新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 46

平成 29 年 6 月

業績紹介：水表面への吸着によるヘモグロビンの等電点変化
井上賢一（理研，A02 計画研究連携研究者）

よび芳香環の CH 伸縮振動に由来するバンドを示し、浦島周平（理研，A02 計画研究連携研究者）

HbA が水表面に吸着していることがわかる。一方、二本柳聡史（理研，A02 計画研究連携研究者）

3100 cm−1 以上の領域には水の OH 伸縮振動に由来す田原るバンドを示し、これが溶液の pH によって大きく変太平（理研，A02 計画研究代表者）化する。pH9 及び 7.4 において観測された正の OH バ
論文題目：“Change of the isoelectric point of hemoglobin

ンドは水が水素を上にして配向していることを、またat the air/water interface probed by the orientational

pH5 で観測された負のバンドは界面水が水素を下にflip-flop of water molecules”

して配向していることを意味している。そして、OH

著者：Stephanie Devineau, Ken-ichi Inoue, Ryoji Kusaka,

バンドが最も弱い pH6 において界面水の配向性が最Shu-hei Urashima, Satoshi Nihonyanagi, Damien Baigl,も低下していることがわかる。
過去のホモダイン検出 VSFG を用いた研究では界Antonio Tsuneshige and Tahei Tahara
雑誌巻号：Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19, 10292.

面における水の配向は表面の電荷に敏感であり、配向が最も小さくなる pH が等電点であるとされている 2。

タンパク質の吸着メカニズムを分子レベルで理解する

この解釈は HD-VSFG を用いた研究においても同様で、ことは、バイオテクノロジーのさらなる発展のために

実 際 に ご く 最 近 の HD-VSFG に よ る 研 究 は非常に重要である。我々はこれまでヘテロダイン検出

α-lactalbumin の界面における等電点がバルクとほぼ和周波発生（HD-VSFG）分光法を用いて空気/水界面等しいことを報告している 3。興味深いことに、本研における水の構造を研究してきた。HD-VSFG 法には、究で得られた界面に吸着した HbA の等電点は pH6 で界面水分子の上下配向を直接決定できるという特長があり、バルクの等電点 pH7.0 と比べて有意に異なる。

ある 1。
水の極性配向は表面の電荷に敏感であるから、このことは吸着に伴う構造変化によって HbA の表面水の配向をプローブとして表面の電荷状態を知ること電荷状態が変化した結果であると考えられる。タンパができる。本研究ではこの関係性を利用して気水界面ク質が表面変性することによりその等電点がシフトすに吸着したヘモグロビン（HbA）の界面電荷状態を調るというのは十分にあり得るシナリオであるが、実際べた。その結果、吸着ヘモグロビンの等電点（pH6）に実験的に観測されたのはこれが初めてである。またがバルク溶液中（pH7.0）と比べて有意に変化してい他のタンパクでは見られていないことから、この現象ることが示唆された。

がタンパク質の種類に強く依存することが明らかとな

図 1 に HD-VSFG 分光により測定した 10 µM HbAった。

を含むバッファー溶液の表面のχ(2)スペクトルの虚部

本研究は筆頭著者である Devineau 博士（当時 Ecole(Imχ(2))を示す。3100 cm−1 以下の波数域にメチル基おNormale Superieure）が JSPS のサマープログラムにより 2 か月間理研に滞在した間に得た研究成果をまとめたものである。
【参考文献】(1) S. Nihonyanagi, S. Yamaguchi and T. Tahara, J.
Chem. Phys. 130, 204704 (2009).
(2) G. Kim, M. Gurau, J. Kim and P. S. Cremer,Langmuir 18, 2807 (2002).; K. Engelhardt, A.
Rumpel, J.Walter, U. Kulozik, B. Braunschweig and
W. Peukert, Langmuir 28, 7780 (2012).
(3) Strazdaite, S.; Meister, K.; Bakker, H. J. Phys.

