文１では赤外分光、論文２では過渡吸収分

Andre Berndt, Kang Shen, Hideki Kandori, Ron O. Dror,
Brian K. Kobilka, Karl Deisseroth

光の結果を報告している。特に加藤博士から、ACR の雑誌巻号：Nature 561, 349-354 (2018).

構造を見るとレチナールシッフ塩基のプロトン化状態を安定化する対イオンは D234 しか有り得ないので（図光駆動イオンポンプは、陽イオンであれ、陰イオン

中右）、脱プロトン化していることを証明してほしいとであれ 1970 年代に発見されている（注：ナトリウムポ依頼された。我々も完全に同意していたが赤外分光のンプだけはもっと遅い 2013 年）[1]。一方、光で開くチ

結果は D324 がプロトン化していることを明瞭に示し

ャネルとしてナトリウムなどの陽イオンを運ぶチャネていたのである（図右）。X 線結晶構造解析で見えていルロドプシンが 2002 年に発見された[1]。チャネルロド

ない水が解離している可能性や、はっきりとした対イ

プシンはナトリウムイオンなどの受動輸送により細胞オンなしにシッフ塩基の正電荷を安定化させる可能性

を脱分極させるため、神経科学への応用により光遺伝など、様々な可能性があるが、それは今後の課題であ学が始まったのである。神経細胞を脱分極させて興奮る。

させるチャネルに対し、ポンプは過分極により神経抑[1] O. Ernst et al. Chem. Rev. 114, 126 (2014).

制をもたらすため、ポンプも光遺伝学に利用される。

[2] E. G. Govorunova et al. Science 349, 647 (2015).

では、光で開く陰イオンチャネルはどうだろう？ 細胞内部は負の電荷を持つため、チャネルが開くと陰イ[3] H. E. Kato et al. Nature 482, 369 (2012).

オンが細胞外へ汲み出されて脱分極すると思われるか[4] H. E. Kato et al. Nature 521, 48 (2015).

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：水中で中赤外の全波数領域をモニターする膜タンパク質の赤外分光になったのである[2]。水和フィルムの場合、pH や塩濃

神取 秀樹 （名工大・A03 計画研究代表者）

度の正確な制御は不可能であるが、全反射測定は水溶
論文題目："Unique hydrogen bonds in membrane protein

液中の実験であるため Kd などを正確に測定できる。

monitored by whole mid-IR ATR spectroscopy in aqueous

一方、エバネッセント波を用いても水溶液中での測定

solution"のため水の吸収が大きく X-H 伸縮の解析は困難であ

著者：Shota Ito, Masayo Iwaki, Shinya Sugita, Rei Abe-

った。Protein-bound water signal in water を目指して我々

Yoshizumi, Tatsuya Iwata, Keiichi Inoue, Hideki Kandori

は 5 年前にハロロドプシンの Cl- 結合に伴う水の O-H

雑誌巻号：J. Phys. Chem. B 122, 165-170 (2018).

伸縮振動変化の測定に成功したが、測定できたのは水素結合フリーの>3600 cm-1 の領域だけであった[3]。ちょ赤外分光法は環境に敏感な信号を与えるため生体分

うど私が京大の助手として光誘起差スペクトルの全波子のような複雑分子系研究に有用だが、溶媒である水数測定に挑んでいた頃と同じ状況であった。

分子が大きな赤外吸収をもつため精緻な解析は難しい。

突破口は今年、訪れた。我々は当初、限られた試料

国際会議などで私がよく使う ”Water is friend of protein,で効率よく測定するため 9 回反射の Ge 窓板を使って

but NEVER friend of IR spectroscopy” というフレーズでいたが、3 回反射の Si 窓板を試してみたところ水の吸専門家から笑いを取る事実がそれを如実に示している。

光度は 0.6 程度となり（図左 a）、大きな可能性が感じ

しかしながら、我々は水和フィルムを用いて機能を保られた。そこで KR2 に対する Na+ 結合を調べたとこ

ちながら水分量を減らしたロドプシンの光誘起差スペろ、図左 b のような精度の高い差スペクトルを測定す

クトルにより、それまでに研究されていた 1800-800

ることに成功した。光誘起測定と同様、水の O-H 伸縮

cm-1 だけでなく、中赤外の全波数領域（4000-1800 cm-

を全波数領域で計測できたのである（ただし H218O を1）での差スペクトル測定を実現した[1]。その結果、タ流すと 1 回に 2 億円ほど要するため、未遂行）。差スペ

ンパク質内部に結合した水分子を含む X-H 伸縮（実際クトルは Na+ が結合すると 2800-2400 cm-1 にブロードには重水中での X-D 伸縮）の変化を精度よく測定するな正の信号を示し、同位体実験からチロシンの振動でことが可能となり、ロドプシンなどの光応答性タンパ

ある ことがわか った。我々はフ ラビンタン パク質

ク質が機能を発現する際の水素結合ネットワークの解

BLUF が光反応の過程で同様の信号を示すことを報告

析ができるようになった。当初は低温で安定化した中しており[4]、異常に強い水素結合を過渡的に形成する間体のみに適用できる手法であったが、時間分解法もと解釈したが、KR2 の場合、resting state で異常に強い可能であり、新しいスペクトル窓が、構造ダイナミク

水素結合が観測されたのである。今後、様々な膜タン

スの新しい情報を与えてくれたのである[1]。

パク質の水素結合ネットワークの解析に期待される。

我々は赤外差スペクトル分光法を光以外の刺激に[1] 神取秀樹, Mol. Sci. 5, A0043 (2011).

適用すべく、全反射赤外分光装置を用いた測定系を構[2] H. Kandori et al. Biochim. Biophys. Acta 1847, 134 (2015).

築した[2]。実験では、全反射セルに膜タンパク質を自[3] T. Fukuda et al. Biophysics 9, 167 (2013).

然吸着させ、2 種類の溶液を流すことでイオンやリガ[4] T. Iwata et al. J. Phys. Chem. Lett. 2, 1015 (2011).

ンドの吸着に伴う差スペクトルを測定することが可能

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：光駆動ナトリウムポンプの時間分解赤外分光
神取 秀樹 （名工大・A03 計画研究代表者）

化を測定したところ、３つの中間体に由来するスペク
トル成分が得られた。C=C 伸縮の解析から、最初の成論 文 題 目 ： "Time-resolved FTIR study of light-driven

分は長波長シフトした K 中間体、次は短波長シフトしsodium pump rhodopsins"

た L/M 中間体、最後は長波長シフトした O 中間体で

著者：Hui-Fen Chen, Keiichi Inoue, Hikaru Ono, Rei Abe-あることがわかった。

Yoshizumi, Akimori Wada, Hideki Kandori

本論文で新たにわかった知見として、第一に O 中間

雑 誌 巻 号 ： Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 17694-17704

体が 13-cis retinal を持つことが挙げられる。バクテリ(2018).

オロドプシンの研究によれば、O 中間体は all-trans 型のレチナールを持ち長波長シフトしていること、N 中

2013 年にその存在を報告した光駆動ナトリウムポ間体は 13-cis retinal を持つことが知られている。1184

ンプ[1]は本領域の中心的な研究対象の１つとなってき

cm-1 の C-C 伸縮振動は経験的に 13-cis であることを示[2]、pH唆していたが、C-C 振動だけから結論するのは危険で依存的な構造の違いがあるため、シッフ塩基のプロトあり、今回、我々は最もよいマーカーとして知られる

ン受容体（D116）が向きを変えることで Na+の取込み

C12, C14-D retinal を用いて 13-cis 型であることを結論しを可能にするというモデルは広く受け入れられている。

た。ロドプシンの専門家は O 中間体というと all-trans

しかしながら、このモデルはあくまでも resting state の型を想起するが、13-cis 型の長波長中間体もあり得る構造を元に提案したものであり、真の理解のためにはので注意が必要である。

た。2015 年に決定した KR2 の結晶構造において光反応の過程で生成する K 中間体、L/M 中間体、O構造ダイナミクスの解明が必要であることは明らかで中間体はすべて 13-cis 型レチナールを持つが、いずれある。
我々は 2014 年に初期中間体である K 中間体の低温も 990 cm-1 と 950 cm-1 付近の HOOP 振動を示すことが赤外分光を行い、all-trans から 13-cis への異性化反応わかった。この事実は、初期中間体である K 中間体だにより光エネルギーを取込む機構を発表した[3]。K 中

けでなく、L や O 中間体においてもレチナールの捻れ

間体が減衰すると L 中間体と M 中間体の平衡状態をが存在することを示している。D116 という特異な位置

経て Na+が取り込まれ O 中間体が生成する。低温赤外に対イオンを持つ構造[5]がユニークな構造ダイナミク

分光では L/M 中間体が十分に安定化されなかったた

スをもたらすものと考えられる。

め、我々はステップスキャン法を用いた時間分解赤外分光を KR2 と別のタンパク質（NdR2）に対して行っ[1] K. Inoue et al. Nat. Commun. 4, 1678 (2013).

