新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 55平成 30 年 3 月

新学術領域研究「柔らかな分子系」を終えるにあたって
田原 太平（理化学研究所・領域代表）の無い現実では余りに空しく、そのような新学術領域研究をスタートしても、われわれはもちろん、領域の

今年度の 3 月をもって 5 年間推進してまいりました

メンバーになる班員が本当の意味でやる気が出すこと新学術領域研究「理論と実験の協奏による柔らかな分にはならないだろうと考えました。ですので、問題は、子系の機能の科学（略称：柔らかな分子系）」（領域番

如何に個々の研究を進めるだけで無く、自然に異分野

号 2503、平成 25 年度～29 年度）がその研究期間を終連携や共同研究が進み、それが学術研究として高い意

え、終了することになりました。総括班を務めました

義を持つ新学術領域研究をできるか、ということでしコアメンバー5 名は 2012 年の春頃から議論を始めてた。

いましたので、それから数えますと実質 6 年間の研究

私の専門は分光計測ですが、自身の研究において、プロジェクトでした。5 人で泊まり込みの合宿を何回

基本的な分子の研究から今後の発展を模索してタンパも開き、本音の議論をしたのをつい昨日のように思い

ク質や界面など複雑な分子系の研究へと展開しつつあ出すことができますりました。その中で、複雑な分子系をちゃんと解明す

分子の科学としては、基本分子の研究を深化させる

るためには、如何に先端的であっても自分の行ってい重要性は変わらないにしても、全体の流れとしては依る計測研究だけでは限界があり、理論の研究者の力を然未解明の問題が極めて多く存在する複雑な分子系の借りて深く解析したり、新しい機能をもつ物質を作る研究へと向かうことは必至で、コアメンバーでの議論

研究者から新しい試料の提供を受けたりしなければ、でも比較的早い段階でその方向で新学術領域研究を提研究が大きく進展しないことを実感するようになって案しようという意見になったと思います。それに加えいました。ですので、私と同じように複雑分子系の研て私がこだわったことは、われわれが行いたいのは基究を指向している、理論、計測、創成を専門とする優礎研究なのでそれをぶらさず、できるだけ直球で提案れた研究者が集まれることができれば、自然と共同研をする、あるいは直球で提案できる魅力的な提案を作究が生まれ、人的ネットワークができ、新しい学術領る、ということでした。現在では大学、研究所を問わ域が生まれるはずだと考えました。このような考えはず常に研究費を獲得していかなければ研究室を保つこ

コアメンバーの共通の思いであり、そうしてスタートとができないため、研究室の主宰者はとても大変です。

したのがこの「柔らかな分子系」という新学術領域研ですので、本来自分が良いと思う研究を行うために研究なのです。

究費を獲得する努力をするのが筋なのですが、時にはこのような背景がありますから、領域の運営もでき

研究費を獲得するために研究を考えてしまうことも無るだけ直球でオープンなものとし、我々や班員の方々いとは言えません。現在わが国には様々な競争的研究がやるべき、あるいはやりたいと思うことをそのまま資金の制度がありますが、中でも科研費は基礎研究の実質的にできるようにしようと努力しました。そして、ために設けられた大変優れた制度で、「研究者の自由な全班員が泊まり込みでとことん議論する合宿班会議や、発想に基づく研究を格段に発展させることを目的とす班員の発案で個々のトピックスについて開催できるワる」と定義されています。さらに新学術領域研究に関ークショップなどを企画しました。また班員が互いにしては、「研究者相互のインタラクションに基づき、新どのような研究活動をしているかを知ってもらうため

しい学問領域を切り開いたり、若い研究者を育成してにニュースレターを毎月発行しました。これらは、気いくことが重要」であるから「異分野連携や共同研究、相、凝縮相、生体関連の計測の研究者の間の垣根をと人材育成等を図る大規模なグループ研究」を行うため

