新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 25平成 27 年 9 月

業績紹介：線型逆運動学を用いた柔らかなタンパク質部位のモンテカルロ法北尾 彰朗 （東大・A01 計画研究代表者）て幾何学的な条件を考慮しつつ、よりタンパク質分子をより現実的に取り扱えるようになりました。また、

論文題目："Monte Carlo Sampling with Linear Inverse

この手法は単純なループの構造探索だけでなく、巨大Kinematics for Simulation of Protein Flexible Regions"

なループ、すなわちループがドメイン構造をなしてい著者：Steven Hayward and Akio Kitao

る場合のドメイン運動の研究にも用いることができま

雑誌巻号：J. Chem. Theo. Comput. 11, 3895 (2015).

す。この論文ではポリグリシン、ポリアラニン、トリ
オースリン酸イソメラーゼおよびグルタミン結合タンタンパク質の柔らかさは主に二面角（ねじれ角）によ

パク質を対象にテスト計算を行いました。グルタミンって規定されています。例えば、島内と水島の先駆的

結合タンパク質のシミュレーションでは２２６アミノな論文は[1]、高分子鎖の内部自由度とらせん構造の関酸残基中わずか１１残基の二面角の変化によって正確係を明らかにした重要な業績ですが、タンパク質業界にドメイン運動が再現できることを示しました。このではあまり知られていないようです。タンパク質の場

例は、タンパク質の柔らかさを理解するうえで幾何学

合、共有結合長や結合角は揺らぎの振幅の 1-2 割程度的な拘束条件が非常に重要であることを実証していましか寄与しません[2,3]。一方で、結晶構造の網羅的解す。

析 か ら は 、 主 鎖 二 面 角 転 移 が Hinge 、 Flap 、 Path
preserving という３つの特徴的な構造転移を生み出す
ことが明らかになっています[4]。
Loop closure はしばしばタンパク質のループ部位の柔らかさを考えるための重要な問題です。具体的には、比較的構造変化が小さいと考えらえるヘリックスやス
トランドなどの２次構造を接続するループ部位がどのような柔らかさを持つかという問題になります。この問題は、エネルギーを無視した場合、両端を固定した条件で取りうるループ構造を化学結合長・結合角・二面角の関数として決定するという幾何学的な問題に帰着されます。この問題に取り組んだ代表例は Go とScheraga の先導的な研究です[5]。しかし、この方法で
図 初期構造（黄色）とシミュレーションで得られたグ長いループを取り扱うのは容易ではありません。
我々は、University of East Anglia の Steven Hayward

ルタミン結合タンパク質のクローズ構造（オレンジ）。

博士と共同して、ループの両端を固定し化学結合長・結合角一定にした条件で線形化した方程式を解くこと

参考文献

で、ループが取りうる２面角空間を効率的に探索する[1] T. Shimanouchi, S. Mizushima, J. Chem. Phys., 23, 707

方法を開発しました（線型逆運動学）[6]。探索すべき(1955).

２面角のベクトルは、ある行列の零空間を求めるとい[2] A. Kitao, N. Go, J. Comput. Chem., 12, 359 (1991).

う問題に帰着されるので、線形連立方程式を解くとい[3] A. Kitao S. Hayward, N. Go, Biophys.. Chem., 52, 107

う標準的な数学の問題として高速に空間探索が可能に(1994)

なりました。しかし、この段階では側鎖の影響やエネ[4] W. Nishima, G. Qi, S. Hayward, A Kitao, Bioinfomatics,

ルギーは一切無視した純粋に幾何学的な方法でした。

25, 628 (2009).

そこで我々は、この線型逆運動学の方法をモンテカ[5] N. Go, H.A. Scheraga, Macromole., 3, 178 (1970).

ルロ法と組み合わせることで、側鎖を取り入れ、また[6] S Hayward, A Kitao, Biophys. J., 98, 1976 (2010).

構造変化を試行した際のエネルギー変化を評価し、構造サンプリングに用いることにしました。これによっ175

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 25平成 27 年 9 月

業績紹介：分子内プロトン移動における共溶媒効果の理論的解析
笠井 友佳子（九大）
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）が考えられる．水のように極性の強い溶媒中では分子内分極の大きい zwitterionic 型構造が安定となる．一方，溶媒効果のない孤立系では neutral 型をとることが予想される．図 2 にさまざまな混合比における neutral

論文題目："Theoretical analysis of co-solvent effect on the型から zwitterionic 型へのプロトン移動反応の自由エ

proton transfer reaction of glycine in a water-acetonitrile

ネルギープロファイルを示す．ここで図中の M はアセ

mixture"トニトリルのモル分率である．アセトニトリルのモル

著者：Yukako Kasai, Norio Yoshida and Haruyuki Nakano

分率の減少（水の増加）にともなって zwitterionic 型が

雑誌巻号：J. Chem. Phys. 142, 204103(1-9) (2015).

安定になることが分かる．また，遷移状態の構造は
neutral 型へ近づいていくことが分かる．

溶液中でおこる多くの化学反応は，溶媒環境の影響

論文中では，自由エネルギープロファイルの変化にを強く受ける．その溶媒環境（親水性，疎水性，pH な

対する溶媒効果について，溶質-溶媒間相互作用と溶媒

ど）は共溶媒を加えることで変化させることができ，

和構造の変化について詳細な解析を行っている．さら反応を制御することも可能である．こういった反応をに，水分子を介したプロトン移動反応についても同様

計算化学で扱う際，溶媒効果を計算に取り入れる方法の解析を行っている．

として QM/MM 法や連続誘電体モデル(PCM)が挙げら

本研究では，グリシンの分子内プロトン移動というれるが，混合溶媒を扱うことは難しい．QM/MM では非常に基礎的な反応を取り上げ，本手法の有効性を示

溶媒を古典粒子と扱い，MD や MC によりその配置をした．今後は，励起状態における共溶媒効果など，よサンプリングするが，希薄溶媒種の配置に対して十分

り複雑な系への応用を図っていく予定である．

なサンプリングを取るためには膨大な計算を必要とする．また，PCM 法では溶媒を均質な誘電体と見なし，
誘電率および溶質がつくるキャビティサイズをパラメータとするため，混合溶媒のパラメータ化において困難が生じる．我々のグループでは液体の積分方程式理論(RISM 理論)を用いることでこれらとは異なるアプ
ローチを行っている．RISM 理論では，液体の統計力学に基づいて溶媒分子の分布を求めるため，希薄溶媒種に関するサンプリングの問題や，混合溶媒のパラメータ化の問題は一切起こらない．
本論文では，水-アセトニトリル混合溶媒中でのグリシンの分子内プロトン移動反応(図 1)を，RISM 理論と量子化学手法のハイブリッド法(RISM-SCF 法)を用い