た。なお、それ以前の赤外分光解析としては、定常光[2] H. E. Kato et al. Nature 521, 48 (2015).

照射を用いた GlNaR の実験が行われており、O 中間体[3] H. Ono et al. J. Phys. Chem. B 482, 369 (2014).

が all-trans retinal を持つことが提案されている[4]。

[4] S. P. Balashov et al. Biochemistry 482, 53 (2014).

今回、5 µs の時間分解能で赤外スペクトルの時間変[5] A. Shigeta et al. Biochemistry 56, 543 (2017).

543

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：低温赤外分光による光駆動ナトリウムポンプの細胞質側領域の構造解析
神取 秀樹 （名工大・A03 計画研究代表者）

クトルを野生型と比較することにより、KR2 の細胞質側領域に存在する水素結合ネットワークと光異性化に

論文題目："Hydrogen-bonding network at the cytoplasmic

伴う変化を解析した。

region of a light-driven sodium pump rhodopsin KR2"

この解析において、変異体と野生型でスペクトルが

著者：Sahoko Tomida, Shota Ito, Keiichi Inoue, Hideki

大きく異なっていれば、野生型の振動バンドを帰属す

Kandori

ることはできない。幸い、Q123A, Q123V, S64A は野生

雑誌巻号：Biochim. Biophys. Acta 1859, 684-691 (2018).

型[7]とほぼ同一の差スペクトルを示す一方、特定の振動バンドだけに変異体効果が見られた。このような論本領域の中心的な研究対象の１つとなった光駆動ナ

理により、我々は 2438 cm-1, 2607 cm-1 に現れる O-D 伸

トリウムポンプのメカニズムで注目されるのは細胞質

縮振動（重水中の測定）を Q123 近傍の水に帰属した。

側で起こる Na+の取込みである。この過程は H+取込み

同様に α ヘリックスのアミド A（N-H 伸縮）、アミドⅠと競合して起こり[1], [2]、入口に N61 と G263 から構成

（C=O 伸縮）も変異体効果をもとに帰属を試みている。

されるイオン選択性フィルターが存在する[3]。結晶構

下図に実験結果をもとに帰属した振動バンドを示す

造において最も狭くなっているこの部位に変異を導入が、C ヘリックスに存在する Q123 は水分子を介してすることで自然界には存在しない K+ポンプ[3]や Cs+ポ

B ヘリックス（S64）、G ヘリックス（K255）と水素結

ンプ[4]を創成できるという事実は、光反応の過程にお合ネットワークを形成し、レチナールの異性化に伴いいてもこの部位の構造が維持されていることを示唆し

シッフ塩基の N-D 振動だけでなく、水やヘリックスのている。

水素結合が弱くなることがわかった。Q123 の変異体でレチナールシッフ塩基は光スイッチ＆ゲートとし

Na+ポンプの効率が下がるのは、このようなヘリック

NDQ モチーフのス間の水素結合がないために時間的・空間的に適切なてはたらくが[5]、結晶構造を見ると

Q123 がこの部位とイオン選択性フィルターとの間に構造変化の制御が起こらなくなったためと考えられる。

位置しており、Q123 とレチナールを結合する K255 のBR にも同様の水分子が存在するが、DTD モチーフの主鎖を橋渡しするように水分子が存在する（図左）[3]。

D96 はこの水と水素結合を形成せず、別の機構で細胞以前に行ったバクテリオロドプシン（BR）の低温赤外

質側に H+輸送経路を形成するものと考えられる。

分光解析（77 K）によれば、K 中間体の差スペクトル[1] K. Inoue et al. Nat. Commun. 4, 1678 (2013).

で変化する水分子はシッフ塩基と水素結合ネットワー[2] Y. Kato et al. J. Phys. Chem. Lett. 6, 5111 (2015).

クを形成する領域に限定され、細胞質側の水分子は同[3] H. E. Kato et al. Nature 521, 48 (2015).

定していない[6]。一方、KR2 の細胞質側は BR より親[4] M. Konno et al. J. Phys. Chem. Lett. 7, 51 (2016).

水的になっており、我々が検出した水分子の変化がこ[5] H. Kandori et al. Chem. Rev. in press (2018).

の領域に由来するかどうか、興味深い。本研究では、[6] M. Shibata et al. Biochemistry 44, 7406 (2005).

Q123 および S64 変異体の 77 K での光誘起赤外差スペ[7] H. Ono et al. J. Phys. Chem. B 482, 369 (2014).

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：内向きプロトンポンプ型ロドプシンの輸送メカニズムの分光研究
まず PoXeR の異性化過程について田原グループに

井上 圭一 （名工大・A03 計画研究連携研究者）
竹内 佐年 （理研・A02 計画研究分担者）
田原 太平 （理研・A02 計画研究代表者）
神取 秀樹 （名工大・A03 計画研究代表者）

よる超高速 pump-probe 測定を行ったところ、光励起された PoXeR の初期過程にはレチナールの異性化を伴い、機能性の光反応を示す“reactive”な成分と、レチナールの異性化を伴わずに、初期状態へと戻る“non-論 文 題 目 ： "Spectroscopic Study of Proton Transfer
MechanismofInwardProtonPump

reactive”な成分が存在することがわかった。また前者

Rhodopsin,における PoXeR のレチナールの異性化速度は 1.2 ps でParvularcula oceani Xenorhodopsin"あることが示され、これは過去に報告された他のロド

著者：Keiichi Inoue, Shinya Tahara, Yoshitaka Kato, Satoshi

プシン（180-870 fs）と比べて非常に遅いものである。

Takeuchi, Tahei Tahara*, Hideki Kandori*

次にマイクロ秒以降の H+輸送過程について調べた

雑誌巻号：J. Phys. Chem. B 122, 6453-6461 (2018).

ところ、pH 指示薬を用いた過渡吸収測定により、M 中間体の生成において H+が細胞質側に放出されたあと、微生物型ロドプシンは細菌などが持つ、７回膜貫通

M の減衰に伴って H+の取り込みが起こることが示さ型構造をした光受容膜タンパク質である。多くの微生れた。さらに後者の過程において、レチナールが 13-cis

物型ロドプシンはイオンポンプもしくはチャネルとし型から all-trans 型の始状態に戻る経路と、C=N 結合がて、光のエネルギーを用いて細胞内外に様々なイオン

異性化し 13-cis-15-syn 型となる分岐反応が存在し、こを輸送する機能を持つが、中でも最も数が多く広く自れらの異性化に伴って、溶媒中から直接レチナールへ

然界に存在するのがバクテリオロドプシンに代表されH+が再結合することが示された。これは特定のアミノ

る、外向き H+ポンプである。これに対し我々は 2016

酸が H+ドナーとして働く、外向き H+ポンプの輸送メ

年に本領域の研究によって、初めて自然界から細胞のカニズムとは大きく異なるものである。

内側へ H+を輸送する、内向きプロトンポンプ型のロド

この様に本研究では二グループの分光計測技術を組プシン（PoXeR）を報告した[1]。しかしその光反応のみ合わせることで、ロドプシンがどの様にイオンの輸初期過程や、それに続く H+輸送過程については詳細が送方向を制御するのか、新たなメカニズムを明らかと明らかにされていなかったことから、神取グループおすることに成功した。最後に本研究における分光測定

よび田原グループとの間で共同研究を実施し、PoXeRのほとんどは、神取研究室の加藤善隆博士ならびに田の H+輸送メカニズムの詳細を明らかにするため、幅広

原研究室の田原進也博士（現大阪大・水谷研究室・博い時間領域にわたる包括的な分光研究を実施した。

士研究員）の両名によるものであり、この場を借りて深く御礼申し上げます。
参考文献[1] Inoue, K., et al. Nature Commun. (2016) 7, 13415.

