新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 24

平成 27 年 8 月

業績紹介：マルトーストランスポーターMalK2 の開閉運動に関する
自由エネルギー解析
櫻井 実（東工大・A01 公募研究代表者）

加したシミュレーションを行い、後で reweighting によりその効果が取り除かれた自由エネルギーを得る。

論文題目："Analysis of the Free Energy Landscapes for the

右図に示すように、

Opening−Closing Dynamics of the Maltose Transporter

MalK2 に は ATP binding

ATPase MalK2 Using Enhanced-Sampling Molecularpocket (ABP)が２つある。

Dynamics Simulation"

X 線結晶解析によると、

著者：Wei-Lin Hsu, Tadaomi Furuta, Minoru Sakurai

ATP が結合してない状態

雑誌巻号：J. Phys. Chem. B, 119, 9717-9725 (2015).

(apo)では、２つの MalKが完全に離れた open 構造とやや接近した semi-openタンパク質が柔らかい分子である証拠の一つは、リ構造の２つの構造をとる。これら２つの apo 状態構造

ガンド（基質）や他のタンパク質との結合によって、とこれらの ABP 部位に ATP を結合させた構造、計 4構造が変化することである。このような弱い相互作用構造に対して aMD シミュレーションを実行し、各によって生じる構造変化は、生体にとって重要な分子

ABP の開き具合（APB distance）を反応座標にして 2認識過程に必須である。ところで、このような構造変次元自由エネルギー地形を得た。

化 の メ カ ニ ズ ム と し て は 、 ”induced-fit” モ デ ル

図 1 には、semi-open 構造に対する結果を示す。両と”conformational shift”モデルが提案されている。前者

図 の ▲ の 点 は 初 期 構 造 を 示 す が 、 い ず れ の ABP

は、生化学の教科書でも解説されているもので、まずdistance も最初は約 15Å程度であった。等高線は赤がリガンドの結合が起こり、その構造にフィットするよ

濃いほどエネルギーが低いことを示している。apo 状

うにタンパク質の構造が後追いで変化するというもの

態では、いずれの ABP も大きく開く方向に揺らぎ、である。後者は、タンパク質はもともと多くの局所構

closed 構造に近い構造は全く見出されなかった。一方、造の間を揺らいでいるが、その中にはリガンドの構造

ATP 結合状態では、両方の ABP distance が約 10Åのにフィットするものもあり、リガンドはその構造（コ

ところに最安定構造が見出され、X 線解析による

ンホメーション）に優先的に結合し安定化させるので、

closed 構造にほぼ一致した。

結果として構造変化が起きるというものである。

以上より、apo 状態では大きく揺らぎ、様々なコン

われわれはこれまで ABC トランスポーターに着目

ホメーションをとってはいるが、リガンドである ATP

し、ATP 結合によって誘起される構造変化のメカニズが結合した状態に対応するコンホメーションは含ん

ムについて研究してきた。特に、前報（Furukawa-Hagiya

でいない。一方、ATP が semi-open 構造に結合すると、

et al., Chem. Lett., 616-617, 165-170 (2014), Hayashi et al.,

ほぼ barrierless の過程を経て、close 構造に誘導されJ. Phys. Chem. B, 118, 12612 (2014)）では、ATP 結合にる。したがって、MalK の 2 量体化過程は induced-fit

よって誘起される、２つの nucleotide binding domain

モデルに従うと結論された。

(NBD)の 2 量体形成のメカニズムを溶媒である水の効
果に絞って解析してきた。翻って本論文では、ATP をリガンドと見立てることにより、同 2 量体化過程を上述した２つの力学モデルの観点から解析した。
本研究では、マルトーストランスポーターの NBD 部位である MalK2 を対象に 2 量体化過程の自由エネルギ
ー地形を調べた。そのため、通常の MD シミュレーシ
ョンに加え、accelerated MD (aMD)シミュレーションを実行した。後者では、コンホメーション空間の広い範図1囲をカバーするため、まずバイアスポテンシャルを付

166

MalK2 量体化過程の自由エネルギー地形

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No. 24

平成 27 年 8 月

業績紹介：電子和周波発生（ESFG）分光法の開発とその液体界面への応用
山口 祥一 （埼玉大・A02 計画研究分担者）
田原 太平 （理 研・A02 計画研究代表者）
論文題目："Development of Electronic Sum Frequency
Generation Spectroscopies and their Application to LiquidInterfaces (Feature Article)"
著者：Shoichi Yamaguchi and Tahei Tahara
雑誌巻号：J. Phys. Chem. C 119, 14815-28 (2015).
理研において，2004 年から約 10 年間にわたって開発と応用展開を行った電子和周波発生（Electronic Sum
Frequency Generation, ESFG）
分光法の総説を，Journal of
Physical Chemistry C に Feature Article として上梓した．
理研で新しく研究室を立ち上げた田原主任の誘いで，山口が任期のない定年制研究員として働き始めたのは2002 年であった．恵まれた新しい環境の下では全く新図. J. Phys. Chem. C のカバーアートに採用された，