り払うために藤井さんが代表として推進した特定領域の科研費であることが謳われています。これら科研費

研究「高次系分子科学」において始まった仕組みです

や新学術領域研究の趣旨を聞いて、研究者としてまさが、理論、計測、創成という、大きく異なる分野の研にその通りだと感動することはあっても、異を唱えよ

究者の間の垣根をとり払って融合させることを目指しうと考える人はいないと思います。われわれはしばしたこの「柔らかな分子系」において、さらに本質的なば「理想はそうだが現実は違う」と言う言葉を口にし役割を果たしたと思います。さらに世界的な視野を持ますし、またそれは事実だと思いますが、同時に理想

つ若手を育てるために、若手研究者の海外派遣プログ498

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No. 55平成 30 年 3 月

ラムを始めました。われわれがこのプログラムをスタ

新学術領域研究「柔らかな分子系」はこれで終了いートしてから数年後にすべての新学術領域研究に国際たしますが、われわれの研究活動はこれからも続きま支援班が設置できる制度が始まるなど、今ではこのよす。この新学術領域研究で進展した個々の研究や、新うなプログラムを組み込むことは一般的に行われるよ

しく始まった共同研究、そして研究者の信頼関係に基うになったと思いますが、われわれの領域の活動がそづいたネットワークがさらに発展し、皆さんの今後のの動きの起点になったと思います。アウトリーチ活動

大いなる飛躍につながることを祈念しております。
本当に 5 年間、ありがとうございました。

は最初模索状態でしたが、班員の方々の積極的なご協力によってこれについても大変良い活動ができたと思っています。特に本領域の女性研究者の方々が自主的に女子中高生のためのアウトリーチ活動を企画し、女性同士でサイエンスと研究の素晴らしさを伝えて下さったことは、領域代表として大変嬉しく思いました。
「柔らかな分子系」は来年度に最終報告書を提出し、それを元に本領域で 5 年間行ってきた研究活動に対して評価が行われます。私は領域代表として謙虚にそれを待つ身でありますが、個人的にはわれわれが 6 年前に夢想したかなりのことが実現できたという意味でこの新学術領域は大きな成功を収めたと考えています。
特に、背景が大きく異なる研究者が一同に介した最初の頃の集まりでは、私を含め、すべての班員の方が少々
居心地の悪いアウェイ感を持ったと思いますが、3 年目に入る頃には皆、あたかも古くからの友人に会うよ
うな感覚で全体会議に参加していたように思います。
皆さんのご活躍でこの新学術領域研究では多くの優れた業績があがり、共同研究でも多くの成果が得られ、また PCCP の特集号が象徴するように強い国際発信ができました。ですが、私は、少し時間がたった後で振り返ったときに、この「柔らかな分子系」の最も大きな成果として誇れるものはおそらく、この領域の推進によって作られた専門を異にする研究者の間の信頼関係と、それに基づいた人的ネットワークではないかと思っています。
最後になりましたが、文字通り何も無いところから一緒にこの新学術領域研究を立ち上げ、推進してくださった、北尾さん、水谷さん、神取さん、藤井さんの4 名のコアメンバーの方々、また、我々の領域を暖かく見守り、適切な助言を下さった国内、国際評価委員の先生方、さらに領域運営に関してサポートして下さった学術調査官の方々、われわれが研究に集中できるように事務関連の仕事を一手に引き受けて下さった東工大、理研、名工大の事務局の方々、そして、もちろん、この「柔らかな分子系」で研究を力強く推進し、
たいへん優れた多くの成果を上げていただいたすべての計画班員、公募班員の方々に、心から御礼を申し上げたいと思います。

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業績紹介：高精度ドッキングモデル評価手法 evERdock を用いた
蛋白質-蛋白質複合体の結合自由エネルギー解析
北尾 彰朗
竹村 和浩

（東工大・A01 計画研究代表者）（東大・特任研究員）

興味深い結果の一つに、界面における水分子が複合体モデルの評価に大きな影響を与える点が挙げられる。
顕著に影響が見られた複合体である 1PPE では、図 2

論文題目：" Binding free energy analysis of protein-protein

左に緑の球で表示したように複合体結晶構造において

docking model structures by evERdock "著者：K. Takemura, N. M atubayasi, and A. Kitao