図 1. フェムト秒から 1000 秒までの時間領域におけ

図 2. 本研究により明らかにされた PoXeR のフォト

る PoXeR の過渡吸収変化

サイクル

545

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：BLUF ドメインの光反応前後の発色団近傍の水素結合環境を解明
岩田 達也 （名工大・A03 計画研究連携研究者)
神取 秀樹 （名工大・A03 計画研究代表者）

ルをグルタミンのシグナルから分離させた。その結果、グルタミンに由来するシグナルは 12C-フラビン試料で測定したものより 15 cm–1 低波数シフトした（図 1b 上

論 文 題 目 ： "Hydrogen Bonding Environments in the

破線）。フラビンはタンパク質とは共有結合を形成してPhotocycle Process around the Flavin Chromophore of the

おらず、フラビンの炭素の同位体の影響がアポタンパ

AppA-BLUF domain"

ク質領域に及ぶだろうか？

著者：Tatsuya Iwata, Takashi Nagai, Shota Ito, Shinsuke

この可能性について検討するため QM/MM 法による

Osoegawa, Mineo Iseki, Masakatsu Watanabe, Masashi

計算を行った。報告されている結晶構造を元にグルタ

Unno, Shinya Kitagawa, and Hideki Kandori

ミン側鎖をケト型やエノール型に変えた構造に対して

雑誌巻号：J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.8b05123

構造最適化を行い、赤外シグナルを計算した。その結(2018)

果、赤外分光法で得た結果をよく説明する構造が決定

フラビンを発色団とする青色光センサータンパク質された（図 1b 下、1d）。すなわち、ケト-エノール互変である BLUF ドメインは、光反応前後で発色団の化学異性が起こっていること、またこのシグナルは 13C-フ構造が変化しないという特徴がある。代わりに、光反ラビンでシフトすることが示された（図 1b 下）。

応で変化するのは BLUF に保存された発色団近傍のグ

実は我々の論文の発表前に、Domratcheva 博士らがルタミン残基で、側鎖のケト形（–C(=O)–NH2）からエ

同じ手法（15N-Gln 標識 BLUF の赤外測定）でケト-エ

ノール型（–C(=NH)–OH）への互変異性が起こる可能性

ノール互変異性を発表していた [2]。ただ、BlrB といが初期反応の赤外分光測定により提案された [1]。

う我々とは異なる BLUF の測定とは言え、同じ反応を中間体でのエノールの生成を示すにはグルタミン側

検出しているにも関わらずスペクトルはかなり異なっ

鎖の C=O 基が消失して C=N 基が生成する様子を検出ていた。QM/MM の結果から、フラビン近傍によく保できればよい。赤外分光法はこのための最適な手法で、存されているトリプトファン側鎖の向きがフラビンと

15N 標識したグルタミンが導入された BLUF の測定にグルタミンの方を向いているか外を向いているかで赤より C=N 伸縮振動が同定できる（図 1a）。15N-Gln が外スペクトルの形が大きく影響を受けることがわかっ導入された BLUF の測定の結果、グルタミンに由来すた（図 1b、c）。すなわち、AppA-BLUF と BlrB ではトるシグナルが観測された。しかしながら、想定される

リプトファンの向きが異なることが明らかになった

スペクトルとはシフト幅が一致せず（図 1b 上 実線）、

（図 1d、e）。本研究結果により、BLUF 研究の大きなこのスペクトルをもって C=N 伸縮振動を検出したと課題 であったト リプトファン側 鎖の向きも 含め、は断言できなかった。

BLUF ドメインの水素結合環境に関する包括的な説明

この領域にはフラビンに由来する大きなシグナルがを与えることができたのである。

重なって現れ、二重差スペクトルによるグルタミンに引用文献由来するシグナルが正しく抽出されなかった可能性が[1] A. Stelling, et al., J. Am. Chem. Soc. 129, 15556−15564 (2007).

ある。そこで、13C-フラビンを使ってフラビンのシグナ[2] T. Domratcheva, et al., Sci. Rep. 6, 22669 (2016).
図 1. (a) ケト型からエノール型へ異性化が起きたときに期待される赤外スペクトル。グルタミン以外のシグナルも現れるため、グルタミンのみに由来する二重差スペクトルで評価する。 (b) 12C-及び 13C-フラビン再構成試料で測定したときの二重差ス
ペクトル（上）及び、上記スペクト
ルが最も再現された QM/MM 法により計算されたスペクトル（下）。構造モデルは(d)に示す。 (c) 構造モデル(e)より計算されたスペクトル。

546

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：ロドプシンの多量体構造の高速原子間力顕微鏡および円二色性分光研究柴田 幹大 （金沢大・A02 公募研究連携研究者）
井上 圭一 （名工大・A03 計画研究連携研究者）
神取 秀樹 （名工大・A03 計画研究代表者）
内橋 貴之 （名大・A03 公募研究代表者）

様々な微生物型ロドプシンの会合状態を調べ、多量体
構造の多様性について統一的な理解を目指した。
まず Na+ポンプ型ロドプシンである KR2 について観察を行ったところ、BR とは異なる五量体構造が（図 1上）観察された。同様に KR2 に近縁な真正細菌由来の論文題目："Oligomeric States of Microbial Rhodopsins

H+ポンプや Cl-ポンプでも同様の五量体構造が見られDetermined by High-speed Atomic Force Microscopy andた。一方 BR に近い古細菌由来の Cl-ポンプ（NpHR）

Circular Dichroic Spectroscopy "については三量体構造を示し、センサー型や内向き H+

著 者 ： Mikihiro Shibata†, Keiichi Inoue†, Kento Ikeda,

ポンプ型ロドプシンも同様の構造を示した（図 1 下）。

Masae Konno, Manish Singh, Chihiro Kataoka, Rei Abe-

これらの結果はそれぞれの微生物型ロドプシンが主Yoshizumi, Hideki Kandori*, Takayuki Uchihashi* (†:に三量体もしくは五量体のいずれかを取ることを示唆

Equally contributed)

しているが、可視領域における円二色性分光測定を行

雑誌巻号：Sci. Rep. 8, 8262 (2018).

ったところ、興味深いことに三量体型と五量体型との間でスペクトルの符号の反転が見られた。これは隣りレチナールを発色団として持つ光受容型膜タンパク

合うタンパク質分子中のレチナール間の励起子カップ質である微生物型ロドプシンは、主に細菌や古細菌、リング（コットン効果）が異なっているためであり、単細胞微生物などの細胞内に存在し、イオン輸送や酵

分子間の配向が異なることが分光学的にも示された。

素反応、走光性シグナル伝達など様々な生物学的機能

これらの結果をもとに、それぞれのロドプシンの多を光によって発現させる。そしてそれぞれのロドプシ量体構造と進化系統樹を比較したところ、主に真正細ンは他の膜タンパク質と同様に脂質二重膜中で多量体

菌由来のロドプシンは五量体構造を、古細菌由来のもを形成し、特に最もよく知られたバクテリオロドプシのは三量体構造を取ることが明らかとなり（図 2）、二ン（BR）は三量体として存在する。しかし実験手法や種類の多量体構造は古細菌と真正細菌が分岐するよりタンパク質の種類によって、微生物型ロドプシンが形成する多量体構造には大きなバリエーションが見られ、統一的な理解がなされていなかった。

前のかなり古い時代に、進化的に作り出されたことが示唆された。今後はさらにチャネル型や酵素型など真核生物由来のロドプシンについて調べることで、分子そこで本研究では内橋グループが専門とする高速原進化に伴うロドプシンの多量体構造の変化について、

子間力顕微鏡（HS-AFM）観察法[1]により、生理学的

より包括的な知見が得られると期待される。

条件に近い脂質二重膜中で、神取グループの作製した

参考文献[1] Shibata, M., et al. Nature Nanotechnol. (2010) 5,
208-212.

図 1. Na+ポンプ型（KR2・上）および Cl- ポンプ型

図 2. 微生物型ロドプシンの分子系統樹と、本研究に（NpHR・下）の五量体および三量体の HS-AFM 像より明らかにされた多量体構造547

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：3 次元サンドイッチ型 13 核パラジウムナノクラスターの創成
八面体型 6 配位型構造は単核遷移金属錯体における村橋 哲郎 （東工大・A03 計画研究代表者）
山本 浩二 （東工大・A03 計画連携研究者）
倉重 佑輝 （京都大・A01 公募研究代表者）

最も基本的な配位構造のひとつであるが、錯体 1 の分子構造が明らかになったことにより、多核金属クラス
ターに対しても八面体型 6 配位構造を適応可能である

論 文 題 目 ： "Three-Dimensional Sandwich Nanocubes

ことが示された。八面体型 6 配位構造に基づく対称性

Composed of 13-Atom Palladium Core and Hexakis-に起因して、錯体 1 の LUMO および LUMO+1 は Tr−Pd13

carbocycle Shell"間のδ相互作用の反結合性軌道(eg*)に対応する縮退し著 者 ： Masahiro Teramoto, Kosuke Iwata, Hiroshige

た軌道をもつが、これらは、八面体型 6 配位型単核遷

Yamaura, Kenta Kurashima, Koshi Miyazawa, Yuki

移金属錯体の縮退した LUMO および LUMO+1（配位Kurashige, Koji Yamamoto and Tetsuro Murahashi

子−金属間の反結合性軌道(eg*)）に類似している。

雑誌巻号：J. Am. Chem. Soc., 2018, ASAP.