しい挑戦的な研究を始めなければならないことを田原

水／空気界面で“半分溶媒和”される溶質分子（中央）と，その周囲で水和殻を作る水分子の分布の絵．

さんは力説され，徹底的な議論の末に田原さんの強い意見で界面の分光を始めることになった．
和周波発生（SFG）に代表される二次非線形光学過によるものとは比較にならないほど S/N の高い界面電程は，反転対称性のない界面でしか起こらず，そのお子スペクトルを得られるようになった。われわれはこかげで SFG は界面選択的な分光法となる，という理解

れを ESFG 法と名付け、電子遷移ならではの応用としは 1990 年代末には既に広く共有されており，その点はて，界面特異的な溶媒極性 1)，タンパク質の表面変性

我々も議論以前から分かっているつもりであった．し2)，界面分子の会合平衡 3) などを研究した．

かし，実際に研究を始めてみると，自らの理解の浅さ

これらの研究は，二次非線形光学感受率（χ(2)）の絶を知ることになった．まず，既存の線形分光（単なる対値の自乗（|χ(2)|2）のスペクトルに基づいていた．|χ(2)|2

反射分光，
分光エリプソメトリー，
全反射減衰法など）

ではなくχ(2)そのものを測定する必要性は，我々も初めでは見ることのできない界面の性質を，二次非線形分から認識はしていたが，方法のアイデアがなかった．

光では本当に調べられるのか，当初は満足に答えられ着想を得たのは，2006 年暮れの分子研研究会で Y. R.

なかった．また，「反転対称性のない界面」とは分子レ

Shen の講演を聴き，帰りの東名高速で博士研究員のベルでは一体どこのことなのか，よく分からなかった．

Sobhan Sen とその講演について交わした会話からだっそのような不充分な理解のまま，疑問を残しながらた．そのような経緯で開発に成功したヘテロダイン検も，とにかく界面の研究を始めることにした。
当時 SFG出（HD-）ESFG はχ(2)を直接測定する方法であり，χ(2)による界面分子の振動スペクトル測定はすでに活発にの符号から界面の分子の“上下”の配向を決定できる

行われていたので，それから始めることは止め，未開という優れた利点を有する．この HD-ESFG を界面特拓であった電子スペクトルによる界面分子の研究を目

異的な溶媒和構造 4) や液体界面の pH 5) などの研究に指すことにした。界面の振動スペクトル測定では，挟適用した．こうした研究を共同研究者たちと進める中

帯域可視光と赤外光を界面に照射して和周波光を検出

で，残されていた疑問に対する解も自然に得ることがする.この赤外光を広帯域可視光に置き換えれば界面できた．

選択的な電子スペクトルの測定がうまくできるはずだ【参考文献】1) Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6439. 2) J. Phys.

と田原さんが言いだし，実際にやってみると，この簡Chem. B 2008, 112, 13473. 3) J. Chem. Phys. 2006, 125, 194711.

単なアイデアで従来の第二高調波発生（SHG）分光法

4) J. Chem. Phys. 2010, 132, 144701. 5) J. Chem. Phys. 2012,
137, 151101.

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No. 24

平成 27 年 8 月

業績紹介：シングルチャンネル・ヘテロダイン検出和周波発生分光法の開発
山口 祥一 （埼玉大・A02 計画研究分担者）

効率の良い測定法である．

論文題目："Development of single-channel heterodyne-

相敏感 SFG2 は，ピコ秒挟帯域赤外光，モノクロメー

detected sum frequency generation spectroscopy and its

ター，光電子増倍管（PMT）を利用する方法である．

application to the water/vapor interface"

干渉測定は，位相変調板と呼ばれる基板を少しずつ傾

著者：Shoichi Yamaguchi

けていくことによって時間領域（実空間領域）で行わ

雑誌巻号：J. Chem. Phys. 143, 034202 (2015).