図 1. 10 µM HbA を含む 50 mM リン酸バッファ
ー溶液表面の Imχ(2)スペクトル。バルク pH は（青）pH9、（赤）pH7.4、（黄）pH6、（水色）pH5。

Chem. Chem. Phys., 18, 7414. (2016)377

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No. 46

平成 29 年 6 月

業績紹介：フェノールカチオンの微視的水和構造の温度依存性に関する定量的考察
石川 春樹（北里大理・A02 計画研究分担者）

論文題目："Quantitative Temperature Dependence of theMicroscopic

Hydration

Structures

InvestigatedbyUltraviolet Photodissociation Spectroscopy of Hydrated
Phenol Cations"
著者：Haruki Ishikawa, Itaru Kurusu, Reona Yagi, Ryota
Kato, and Yasutoshi Kasahara
雑誌巻号：J. Phys. Chem. Lett. 8, 2541-2546 (2017).
水素結合が化学反応や物性の決定など様々な場面で

図 1 温度制御した[PhOH(H2O)5]+の電子スペクトル．

重要な役割を果たしていることは言うまでもない。水素結合の性質の 1 つにネットワーク構造を作ることがDFT 計算結果に基づいて統計力学的に異性体の相あるが，そのネットワーク構造は「柔らか」で，熱運対分布の温度依存性を見積もった結果を図 2 に示した。

動によって結合の組み替えを含む構造変化すなわち構考えられる異性体の構造も図 2 に併せて示したが，造揺らぎを示すことがその特徴である。気相分子クラRing with tail 型の水和構造と Chain-like 型の異性体がスターをモデルとして水素結合の分子論的理解を目指実測のスペクトルに寄与していると帰属された。相対した研究がこれまでに数多く進められてきた。近年の分布の温度依存性は，両者の水素結合構造の柔軟さの赤外分光技術および量子化学計算手法の発展により，違いから説明される。図 2 には実験で得られた相対分

水素結合クラスターの幾何構造決定は現在ではルーテ布を重ねて示したが，実測と計算による予測が良く一ィーンワークになろうとしている。次の段階として水致しており，水素結合構造の温度依存性を定量的に示

素結合構造の温度効果に対する研究が増えてきている。

すことができた。

先に本新学術領域の班友である東北大院理の藤井准教授らによって，クラスターの内部エネルギーを制限する tagging 法を用いた赤外分光スペクトルの測定が行われ，水素結合構造の温度依存性が議論された[1]。本研究では，クラスターイオンをイオントラップに捕捉し低温バッファーガスとの多重衝突させることによりイオンの温度を熱平衡的に制御した。この条件でクラスターの電子遷移を測定し，水素結合構造の異なる異図 2 水素結合構造の異なる異性体の相対分布の温度依存性．実測は○と□，計算は実線で示している。右には各異性体の構造を示した。

性体の相対分布を定量的に決定した。
図 1 に本研究で測定した水和フェノールカチオン[PhOH(H2O)5]+の電子スペクトルを示した。このクラス

本研究の特筆すべき成果は，水素結合構造の異なるターではフェノールカチオンのプロトンが水分子側に異性体の相対分布を定量的に決定したところであり，移動し，フェノキシラジカルにプロトン付加水クラスより高度な理論研究とも直接比較が可能な初めてのベターが結合した構造をとっている。そのため，ここでンチマーク的なデータである。

観測した電子遷移はフェノキシラジカルに由来するものである[2]。50 K 以下の低温ではスペクトルには 1

引用文献

種類の異性体 A のバンドのみが現れているが，温度の[1] T. Shimamori, et al. J. Phys. Chem. A 120, 9203-9208

上昇につれて新たな異性体 B のバンドが現れてくる様(2016).

子がわかる。A と B の 0-0 バンドの強度比から，これ[2] S. Sato and N. Mikami, J. Phys. Chem. 100, 4765-4769

らの異性体の相対分布を求めた。

(1996).