本研究成果により、3 次元型サンドイッチ構造を有DOI: 10.1021/jacs.8b07430

する遷移金属ナノクラスターを合成できることが明らかになった。今後、反応性や物性を解明していくこと

サンドイッチ錯体は、平行に配置された 2 つの環状により、触媒やナノ分子材料に応用できる可能性が期待される。

不飽和炭化水素間に金属原子が挟み込まれた化合物の総称であり(図 1)、触媒や材料への応用など、錯体化学
や有機金属化学、触媒化学、材料化学等に大きな発展をもたらした化合物である。従来のサンドイッチ錯体
では、挟み込める金属原子の数は、1 つか 2 つに限られていたが、我々の研究グループでは、これまでにシクロヘプタトリエニル（トロピリウム）配位子を用いることで 3 つのパラジウム原子をシート状に挟み込んだ、2 次元型サンドイッチクラスターを合成することに成功している 1。今回、13 個のパラジウム原子が塊状に集合したクラスターを 6 枚のシクロヘプタトリエ
ニル配位子で六方向から 3 次元型にサンドイッチしたパラジウムナノクラスターの合成に成功した。
有機金属型 3 核パラジウムシートクラスターを粉末

図 1. 3 次元サンドイッチ型 13 核パラジウムナノクラスター

状態で加熱すると 13 核パラジウムクラスターへと劇

1 の分子構造

的に構造転移することを発見した。単結晶Ｘ線構造解
析により、13 核パラジウムナノクラスター 1 は各シクロヘプタトリエニル配位子が最密充填型パラジウム
クラスターの四角形面に結合し、シンプルかつ対称な
6 配位型構造を形成していることを明らかにした(図 1)。
各７員環配位子は溶液中ではフラクショナルな動的回転挙動を起こしていると考えられる。分子の表面形状

図 2. 3 次元サンドイッチ型ナノクラスターのキューブ状分子

はキューブ状であり、代表的な球状ナノカーボン分子

表面形状(左)と C60 フラーレンの球状分子表面構造(右)である C60 フラーレンと比較して同程度のサイズをもっている(図 2)。合成した 3 次元型サンドイッチパラジ

引用文献

ウムナノクラスターは多段階の酸化還元能を示し、常[1] a) T. Murahashi and H. Kurosawa et al., Science 313,

磁性の 13 核パラジウムサンドイッチナノクラスター

1104-1107 (2006). b) T. Murahashi et al., J. Am. Chem. Soc.

も合成・単離可能であることも明らかにした。

130, 8586-8587 (2008).

548

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介："疎水性"ナノ空間による"親水性"乳酸オリゴマーの内包
草葉竣介（東工大化生研・修士課程学生）

で複数の CH-π相互作用と水素結合を形成することで、

山科雅裕（東工大化生研・博士研究員）

安定化されていた（図２b）。一方、同条件で乳酸 2a

吉沢道人（東工大化生研・A03 分担研究者）

は内包されなかったが、柔らかな 2a のオリゴマーである２量体 3a と４量体 4 は、１分子ずつ定量的に内包さ論文題目：" Hydrophilic Oligo(Lactic Acid)s Captured byれた。4 内包体の X 線結晶構造解析にも成功し、同様

a Hydrophobic Polyaromatic Cavity in Water "に複数の CH-π相互作用と水素結合が確認された。

著者：Shunsuke Kusaba, Masahiro Yamashina, Munetaka

また、環状の乳酸２量体 3b は、水中で加水分解され、Akita, Takashi Kikuchi, and Michito Yoshizawa*

鎖状の２量体 3a に変換される。3b を 1 の水溶液に加雑誌巻号：Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 3706–3710.

えると、２分子が瞬時に内包された。その結果、1 の疎水性骨格の遮蔽効果により、3b の加水分解速度は水中と比較して顕著に低下した（図２c）。

“水と油”に例えられるように、分子の親水性と疎水性は本質的に相反する性質である。従って、水中でa)

親水性の生体分子は、水分子との多点の水素結合によb)2bり安定化するため、疎水性の分子や表面、空間と相互(2 equiv.)

1c)

空間を持つナノカプセル 1 [文献 1]（図１b）が、糖分子を水中で捕捉できることを見出した[文献 2]。この発見をOな内包メカニズムを明らかにした。

H O
H

H

O

O

H

O
H

+
疎水性の
ナノ空間

N Pd N

4+

b)
N

X
R

R
R

R

O

R

R

疎水空間

H

O

R

R
R

O

4 NO3–ΔH は約–40 kJ/mol に対し、室温での T ΔS は約–8H

kJ/mol であった（図３b）。3a と 3b の内包でも、同様

OH

O

乳酸オリゴマーは、多点の分子間相互作用に基づくΔH
項の大きな安定化が駆動力となり、水中にも関わらず強く内包されることが判明した（結合定数 105 M–1 以上）。

O
O

O

O

a)

3b

O

O
O

HO

H

O

O
O

O

N

N Pd Nに大きな負のΔH が観測された。すなわち、親水性の2a (X, Y = -H)O
Y 2b (X, Y = -CH3)

3a
N

3a

ゴマーが内包されるメカニズムを調査した。４量体 4

O H
H
H

O

R

R

R

H
O

O
HO

fast

内包（図３a）の熱力学的パラメーターを算出した結果、c) 親水性のオリゴ乳酸

NO

さらに、等温滴定型熱量（ITC）測定より、乳酸オリ
H O
H

H
H O

親水性の
オリゴマー

OH

O

OH 4
4

1

4

b)

O

O
O

O HO OHO

乳酸 2a の両端をメチル化した 2b は、ナノカプセル

O

O

1•4

1 の水溶液に室温で加えることで瞬時にかつ定量的に

OH
O

H 2O

1 (R = -OCH2CH2OCH3)
図１．a）親水性オリゴマーの疎水性ナノ空間への内包 b）疎水空間を有するナノカプセル 1 と c）乳酸オリゴマーの構造O

kJ/mol of injectant

O H
H

O
HO

図２．a）ナノカプセル 1 による水中での乳酸誘導体 2b の内包と、その b）X 線結晶構造（赤線：CH-π相互作用、青線：
水素結合、外面親水基は省略）c）3b の加水分解挙動の比較.

加水分解反応の顕著な抑制と親水性オリゴマーの詳細

H

O

3b

ので紹介する。また、ナノカプセルによる環状乳酸のH

O
O

水中で 1 の疎水空間に強く内包されることを見出した

H

1•(2b)2slow
within 1
H 2O

基に今回、親水性で柔軟な乳酸オリゴマー（図１c）が、

a)

O

H 2O

作用することは稀である（図１a）。最近、我々は疎水

O x2
O

0
–10
–20
–30
–40
0.0

0.5

1.0 1.5
molar ratio

2.0

図３．a）1 による乳酸４量体 4b の内包と b）その ITC 測定.

２分子内包された（図２a）。生成物の構造は、NMR と引用文献：[1] N. Kishi, M. Yoshizawa, et al., J. Am. Chem.
Soc., 2011, 133, 11438-11441. [2] M. Yamashina, M.
Yoshizawa, et al., Science Adv., 2017, 3, e1701126.

質量分析および X 線結晶構造解析で決定した。その結果、内包された２分子の 2b は、1…2b 間と 2b…2b 間549

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：アルキル化アントラセン液体の過冷却現象
中西 尚志 （NIMS・A03 計画研究代表者）
吉沢 道人 （東工大・A03 計画研究分担研究者）
石原 伸輔 （NIMS・A03 計画研究連携研究者）

月の保存で固化、発光特性も変化した。また、アント
ラセン骨格にブロモ基を導入することで、分子の対称性の崩れなどの効果により、液体状態が安定化されることも分かった（図）。

論文題目："Supercooling of functional alkyl-π molecularliquids"
著者：Fengniu Lu, Keumhee Jang, Izabela Osica, Keita
Hagiwara, Michito Yoshizawa, Masashi Ishii, Yoshiaki
Chino, Kazuchika Ohta, King Ludwichowska, Krzysztof
Jan Kurzydlowski, Shinsuke Ishihara, Takashi Nakanishi
雑誌巻号： Chem. Sci. 9, 6774-6778 (2018).
以前、ジフェニルアントラセンに計 4 本の十分に嵩高い分岐アルキルオキシ鎖を導入した分子群が、常温で青色発光液体と成ることを報告した 1)。この青色発光液体をマトリクスとし、電子アクセプター性の色素
分子を直接混ぜ込むことで（アルキル化液体の溶媒効
果）、FRET や発光色の足し合わせなど複数の発光様式
にて様々な発光色のペースト材料の創出に成功した。
上記論文発表から数ヶ月後、別の研究グループより、ほぼ同じ分子骨格で分岐アルキル鎖の種類が若干異なった常温液体アントラセン（DPA8、2-オクチルドデシ
ル）の創成と、それを電子アクセプター液体マトリクスとしたアップコンバージョン発光の研究成果が報告された 2)。実は、我々も全く同じ分子を合成し、研究を進めていた。しかしながら、常温保存の過程で一部固化する現象に気づき、常温液体として主張するのは危険と判断し、上述の最初の論文 1)構成からは除外しこの論文は 2 名の査読者に高く評価され、改訂なしていた。本経緯より、DPA8 が常温液体として報告さで受理されると共に、バックサイドカバー（図）に選れたことには驚いた。同様に、常温液体として得たつ