れる．分光測定は，挟帯域赤外光の波数を掃引するこUC Berkeley の Y. R. Shen のグループで開発された位とによって行われる．干渉測定と分光測定は別々にシ
ピコ秒挟帯域赤外光を用いたシングルチャンネルのングルチャンネル検出により行われるため，測定点数

ヘテロダイン検出和周波発生（HD-SFG）分光法の開は（干渉測定の点数）×（分光測定の点数）と膨大な発と，その水表面の振動スペクトル測定への応用を，数になり，マルチプレックス HD-SFG に比べてはるか

J. Chem. Phys.に原著論文として報告した．

に効率の悪い測定法である．

従来の和周波発生（SFG）分光法は，和周波光の強本論文では，
著者が 2014 年 4 月に埼玉大学大学院理度をそのまま検出するホモダイン検出という方法であ

工学研究科物質科学部門化学系専攻応用化学コースにった．その場合，観測量はχ(2)の絶対値の自乗（|χ(2)|2）

着任してから開発した新しい方法，シングルチャンネである．この|χ | の振動スペクトルには，主に 3 つのル HD-SFG を報告した．
これは，
ピコ秒挟帯域赤外光，深刻な問題がある．まず，|χ(2)|2 では複数の振動バンド

モノクロメーター，PMT を利用する方法であり，その間，または振動バンドと非共鳴バックグラウンドの間点では位相敏感 SFG と同じである．違いは，今回の新の干渉のためにスペクトルに歪みが生じ，バルクの振方法は干渉測定を分光測定と同時に周波数領域で行う

動スペトルである IR・ラマンスペクトルと直接比較でため，位相敏感 SFG よりも測定の効率が良い，というきない．さらに，界面分子の“上下”の配向を示すχ

(2)ことである．測定効率の点でマルチプレックス HD-の符号の情報が，|χ | では失われる．また，|χ | は分

SFG には及ばないものの，新方法は 4 cm–1 という高い子密度の自乗に比例するため，（通常の分光法ではごく波数分解能を有しており，これはマルチプレックス

当たり前の）検量線における信号と濃度の比例関係やHD-SFG よりも 6 倍優れている．

(2) 2

(2) 2

(2) 2

系列測定における等吸収点が失われてしまう．

シングルチャンネル HD-SFG によって得られた水のこれらの問題を一挙に解決したのが，マルチプレッ

表面のχ(2)スペクトルは，これまで広く信じられていた

クス HD-SFG1 と位相敏感 SFG2 であった．これらの方3000 cm–1 付近の正のバンドを再現しなかった．これは法では，界面で発生した和周波光と局部発振（LO）光理研のマルチプレックス HD-SFG による測定でも確認の干渉を利用して，χ の実部（Reχ ）と虚部（Imχ ）された 3．問題の正のバンドは，Y. R. Shen のグループ

を直接測定する．Imχ(2)は非共鳴バックグラウンドを含が最初に報告し，他の複数のグループが実験的にも理

まず，振動バンド間の干渉もないため，同じく光学感論的にも“再現”していた．その正のバンドの存在が受率の虚部である IR・ラマンスペクトルと直接比較可否定されることになったのは衝撃的であった．SFG 分能である．また，Imχ の符号はそのまま界面分子の上光を創始した Y. R. Shen は偉大であるが，だからと言下の配向を示す．さらに，χ(2)は分子密度に比例するたって盲信せず虚心坦懐に実験を行うことが大切である，め，通常の分光法と全く同様に信号と濃度の比例関係ということをあらためて学ぶ機会になった．

(2)

(2)

(2)

(2)

や等吸収点を認めることができる．
【 参 考 文 献 】 1) S. Nihonyanagi, J. A. Mondal, S.

理化学研究所の田原グループで開発されたマルチプ
レックス HD-SFG は，フェムト秒広帯域赤外光，ポリYamaguchi and T. Tahara, Ann. Rev. Phys. Chem. 64, 579

クロメーター，CCD カメラを利用する方法である．和(2013).

2) Y. R. Shen, Ann. Rev. Phys. Chem. 64, 129

周波光と LO 光の干渉パターンは，周波数領域で一度(2013).

3) S. Nihonyanagi, R. Kusaka, K. Inoue, A.

にマルチチャンネル検出される．干渉測定と分光測定

Adhikari, S. Yamaguchi and T. Tahara, submitted to J.

が共にマルチプレックスの恩恵を受けるため，非常にChem. Phys.

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No. 24

平成 27 年 8 月

業績紹介：単分子蛍光計測によるがん抑制蛋白質 p53 の DNA 探索運動の可視化
鎌形 清人（東北大多元研・A02 連携研究員）
高橋 聡（東北大多元研・A02 計画研究代表者）

次に、自作の全反射蛍光顕微鏡を用いて、蛍光色素修飾した p53 のスライディング運動を単分子レベルで観測した（図１a）。2 価のカチオン濃度に依存し、p53

論文題目："One-dimensional sliding of p53 along DNA isの DNA 上での拡散運動が促進することが明らかにな

accelerated in the presence of Caった（図１b）。一方、p53 の DNA 上での滞在時間は、

2+

or Mg

2+

at millimolar

concentrations"

2 価のカチオン濃度が上がると、短くなった。これら

著 者 ： Agato Murata, Yuji Ito, Risa Kashima, Saoriの結果から、2 価のカチオンは DNA に結合し、p53 とKanbayashi, Kei Nanatani, Chihiro Igarashi, Masaki

DNA の結合を弱めることが考えられる。さらに、興味

Okumura, Kenji Inaba, Takashi Tokino, Satoshi Takahashi

深いことに、p53 が DNA に結合してから解離するまで

and Kiyoto Kamagataの移動距離（スライディング距離）は、2 価のカチオ

雑誌巻号：J. Mol. Biol. 427, 2663-2678 (2015).