図 2. グリシンの分子内プロトン移動の自由て解析した．[1]エネルギープロファイル

図 1 に示すように，グリシンにはプロトン化状態によって zwitterionic 型と neutral 型の２つの構造異性体

引用文献[1] Y. Kasai, N. Yoshida and H. Nakano, J. Chem. Phys.
142, 204103(1-9) (2015)

図 1 グリシンの分子内プロトン移動反応

176

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 25平成 27 年 9 月

業績紹介：ソルバトクロミズムにおける置換基効果の理論的解析
吉田 紀生
中野 晴之

（九大・A01 公募研究代表者）（九大・A01 公募研究連携研究者）

相互作用は di-t-Bu BM の方が小さくなる．この相互作用の差は溶媒の極性が増大するにつれて増加する．置
換基の違いによる溶質-溶媒間相互作用の差は溶媒の

論文題目："Three-Dimensional Reference Interaction Site

極性が大きいときにより大きくなるため，それにともModel Self-Consistent Field Analysis of Solvent and

なって BM と di-t-Bu BM の励起エネルギーの差も増加

Substituent Effects on the Absorption Spectra of Brooker’s

することが示された．
本研究から，
我々が用いた 3D-RISM-SCF 法のもつ，

Merocyanine"
著者：Yuichi Tanaka, Norio Yoshida and Haruyuki Nakano

溶質分子の空間的な形状および溶媒分子の分子的特徴

雑誌巻号：J. Comput. Chem. 36, 1655-1663 (2015).

を反映した溶質-溶媒間相互作用を記述することができるという特徴が，溶媒和による相互作用の置換基効

本研究ではソルバトクロミズムにおける置換基効果

果の記述に有用であることが示された．今後は，共溶を理論的に取り扱う手法について検討を行った．題材

媒中でのソルバトクロミズムの問題へ応用を図っていとして，ブルッカーメロシアニン (BM, 図 1)と，そのく予定である．

酸素原子のオルト位を三級ブチル基(t-Bu)基に置換した di-t-Bu BM を選び，液体の統計力学理論と電子状態理論のハイブリッド法である 3D-RISM-SCF 法を用いて励起エネルギーの溶媒依存性を計算した．[1] di-t-Bu
BM の溶媒変化に対する吸収スペクトルシフトは，もとの BM よりも小さくなることが知られている．直感
的には，かさ高い t-Bu 基による立体障害による溶媒効
果の減少が考えられるが，分子論的な考察は十分なされてきていない．
図 2. 励起エネルギーの溶媒依存性

図 1. ブルッカーメロシアニンの共鳴構造
図 2 に励起エネルギーの溶媒依存性を示す．溶媒の極性 (ET(30))の増大にともなって BM の励起エネル
ギーは最初減少するが，ET(30)=40 付近で最小となった
後は増加傾向となる．di-t-Bu BM でも同様の傾向がみられ，励起エネルギーは ET(30)=42 付近で最小値となり，そこから増加する．実験値との比較では 2 eV 程
度のずれを示す，溶媒変化による減少・増大・極小値を持つ点など，定性的には実験を良く再現している．

図 3. 溶媒和構造の置換基依存性

BM と di-t-Bu BM の励起エネルギーの差は（図 2 実線と点線の差），溶媒の極性が増大にともない増加する．

引用文献

図 3 に 3D-RISM-SCF で求めた溶媒和構造を示す．

[1] Y. Tanaka, N. Yoshida, H. Nakano, J. Comput. Chem.

di-t-Bu BM の方が溶質の酸素原子周りの溶媒分布が小36, 1655-1663 (2015).

さくなっている．この結果，溶質の酸素原子と溶媒の177

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 25平成 27 年 9 月

業績紹介：In-situ 光照射固体 NMR による
バクテリオロドプシン Y185F 変異体の光中間体の解析
川村 出（横浜国大・A02 公募研究代表者）

トルにのみに特有な信号が現れた。我々は以前から野生型バクテリオロドプシンの 13-cis, 15-syn 型由来の光中間体(CS*)を NMR で観測していることを示唆してき

論文題目："Characterization of photo-intermediates in thephoto-reaction pathways of a bacteriorhodopsin Y185F

た。13-cis, 15-syn 型の割合が多い変異体を使用して得

mutant using in-situ photo-irradiation solid-state NMRられた中間体に関する今回の実験においても、In-situ

Spectroscopy."

光照射固体 NMR 法によって、CS*が存在していること

著者：Kyosuke Oshima, Arisu Shigeta, Yoshiteru Makino,を明らかにした(図 1)。また、フォトサイクルの後期に

Izuru Kawamura*, Takashi Okitsu, Akimori Wada, Satoru

現れる N や O 中間体についてもそのレチナールの構造

Tuzi, Tatsuo Iwasa and Akira Naito*.

を観測することに成功した。

雑誌巻号：Photochem. Photobiol. Sci. 14, 1694-1702

今後はタンパク質構造変化との関係を理解するため(2015) DOI: 10.1039/C5PP00154Dに、各中間体でのタンパク質構造を明らかにしていく。
引用文献

これまでに我々はレチナール結合型-光受容膜タン[1] Y. Tomonaga, et al. Biophys. J. 101, L50-L52 (2011).