出、ChemSci Pick で Hot Article として紹介された。

もりのアルキル化π分子が長期保存や加熱に伴い固化

本論文では、準安定な過冷却液体状態か否かの短時する現象が、最近まれに散見される 3)。液体色素が固間での判断手法なども示しており、今後益々研究の加化する際、色素同士の相互作用が伴うこととなり、発速が期待されるアルキル化π機能性液体の安定供給と光機能も同時に変化する。このような厄介な問題を理

信頼性高い物性機能（流動性、発光など）の発現に対解、解決すべく、我々は、アルキル鎖長を順次 2-エチ

し、極めて重要な情報を提供している。

ル ヘ キ シ ル （ DPA2 ） か ら 2- デ シ ル テ ト ラ デ シ ル（DPA10）へと変化させ、熱力学的に安定な相（固体？

引用文献

液体？）の確認などを検証した。その結果、2-ヘキシ
ルデシル基を有す DPA6 のみが、速度論的に極めて安[1] T. Nakanishi et al., Nature Commun. 4, 1969 (2013).

定な常温液体として存在することが分かった。分岐ア[2] P. Duan, N. Yanai, N. Kimizuka, J. Am. Chem. Soc. 135,ルキル鎖の長い DPA8 と DPA10 は、準安定な過冷却

19056 (2013).

液体となり、実際の融点は室温以上、数週間から数ヶ[3] K. Sada and K. Kokado et al., Chem. Commun. 53,
2378 (2017).

550

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：周期的な構造を有する超分子ヘムタンパク質集合体の構築
定義された構造が溶液中で存在していることを確認
大洞	
  光司（大阪大学・A03 公募研究代表者）
するのは非常に難しい。幸いなことに本系は色素とし林	
  高史	
 （大阪大学・A03 公募研究連携研究者）
内橋	
  貴之（名古屋大学・A02 公募研究代表者）
	
  	
  	
 てヘムを含んでおり、ヘムとヘムの励起子カップリン	 グに基づく特徴的な円二色性（CD）スペクトルがこの論文題目："Supramolecular Hemoprotein Assembly with a評価に有効であった。分子動力学計算（MD）に基づい

Periodic Structure Showing Heme–Heme Exciton Coupling"

た構造予測から、ユニット間に水素結合が形成してい著 者 ： Koji Oohora, Nishiki Fujimaki, Ryota Kajihara,

ることが示唆され、実験的に相互作用している残基をHiroki Watanabe, Takayuki Uchihashi, Takashi Hayashi

Ala に置換すると、特徴的な CD スペクトルが消滅し雑誌巻号：J. Am. Chem. Soc. 140, 10145–10148 (2018).

た。これは、N80C をベースにした集合体では、複数のヘムの配向が固定されていたことを意味する。さらに、

近年、天然に存在するタンパク質多量体にインスパ

内橋らのグループによる液中の高速原子間力顕微鏡測イアされた人工的なタンパク質集合体が盛んに研究さ定を用いて、MD で予測した周期構造が得られているれている。その手法は、タンパク質工学的な発想に基ことを確認し、一連の実験とよく一致する結果が得らづく手法と超分子化学的な戦略によるホスト・ゲスト

れ、多角的に溶液中で一義的な周期構造を持つ集合体

相互作用等によりタンパク質を連結する手法の二つにが形成していることを証明した。一方で、周期構造 =大まかに分類することができる。大洞・林らのグルー

固いというイメージがあるかもしれないが、この集合

プでは、後者に基づき、ヘムとヘムタンパク質におけ体は、加熱や pH 等の種々の外部環境変化により、柔るヘム結合部位（ヘムポケット）との相互作用を利用

軟な構造へ変化するソフトな性質も有している。

した超分子ヘムタンパク質集合体について、10 年以上

以上のように、本論文では、タンパク質集合体の構前から報告している[1]。当時は人工タンパク質集合体

造制御とその構造評価を実施した。今後はこの構造特の報告は数えるほどであったが、現在では複数のグル性の機能への発展を模索している。

ープが精力的に成果を発表している。
上記のような背景の下、本論文では、超分子ヘムタ
ンパク質集合体の高次構造制御について報告している。
上述の手法の例として、ヘムタンパク質の一つである
シトクロム b562 のアポ体の外部表面（ヘムポケットと反対側）に Cys 残基とマレイミド基の特異的な反応を利用し合成ヘムを共有結合的に修飾したモノマーユニ
ットが連続的なヘムとヘムポケットの相互作用により連結し、超分子集合化が挙げられる。しかしながら、この方法では、タンパク質表面とヘムの間にリンカー
分子を挟む必要があり、どうしても連結されたユニッ
トは自由回転し、集合体に一義的な構造を与えることは難しい。一義的な構造を取らせるにはヘムとヘムポ
ケットの相互作用に加えて、二次的な相互作用をユニット間に導入する必要がある。
これを実現するために、
タンパク質の表面電荷に注目して、Cys の導入位置を

図 1. 本論文における MD 結果に基づくヘムタンパク

最適化した。結果として、初期の設計ではシトクロム

質集合体のイメージ図。左下は CD スペクトル。

b562 の 63 番目の His を Cys に変異したが、80 番目のAsn を Cys に置換した N80C 変異体がこの戦略を実現

引用文献

し、周期的な螺旋構造を有するヘムタンパク質集合体[1] H. Kitagishi, K. Oohora, T. Hayashi, et al. J. Am. Chem.

を与えることになった（図１）。

Soc. 129, 10326–10327 (2007).

551

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No. 56平成 30 年 9 月

業績紹介：臓器の低酸素状態を可視化する近赤外蛍光プローブの開発
花岡 健二郎 （東大院薬・A03 公募研究代表者）

蛍光イメージングが可能な低酸素環境を検出する蛍光プローブの開発を行った。

論 文 題 目 ： "Synthesis of Unsymmetrical Si-rhodamine
Fluorophores

andApplication

toA

Far-Red

低酸素環境とは、酸素濃度が低下した環境のことでtoあり、生体内において血流の遮断などの虚血性疾患やNear-Infrared Fluorescence Probe for Hypoxia"

腫瘍などの疾患において観察される。一方、近赤外領

著者：Kenjiro Hanaoka, Yu Kagami, Wen Piao, Takuya

域（650 –900 nm）は透過性の高さ及び自家蛍光の低さ

Myochin, Koji Numasawa, Yugo Kuriki, Takayuki Ikeno,

から動物個体でのイメージングに適した波長領域であTasuku Ueno, Toru Komatsu, Takuya Terai, Tetsuo Nagano

る。そこで、上記の合成方法で合成した近赤外蛍光団

and Yasuteru Uranoの分子構造にアゾ基を組み込むことで、新たな低酸素

雑誌巻号：Chem. Commun. 54, 6939-6942 (2018).

環境を検出する近赤外蛍光プローブの開発を行った。
これは、芳香族アゾ化合物は低酸素環境特異的に生体

ローダミン蛍光色素のキサンテン環 10 位の酸素原

内還元反応を受けること、また一般にアゾ化合物は光子を SiMe2 に置換した近赤外蛍光団「Si ローダミン

異性化反応により無蛍光性であることを利用した。開（SiR）」類は、高い蛍光量子収率及び高い光褪色耐性

発した蛍光プローブをマウスに静脈内投与し、門脈及を備えたバイオイメージングに有用な長波長蛍光色素

び腎静・腎動脈の結紮により肝臓と腎臓の虚血モデル

である（図１）。そのため、本母核を利用した蛍光標識を作製したところ、結紮により蛍光の上昇が観察され、試薬や蛍光プローブが近年盛んに報告されている[1.2]。

20 分後には肝臓及び腎臓においてそれぞれ 10 倍及び 3

一方、SiR 類を左右非対称に構築する合成法はこれま倍もの蛍光増大を示した。
本論文は、本誌「2018 Emerging Investigators」の１でに報告されていなかった。そこで、近赤外蛍光プローブの分子設計法の拡充を目指し、「非対称 SiR」類のつの論文として紹介された。