ン濃度に依存せず、一定であることが分かった。以上
より、細胞内で 2 価のカチオン濃度が変動しても、p53

p53 は、多様なストレスから細胞を守り、がんを防の機能は保持されていると考えられる。

ぐ蛋白質である。p53 は転写因子として DNA のターゲ

さらに、p53 の移動距離の分布の解析から、2 つのス

ット配列に結合し、ターゲット配列の下流の遺伝子のライディングモードの存在が明らかとなった。変異体

転写を活性化することで、細胞増殖の抑制、アポトーの実験から、2 つの DNA 結合ドメインの内、特定のシス、DNA の修復などの機能を発揮する。しかし、p53

DNA 配列に結合できるコアドメインが 2 つのモードの遺伝子変異や欠損は p53 の機能を損失させ細胞をがを生み出していた。
今後、本研究により作製した p53 の機能解析の基盤ん化させることから、p53 の機能の解明は重要な課題を用いて、p53 の機能の更なる解明を目指している。

である。
p53 の主な機能は、60 億塩基対の膨大な長さのヒト
DNA の内、わずか 20 塩基対の特定の配列を探し出し結合することである。p53 の探索機構の 1 つは、DNAから離れることなく DNA 上を動く“スライディング運動”である。本研究では、細胞内で変動する Mg2+
や Ca2+などの 2 価のカチオンが p53 のスライディング
運動に与える影響を調べることを目的とした。
まず、ヒト由来 p53 を作製する実験系を構築した。
大腸菌を用いて、GST と融合させた p53 を発現させ、GST カラムを利用し p53 を精製した。この蛋白質は凝集しやすいことが知られており、活性のあるサンプルを得ることは難しいとされている。私達は、2 年の月日をかけて、凝集しにくい変異体の作製、培養や精製の条件や方法の検討、複数の DNA 結合や会合体解析を行い、4 量体で活性のあるサンプルを得る方法を確立した。特に、桑島邦博先生（東大および分子研・名誉教授）から譲り受けた蛍光分光器に自動滴定装置と自動偏光子回転装置を組み合わせることで、初めてDNA への p53 の解離定数を正確に評価できるように

図 1. a)単分子蛍光顕微鏡による基板に固定された DNA 上なった。さらに、蛍光偏光解消度を計測できるストッをスライディングする p53 の観察. b)DNA 上の p53 の拡散

プトフロー装置を作製することで、DNA からの p53

運動の 2 価のカチオン濃度依存性.

の解離速度を計測できるようになった。

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平成 27 年 8 月

業績紹介：内包による強蛍光性ホスト-ゲスト錯体の構築と蛍光色調節
山科 雅裕（東工大資源研・大学院生）
吉沢 道人（東工大資源研・A03 分担研究者）
Matthew M. Sartin（理研・博士研究員）
田原 太平（理研・A02 計画研究代表者）

は 535	
 nm に極大値を持つ鋭い蛍光帯が得られた（図論文題目："Preparation of Highly Fluorescent Host-Guestした。金属イオンに近接しているにも関わらず、カプ

Complexes with Tunable Color upon Encapsulation"

セル内の蛍光性分子 2-4 は、有機溶媒中と比べて約 60%

は、内包された各蛍光性分子に由来する吸収帯が 420	 nm 以上に観測された（図 2a）。1⊃2 錯体の溶液は強い
緑色蛍光（ΦF	
 =	
 48%）を発し、その蛍光スペクトルで2b）。また、カプセル内で 3 は青緑色、4 は赤色に発光

著者：Masahiro Yamashina, Matthew M. Sartin, Yoshihisaの蛍光性能を維持していることが判明した。さらに、

Sei, Munetaka Akita, Satoshi Takeuchi, Tahei Tahara, andカプセルに内包された 2 の蛍光寿命（7.4	
 ns）は、有Michito Yoshizawa*

機溶媒中（5.7	
 ns）と同程度であった。すわなち、既雑誌巻号：J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 9266–9269.