パク質の光活性構造を明らかにするために、NMR 測
定中のタンパク質試料に対して、効率的に光照射が可[2] H. Yomoda et al. Angew. Chem. Int. Ed. 53, 6960-6964

能な In-situ 光照射-固体 NMR 装置を開発・改良を進め(2014).

てきた。この手法は極めてユニークな方法であり(領域[3] A. Naito and I. Kawamura. Adv. Biol Solid State NMR

ニュースレター No.13)、負の走光性機能を有するフォ

Chap. 20, 387-404 (2014).

ボロドプシンや正・負の走光性機能をもつセンサリー[4] A. Naito, I. Kawamura and N. Javkhlantugs. Annu. Rep.

ロドプシン I の光中間体の観測に成功して来た[1, 2, 3,

NMR. Sepctroscopy, Chap. 5, 333- 411 (2015).

4]。

[5] S. Sonar et al. Biochemistry 32, 2263-2271 (1993).

この論文では、光駆動型プロトンポンプ機能をもつ
バクテリオロドプシンについて、O 中間体の寿命が長い Y185F 変異体[5]を用いた構造解析を行った。中間体を見極めるために、レチナールの 20 番目のメチル炭素
およびポリエン鎖中の 14 番目の炭素を 13C 安定同位体
標識したレチナールを使用させていただいた。その大きな理由は、得られた 13C 化学シフト値がそのままレチナールの配座を反映することにある。20 番目の炭素
13 の NMR 信号はトランス/シスに、14 番目の炭素 13の NMR 信号はシン/アンチ配座にそれぞれ敏感である。
は微生物型ロドプシンの光反応に特徴的なオールトラ
ンス型と 13 シス型のレチナール配座に対して NMR 信

図 1

号が敏感に変化するためである。これらをモニタリン

In-situ 光照射-固体 NMR 法によって明らかにしたバク

グすることでより詳細なレチナール配座を評価するこ

テリオロドプシン Y185F 変異体の光反応経路とレチとができる。

ナールの構造この変異体は暗順応状態で 1:3 の割合で all-trans 型と 13-cis, 15-syn 型を持っている。測定は暗順応状態からスタートし、緑色光照射、明順応状態、緑色光照射という流れを基本として行った。13-cis, 15-syn 型が豊富な暗順応状態から始めた場合の光照射 NMR スペク

178

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 25平成 27 年 9 月

業績紹介：ナトリウムポンプロドプシンの輸送メカニズム研究
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）

いるのかはよくわかっていなかった。そのため我々は今年、東大・濡木 理教授、加藤英明博士との共同研究により KR2 の結晶構造を明らかにし、Na+ポンプロド論 文 題 目 ： "The Role of the NDQ Motif in
Sodium-Pumping Rhodopsins"
著者： Keiichi Inoue, Masae Konno, Rei Abe-Yoshizumi,
and Hideki Kandori
雑誌巻号：Angew. Chem. Int. Ed. 54, 11536-11539 (2015).

プシンで保存されているアスパラギン、アスパラギン
酸、グルタミンからなる NDQ モチーフ（図 1 上）の
うち、アスパラギン酸(D116)が H+化するとその方向を変化させ、Na+のタンパク質への取込経路を開く可能性があることを明らかにした[3]。

細菌など主に単細胞微生物が持つ光受容膜タンパク

本研究では新たに NDQ モチーフの三残基（N112,

質である微生物型ロドプシンは、光のエネルギーを使D116, Q123）の変異体を作製し、過渡吸収法により光って H+や Cl-など様々なイオンを輸送する[1]。その中サイクルの反応素過程を調べることで各残基の Na+輸

で Na+を輸送するロドプシンは長年見つかっていなか

送に関わる役割を研究した（図 1 下）。その結果、D116

ったが、2013 年我々は東京湾に生息する海洋性細菌のは光反応中でレチナールから H+を受け取り、Na+の取ゲノムから光駆動型外向きナトリウムポンプを発見し込経路を開くことが示された。さらに Na+の迅速な取た[2]。KR2 と名付けたこのロドプシンは光を吸収する

込に Q123 が関与し、N112 が取込後 Na+を過渡的に結と細胞質から細胞外側へ Na+イオンを輸送するが、そ合することによって、効率的な輸送が達成されているの輸送メカニズムについては不明な点が多かった。例

ことがわかった（図 2）。このように今回の研究におい

えば微生物型ロドプシンは発色団として all-trans レチて KR2 の Na+輸送における NDQ モチーフのそれぞれナールをタンパク質内部に結合し、光によってこれがの役割が明らかとなった。Na+ポンプロドプシンは本

13-cis 型へ異性化することをトリガーとしてイオンの領域内でも様々な共同研究の対象となっており、タン輸送が駆動される。しかしロドプシン中のレチナール

パク質の柔らかさを調べるモデル系として価値があるはイオンの輸送経路上でタンパク質部分と H+化 Schiffと考えている。また今回得られた結果について 2015+の輸送の大きな年 7 月 29 日付の化学工業日報の朝刊などで報道がな障害となり、KR2 がどの様にしてその問題を解決してされた。今後は本知見をもとに、更なるメカニズム研

塩基結合を形成し、その正電荷が Na

究や応用研究などへの展開が期待される。

[1] Ernst, O. P., et al. Chem. Rev. 114, 126 (2014).
[2] Inoue, K., et al. Nat. Commun. 4, 1678 (2013).
[3] Kato, H. E., et al. Nature 521, 48 (2015)..