378

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平成 29 年 6 月

3

1

2Dillip K. Chand

IIT Madras
A03

cb
VaTcN

R

R

R

DMSO
110 ºC

RN

NN

NNN
Pd

Pd

Pd

N

N

N

N

N
R

R

1

R

R

R

R

R
R

(R = -OCH2CH2OCH3)

R

6•NO3–R
RRb)

NdU

NcdX

RncVdcsamOc

X

VidcN

Ld.

sX

N[1]

22:ºv

X

SV48d- Sm)

MXNNd0 2 :61 4RnVaX))

X

7X

aX
d6+

R
RR

Scn

R

RR

3 Pd(NO3)2

43" Polyaromatic Molecular Peanuts "Kohei Yazaki, Munetaka Akita, Soumyakanta Prusty,
Dillip Kumar Chand, Takashi Kikuchi, Hiroyasu Sato, andMichito Yoshizawa*
Nature Commun., 2017, 8, 15914.

RRa)

a)

4 3(XX

Sdi

a7IVaS

V

NIRnv

T

4ximR

R
R

R = -OCH2CH2OCH3RR

3R

3x

step ifullerene-@NTmetal ion

2xSF Edstep iia)
1cS4+C60
DMSO
110 ºCa molecular peanut

a double capsuleav

N43+2 Pd(NO3)2+DMSO

asadv

4 6X

C60V

a7(,ddVadX

XimRns4•NO3–(C70)2@2
1

DC(C60)2@2(Sc3N@C80)2@2

10
400

500

600

700

800 nmannRdc)(C60)2@22

X

48 0 2 :61 4110 ºCb)

4 3(VaSdmI

absorbance (x0.1)

isdXd4 6d)[1] N. Kishi, M. Yoshizawa, et al., J. Am. Chem.
Soc., 133, 11438–11441 (2011).

P379

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平成 29 年 6 月

業績紹介：光圧を利用してシトクロム c の 2 量体からアミロイド線維を作製
廣田 俊（奈良先端大・A03 公募研究代表者）
長尾 聡（奈良先端大・A03 公募研究連携研究者）

維に特徴的な線維構造を観察することができた。以上
より、cyt c の単量体より不安定な構造を持つ 2 量体で光圧によりアミロイド線維を作製することに成功した。

論 文 題 目 ： "A Single Spherical Assembly of Protein

生成したアミロイド線維を新規材料として開発する

Amyloid Fibrils Formed by Laser Trapping"

ことを目的に、球状構造体を液中で連続的に並べて配著者：Ken-ichi Yuyama, Mariko Ueda, Satoshi Nagao,

列したり、基板上に連続的に配列したりすることを試

Shun Hirota, Teruki Sugiyama, and Hiroshi Masuhara

みた。上述のアミロイド線維の球状凝集体を、レーザ

雑誌巻号：Angew. Chem. Int. Ed. 56, 6739-6743 (2017);

ーを操作することにより溶液中に連続的に作製し、そselected as a Hot Paper.

れらを斜めに配列することに成功した。このような配列ができたのは、アミロイド線維は非常に疎水性が高シトクロム c （cyt c）はミトコンドリア膜間部に存く、球状体の表面には無数のアミロイド線維が突き出在するヘムタンパク質であり、 bc1 複合体からシトクており、凝集体間の相互作用が非常に強いためと解釈

ロム c 酸化酵素へ電子を運搬する。我々はこれまでに、した。さらに、この凝集体を基板上に連続的に直線状C 末端領域の α へリックスを分子間で交換するドメイに配列することにも成功した。興味深いことに、直線ンスワッピングにより、cyt c が 2 量体（図 1）、3 量体状に配列した構造には異方性があることが分かり、こを形成し、ポリマー化することを示した[1]。一方、アのことは凝集体内部でアミロイド線維が規則正しく配ミロイド線維の体内での沈着は様々な疾患の発症に強列していることを示している。空間的に自由自在にアく関与している。これら疾患の治療や予防法を開発す

ミロイド線維を配列することにより、次世代のナノ機るには、アミロイド線維の生成メカニズムを理解する能材料の開発が期待される。

ことが不可欠だが、アミロイド線維が生成する場所や時間を予知、特定することは難しく、アミロイド線維の生成メカニズムは未だ明らかになっていない。本研
究では、光圧を利用して溶液中の cyt c の 2 量体を局所的に集め、アミロイド線維生成を行った。
レーザー光を溶液中に集光すると、光と溶液中に存在する物質が相互作用することにより（光圧）、1 μm3