報のホスト-ゲスト錯体と異なり、カプセル 1 は強い
重原子効果を与えず、その空間内でも蛍光性分子が強金属イオンと有機配位子の配位結合を利用した三次い蛍光性を示した。	
 a)

元構造体は、多様なナノ空間を設計できることから、

b)

1.2

absorbance

しかしながら、金属イオンの重原子効果による消光のため、高い蛍光性を有するホスト-ゲスト錯体はほとん
ど報告されていない。我々は 2011 年以降、アントラセ

0.8
1⊃2
0.4

1

1⊃(4)21⊃3ン環の殻を持つ配位結合性の分子カプセル 1（M	
 =	
 Pd,	
 
0

Pt,	
 Ni,	
 Zn など）の構築と分子内包能を報告している1⊃2

8
fluorescence (×10 3)

分子認識化学のツールとして盛んに研究されている。

400

500

600 nm( ΦF = 48%)

6
4

1⊃3
( ΦF = 25%)1⊃(4)2( ΦF = 32%)

2
0
400

500

600

700

800 nmが[1,2]、蛍光性のホスト-ゲスト錯体の合成は未達成

図２．ホスト-ゲスト錯体の(a)UV-vis と(b)蛍光スペクトルであった。今回、カプセル 1（M	
 =	
 Pt;	
 図 1）と BODIPY

2 を内包した分子カプセルに多環芳香族分子をペア誘導体など蛍光性分子から形成したホスト-ゲスト錯

内包することで、2 の蛍光色が顕著に変わることが分体が強い蛍光性を示すと共に、その蛍光色をペア内包

かった（図 3）。例えば、1⊃2 錯体の水溶液に 9-メチルにより調節することに成功したので報告する。	
 アントラセン(5a;	
 1	 eq.)を加えて加熱撹拌すると、ペ4+

N Pt N
N

N
R

R
R

R

R

R

R

R

R

R

N

1

N

N Pt NR

ア内包体 1⊃2•5a が得られた（収率 74%）。ペア内包前

CF3

N

B

N

N

F
F
BODIPY 2R

4 NO 3–(R = -OCH2CH2OCH 3)O

O

後で、蛍光色が緑からオレンジ（ΦF	 =	 36%）に変化した。一方、無置換体 5b のペア内包体は、黄色蛍光（ΦF	 O=	 42%）を示した。これら蛍光色変化は、有機溶媒中でCoumarin 3O

2 つのゲストを混合しても起こらないため、1 内でのN

ゲスト間のエキシマー形成に由来すると考えられる。	
 N
Nile red (4)X=-CH3 -H(5a) (5b)X

図１． 配位結合性カプセル 1 と蛍光性分子 2-4 の構造式
5N	  カプセル 1 と BODIPY 誘導体 2 を 1:1 の比率で水にB

F加え、80	 ºC で 1 時間撹拌すると、1 分子の 2 は疎水

N
F

1⊃2

性効果により分子カプセルに定量的に内包された。内包体 1⊃2 の構造は NMR、ESI-TOF	
 MS および X 線結晶構

H 2O

N

F

B

N

F

X
ΦF = 48%1⊃2•5

ΦF = 36, 42%

図３．ペア内包による	 BODIPY 誘導体 2 の蛍光色調節

造解析によって決定した。同様の方法で、1 分子の

引用文献

Coumarin	
 153（3）と 2 分子の Nile	 red（4）が、それ
ぞれカプセル 1 に内包されることが明らかになった。	
 	
  ホスト-ゲスト錯体の水溶液の UV-vis スペクトルで[1] N. Kishi, M. Yoshizawa, et al., J. Am. Chem. Soc. 133,
11438-11441 (2011). [2] M. Yamashina, M. Yoshizawa, etal., Nat. Commun. 5, 4662 (2014).

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平成 27 年 8 月

業績紹介：リン原子を縮環骨格に有するπ共役分子の合成と発光特性
中野 幸司 （農工大院工・A03 公募研究代表者）ある｡この合成法は、最新の重要な有機合成手法を紹介する Synfacts 誌でも取り上げられた[2]｡

論 文 題 目 ： "Synthesis

andPropertiesof

合成したホスホロ[3,2-b]フラン骨格を有する分子は、

Benzophospholo[3,2‑b]benzofuran Derivatives"

高い発光特性を示す｡例えば、化合物 1 および 2 の溶液

著者： Motonobu Takahashi, Koji Nakano, and Kyoko

中での蛍光量子収率は、それぞれ 0.84、0.98 であった

Nozaki（図 2a）｡これらの蛍光量子収率は、化合物 1 および 2

雑誌巻号：J. Org. Chem. 80, 3790−3797 (2015).