界面に水分子が存在している。界面の水分子をドッキ

雑誌巻号：J. Chem. Phys., DOI: 10.1063/1.5019864

結合自由エネルギーが大きく下がり複合体モデル評価

ングで作成した複合体モデルに配置することにより、が改善された（図 2 右、黒→赤）。界面の水分子の重要

蛋白質-蛋白質ドッキングは、蛋白質のモノマー構造

性は広く認識されており、蛋白質-蛋白質複合体構造予から複合体構造を予測する手法として有効であり、長測のコンテストである CAPRI においても、界面の水分年開発されてきている。正確な複合体構造予測には、子の位置予測が新たなターゲットして近年取り上げら

効率的な候補構造の生成および高精度な候補構造の評れている。我々の結果も界面水分子の重要性を改めて価が必要であるが、現状では、どちらにおいても課題認識する結果となった。しかしながら、複合体の結晶は残されている。我々は、高精度な候補構造の評価手構造が分かっていない実際の予測においては、複合体法として、エネルギー表示法を利用したドッキング複結晶構造で観測される水分子を使用することはできな合体モデル評価手法である evERdock (evaluation withい。そこで、水分子を蛋白質にドッキングする手法で

the Energy Representation method of docking generated

ある WaterDock を利用して、複合体モデル界面の水分

decoys)を開発し、その有効 性を以前報 告している子を予測し評価した。その結果、青い点で示したよう[1-2]。

に、複合体結晶構造の水分子を用いた場合と同様に結今回紹介する研究では、比較的高速に計算できる特合自由エネルギーが下がり、同様の効果を予測した水徴を生かし、数百に及ぶの複合体モデルに evERdock

分子を用いて得ることに成功した。今後は上述した界を適用した。一例として、トリプシンと阻害剤の複合

面の水を通じた相互作用を含め、生成した複合体モデ体(1PPE)、トランスフォーミング増殖因子と基質の複ルの精密化を通じて手法の更なる改善を試みる予定で合体(1KTZ)に対する評価結果を図 1 に示した。横軸はある。

界面残基の RM SD で結晶構造からのずれを表しており、縦軸はモデル間の結合自由エネルギー差を表している。結晶構造に近い構造が低い結合自由エネルギーを有する傾向が明確であり、evERdock が複合体モデル
評価に有効であることを示した。

図 2：（左）複合体構造と界面水分子(右)界面水分子によるエネルギー変化
引用文献[1] K. Takemura, H. Guo, S. Sakuraba, N. M atubayasi, andA. Kitao, J. Chem. Phys. 137, 215105 (2012).
[2] K. Takemura, R. R. Burri, T. Ishikawa, T. Ishikura, S.
Sakuraba, N. M atubayasi, K. Kuwata, and A. Kitao, Chem.

図 1：evERdock による評価例

Phys. Lett. 559, (2013).

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業績紹介: 3D-RISM 法とストリング法による生体内イオン・小分子輸送の最安定自由エネルギー経路探索手法の開発
2) この論文では、タンパク質の構造は固定していまる

吉田 紀生	
  （九大・A01 公募研究代表者）

が、MD シミュレーションとの組み合わせによりタン
論文題目: "A new method for finding the minimum free

パク質構造変化の影響も取り入れた解析が可能であり、energy pathway of ions and small molecule transportation

現在、A01 計画班・林グループと共同でその解析に取

through protein based on 3D-RISM theory and the string

り組んでいる。

method"
著者: Norio Yoshida
雑 誌 巻 号 : Chem. Phys. Lett., In press, (2018) DOI:
10.1016/j.cplett.2018.03.034
イオンチャネルや水チャネル、アンモニアチャネルなど、多くのチャネルタンパク質が存在し、細胞内外の物質輸送を担っているが、その機構解明は難しく、実験的にも理論的にも多くの手法開発が行われている。
チャネル内の物質輸送(例えばイオン)は、自由エネル