汎用性の高い合成法の開発及び、非対称 SiR を母核とHypoxia,bioreductases

した近赤外蛍光プローブの開発を行った。
R2

R1
N

R5

OH

4
R3 R

Br

Br

N
R8 R7

BF3•OEt2

R6

CH2Cl2

R2

R1

N

R5

N

N
4Br BrR8
R7
R3 R

N

Si

N

N

R6

azoSiR640 (Φfl <0.001)
Non-fluorescent

H 2N
N

NH2

N

Si

SiR640 (Φfl = 0.18)
Ex/Em = 637/660 nm
Fluorescent

肝臓および腎臓の虚血モデルでの蛍光イメージング:
R4

R7
R4

R1
R2
N
R3

Si

R5
N
R6

R2
N
R3

No ligation

R1

R1
Si

liver

R2
N
R3

Si ローダミン(SiR)類と非対称 SiR 類．鍵中間体として

24 minkidneyLigated (36 min)

図１

16 minliver

32 mink id n e yliver

38 minkidney46 minkidney54 minliver

kidney4,4’-メチレンビスアニリン類を利用した合成法．

非対称 SiR 類の中間体となる様々なアルキル置換基

図２ 新たに開発した低酸素環境を検出する近赤外蛍光プロを有する 4,4’－メチレンビスアニリン類の合成反応のーブと、それを用いた肝臓および腎臓での虚血による低酸素開発を行った。その結果、ヒドロキシメチル基を有す状態の蛍光イメージング．
．

るアニリンと、それよりも電子供与性の高い N,N-ジア
ルキルアニリンを用いて、ルイス酸である BF3・OEt2

引用文献を添加することで、反応を高収率に進行させることを[1] T. Ikeno, T. Nagao and K. Hanaoka, Chem. Asian J. 139,

見出した（図１）。本反応を蛍光団構築の鍵反応に利用

3465-3472 (2017).

することで、様々な非対称 SiR 類の合成に成功した。

[2] Y. Kushida, T. Nagano and K. Hanaoka, Analyst 140,

さらに、この蛍光色素骨格を利用して、動物個体での685-695 (2015).

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No. 56平成 30 年 9 月

A02 班 藤井正明先生が分子科学会賞を受賞
石内 俊一（東工大化生研・A02 班分担者）

A02 班の藤井計画班代表（東工大化生研）が第９回
分子科学会賞を受賞された。受賞業績は、「気相多波長レーザー分光法の開発と複雑分子系への応用」であり、その独創的かつ新たな研究領域の創成に寄与する研究
成果と、分子科学の発展への長年にわたる貢献が高く評価された結果である。業績の後半に当たる「複雑分子系への応用」の中心は本新学術領域研究の成果である。ご受賞を心よりお祝い申し上げるとともに、その研究の一翼を担った一人として、ご支援いただいた本
新学術領域研究に深く感謝申し上げる次第である。この紙面をお借りして、特に本新学術研究に関わる藤井先生の研究業績を簡単に紹介させていただきたい。
気相分光は、溶媒分子のない状態或いはその個数や配向を制御した状態で、かつ極低温に冷却して熱的揺らぎを凍結することで、極めてシャープなスペクトル測定を可能にする。複数の構造の異なる状態が混在していると、それぞれは異なるスペクトルを与えるため、

藤井計画班代表と田原分子科学会会長

それぞれの重ね合わせとして観測されるスペクトルのいた。しかし、そのためには複雑分子系を非破壊的に解析は煩雑なものとなる。特定の分子種のみを選択的気化し、かつ極低温に冷却する必要があり、その方法に検出する手段があれば、混在している状態でも、あ論の開発が大きな課題であった。藤井先生は、ナノ・る特定の分子種のみのスペクトルを測定することがでマテリアルをマトリックスに用いたレーザー脱離法ときる。分子量が異なれば質量分析が使えるが、異性体

高圧超音速ジェットを組み合わせたユニークなレーザの場合には、それぞれの吸収波長の違いを利用して、

ー脱離・超音速ジェット法を開発され、加熱気化できレーザー波長を見たい異性体に合わせることで異性体ない分子の高感度かつ極低温でのスペクトル測定を可分離したスペクトル測定が可能になる。これが多波長能にされた。さらに、エレクトロスプレー法で真空中

レーザー分光法である。また、異性体選別だけでなく、に取り出したイオンを従来よりはるかに高い効率で冷分子の状態選別にも利用でき、ある特定の量子状態の却できるイオントラップを開発し、より複雑なペプチ

分子を選択的に生成し、その分光測定にも用いられてド複合系などの気相分光を可能にされた。

いる。藤井先生は気相分光の黎明期より UV-UV, IR-

これらの技術に対して、これまで培われた多波長レ

UV などの２重共鳴分光法の開発に関わられ、さらにーザー分光法を適用し、従来の気相分光と同様の妥協

これらの方法を発展させ、３台、４台のレーザーを用のないクリアカットな実験を可能にされた。２つの技

いる究極的な状態選別を可能にする多波長レーザー分術を組み合わせることはそう容易いことではなく、そ

光や、超短パルスレーザーを用いた時間分解分光を開れぞれの技術が究極的に研ぎ澄まされていないと、従発された。これらの手法を、クラスター内のプロトン・来と同様のクオリティの結果を得ることは困難である。

水素移動反応や、溶媒和分子のマイグレーションの研それぞれの技術で世界をリードされてきた藤井先生な究に応用され、Angew. Chem. Int. Ed.誌の表紙を３回

らではの業績であると言える。エレクトロスプレー法も飾るなど、独創性が国際的にも非常に高く評価されによる分子認識系の生体分子の研究に関する成果は、ている。

本ニュースレターで既にいくつか報告しているのでそ精緻なレーザー分光法の開発と併せて、気相分光のちらをご参照いただきたい。

複雑分子系への応用に対しても精力的に取り組まれて最後に、これまでの藤井先生の分子科学の発展へのいる。上述の様に気相分光法は「クリアカットさ」を多大なる御尽力に感謝するとともに、これからのご研真骨頂としており、複雑分子系への応用が期待されて究のますますの発展をお祈りする次第である。

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No. 56平成 30 年 9 月

A02 公募班 水瀬賢太博士（東京工業大学）が分子科学会奨励賞を受賞
大島 康裕（東工大理・A02 公募研究連携研究者）

なってきました。近年、超短パルス技術の発展に伴い、
電子波動関数（分子軌道）や電子波束の観測が報告さ

平成 30 年 9 月 10 日、本領域 A02 班公募研究代表者

れつつありますが、振動や回転運動に対する波動関数

である水瀬賢太博士（東京工業大学理学院化学系）が、については、波束の時間発展に伴うスペクトル変化を第 11 回分子科学会奨励賞を受賞されました。昨年の観測するといった間接的な観測が多く、波動関数の空

PCCP 賞受賞（本領域ニュースレター44 号参照）に引間情報を直接、完全に測定した例は限られていたのがき続いての快挙であり、心よりお祝いを申し上げたい。

現状でした。水瀬さんは、既存の実験手法の問題点を分子科学会奨励賞は分子科学研究分野において質の克服する独自のイオン・イメージング法を開発するこ高い研究成果を挙げ、分子科学の発展に寄与したと認とで、超高速波束ダイナミクスを直接的かつ高精度にめられる満 36 才未満の若手研究者を対象とする賞で観測することを可能にしました。装置の詳細や、観測あり、分子科学を担う次世代に与えられる賞です。第された分子波束ダイナミクス（分子ムービー）は本領

12 回分子科学討論会（福岡）会期中の分子科学会総会

域ニュースレター23 号でも紹介されていますが、分子の場にて表彰式が行われ、本領域代表でもある田原太ダイナミクスの研究において直接的に波動関数にアプ

平 分子科学会第 7 期会長より、功績を讃える賞状と盾ローチすることを可能にしたとして国内外から高く評が授与されました。

価されています。水瀬さんはさらに、波束イメージン

受賞対象となった業績は「高精度核波束イメージン

グを分子クラスターに適用することに挑戦し、本領域

グによる気相分子および分子クラスターの構造とダイの対象となる、分子の「柔らかさ」を支配する分子間ナミクスの研究」というもので、水瀬さんが開発した相互作用ダイナミクスに関しても重要な知見を得るこ

高度な分子運動イメージング装置を用いた研究が高くとに成功しています。

評価されたものと考えられます。以下にその業績の一

今回の受賞を契機として、水瀬さんがまさに「次世部を紹介します。

代の分子科学」を担う研究者として、ますます活躍さ

分子系の状態を記述する波動関数を直接的に可視れることを期待しています。

化することは、系の性質を理解する上で本質的である
ために、分子科学の実験的研究における大きな目標と分子科学討論会（福岡）会期中の分子科学会奨励賞授賞式にて。
左：田原分子科学会会長(右)と。右：奨励賞受賞者５名と分子科学会会長。左から水瀬さん、森さん(A01 班)。