図 2. 今回の研究で明らかになった KR2 のNa+輸送メカニズム

図 1. KR2 の NDQ モチーフと変異体の光サイクル

179

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 25平成 27 年 9 月

業績紹介：液体の構造を材料化学する：イオン液体中でのトリプレットの拡散制御とフォトン･アップコンバージョン
楊井 伸浩 （九大院工・A03 公募研究代表者）

三重項–三重項消滅 (TTA) を利用したフォトン・ア
ップコンバージョン (UC) が近年注目を集めている。

論文題目："Photon-Upconverting Ionic Liquids: Effective

本研究ではアクセプター分子（発光分子）をアニオン

Triplet Energy Migration in Contiguous Ionic Chromophoreに、液体化のため柔軟なアルキル鎖をカチオンに組み

Arrays"

込んだ IL 1 を新規に合成し、TTA–UC の観測を試みた

著 者 ： Shota Hisamitsu, Nobuhiro Yanai,* and Nobuo（図１）。これは、芳香族リッチなアニオンが脂肪族リ

Kimizuka*

ッチなカチオンからミクロ相分離して連続構造を形成

雑誌巻号：Angew. Chem. Int. Ed., 54, 11550-11554 (2015).

することで、色素間で高速なエネルギーマイグレーシ
ョンが起こることを期待した分子設計である。

液体は当方的で均質なランダム状態であるというの得られたイオン液体 IL 1 は溶媒中に分子分散した場が従来の認識であったが、それに反して液体が実はメ合と比べ、無溶媒状態では吸収・蛍光スペクトルとも

ソスコピックな連続構造や秩序構造を有することが最にレッドシフトを示し、イオン液体状態で発光種同士近の研究により示唆されている。そのような液体に関が相互作用するほど近接していることが示唆された。

する最近の理解を材料化学へと展開することで、新しドナーとして PtOEP を IL 1 中にドープし、532 nm のい材料設計に繋げることができないだろうか、という

単色光レーザーを照射してドナーを励起したところ、発想のもとに行ったのが本研究である。

450 nm 付近に IL 1 からのアップコンバージョン発光

液体の中でもイオン液体中ではそのような特殊構造が観測された。アップコンバージョン発光強度の励起を狙って形成しうることに着目した。イオン液体中で光強度依存とトリプレット寿命などの実験的パラメー

極性部位と非極性部位がミクロに相分離することで、タから系中の三重項拡散係数 DT を算出したところ、IL

共連続なナノ構造を形成することが報告されている

1 は液体材料でありながらも DT ൌ 1.6×10–6 cm2 s–1 と、[1]。イオン液体の機能発現に関しては、我々が興味を通常のアモルファス材料よりも二桁ほど高い値を示し持っているトリプレット（励起三重項）の拡散制御にた。また IL 1 中の三重項拡散長は LT = (DT τA,T)0.5 = 0.63

取り組んだ[2]。

µm となり、サブマイクロオーダーの長距離であった。
従って、イオン液体中に色素部位が近接した連続ネットワーク構造を形成することで、高速かつ長距離の三重項エネルギーマイグレーションを可能にし、低い励起光強度で TTA-UC 過程を最適化することができた。
トリプレットの拡散係数を上げることだけを考えると、結晶のように秩序だった構造の方が有利であろう。
しかし、柔らかな分子系ならではの機能、例えば自己修復性や外場応答性などを見出していくことで、一つのパラメータでは片付けることの出来ない豊かな材料
化学の展開が期待できる。今後もイオン液体の構造解
明や機能発現を進めていきたいと考えている。
参考文献：[1] J. N. A. Canongia Lopes, A. A. H. Pádua, J.
Phys. Chem. B 2006, 110, 3330.

図１．イオン液体中における色素の連続構造の形成[2] N. Yanani, N. Kimizuka et al., J. Am. Chem. Soc. 2013,と、その構造中でのトリプレットの拡散によるフォト

135, 19056; J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 1887; Nat. Mater.

ン･アップコンバージョン

2015, 14, 924; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7544.

180

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 25平成 27 年 9 月

生物物理学会年会共催シンポジウム 開催報告
神取 秀樹 （名工大院工・A03 計画研究代表者）
林 重彦 （京大院理・A01 計画研究代表者）

がシャペロン機能に重要であることを示しました。
吉田氏（A01）はチャネルロドプシンのイオン輸送
経路の解析を、分子シミュレーションと液体の積分方

平成 27 年 9 月 14 日（月）、金沢大学において、第程式理論を用いて行った研究について発表しました。

53 回日本生物物理学会年会シンポジウム「生体分子のこれは A01 林グループとの共同研究として行われた機能を制御する柔らかさ

Functions of biomolecules

もので領域内の活発な共同研究の一つと言えます。

controlled by flexibility」を「柔らかな分子系」との川村氏（A02）はフォボロドプシンの機能発現に重共催という形で行いました。この形のシンポジウム開要とされる Tyr について、その水素結合の変化を固体

催は昨年に引き続くものであり、本領域においてはワ

NMR 分光法によって観測した内容を講演しました。

ークショップとして位置付けています。北尾彰朗氏とこの手法は、機能発現に関わる本質的な相互作用を理水谷泰久氏がオーガナイザーを務められた昨年が計画解するために強力であることがよくわかりました。

研究の代表者からスピーカーを選んだのに対して、今片平氏（A03）はカリウムイオンの存在によって活回は公募研究のバイオ関連の代表者から各項目 2 名、性をスイッチさせるリボザイムやアプタマーの設計を

合計 6 名のスピーカーを選びました。内容的には、生発表しました。4 種類の塩基しか存在しない制約がか体分子の機能制御と柔らかさとの関わりを議論するこ

えって自由でインテリジェントな機能デザインを実現とを目指し、年会 2 日目の午前に英語での発表と質疑できるというコメントが印象的でした。
苙口氏（A01）はグルタミン酸脱水素酵素を例としが行われました。プログラムは以下の通りです。

て、タンパク質分子の機能をもたらす柔らかな動きが

8:45 Structural flexibility and chaperone activity of活性サイト内の水和構造変化によって制御されている

ClpB observed by high-speed AFM

ことを、MD 計算と実験の連携によって示した研究にTakayuki Uchihashi (Kanazawa Univ.)

ついて報告しました。

9:10 Theoretical study of ion transport pathway of

大洞氏（A03）はタンパク質マトリクスを柔らかなchannelrhodopsin

反応場とする人工金属酵素について報告しました。補

Norio Yoshida (Kyushu Univ.)