図 1. RismPath/SM 法の計算スキーム

ギー曲面によって特徴付けられるが、複雑に入り組んだタンパク質内のイオンの自由エネルギー曲面を求めること、さらにはその曲面上の最安定経路を決定する
事は容易ではない。自由エネルギー曲面はチャネルタ
ンパク質や脂質膜の構造、イオンの周りの水の分布に対する配置積分から求められる。分子動力学シミュレーションではこの配置積分を、ニュートン方程式にもとづく原子座標の時間発展をもとに数値積分を行うため、一般にチャネルの物質透過のようなレアイベント

図 2. RismPath/SM 法で求めた最小自由エネルギー経路(左)と、経路に沿った自由エネルギープロファイル(右)。

（分子シミュレーションの実行時間内では起こりづらい現象）の配置積分は難しいことが知られている。そのため、配置積分のためのサンプリングを工夫して効

引用文献

率良く自由エネルギー曲面を計算する手法が多く開発[1] C. Bossa, M. Anselmi, D. Roccatano, A. Amadei, B.

されている。[1-3]

Vallone, M. Brunori and A. Di Nola, Biophys. J. 86, 2004,	
  本論文で提案した手法では、特にイオンや水といっ

3855.

た溶媒分布に焦点をあて、3D-RISM 法[4]でそれらの分[2] G. Bussi, A. Laio and M. Parrinello, Phys. Rev. Lett. 96,

布を求めることで効率良く最安定経路を決定する事を2006, 090601.

可能とした。3D-RISM 法は液体の統計力学理論に基づ[3] Y. Nishihara, S. Hayashi and S. Kato, Chem. Phys. Lett.

いて溶媒に関する配置積分を解析的に行うため、全空

464, 2008, 220.

間の完全な配置積分を得ることができる。得られた分[4] N. Yoshida, J Chem Inf Model 57, 2017, 2646.

布からイオンに対する平均場ポテンシャルを求め、そ[5] W. E, W. Ren and E. Vanden-Eijnden, J. Chem. Phys. 126,の曲面上の最安定経路をストリング法[5]で決定する。

2007, 164103.

(図 1)この手法は RismPath/SM と名付けられた。
	  本論文では、例としてチャネルロドプシンの閉構造を用いて、チャネル内の解離性残基のプロトン化状態の変化が経路にどのように影響するかを評価した。(図501

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業績紹介：水の粗視化ポテンシャルで探索する液液相転移と水的異常性
金 鋼（阪大院基礎工・A01 公募研究代表者）

温側から高温側に向かって、密度最大温度、粘性係数、
拡散係数、過剰エントロピーの順でドーム型領域とし

論文題目："Connecting thermodynamic and dynamicalて広がることを見出した(図 2)。この異常領域の階層的

anomalies of water-like liquid-liquid phase transition in

な構造は、水剛体回転子モデルの分子動力学シミュレ

Fermi-Jagla model"ーションの結果と整合することがわかった。さらに、

著者：Saki Higuchi, Daiki Kato, Daisuke Awaji, and Kang

Rosenfeld 式と呼ばれるスケーリング手法を用いて、輸Kim

送係数と過剰エントロピーの異常性を関連付けた。熱

雑誌巻号：J. Chem. Phys. 148, 094507 (2018).

力学関係式から密度異常性と過剰エントロピー異常性が直接関係することから、p-T 相図上における階層的

水は密度最大温度など通常の液体には存在しない異な異常領域の出現が相互に結び付くことになる。

常な性質を示す。水の異常性は低温で水素結合によっ

以上、水の四面体構造を粗視化した Fermi-Jagla ポテて四面体構造を形成することに起因すると考えられる

ンシャルを用いて液液相転移と水的な異常性を系統的が、水素結合ネットワークだけで液相としての水の異に関連づけることができた。シリコンやリンなど四面常性を定量的に解明するには至っていない。約 20 年前