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No. 56平成 30 年 9 月

A02 公募班 森 俊文博士（分子科学研究所）が分子科学会奨励賞を受賞
森 俊文 （分子研・A01 公募研究代表者）

反応速度の計算などの解析にとどまっていました。
我々は、構造変化の遅さに注目した解析法を提案し、

平成 30 年 9 月 10 日、福岡国際会議場で開催された

長時間トラジェクトリの解析からフォールディング過

分子科学討論会初日の分子科学会総会において、第 11程に対応した遅い構造変化を明らかにするとともに、

回分子科学会奨励賞を受賞しました。写真の通り、今フォールディング過程は複数の経路やミスフォールド期から分子科学会の会長は田原領域代表です。この新状態を減る不均一な過程であることを示しました。本

学術領域でも大変お世話になった田原代表に賞状と盾手法は、今後タンパク質構造の不均一性の解析を行っを渡していただけたことは、大変感慨深いものでした。

ていく上で重要な道具となることが期待されます。

この新学術領域の方々を始め、これまでお世話になっ3.酵素反応におけるタンパク質ダイナミクスの重要性

た方々に熱く御礼申し上げます。

の理論的解明受賞題目は「気相および凝縮系における反応のダイ酵素反応において酵素の構造揺らぎが重要であるこ

ナミクスの理論的解明」です。これは、米国でポスドとが近年明らかになってきましたが、このようなタンクを始めたときから現在に至るまでの研究の芯にあるパク質の構造ダイナミクスがどのように活性に寄与すテーマで、扱ってきた系は気相での小分子から凝縮系

るかについては、従来行われてきた自由エネルギー面

でのタンパク質までと幅広いですが、反応の遷移状態や遷移状態の計算からは十分な理解が得られません。

や自由エネルギー面などの静的・平均的描像のみでな

そこで、我々は、プロリン異性化酵素 Pin1 を例に、

く、反応が進行する過程の個々のダイナミクスを明ら

酵素反応の遷移過程のダイナミクスの解明を目指しまかにすることを目指してきました。簡単ですが、研究した。特に、遷移トラジェクトリを直接サンプリング

内容を以下に紹介します。

し、解析することで、異性化自体は非常に短い時間で1.超高速光化学反応ダイナミクスの理論的解明と時間進行する一方、遷移状態の安定化に必要な遅いタンパ

分解光電子スペクトル予測

ク質の構造変化は、反応物の構造揺らぎの中から構造

光異性化反応の非断熱遷移を伴う反応過程は、時間励起状態として準備されていることを示しました。こ分解光電子スペクトルによって近年詳細なダイナミクの結果は、本領域のテーマでもあるタンパク質の「柔スが調べられるようになってきましたが、これらの実

らかな構造」が、酵素活性に寄与する分子機構の一端

験と比較しうる詳細な理論計算は、手法の不足などにを示せたものと考えています。

よりこれまで困難でした。そこで我々は、電子状態を複数持つような複雑な系にも適用可能な、非断熱遷移
ダイナミクスを追跡する新規の ab initio 分子動力学法を開発し、エチレンを始めとしたポリエチレン分子の光異性化反応を調べ、時間分解光電子スペクトルの予測も行いました。このエチレンのスペクトルは、後に日米の複数の実験グループによって実際に測定され、我々の計算結果といい一致が得られています。
2.タンパク質の構造ダイナミクスの不均一性の解析
タンパク質のフォールディング問題に関する研究は長い歴史があり、定性的な理解は大きく進んでいます
が、分子レベルでのフォールディング過程の理解は、依然として大きな課題です。近年、分子動力学シミュ
レーション専用計算機 Anton の登場により、全原子シ
ミュレーションによってフォールディング過程を調べられるようになってきましたが、長時間トラジェクト
リデータの解析法が不十分なことに加え、遷移状態や555

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No. 56平成 30 年 9 月

横浜国立大学・川村出 准教授が”第 7 回 D アミノ酸学会 奨励賞”を受賞
佐藤 久子（愛媛大学・A02 公募班）

(平成 29 年 3 月号)と No. 55 (平成 30 年 3 月号)にも紹介されていますので、ご参照ください。

A02 公募研究 代表者の横浜国立大学 川村出准教授が、第 7 回 D アミノ酸学会 奨励賞を受賞しました。本賞は D アミノ酸に関する優れた研究成果をあげた 40 歳以下の D アミノ酸学会 会員の研究者に与えられる賞であります。川村さんの受賞題目は「両生類由来の抗菌ペプチドに含まれる D アミノ酸残基の役割の解明」であり、2018
年 9 月 5-6 日に富山大学五福キャンパスで開催された第 14 回 D アミノ酸学会学術講演会で奨励賞受賞講演をされました。受賞となった研究の概要についてご紹介いたします。
川村さんはカエルの皮膚分泌物に含まれる抗菌ペプチドの細胞膜結合構造の研究を行っています。特に、イソメラーゼによる翻訳後修飾によって 2 残基目に D 体のアロ-イソロイシンが含まれるボンビニン H4 の活性増強と構造の相関を調べています。これまで全て L 体で構成される前駆体のペプチドに比べて、D 体の存在によって活性が増強するメカニズムは不明でした。そこで川村さんは D 体の導入によって、ペプチドの N 端側のコンフォメーションに大きな変化が生じていると考え、固体 NMR, 分子動力学シミュレーシ
ョンと振動円二色性分光法 VCD(本領域での A02
川村-A02 佐藤の共同研究)を用いて研究を進めました。その結果、N 端の 1 残基目イソロイシンと2 残基目の D 体アロ-イソロイシンの側鎖が疎水的なアンカーを形成し、脂質二重膜の疎水部により侵入しやすいことを見出した。D 体のアミノ酸は天然では稀な存在ですが、部位特異的に導入されることで局所的に柔らかな構造変化が生じ、活性の変化につながることを実証した成果になります。近年、このような D アミノ酸含有ペプチドは多く発見されていますので、分子レベルでの構
造解析の研究の重要性がさらに増すことが予想され、本研究成果も重要な位置付けと評価されました。川村さんの今後の益々の活躍が期待されます。なお、本研究成果がまとめられた論文については本新学術領域研究のニュースレター No. 43

参考文献
1. B. Mijiddorj, S. Kaneda, H. Sato, Y. Kitahashi, N.
Javkhlantugs, A. Naito, K. Ueda*, I. Kawamura*(2018) Biochim. Biophys. Acta –Proteins andProteomics –1768, 7, 789-798.
2. H. Sato*, I. Kawamura, A. Yamagishi, F. Sato.
(2017) Chem. Lett. 46, 449-452.

写真 (上)講演中の川村さん(下)受賞後の川村さん

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No. 56平成 30 年 9 月

田原グループの坂口さんが日本生物物理学会若手奨励賞を受賞
石井 邦彦 （理研・A02 計画研究分担者）

た時のショットノイズ幅の影響が出ないため時間分解能を高くしやすいこと、フィッティングを用いないた

本年 9 月 15 日（土）から 17 日（月）にかけて岡山

めモデルフリーであること、揺らぎの解析をベースと大学津島キャンパス（岡山市）で開催された第 56 回日しているため高い濃度（~nM）で計測を行えること、

本生物物理学会年会において、A02 計画班田原グルーという長所があります。これらの長所を利用すれば、

プ博士研究員の坂口美幸さんが若手奨励賞を受賞しま

生体高分子のマイクロ秒ダイナミクスの計測をこれました。本賞は 35 歳以下または学位取得後 8 年以内のでにない良い精度で行える可能性があります。一分子若手研究者を対象としたもので、応募者の中から書類

FRET データに多変量解析を応用するというこれまで

審査を通過した 10 名が若手招待講演者として年会でにないアイディアを形にして、説得力のあるデータで英語による口頭発表を行い、受賞者が決定されます。

その有用性を実証したことが今回の受賞に結びついた

坂口さんは「一分子時間分解 FRET データの三次元解ものと思います。

析：生体高分子の構造不均一性をモデルフリーで定量

坂口さんの元々のバックグラウンドはタンパク質のする方法の開発」と題する講演を行い、みごとに 5 名

振動分光実験ですが、本研究ではあまり経験のなかっの受賞者の一人に選ばれました。

たプログラミングと線形代数を習得することから始め、

私たちのグループでは生体高分子の柔らかさを調

最後は応用数学の最新の論文を元にテンソル対角化のべるために、一分子 FRET 法を応用して自発的な構造

アルゴリズムを実装するなど目覚ましい成長を遂げま揺らぎの計測を行っています。坂口さんの研究は一分した。その過程は決して簡単なものではなかったと思子 FRET 法で得られる光子データの新しい解析法にいますが、粘り強く少しずつ着実に研究を進め、最終関するもので、複数の成分が混ざった光子データに対的にきっちりと目標を達成したことが、今回の受賞として多変量解析の手法として知られる独立成分分析