因子改変ミオグロビンについて、分子動力学計算に基

9:35 Solid-state NMR study of hydrogen-bonding

づく設計により、種々のアミノ酸残基に変異を導入し、

alterations of Tyr174 and Tyr199 in pharaonis

触媒する水酸化反応の立体選択性を制御しました。

phoborhodopsin

シンポジウムでは、それぞれの講演者が対象とする

Izuru Kawamura (Yokohama Natl. Univ. )10:00 Development of intelligent ribozyme/aptamer

生体分子系の柔らかさが機能との関連をもって紹介さthat sense K+ and switch on their activities

れ、のべ百名を超える聴衆からはさまざまな質問が寄せられました。

Masato Katahira (Kyoto Univ.)
10:25 Nanoscale wetting and drying processes
dominate protein functional motions
Tomotaka Oroguchi (Keio Univ.)
10:50

Designcontainingaandengineering

manganeseofmyoglobinporphycene

towardenantioselective hydroxylase
Koji Ohora (Osaka Univ.)
内橋氏（A02）は分子シャペロンである ClpB 多量体
を高速 AFM 観察し、ClpB のリング構造が対称・非対
称遷移、切断と回復、サブユニット交換などを伴い大規模に揺らいでいることを見出し、多量体構造の柔らかさ

シンポジウムの様子

181

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 25平成 27 年 9 月

名古屋工業大学・神取秀樹教授が「分子科学会賞」を受賞
井上 圭一（名工大・A03 計画研究共同研究者）

めて独創的であると国際的に評価されています。
ここまで読むと、あまり A03 的でないと感じられる

このたび、本新学術領域研究 A03 項目の計画研究代

かもしれません。実際に今回の受賞は先端計測による表者である神取秀樹・名古屋工業大学教授が、「光応答内容が中心的と考えられますが、同時に評価されたの性タンパク質の分子科学研究」という業績により、平が本領域のテーマである機能転換や機能創成です。神

成 27 年度分子科学会賞を受賞されました。この賞は、取教授は 20 年前にプロトンポンプであるバクテリオ

分子科学研究分野において特に独創的で新たな研究領

ロドプシンを 1 アミノ酸の変異によりクロライドポン

域の創成に結びつく質の高い研究成果をあげ、分子科

プに機能転換させて世界を驚かせました。また私の今学の発展に寄与したと認められる研究者に与えられま回の若手奨励賞受賞のテーマでもある光駆動ナトリウ

す。同じ研究室の一員として、神取教授の受賞に心よ

ムポンプの発見やカリウムポンプの創成においても論りお祝い申し上げたいと思います。以下に、今回の受文の責任著者となっておられます。先端計測の研究者

賞対象となった主たる研究業績をご紹介いたします。

である神取教授が本領域で A03 の班長を務められてい視物質や光駆動ポンプ、DNA 光回復酵素など光応答る事実、神取教授が多くの優れた理論研究者と共同研

性タンパク質は、情報変換やエネルギー変換の分子メ究をしている事実は、理論・計測・創成が協働するこカニズムを明らかにする上できわめて優れています。

との重要性を明示しているように思えます。

特に光反応における選択性、方向性や反応効率の高さ

以上のように、神取教授は最先端の分光学的手法をはきわめて特異であり、それを実現しているタンパク

生体分子に適用する手法を開発し、タンパク質の構造

質場の役割は現在の分子科学研究における先端的な研機能相関を研究することによって新たな知見を得てき究の対象です。神取教授は、未だタンパク質の構造がました。これらの成果を Nature, Science, Nat. Nanotech.,

よく分かっていなかった時期から、分光学を機軸としNat. Commun., PNAS, JACS, Angew などの雑誌に発表し、てこのような複雑な分子系に果敢に挑戦し、多数の研大きなインパクトを与え続けています。名工大では神究成果を挙げてこられました。

取教授の「光といのち」研究を加速するため、平成 25

神取教授は学生及び博士研究員のときに超短パルス

年 8 月にオプトバイオテクノロジー研究センターを設を用いた時間分解吸収および蛍光測定装置を京大、分立しました。光応答性タンパク質は生命科学に革新を

子研、理研において作製し、様々な光応答性タンパク

もたらしている光操作技術・光遺伝学（optogenetics）

質に対するパイオニア的な研究を行いました。特に、の主役であり、ますます注目を集めています。神取研

我々の視物質であるロドプシンの初期過程研究におい究室の研究展開も大きな注目を集めており、私も神取ては、発色団レチナールのシス型を固定したアナログ

教授とともにどんな研究ができるか、楽しみにしてい試料の測定から、目の中で起こる最初の光化学反応はます。

異性化であることを実験的に証明し、ロドプシンからの発光を実時間で捉えることに成功、視覚における高い光感度をもたらすメカニズムが明らかになりました。
光応答性タンパク質は、内部に貯め込んだエネルギーを使って構造変化を起こすことで、様々な仕事を行います。これを捉えるため、神取教授は京大で助手となった折りに赤外分光法を用いた精密な測定系の構築を行いました。その結果、試料も含めて測定系を最適化することにより『水の吸収のため不可能とされた赤外の測定を実現した結果、１個の水分子まで見えるよ
うになった』計測を実現したのです。Ｘ線結晶構造解
析に先がけて内部結合水の存在を明らかにし、水を含平成 27 年 9 月 16 日、東工大で開催された

む水素結合ネットワークの重要性を予見したバクテリ

分子科学会総会後に行われた授賞式においてオロドプシンの研究は神取教授の代名詞であり、きわ

藤井正明分子科学会会長とともに182

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 25平成 27 年 9 月

名古屋工業大学・井上圭一助教が「平成 27 年度分子科学会奨励賞」を受賞
神取 秀樹（名工大・A03 計画研究代表者）

京湾から見つかった海洋性細菌の一種、Krokinobacter
eikastus のゲノム中に、既存のものとは全く異なるヘリ

A03 計画班神取グループ（名工大）連携研究者の井ックス C の配列を持つロドプシン（KR2）があること

上圭一助教が、平成 27 年度分子科学会奨励賞を受賞しに興味を持ち、この分子について機能測定を行いましました。本賞は、分子科学分野において質の高い研究た。その結果、KR2 は光によって Na+を細胞質から細成果を挙げ、分子科学の発展に寄与したと認められる