図 1 シトクロム c 単量体(左)及び 2 量体(右)の構造。

程度の極小領域にその物質を集めることができる[2]。
レーザー光を cyt c の単量体及び 2 量体の溶液中に強く集光することにより、単量体及び 2 量体を局所的に集めることに成功した。単量体の場合には、レーザー光照射により比較的速く 1 μm 程度の透明な液滴を形成したが、レーザー光照射を継続しても液滴はそれ以上大きく成長しなかった。一方、2 量体の場合には、レーザー光照射により単量体の場合と同様に液滴を形成した後、レーザー光照射を続けると、その液滴が徐々10 μmに大きくなり、最終的に 10 μm 程度の大きな凝集体が生成した（図 2）。溶液中にチオフラビン T を共存させ

図 2 球状アミロイド線維凝集体の生成過程。

ると、液滴が大きく成長し始めると同時に非常に強い引用文献蛍光が観察された（単量体及び 2 量体の初期に観察される透明な液滴からは蛍光は観察されなかった）。また、生成凝集体を超音波処理によってほどき、その構造を[1] S. Hirota et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107,12854-12859 (2010).
[2] T. Sugiyama, K. Yuyama, and H. Masuhara, Acc. Chem.

透過型電子顕微鏡によって観察すると、アミロイド線

Res. 45, 1946-1954 (2012).

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平成 29 年 6 月

領域代表の田原さんが平成 29 年度日本分光学会の学会賞を受賞しました山口祥一（埼玉大学・A02 計画研究分担者）

非線形分光による液体界面の研究は、田原さんが理研で新たに始めた研究で、研究員として参加した私と本新学術領域「柔らかな分子系」の領域代表者で A02２人でゼロから立ち上げました。はじめの半年ほどは、計画班研究代表者の田原太平さん（理化学研究所）が界面分光関連の論文を網羅的に毎週２人で輪読し、口平成 29 年度日本分光学会の学会賞を受賞されました。

角泡を飛ばして議論しました。マラソンのような輪読

日本分光学会はその名の通り、「分光学に関する研究を通して、分野を俯瞰できるようになりました。そのの連絡、提携及び促進を図りもって学術文化の発展に当時、界面の化学を分子科学の立場から微視的に解き寄与すること」を目的とする公益社団法人で、基礎学明かす見事な研究の論文が徐々に増えていた一方で、術研究から産業応用まで分光計測を用いて研究を行ないくら考えてもよく分からないものも多くあり、液体う研究者が一同に集う学際的な学会です。この日本分界面のような“柔らかい”界面は物理化学のフロンテ

光学会では、毎年、分光研究に寄与した研究者に対しィアとして発展の見込める有望な研究対象であると確て顕彰を行なっており、田原さんが受賞された学会賞信できるようになりました（田原さんは初めから直観は「分光学およびその関連分野に関する優れた研究実的にそのように確信していたのだろうと思います）。こ

績をもつ、学術の発展に特に顕著な功績のあった」研

れだ！と思えるような実験ができるようになったのは、究者に与えられる賞です。この学会賞の第一回受賞者

それから４年後のことでした。初めてヘテロダインのは、真空紫外領域の分光器として有名な瀬谷－波岡式干渉縞を記録できたときに、実験室に田原さんを呼ん分光器を発明した瀬谷正男、浪岡武両先生で、このこで画面を見てもらいました。まだ単なる干渉縞で本物とからもわかるようにこの学会賞は我が国の分光分野のデータにはなっていませんでしたが、その時の田原の発展に大きく貢献した歴代の研究者にこれまで与えさんの喜びようは、こちらが驚いて呆気にとられるほられてきました。