のフラン環がチオフェン環に置き換わった類縁体のものに比べて 0.2 程度高く、ホスホールと組み合わせる

我々は、ヘテロ元素を縮環骨格に導入したπ共役分複素環が発光特性に大きく影響することが明らかとな子の合成と機能に関して研究を進めている [1] ｡本論文った｡また、化合物 1 は、固体状態でも高い蛍光量子収では、ヘテロ元素としてリンに着目し、リン原子を含率を示した｡さらに、リン上の置換基が発光特性に大き有する複素環「ホスホール」を縮環させたπ共役分子

な影響を与えることが分かった｡例えば、化合物 3～5の合成と発光機能について報告している｡ホスホール

では Stokes シフトが 5700−6000 cm−1 であるのに対して、は、含窒素芳香族化合物であるピロールの窒素原子を強い電子供与基であるジメチルアミノ基が置換した化

リン原子に置換した化合物であるが、その物性はピロ合物 6 では、分子内電荷移動によって Stokes シフトがールとは大きく異なる｡例えば、ホスホールは芳香族性

7700 cm−1 に増大した（図 2b）｡前述の効率的な合成法をほとんど示さず、その LUMO エネルギー準位はピロを開発できたことが、このような置換基効果の発見にールの LUMO エネルギー準位に比べて低い｡このよう繋がった｡

な特徴をもつホスホールは、機能性π共役分子に組込むユニットとして注目され、様々な分子が報告されている｡今回、これまでほとんど検討されていないホスホールとフランが縮環したホスホロ[3,2-b]フラン骨格を有する分子を設計した｡
本研究での注目すべき成果の一つは、ホスホールが縮環した化合物の効率的な合成法の開発である｡従来の一般的な合成法では、リン原子上に所望の置換基（R）を導入するために、対応するジクロロホスフィンが必要である（図 1. route a）｡しかし、市販のものは

図 2. (a) ホスホロ[3,2-b]フラン骨格を有する化合物 1 および2 の構造と発光特性，(b) 化合物 3～6 の構造

少なく、調製にも手間がかかる｡一方、今回開発した手法では、所望の置換基に対応する金属反応剤を共通中間体に作用させる（図 1. route b）｡この金属反応剤は、以上の結果は、ホスホールが縮環したπ共役分子の非常に多くの種類が市販されているハロゲン化物から設計に重要な知見であるとともに、本新学術領域研究

容易に調製できるため、リン原子上の置換基が異なるでの課題の一つである新規ヘテロヘリセンの合成と機

ホスホール誘導体のライブラリー合成に極めて有用で能にも応用できると期待される｡
引用文献[1] (a) H. Oyama, K. Nakano, T. Harada, R. Kuroda, M.
Naito, K. Nobusawa, and K. Nozaki, Org. Lett. 15,2104−2107 (2013). (b) K. Nakano, H. Oyama, Y.
Nishimura, S. Nakasako, and K. Nozaki, Angew. Chem. Int.
Ed. 51, 695−699 (2012).
[2] T. M. Swager and S. P. Luppino, Synfacts 11, 0713
(2015).

図 1. ホスホールが縮環した化合物の合成法

171

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平成 27 年 8 月

業績紹介：光開閉型イオンチャネルにおける末端モジュールの機能・構造への役割
土井 聡子（岡山大・学部４年生）
須藤 雄気（岡山大・A03 計画研究分担者）

作成し、分光学的性質や機能を解析した。その結果、２つのモジュールが、ChR に特徴的な性質（発現、光サイクル反応、荷電性残基の pKa）の維持に必須で①論文題目："ビタミン A アルデヒドを発色団とするあることが明らかとなった。また、興味深いことに、

レチナールタンパク質の多様性と可能性"

欠失体は、光刺激によるイオン透過活性を失う一方

著者：土井聡子, 須藤雄気

で、光刺激とは関係なく、恒常的イオン透過活性を

雑誌巻号：ビタミン 89, 83-86 (2015).

示すことが明らかとなった（論文②）。
私達は、分子の基礎的理解なくして、応用的研究②論文題目："Structural and Functional Roles of the N-は有り得ないと考えている。特に、生体高分子のよand C-terminal Extended Modules in Channelrhodopsin-1"

うな一見発散したかのような多自由度系において

著者：Satoko Doi, Arisa Mori, Takashi Tsukamoto, Louisa

は、様々な角度からの精密で詳細な実験的・理論的Reissig, Kunio Ihara and *Yuki Sudo

解析の積み重ねが重要となる。それにより、はじめ

雑 誌 巻 号 ： Photochem. Photobiol. Sci. 14, 1628-1636て機能性分子の変換・創成が可能になる。実際に私(2015).