胞外側へ輸送する光駆動型 Na+ポンプロドプシン（NaR）

40 歳未満の若手研究者を対象としたもので、井上さん

であることが明らかになりました 1。

は審査の結果これまでの研究の中で高い成果を達成しこの新しいロドプシンについて、井上さんはその機たことが認められ今回の受賞に至りました。

能発現メカニズムを過渡吸収測定や全反射フーリエ変今回の受賞の業績題目は「光駆動ナトリウムポンプ

換赤外分光によって調べ、Na+の取り込み過程や、Na+の発見とメカニズム研究および機能創成」で、2013 年の結合サイトを明らかにしました 1。また最近では東に井上さんらが発見した、光でナトリウムイオン（Na+）

大・濡木 理教授、加藤英明博士との KR2 の結晶構造を輸送する新しいタイプのロドプシンタンパク質の研と機能についての共同研究や 2、変異体に対する分光究に対するものです。この分子は微生物型ロドプシン

研究によって 3、Na＋がどのようにしてレチナールのプと呼ばれる７回膜貫通型構造を持つ光受容膜タンパク

ロトン化 Schiff 塩基の正電荷を乗り越えて輸送される質の一種で、これまでに H+を細胞外側に能動輸送するかという NaR 最大の謎の解明に成功しました。そしてバクテリオロドプシンや Cl-を逆方向うに輸送するハ

さらに Na+の取り込み過程においてイオン選択が成さ

ロロドプシンなどが知られていました。
その中で井上さんは大学院生時代から京都大・理学れるという知見をもとに、新たに K+を輸送する分子（KR2K+）の作製にも成功しました 2。

研究科化学専攻の寺嶋正秀教授のもと、古細菌の走光本賞はこれらの業績を賞してのものであり、授賞式

性に関わるセンサリーロドプシンⅡ（SRII）の信号伝

は平成 27 年 9 月 16 日に開かれた分子科学会総会後に達メカニズムの研究を行いました。そしてその際に光執り行われ、本領域のメンバーでもある藤井正明分子反応に伴う屈折率変化を測定することができる過渡回科学会会長より功績を讃える賞状と盾が授与されまし

折格子法（TG 法）を用い、SRII とトランスデューサ

た。今回の井上さんの Na+ポンプについての研究は単ータンパク質（HtrII）の複合体の構造変化ダイナミクなる光受容タンパク質のメカニズム研究に留まらず、スの観測に取り組みました。その結果、SRII-HtrII 複合

分子科学的研究から得た知見を新規機能性分子の開発

体の光活性化に伴って、HtrII の細胞質側に存在するαに結び付けるという新たな可能性を示すものであり、へリックスがアンフォールディングし、それが信号伝達過程に重要であることが初めて明らかになりました。
この研究を通じて、ロドプシンの持つ精妙な光反応に大きな興味を持った井上さんは、東工大・資源化学研究所・藤井正明教授研究室および現職の名工大・神今後のますますの活躍を期待します。

1. Inoue, K., et al. Nat. Commun. 2013, 4, 1678.
2. Kato, H. E., et al. Nature 2015, 521.
3. Inoue, K., et al. Angew. Chem. Int. Ed., in press.

取研究室において、その他の様々なロドプシンについても分子科学的なメカニズムの研究を発展させていきました。その研究対象にはハロロドプシンや真正細菌の H+ポンプ、そして最近発見された真正細菌型の Clポンプや真正細菌のセンサー型、遺伝子制御型、進化の中間に位置する分子、動物型のものなどがあり、それぞれについて新しい発見が得られ、その成果の多くを分子科学討論会でも報告しました。
これらの研究を通じて、井上さんはロドプシンの機能に７回膜貫通構造の三つ目のαへリックス（ヘリッ
写真：授賞式の様子。藤井正明分子科学会会長と共に。

クス C）が重要であることに注目しました。そして東183

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 25平成 27 年 9 月

川村グループの重田安里寿さんがAPNMR2015 において Poster Award および
ISMAR2015 において Student Travel Award を受賞しました。
川村 出 （横国大・A02 公募班 研究代表者）

らスクリーニングされて、重田さんは見事に研究内容をアピールし、Student Travel Award を受賞しました。

A02 柔らかな分子系計測 公募研究 川村グループ

重田さんは昨年、オックスフォード大学に研究留学(横浜国立大学)の研究協力者である横浜国立大学 大し、最先端の膜タンパク質研究と多くの研究者に触れ

学院工学府の重田安里寿さん(博士課程後期 1 年)が、る機会を得て、刺激を受けていた。このような経験が

平成 27 年 8 月 13 日(木)から 16 日(日)の期間に、香港

役立ち、今回の大活躍に至ったと私は考えています。

の香港科学技術大学(HKUST)で開催された The 6th

現在、博士課程後期の 1 年であり、今後の益々の活躍

Asia-Pacific NMR Symposium (APNMR2015)においてが期待される。

Poster Award を受賞されました。APNMR2015 終了後に、上海の China Executive Leadership Academy (CELAP)に移動して参加した 19th International Society of Magnetic
Resonance Conference (ISMAR2015) (平成 27 年 8 月 16日(日)から 8 月 21 日(金))において、Student Travel Awardを受賞されたことをご報告いたします。
横浜から第 1 回の会議が始まった Asia-Pacific NMR
symposium は二年に一度、幅広い研究分野から磁気共鳴技術を利用した最先端の研究発表が集まる会議であり、研究成果や NMR の手法を共有するために、環太平洋地域の研究者を中心に極めて重要な NMR の会議である。
重田さんの研究内容は、In-situ 光照射-固体 NMR 法を用いたバクテリオロドプシンの 13-cis, 15-syn 型レチ
ナールの光反応経路の解析である。レチナールの NMR
信号を指標にして、光照射-固体 NMR スペクトルを何枚も解析することで 13-cis, 15-syn 型由来の光中間体の存在を示唆するデータを得た。さらに、基底状態で13-cis, 15-syn 型レチナールの割合が多い Y185F 変異体を用いて、同様に 13-cis, 15-syn 型由来の光中間体の存在を明らかにした[1]。このように、In-situ 光照射-固体
NMR 法を駆使して、ユニークな成果を得ることができた。
APNMR2015 の Poster Award は、この会議において優れた発表をした学生に与えられる賞であり、プレゼ
ンテーション能力などが高く評価されて、50 件のポス