体構造を持つ他の異常液体を含めて、液液相転移およに実験で低温高圧の条件下で密度の異なる 2 種類のアび負の傾きを持った液液共存線の出現条件を統一的に

モルファス氷が発見されたことにより、液相としての見極めることが求められており、さらなる解析を現在

水の異常性を統一的に説明する理論として低密度水展開している。

(LDL: Low Density Liquid) と 高 密 度 水 (HDL: HighDensity Liquid)に相分離する第二の臨界点が存在するという液液相転移仮説が提唱され、現在その存否について論争の真っ只中にある。
本研究では水分子を回転剛体子として扱う TIP4P などのモデルではなく、水の四面体構造を粗視化し、水5 量体をひとつの相互作用点として扱った、単成分・球対称ポテンシャルである core-softened ポテンシャルを用いて、液液相転移と水的異常性について解析をお図 1こなった。このポテンシャルは水分子間の有効ポテン

Fermi-Jagla ポテンシャルと Lennerd-Jones ポテンシ

ャルの比較．Fermi-Jagla ポテンシャルは、水分子、水素結

シャルでみられる２つポテンシャル最小を持つ特徴が合による四面体構造の大きさに相当する 2 つのポテンシャある。これまで core-softened ポテンシャルの系統としル最小を持つ(矢印)．

て様々にポテンシャル関数が提案され、概ね HDL-LDL

1間の液液相転移を表現できることが知られていた。

0.8
0.6

る液液共存線が負の傾きを持つ特徴がある Fermi-Jagla0.4p

本研究では、その中でも密度最大温度に直接関与すと呼ばれるポテンシャルを用いて分子動力学シミュレ

ρmax

ηmin

ρmin

ηmax

Dmax

Smax

Dmin

Smin

e
e

0.2

ーションをおこなった(図 1)。特に、拡散係数 D、粘性0係数ηから動力学異常性を、熱力学積分法によって得−0.2

られた過剰エントロピーSe から熱力学異常性を解析し0.1た。その結果、それぞれの密度 ρ 依存性に
𝜕𝐷
> 0,
𝜕𝜌 !

0.2

0.3

0.4

0.5

T
図2

𝜕𝜂
𝜕 𝑆!
< 0,
>0
𝜕𝜌 !
𝜕𝜌 !

Fermi-Jagla ポテンシャルの p-T 相図．液液臨界点(赤点)から低温側で僅かながら負の傾きを持った液液共存線(赤線)を示す．高圧側に HDL、低圧側に LDL が配置する．

となる異常性を示すことがわかった。これらの異常性

液液臨界点から密度(青)、拡散係数(緑)、粘性率(シアン)、と、定圧下で密度最大となる温度は、p-T 相図上で低過剰エントロピー(橙)の順で、異常領域が高温側に広がる．

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業績紹介：ゆらぎが明らかにした分子モーターの協同輸送
林久美子

非侵襲性が特徴である「ゆらぎによる力測定法」は（東北大・A01 公募研究代表者）

生きたままの個体で用いることが可能である。今回の研究で、この力測定法を生きている線虫内のシナプス

論文題目："Non-invasive force measurement reveals the

形成位置の異常の解明に役立てた。シナプス形成の異number of active kinesins on a synaptic vesicle precursors in

常はアルツハイマー病の発症に密接に関係している。

axonal transport regulated by ARL-8"以前の研究で ARL-8 というタンパク質が神経細胞に

著者：Kumiko Hayashi, Shin Hasegawa, Takashi Sagawa,

おいてシナプスの材料の輸送を制御していることが報

Sohei Tasaki and Shinsuke Niwa

告されていたが（文献 2）、ARL-8 が分子モーターに及

雑誌巻号：Physical Chemistry Chemical Physics, 20 3403-

ぼす影響を直接測定することは出来なかった。今回の3410 (2018).

測定の結果、ARL-8 欠損線虫でシナプスの材料を運ぶ
分子モーター数が減少したことを突き止めた。ARL-8

私たちの体を構成している細胞の中では、人間社会

欠損によるシナプス形成位置の変化という神経科学的のように様々なタンパク質が役割分担して働いている。

な問題を力や分子モーター数などの物理的パラメータ

例えば細胞内は道路である微小管が張り巡らされ交通から定量的に議論することが可能になった。

網が発達しており、物質は小胞としてパッキングされ、文献

宅配便役のキネシンやダイニンといった分子モーター[1] K. Hayashi et al.,に輸送されている。特に神経細胞の長い軸索ではさな

biorxiv doi: https://doi.org/10.1101/233064

がら高速道路のように宅急便が行き交っている。

[2] S. Niwa et al., Cell Report 16, p2129-2141 (2016).