達は色制御に関する研究を礎に、ChR を含むレチナ
ールタンパク質の青色光吸収型分子の合理的創成に

ビタミン Aアルデヒドを発色団とするレチナールタ
ンパク質は、様々な色を呈する見た目の美しさや、反成功している（図右） [2, 3]。最後に、本新学術領域

応を光で制御出来る特性から、生物学のみならず、化研究の知的・人的交流により本研究がなされたことを学や物理学の世界においても注目され、盛んに研究が記しておきたい。「人は石垣、人は城、人は堀、情け行われている。一方で、19 世紀においては、レチナー

は味方、仇は敵なり」。どうやらこちらの通説（格言）ルタンパク質の研究は、膜タンパク質や光機能性タンは正しいようである。

パク質の“モデル”としての域をでなかった。それは、レチナールタンパク質が、「動物と好塩性古細菌のみに存在する稀な分子である」という通説によるところが大きいと考えられる。
20 世紀に入り、状況を大きく変える２つの出来事が起こった。すなわち、海洋性真正細菌由来の分子に端を発する新規分子群の発見と、真核生物コナミドリム
シ由来のチャネルロドプシン(ChR)の発見である。前者
は、様々な生物がレチナールタンパク質を介した光反応を生命機能に利用していること、すなわち生物学的重要性を明らかにした。また、後者は、神経細胞の興奮を光で制御し、記憶や学習のメカニズムの解明に役立てる新しい分野（光遺伝学）を創出した。このような歴史的背景についての解説を、ビタミン学会誌に報告した（論文①）。

図

次に重要となるのは、分子の精密で詳細な動作原

チャネルロドプシンの仕組みの理解を礎に、機能改変（創成）の実現を目指す。

理の解明である。2012 年に東京大学の濡木グループ
により報告された ChR の結晶構造 [1] において、他

引用文献のレチナールタンパク質にはない構造的特徴が見出[1] H.E. Kato, et al., Nature 482, 369-374 (2012).

された。すなわち、N および C 末端に存在する構造[2] Y. Sudo, et al., J. Biol. Chem. 288, 20624 (2013).

モジュールである（図左）。このモジュールの役割[3] H.E. Kato, et al., Nat. Commun. 6, 7177 (2015).

を明らかにするため、N および C 末端欠失変異体を172

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 24

平成 27 年 8 月

The TSRC Workshop on Protein Dynamics 2015 報告
水谷 泰久 （阪大院理・A03 計画研究代表者）
Telluride

ScienceResearchCenter

有意義な試みであった。
6 月中旬から 8 月中旬までのワークショップ開催期(TSRC)

間中は、毎週火曜日夕方に、TSRC Town Talk というWorkshop on Protein Dynamics 2015 が、2015 年 8

市民講座が開かれている。今年は、始まって 24 年目と月 3 日（月）～7 日（金）に、アメリカコロラド州テのことである。参加費は無料で、ワークショップの参ルライドで開催された。テルライドでは、TSRC の主加者以外にも、多くの地元の住民が参加し、ほぼ満席

催によって、毎年 6 月中旬から 8 月中旬までの約 2 カであった。われわれが参加した週には、”Personalized

月間、毎週 3 から 5 件のテーマでワークショップが開Medicine for Coral Reefs and People”というタイトル

催されており、本ワークショップはそのひとつである。

で、Forest Rohwer 氏（San Diego State University）

タンパク質ダイナミクスに関する実験研究者、理論研が、サンゴ礁の生態学について講演を行った。興味を究者によるディスカッションを中心とした研究集会で、引くよう工夫された大変わかりやすい講演で、一般市隔年で開催されている。今回は、Frans Mulder 氏

民からも多くの質問が出ていた。

（ Aarhus University ）、 Ann McDermott 氏

テルライドは、ロッキー山脈のふもと、標高約 2600

（ Columbia University ）、 Timothy Sage 氏

メートルにある、小さく静かな町である。まわりは（Northeastern University）、倭剛久氏（名大）の 4

1000 メートル強の山に囲まれていて、半日のハイキン

名がオーガナイザーを務めた。講演者は 29 人で、日本

グで富士山山頂以上のハイキングを楽しむことができからは、水谷のほか、北尾彰朗氏（東大、A01 班班長）、

る。冬はスキーなどウィンタースポーツに、夏は避暑苙口友隆氏（慶應大、A01 公募班員）、倭剛久氏が参加に人が訪れる。普段の環境から離れ、研究について深し た 。 ま た 、 本 領 域 の 国 際 評 価 委 員 で あ る Paul