ど爆発的でした。これも、本物のデータを見る前から田原さんの受賞対象となった業績は「先端的分光計その意味と価値を見抜いてのものだったと思います。

測法の開発と応用による複雑分子系の研究」というもそれからさらに１０年経ち、ヘテロダイン検出和周波ので、これまで田原さんが共同研究者と一緒に行なっ発生分光は世界で１５か所以上の研究室で行われるよてきた先端的な分光計測法の開発、具体的には超高速うになりました。理研・田原分子分光研究室は、この分光分野での時間分解時間領域振動分光の開発、非線分野の世界の中心としての役割を果たすことが期待さ形分光分野でのヘテロダイン検出和周波発生分光などれていて、実際にそれに応えていると思います。
田原さん、おめでとうございます！の新規な界面選択的非線形分光の開発、さらに単分子分光分野での新しい方法である二次元蛍光寿命相関分光の開発など、分光研究の様々な分野での新しい分光計測の開発が顕彰されたものです。表彰式は早稲田大学で開催された今年度の日本分光学会年次講演会の最終日 5 月 25 日に行なわれ、佐々田博之日本分光学会会長から賞状と記念のガラス彫刻盾が田原さんに授与されました。
表彰式の後に受賞講演がありましたが、この講演では田原さんは特に、これまで行なってきた界面選択的非線形分光の開発と応用について、その着想の経緯から最近の液体界面におけるフェムト秒ダイナミクスの時間分解測定の実現まで、研究がどのように進展して今に至ったかについて、また現在挑戦をしている新しい問題について、その時々の研究に寄与した研究室の日本分光学会年次講演会の授賞式で佐々田会長からメンバーに言及しながら講演されました。

賞状と記念のガラス彫刻盾を授与された田原さん

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平成 29 年 6 月

A02 田原グループの倉持光さんが日本分光学会奨励賞を受賞のフェムト秒スケールで起こる、発色団近傍における田原太平（理研・A02 計画研究代表者）水素結合構造の変化を初めて観測することに成功しま
理研の田原グループ（A02 計画班）研究協力者の倉した。さらに、最先端の大型放射光施設を用いた時間持光さんが、平成 29 年度日本分光学会奨励賞を受賞し分解 X 線結晶構造解析による研究で明確に構造が決ました。受賞の題目は、「時間領域ラマン分光法の極限まらず、世界的な論争となっていた PYP の光サイクル化とその光応答性タンパク質への応用」である。本賞

中間体の構造を時間分解インパルシブラマン分光に量は、分光学及びその関連分野に関する優れた研究成果子化学計算を援用することで決定しました[3]。また、を得た 39 歳以下の日本分光学会会員に与えられる賞

GFP の光誘起プロトン移動反応へのコヒーレンスの寄で、今年度は倉持さんの単独受賞でした。受賞対象と与についてこの 10 年信じられていた機構が誤りであなった倉持さんの研究内容の概要を紹介します。

ることを示し、議論を要しない極めて明確なデータを元に新しい機構を提示しました[4]。

化学反応の最中において分子の構造がどのように変化していき、反応生成物に至るのかを解明することはこれらの業績は倉持さんが開発してきた時間分解イ化学における反応研究の究極の目的の一つです。これ

ンパルシブラマン分光が大変強力であることを示してを実現するには分子構造の変化を高い時間分解能でおり、高い時間分解能と豊富な構造情報を与える超高時々刻々観測することが必須ですが、フェムト～ピコ速分光として、唯一無二と言っても過言でない究極的秒の時間スケールで進む構造変化を捉えることは実験な振動分光法を確立させたと言えます。倉持さんの今的な困難さゆえに簡単ではありません。このような中、後の大いなる活躍が期待されます。

我々のグループではフェムト秒の時間スケールで進む分子の構造変化を振動分光学的に追跡することが出来

引用文献

る“時間分解インパルシブラマン分光法”を開発して[1] S. Takeuchi, S. Ruhman, T. Tsuneda, M. Chiba, T.

きました[1]。この手法はフェムト秒パルスで光反応をTaketsugu, T. Tahara, Science 322, 1073-1077 (2008).

開始させた後、任意の遅延時間において極短パルス光[2] H. Kuramochi, S. Takeuchi, T. Tahara, Rev. Sci.

を用いて反応過渡種の振動を直接時間領域で観測する

Instrum. 87, 043107 (2016).

ことで、フェムト秒の遅延時間精度で時間分解ラマン[3] H. Kuramochi, S. Takeuchi, K. Yonezawa, H.

スペクトルを得ることができる強力な手法です。そのKamikubo, M. Kataoka, T. Tahara, Nat. Chem. in press

一方で、時間領域における分子振動の観測には振動の(2017). doi:10.1038/nchem.2717.