The 6th Asia-Pacific NMR Symposium で Poster Award をターから 6 件選出された 1 人に重田さんが選ばれまし

受賞した重田さん(上)と ISMAR での発表の様子(下)。

た。引き続き、参加した ISMAR2015 は最大規模の NMR
国際会議の一つであり、今回の会場である CELAP は

参考文献

会議場にドミトリーが併設されており、参加者が会議[1] K. Oshima, S. Arisu, et al. (2015) Photochem.

に集中する環境で約 1 週間の間、” NMR”に没頭するこ

Photobiol. Sci. 14 1696-1704.

とになった。このような会議に参加した学生の発表か184

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 25平成 27 年 9 月

IUPAC 2015 参加および Sihyun Ham 研究室訪問報告

谷本 勝一(九大理･A01 吉田グループ･研究協力

が、少しずつ慣れてきて聴衆からの質問に対してもあ者 修士 1 年)

る程度しっかりと答えられるようになりました。今回、同世代の海外の学生、特に韓国の学生が流暢な英語で本新学術領域の若手研究者海外派遣の支援を受け積極的に発表･質問する姿勢を見ながら大いに刺激をて、2015 年 8 月 9 日から 14 日まで韓国釜山にある受けることができました。

BEXCO で開催された 45th IUPAC World Chemistry

学会終了後、ソウルへ移動し淑明女子大学校のCongress(IUPAC-2015)に参加し、学会終了後の 8 月 15

Sihyun Ham 教授の研究室を訪問しました。Ham 研究室

日に同国ソウルの淑明女子大学校の Sihyun Ham 教授

では MD シミュレーションと液体の積分方程式理論をの研究室を訪問してきました。

組み合わせて、溶液中におけるタンパク質の挙動や熱IUPAC World Chemistry Congress はその名の通り、力学的性質の解明および新薬開発のアプローチの提示

IUPAC が主催して 2 年に一度開催され、世界中からなど多岐にわたる研究に精力的に取り組んでいる研究

様々な分野の化学者が一堂に会し、新たな成果を議論室です。訪問時には Ham 教授は体調を崩されていていする大規模な国際学会です。45 回目を数える今回は、らっしゃらなかったため、同研究室の特任教授である

6 日間にわたり 2 名のノーベル賞受賞者(Yuan T. Lee 博

Chong 先生と研究についてのディスカッションさせて士、鈴木章博士)を含む 9 名による招待講演、および頂きました。また研究室が管理しているサーバー室も12 のセッションに分かれてそれぞれで同時並行して見せて頂きました。研究室の学生とはお互いの研究テ行われた一般口頭講演と 2000 件を超えるポスターセーマについて紹介し、親睦を深めていきました。

ッションが行われました。今回私は”Role of calcium ion

今回の海外渡航を通して、多くの学生･研究者と交流

in molecular recognition process of calcium-dependent

することができ、自身の研究に対するアドバイスを頂

carbohydrate-binding module”というタイトルで 3 日目

くことができました。また、私としては国外の研究室にポスター発表を行いました。carbohydrate-bindingを訪問できたことが特に印象に残っており、海外の学

module(CBM)とはセルラーゼ等の糖分解酵素がもつモ生の研究に対する熱意を肌で感じることができたこと

ジュールであり、基質と結合し、酵素反応サイトが基で、自身の研究意欲が大いに高まりました。このよう質に接近するのを助ける役割があります。私はカルシな有意義な機会を与えてくださった本新学術領域研究

ウムイオンが結合サイトに配位しているときのみ結合者の皆様に深く御礼申し上げます。

活性をもつようになるという特異な性質をもつ
CBM36 を対象とし、結合活性をもたないアポ体から結合活性をもつホロ体への構造変化の経路および構造変化の駆動力についての研究結果を報告しました。私個人としては初めての学会発表が今回の国際学会ということもあって、非常に緊張してしまい、発表当初は英語もたどたどしく、上手く発表ができないでいました

学会会場となった BEXCO と Ham 研究室訪問時の筆者

185

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 25平成 27 年 9 月

Report on 13th ECME and IPCMS Visit in Strasbourg
Fengniu Lu（Postdoc Researcher, T. NakanishiLab, NIMS・A03 Group）
The

13th

EuropeanConferenceonfeedback

financialsupport

from

In

the

alloweddesdonor-acceptor

liquidfromthe

On 3rd September, I

thealso had an opportunity
to visit the lab of Dr.

a poster illustrating a

Albertoforconstructing

highlyluminescentliquids

Cellulaire and is locatedinpyreneworkingofonfunctionalizationofnanocarbon

me their research about how to functionalize

Prof. Tomohisa Takaya

nanotubes and graphene, how to employ theand Prof. Izuru Kawamura who carried out

materials for biomedical applications. The lab tour

time-resolved fluorescence and neat-state NMR

hasstudies on my liquid pyrenes, I could provide very

extendedmyknowledge

about

The scientific tour in Strasbourg was absolutely aboth photophysical and liquid properties of pyrene

valuable experience. I was not only impressed byderivatives. The extremely novel and smartly

the excellent frontier achievements and benefitedgeneralized designing concept of liquid alkyl-πfrom extensive research discussions, but also deeply

systems stimulated strong interest and highThroughgreatly

nanocarbon materials.