く議論し考えるには絶好の環境であった。

Champion 氏 （ Northeastern University ）、 John

次回のワークショップは、2017 年の夏に開催される

Straub 氏 （Boston University）の参加もあった。各予定である。TSRC Workshop に関する詳細は、URL

人 45 分（発表 35 分＋ディスカッション 10 分）が持（http://www.telluridescience.org/）を参照されたい。

ち時間であったが、議論が白熱した講演では、これを超えるものも多かった。ワークショップの雰囲気はき
わめてインフォーマルで、10 分のディスカッションの
時間はもちろんのこと、35 分の発表のなかでも適宜質問をするというスタイルであった。そのため、さまざ
まな手法の研究者が集まっていたにもかかわらず、その壁を感じることはほとんどなかった。主な実験手法
は NMR、ESR、振動分光法、蛍光分光法、X 線回折法、テラヘルツ分光法であり、これに加えて MD シミュレーションをはじめとする理論研究も多くあった。
また、実験研究の発表でも理論化学・計算化学研究との共同研究の結果を併せて発表している点も印象的で、本領域の特徴のひとつである「理論と実験の協奏」がタンパク質ダイナミクスの研究分野でも重要な潮流となっていることを実感した。
今回は、パラレルに開催されているワークショップ”
The Role of Dynamics in Enzyme Catalyzed
Reactions”との間でジョイントセッションが開かれた。
二つのワークショップの間では共通した問題も多く、

173

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 24

平成 27 年 8 月

Fπ-12 参加及び Christine Luscombe 研究室訪問報告
高瀬 昂 （農工大院工・A03 中野グループ・研究協力者 M2）

いたい内容が英語で表現できず、とても苦労しました。
しかし、数人の方とのディスカッションを進めていく
うちに、何とかこちらの意図していることが伝わって2015 年 7 月 19 日から 24 日まで、アメリカ・ワ

いそうだと分かり、次第にスムーズにディスカッショ

シントン州シアトルにある University of Washington

ンできるようになりました。今回、様々な発表者の発で 開 催 さ れ た 12th International Symposium on

表を聴き、英語でディスカッションする機会にも恵ま

Functional -Electron Systems（F-12）に参加しまれ、自らの研究に対するモチベーションも高める事がした。今回の学会参加にあたり、本新学術領域研究よ

でき、非常に良い経験であったと実感しています。

り若手研究者の研究促進のための海外派遣支援制度を

また、学会期間中に、オーガナイザーである

通して、多大なご支援を賜りました。関係者の方々にChristine

Luscombe 先生の研究室を訪問しました。

この場をお借りして深く御礼申し上げます。

Luscombe 研は、共役分子の精密重合や共役高分子

F-12 は有機薄膜トランジスタ、有機太陽電池、有の有機エレクトロニクスへの応用を始め、多岐にわた

機発光材料、バイオエレクトロニクス、バイオセンサ

る研究に非常に精力的に取り組んでいる研究室です。

ーへの応用を目指した、新しい共役分子およびポリ訪問の間には、研究室の学生ともディスカッションをマーの設計と合成を研究している世界各国の研究者がおこない、親睦を深めることができたとともに、大き一堂に会し、新たな成果を議論する国際会議です。

な刺激も受けました。

1989 年（大阪）から始まり、12 回目となる今年はシ

今回の国際学会参加と研究室訪問では、多くの研究

アトルで開催され、370 名を超える研究者が 6 日間に者の方との交流を始め、英語でのディスカッションやわたり活発な議論を交わしました。今回私は、貴重な意見やアドバイスを頂くことができました。こ「 Synthesis and Optical Properties of Aza[7]-れらは国内学会では経験することのできないような貴helicene-substituted Donor−Acceptor Molecules」と重な経験であり、今回の海外渡航は、研究者としてだいう題目で 3 日目と 5 日目にポスター発表をおこない

けではなく人間としてこれから成長していくためにもました。ヘリセンとは、複数の芳香環が互いにオルト

大いに役立つ価値あるものとなりました。このような縮環した化合物であり、両末端の芳香環間の立体反発

すばらしい機会を与えてくださった本新学術領域研究によって安定ならせん構造を形成するキラルな共役

関係者の皆様、所属研究室の中野幸司先生、訪問を受分子です。キラル化合物は円二色性、円偏光発光など

け入れていただいた Christine

キラリティに付随した光学特性（キロプティカル特性）

めて深く御礼申し上げます。

Luscombe 先生に改を示しますが、ヘリセンのキロプティカル特性は、通常の低分子キラル化合物に比べて特異的に大きいことが分かっています。所属研究室ではこれまでに、窒素、酸素、ケイ素、リンなど様々なヘテロ元素を導入した
ヘテロヘリセンの合成を報告してきました。今回は、ヘリセンの発光特性の向上を目指して、ヘテロ元素として窒素を導入したアザ[7]ヘリセンを基盤とするドナー・アクセプター構造を持つ新規ヘリセン誘導体の設計と合成、特異な光学特性について報告しました。
ポスターセッション時の筆者とキャンパスの風景

私にとって、海外の国際学会での発表は初めてであり、さらに、単独で海外に渡航する事も初めての経験でした。発表当初は、緊張のあまり事前に準備してきたフレーズも出てこなくなり、質問は理解できても言174