時間スケール（10 ~ 500 fs）より短い時間幅を持つパ[4] T. Fujisawa, H. Kuramochi, H. Hosoi, S. Takeuchi, T.

ルス光と高い検出感度が必要とされるため、これまで

Tahara, J. Am. Chem. Soc. 138, 3942-3945 (2016).

その応用は主として基本分子の低波数振動ダイナミクスの観測に限られてきました。
これに対し、倉持さんは超高安定 6 fs パルス光源を開発して、これを用いることでテラヘルツ領域から3000 cm-1 以上に至る全領域のラマン活性な分子振動を高い感度で観測することができる、極めて高度で精緻な時間分解インパルシブラマン分光実験を実現しました[2]。倉持さんはこの独自に製作した装置を用いてPhotoactive yellow protein (PYP) や Green fluorescentprotein (GFP)など光応答性タンパク質の光反応初期過程を研究し、その機能発現初期過程における鍵となる重要なフェムト秒構造変化を明らかにして、従来の理授賞式の様子。倉持さんと日本分光学会の佐々田会長。

解を刷新する新しい知見を得ました。具体的には、PYP

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平成 29 年 6 月

田原グループの田原進也君が平成 29 年度日本分光学会若手講演賞を受賞
田原 太平

るときには反応性 S1 状態、プロトン化していると非反（理研・A02 計画研究代表者）

応性 S1 状態を主に生成することを示しています （図A02 計画班田原分子分光研究室(理研)の田原進也君c）。これまでにも複数のロドプシンタンパク質で複数が、平成 29 年度日本分光学会年次講演会(平成 29 年 5の励起状態を生成することが報告されてきましたが、月 23-25 日 早稲田大学西早稲田キャンパス)においてこの研究は KR2 についてその起源を初めて解明した若手講演賞を受賞しました。日本分光学会年次講演会

もので、ロドプシンタンパク質の光初期過程の理解をでは分光分析やイメージングに関する研究発表が行わ大きく前進させるものです。

れます。田原君の受賞対象となった講演題目は「フェムト秒過渡吸収の pH 依存性によるナトリウムイオン輸送ロドプシン反応性・非反応性励起状態の起源の解明」です。以下に発表内容を説明します。
KR2 は A03 班の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す 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、光化学反応の観測が行われてきました。特に田原進也君はフェムト秒からピコ秒の時間スケールで起こる光反応について研究しています。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 状態と、異性化せずに 10 ps 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

図 (a) いくつかの pH における波長 720 nm の S1 →ました。これらの S1 状態の緩和のダイナミクスは観測

S0 誘導放出の時間変化。 (b)反応性 S1 状態の割合のによって良く決定されていますが、一方、何故このよpH 依存性と Asp 116 の pH 滴定曲線との相関。(c) 明

うな反応性の異なる S1 状態が生成するのかはこれまらかとなった Asp 116 のプロトン化状態と反応性・非で明らかになっていませんでした。そこで田原君は S1反応性ダイナミクスとの関係。

状態のダイナミクスの pH 依存性を定量的に調べることにより、反応性・非反応性 S1 状態の起源を解明しようとしました。実験では pH が 11 から 4 に範囲でフェムト秒過渡吸収分光測定しました。S1→S0 誘導放出に注目すると、1 ピコ秒以内に速やかに減衰する成分とピコ秒よりも長い時間スケールで減衰する成分が見られますが(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 状態の生成量に対応します。実験の結果、pH 11 では反応性 S1 状態が支配的に生成するのに対し、pH を下げると反応性 S1 状態が減少し、非反応性 S1 状態が増大することが分かりました。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の側鎖（Asp 116）であり、その pH 滴定曲線が報告されていました 1。そこで、引用文献

これを反応性 S1 状態の収量の pH 依存性と比較したと[1] Inoue, K.; Ono, H.; Abe-Yoshizumi, R.;

ころ、両者は大変良い相関を示すことが分かりました

Yoshizawa, S.; Ito, H.; Kogure, K.; Kandori, H.

（図 b）。このことは、Asp116 が脱プロトン化していNat. Commun. 2013, 4, 1678.

383