人手不足による宅配便の停滞が社会問題であるのと同様に、運び手である分子モーターの障害はアルツハ
イマー病、パーキンソン病、ハンチントン病といった様々な神経疾患の原因になる。小胞輸送の計測はこれ
らの疾患の理解や新しい治療法の開発に必須の技術だが、傷つきやすく複雑な環境を持つ細胞内では力測定などの物理計測が困難であるため、小胞輸送の計測は進んでおらず、細胞を傷つけない非侵襲な細胞内の力測定技術が必要とされていた。
溶媒中で小さな粒子は熱ゆらぎ等の効果でゆらぐ。
物理法則から、このようなゆらぐ運動はエネルギーと

図 1：ゆらぎを利用した非侵襲な力測定法の概念図関係する。私たちはこの物理法則に着目し小胞に働く力を小胞の重心位置のゆらぐ運動から見積もることに成功した（図 1, 文献 1）。
細胞に外力を印加する侵襲測定と異なり、ゆらぎは小胞の蛍光イメージングから非侵襲に得られる。小胞のゆらぎ測定の結果、力分布に複数のピークが現れ、これは小胞輸送に複数の力発生ユニットが存在することを意味する。力発生は分子モーターが行うので、小胞は複数の分子モーターに協同で輸送されていることになる。人間社会でも大きな神輿は大勢で運ぶが、同様に、神経細胞では１つの小胞を複数の分子モーターが協同で運ぶ事で安定した効率の良い輸送を実現して

図 2：分子モーターによる協同輸送いると考えられる（図 2）。

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業績紹介：アミノ酸残基による水素結合形成を正しく取り扱える力場モデルの開発苙口 友隆（慶應大・A01 班友）場モデルと、本研究で新たに考案した非共有電子対を表す電荷を極性原子内に付加する力場モデルを用い、論 文 題 目 ： "Influences of lone-pair electrons on

その影響を比較した。

directionality of hydrogen bonds formed by hydrophilic

図の中央と右側に、グルタミン酸の酸素原子とヒス

amino acid side chains in molecular dynamics simulation"

チジンの窒素原子について、シミュレーションから得

著者：Tomotaka Oroguchi and Masayoshi Nakasako

た水和分布関数を示す。新しい力場モデルが経験的水

雑誌巻号：Sci. Rep.7, 15859 (2017).

和分布関数を再現するのに対して、従来の力場モデル
は経験的関数を再現できていない。このことは、水素水素結合は、生命現象の素過程を担う蛋白質の構造

結合形態が極性原子内の電荷の偏りの影響を受けるこ形成、分子認識や機能発現において重要な役割を果たと、そして、その影響を無視した従来の力場モデルは、

す分子間相互作用である。近年、分子動力学（MD）

水素結合を正しく扱えていないことを意味する。さらシミュレーションが、分子レベルでの生命現象を取りに、新しい力場モデルを用いた MD シミュレーション扱う研究や創薬分野において重要なツールとなっていを複数の蛋白質分子に適用することにより、機能上重るが、水素結合の形成形態に関する実験情報が不足し要な極性原子周辺において、実験的に得られた水和水ていたために、MD が水素結合形成を正しく取り扱え

分子分布を再現できることを確認した。

ているかどうかについて積極的な検証が行われてこな

水素結合は蛋白質の構造形成だけでなく、機能的構かった。従来の MD シミュレーションにおいて用いら

造揺らぎ、さらには薬剤分子との結合といった局面にれてきた力場モデルは、原子を原子中心に置かれた 1

おいても重要な相互作用であるため、本研究で提案しつの電荷サイトとして近似するものが主流であり、そた力場モデルにおける電荷分布の近似の仕方は、蛋白のような力場モデルでは水素結合の形成形態を正しく質機能の研究において重要になると考えている。