convincing results with thorough investigations ofposter.

campusmaterials and his lab members kindly introducedof A02 group members

my

the

University of Strasbourg. The group is mainly

significant cooperation

of

which

Biologie Moléculaire etderivatives. With the

popularity

Biancobelongs to Institut debased on a series ofwell-designed

Stéphanevery amazing and inspiring.

conference, I presented
guidanceDr.

and Dr. Laurent Douce: ionic liquid crystals, are all

self-assembly and photophysics.

clear

assemblies,

Bellemin-Laponnaz: wonderful carbene chemistry,

presentations on sessions of design and synthesis,
Duringdegreat scientists in IPCMS. Dr. Stephane Mery:

poster presenters, reporting their latest researchlot

Matériaux(CNRS). In the visit, I had deep discussions with thewere 324 participates, including 57 oral and 259

a

Carlo

Centre National de la Recherche Scientifiquerelated to organic electronics and photonics. There

benefited

deputygovernmental research organization of France,

every two years. The conference covered all areas

was

a
Dr.

Strasbourg (IPCMS), which belongs to the largest

field of molecular electronics and was organizedI

thede Physique et Chimie

ECME is a premier European conference in themolecules,to

Massobrio to visit Institut

research results.

luminescentbydirector,able to attend the conference and present myonaddition

participation in ECME,

Areas of “Soft Molecular Systems”, with which I was

Working

research.

on 31st August I was also

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative

progresses.

myawarded the poster prize.

Molecular

Strasbourg from 1st to 5th September, 2015. I highly
theon

Encouragingly, my poster has been successfully

Electronics (ECME 2015) was held in University ofappreciatesuggestions

infected by the strong scientific atmosphere, which

extensive

has significantly motivated me to devote myself

discussions with many audiences, I got significant

more profoundly to my research career.

186

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 25平成 27 年 9 月

インド工科大学マドラス校（Prof. Dillip K. Chand 研究室）の留学報告
矢崎 晃平（東工大資源研・A03 吉沢グループ・
大学院生）

研究テーマについて
研究テーマは、Dillip 教授とのディスカッションで決まります。私は、日本から持ち込んだテーマと Dillip

本新学術領域による若手研究者海外派遣による旅費

教授からのテーマの 2 つに取り組みました。どちらの支援を受け、2015 年 6 月から 9 月まで、インド工科大

テーマも 3 ヶ月間での完成を目標としていましたが、学マドラス校の Dillip K. Chand 教授の研究室に留学

実際に取り組んでみると、問題点が見えてきて苦労ししてきましたので、その内容について報告致します。

ました。しかし、Dillip 教授や研究室のメンバーが熱心に相談に乗ってくれたため、完成には至りませんで留学先としての『インド』したが、研究は大きく進展しました。また、2 回の学

インドは 13 億の人口を有し、中国に次ぐ巨大人口・会に参加させて頂き、海外で研究発表する貴重な経験市場を有しています。1991 年に始まった経済自由化以をすることが出来ました。

降、インドの投稿論文数が激増し、また質も向上してインドでの研究生活いる。[1] この大きな成長の過程で、インドはどのよう

研究生活は日本と異なることが多く、戸惑うこともに研究を進めているのか。また、日本が負けないため多かった。例えば、試薬の価格が高く、新しい試薬やにはどうすべきか考える必要があると考え、私はイン特殊な試薬の購入のほとんどは輸入に頼っているため

ドの研究室への留学を決意しました。

非常に時間（約 20 日間）が掛かります。そのため、学

インド工科大学(IIT) Madras 校へ

生は他の研究室の試薬もおおよそ把握していて、不足

私の留学を快く引き受けてくれたのは、吉沢准教授

した試薬を貸し借りしています。インドで研究を進めの旧ラボ仲間である IIT Madras 校の Dillip K. Chand 教

るためには、横の研究室との繋がりがとても大切です。

授でした。Chand 研究室では、環状やかご状のパラジ分析装置に関しては、新しい NMR(500 MHz)や ESI-MS,

ウム錯体の合理設計と精密合成を主テーマとして、ポMALDI TOF-MS, SEM, TEM 等が有り、充実していました。

スドク 1 人、博士学生 15 人、修士学生 1 人で研究を進

しかし、一部の機器は、専属のテクニシャンが居ても、めています。日本の研究室は学部 4 年生と修士学生が

彼らは操作が出来るだけで、機器に対する知識をあま主体であるのに対して、インドの研究室は博士課程学

り持っていませんでした。そのため日頃より、豊富な生が主体として研究を進めています。研究室の学生同知識や熟練した技術を持つ研究者や学生から、機器の士は非常に仲が良く、毎日 11 時と 17 時に揃ってお茶操作方法やコツを学んでおくことが、必要不可欠と感を飲みに行っています。インドでは共用語が英語であるため、ゼミや日常会話は全て英語で行われています。
また、インド人の中でも英語の得意不得意があり、英じました。
日本人としての信頼
私は、「日本人だから、出来るよ」という言葉を様々

語の不得意な人に対しても寛容です。そのため、英語な人から聞きました。例えば、非常に短い準備期間でが苦手な私のことを考えて話してくれました。

ポスター発表が決まったとき、研究室のメンバーが難しいと言うと、Dillip 教授は「彼は日本人だからやるよ」と言ってくれました。日本の研究者は、「先進技術とハードワーク」の点で非常に信頼されています。今後、日本の研究者がアジアの科学技術の発展を牽引し続けるには、常に学び続け、新しい分子や技術を生み出すための努力を怠ってはいけないと感じました。
最後に、今回このような貴重な機会を下さりました
本新学術領域の関係者の皆様、指導教官である吉沢道人准教授、受け入れ研究室の Dillip Kumar Chand 教授

図１．研究室のメンバーとの集合写真。中央後方に Dillip
教授とその右側に私。

に深く御礼申し上げます。
[1]. E. Arunan et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2013 52, 114.

187