いう形で報われたのは大変喜ばしいことです。心より（ICA）を適用し、各成分の寄与を分離する方法を開

お祝いを申し上げます。

発しています。ICA にはいくつかのバリエーションがありますが、私たちは一分子 FRET データの解析に適した 3 次の相関を用いる方法を採用しています。また
実験には、データの情報量を増やすためパルス交替励起方式（PIE）と時間相関光子計数法（TCSPC）を組み合わせた一分子 FRET 計測装置を用いています。
坂口さんは PIE-TCSPC 装置を用いて得られる光子
データの 3 次元相関マップを構築し、これを対角化して ICA を実現する解析法を確立しました。そしてまずモンテカルロシミュレーションで人工的に生成した光子データに対してこの方法を適用し、最大で 5 つの独立成分を同定して各成分の濃度／明るさを決定できる

日本生物物理学会若手奨励賞受賞者の記念撮影。神ことを確認しました。次に FRET 色素対で標識した

取秀樹会長（A03 班班長、左から 3 人目）を囲んで。

DNA の混合溶液を用いて一分子 FRET 実験を行い、右から 2 人目が坂口さん。

その光子データを解析した結果、標識位置が異なる 2
つの DNA が FRET 効率の違いを通して同定され、溶液中に過剰に存在させたアクセプター色素のみを持つ
DNA を含めて全 3 種類の分子種を正しく検出できることを示しました。
坂口さんが開発した手法を既存の一分子 FRET 解析法と比較すると、光子データのビニング幅を狭くし557

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No. 56平成 30 年 9 月

A02 班田原グループの Mohammed Ahmed 博士が ICORS 2018 においてベストポスター賞を受賞
二本柳聡史（理化学研究所・A02 班田原グループ、連携研究者）

クトルでは 0.7 ps たってもスペクトル拡散を示さない
ことから初めてその存在が明らかとなりました。これ
は、振動数が他の OH バンドと重なっているにもかかA02 計画研究代表者・田原グループ(理化学研究所)

わらずエネルギー移動を示さない水の OH 基の初めての研究協力者である、理化学研究所光量子工学センタの観測例で、大変素晴らしいデータだと私自身も思っー特別研究員の Mohammed Ahmed 博士が、2018 年ています。

8 月 26 日(日)から 31 日(金)の期間に韓国の Jeju 国

Ahmed 博士には界面グループのエースとして今後

際 会 議 場 で 開 催 さ れ た 第 26 回 International
Conference on Raman Spectroscopy（ICORS 2018）

ますます活躍してくれることを期待しています。

においてベストポスター賞を受賞しましたので、ご報告いたします。
ICORS はラマン分光を主題とする世界最大規模の分光の国際会議で、5 日間にわたって 8 件の基調講演と 6 つのパラレルセッションを含む 350 件程度の口頭発表が行われました。ちなみに田原代表は 3 日目の基調講演者を務めました。ポスター賞の授賞式も行われた大ホールは田原代表のキャリアの中でも一番大きな会場だったそうです。ポスター発表は二日に分けて行
われ、300 件を超える発表が行われました。そのうちわずか 5 件がベストポスター賞に選ばれました。
Ahmed 博 士 は 「 Femtosecond Hydrogen Bond
Dynamics of Water at Hydrophobic ion / Water
Interface Revealed by 2D HD-VSFG Spectroscopy」という講演題目で発表を行いました。発表内容は 2 次
元ヘテロダイン検出振動和周波発生(2D HD-VSFG)を用いた界面水の振動ダイナミクスに関するものです。
2D HD-VSFG は、柔らかな分子系において我々のグループが開発した界面選択的な時間分解分光法でバルク溶液の 2D-IR に匹敵する情報が界面選択的に得られます。本研究ではこの方法を用いて、疎水性イオンの吸着した界面における水の水素結合ダイナミクスを

写真：授賞式の様子。

研究しました。その結果、疎水性アニオンであるテト
ラ フ ェニ ル ボレ ート (TPB−) が 吸 着し た 水界 面に はTPB−と弱く相互作用した OH 基に由来する高波数のOH バンドが存在し、この OH 基が周りの水からエネ
ルギー的に孤立していることが明らかとなりました。
この高波数の OH バンドは定常スペクトルではブロー
ドな水素結合した水の OH バンドと重なっているためにその存在を認識することが出来ませんが、2D スペ

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No. 56平成 30 年 9 月

A01 班森田 G

城塚達也さんらの論文がカナダのリサーチ会社 Advances inEngineering の注目論文として紹介されました森田 明弘（東北大理・A01 計画研究代表者）

り計算し、その意義を定量的に明らかにしました。荷
電した界面は電気化学での電極・溶液界面や界面活性A01 班森田グループの研究分担者で、現在茨城大学剤の Langmuir 膜、鉱物-水界面など広く見られ、χ(3)効

工学部の城塚達也助教を筆頭とする我々の論文が、カ果は電気化学における拡散層からの SFG シグナルを

ナダのリサーチ会社 Advances in Engineering (AIE) 社

明らかにするうえでも重要です。近年では SFG 分光のの featured article として紹介されました。

応用の発展に伴って帯電した界面への応用も広がって

https://advanceseng.com/third-order-susceptibility-sum-

おり、本論文は帯電界面での SFG の解析にとって基礎

frequency-generation-spectra-molecular-dynamics/となる意義を確立しています。SFG のχ(3)効果を扱う研AIE 社は、主要な学術雑誌に掲載された工学系論文の究では、その後実験・理論によらず常に参照される仕中から特に重要と認めた研究を自社のホームページで事となっています。
本論文を契機にして、我々や UC San Diego の F.

紹介しています。このたび取り上げられたのは、以下の論文です。

Paesani らの理論グループと Ohio State University の H.

論文題目："Effect of Third-Order Susceptibility in Sum

Allen らの実験グループとの共同研究 [1]も行われま

Frequency Generation Spectroscopy: Molecular Dynamics

した。大気中の海塩粒子の表面反応の解明を目指して、

Study in Liquid Water"

パルチミン酸単分子層と水溶液の界面の SFG 分光を

著者：T. Joutsuka, T. Hirano, M. Sprik, and A. Morita*

検討し、拡散層からのχ(3)効果を取り入れた解析を可能

雑誌巻号：Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20, 3040–3053.

としました。さらにその後、城塚らは電解質を加えた

本論文は新学術領域特集号”Complex molecular systems:

ときの χ(3)効果を包括的に計算し、電解質の濃度が約

supramolecules, biomolecules and interfaces” に含まれ、0.1 M 以上になると、χ(3)の振幅自体が減少していくこ

その内容は以前のニュースレターNo. 54 でも紹介いたとも明らかにしました [2]。電解質水溶液中の SFG 分

しました。当時 PCCP の Hot Article にも選ばれました

光の定量的な理解にとって、今後基礎となる成果です。

が、その後学会でも波及効果が注目される成果となっ
ています。

引用文献
[1] S. K. Reddy et al. Chem 2018, 4, 1629.

本論文は荷電した界面での和周波発生（SFG）分光[2] T. Joutsuka et al. J. Phys. Chem. C 2018, 122, 11407.

において、界面で発生する電場による SFG スペクトルへの寄与(χ(3)効果)を分子動力学シミュレーションによ

559

編集後記
559 ページ。
これは、この「柔らかな分子系」ニュースレターの総ページです。ここに 5 年間の領域活動の全てが詰まっています。

領域スタート後の 9 月にニュースレター第 1 号を発行し、この号にて 56 号になりました。最終号に至るまで、毎月欠かさずにニュースレターを発行できたのも班員がおもしろいサイエンスをし、論文発表、ワー
クショップなどの交流行事の開催、国際共同研究、受賞など、さまざまな面で大変高いアクティビティーを

ニュースレター発行を担当していて、この領域の成功を確信したことがあります。それは発足 3 年目あたりから、公募班からの投稿が多くなったことでした。

投稿が増え始めるとそれが自発的な投稿をさらに促し、相乗効果でニュースレター記事がより充実したものになりました。領域の中で互いに刺激合う雰囲気が生まれてきたことを感じたとき、この領域が成功すると強く感じました。ニュースレター発行の担当者として大変うれしいことでした。

新学術領域研究「柔らかな分子系」は終了しました

持っていたことに依っています。おかげさまで、本ニが、それぞれのサイエンスはこれからも続きます。将班員のみなさまにはこれまでのご協力に心から感謝い研究のマイルストーンとなっていて、そしてこのニューュースレターは本来の使命を果たすことができました。
たします。それから、ホームページへのアップロード、班員への配布では「柔らかな分子系」事務局の河内さん、松岡さんに大変お世話になりました。お二人のご尽力にも深く感謝いたします。

来振り返ったときに、本領域が生んだものが分子科学

スレターがその貴重な資料となることを願っています。
水谷泰久（阪大院理・総括班）