取り扱えないことが、量子化学計算を用いた研究によってこれまでに示されている[1]。
我々はこれまでに、主にＸ線構造解析によって、生体分子の代表である蛋白質と水の界面における水分子の分布状態『水和構造』を原子レベルで系統的に調べ、極性原子周辺の水和構造に、極性原子が形成する水素結合の距離や方向性などの幾何学的特徴が色濃く反映されることを明らかにしてきた[2]。そこで本研究では、
水和構造を水素結合の形成形態に関する実験情報として用いることで、MD シミュレーションにおいて用いられる力場モデルの評価を行った。
本研究では、蛋白質Ｘ線結晶構造データベースから
約 483 万個の水和水を抽出し、その位置情報から構築した経験的水和分布関数を実験データとして参照した。
経験的水和分布関数は、蛋白質表面を構成するアミノ

図 経験的水和分布関数(左)と、非共有電子対を表す電荷サイトを導入した力場(中央)と導入していない力場(右)を用いた
MD から得られた水和分布関数の比較。(a) グルタミン酸側鎖の COO― 官能基、及びに、(b) ヒスチジン側鎖のイミダゾー
ル環周りの水和分布関数。

酸の極性原子周辺でどこに水分子が分布しやすいかを
三次元密度分布関数として表したものであり（図左側）、

引用文献

その分布の特徴から極性原子から非共有電子対に向か[1] R. W. Dixon and P. A. Kollman, J. Comput. Chem. 18,

う方向に水素結合が形成されやすいことが分かる。極

1632-1646 (1997).

性原子を含むペプチドに対して、水分子集団中での[2] D. Matsuoka and M. Nakasako, J. Phys. Chem. B 113,

MD シミュレーションを行い、極性原子周りの水和分

11274-11292 (2009).

布関数を計算した。シミュレーションでは、従来の力504

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業績紹介：ハロロドプシンの光反応におけるレチナール発色団構造の時間発展
水野 操
神取 秀樹
水谷 泰久

（阪大院理・A02 計画研究分担者）（名工大・A03 計画研究代表者）（阪大院理・A02 計画研究代表者）

じることを示した。反応の進行により、L 中間体ではねじれの部位がシッフ塩基付近に変化し、N 中間体においてねじれが解消することが示された。
塩化物イオンがポンプされる経路にあるシッフ塩基

論文題目："Structural Evolution of a Retinal Chromophore

周辺の構造変化を議論するために、C=N 伸縮振動バンinドに注目した。プロトン化シッフ塩基における C=N 伸

thePhotocycleofHalorhodopsin

fromNatronobacterium pharaonis"

縮振動モードは、N−H 面内変角振動モードと強くカッ

著者：Misao Mizuno, Ayumi Nakajima, Hideki Kandori,

プルするため、シッフ塩基のプロトンにおける水素結

and Yasuhisa Mizutani合が関与する構造に敏感である。軽水および重水中に雑誌巻号：J. Phys. Chem. A 122, 2411-2423 (2018).

おける C=N 伸縮振動数を比較した結果、すべての状態
において重水素化による低波数シフトが観測されたこ

微生物型ロドプシンの代表的な機能のひとつは、光とから、シッフ塩基がプロトン化していることがわか

駆動イオンポンプである。その一種であるハロロドプった。また、L 中間体でのみ、軽水中のバンド幅が重

シンは、細胞膜の外から内へ塩化物イオンを輸送する。

水中よりも広がっていた。これは、C=N 伸縮振動モー

イオンの輸送経路には、レチナール発色団がタンパクドと水分子の HOH 変角振動モード間における共鳴振質と形成するプロトン化シッフ塩基が存在する。シッ

動エネルギー移動に由来すると考えられる。このこと

フ塩基がイオン輸送経路に含まれている。ポンプ機構

から、L 中間体ではシッフ塩基のプロトンが近隣にあの理解には発色団に起きる段階的な構造変化の解明がる水分子と強く水素結合していることが示唆された。

きわめて重要である。しかし、イオンポンプ機構におさらに L 中間体のスペクトルには、タンパク質に結合ける光サイクル反応中での一連のレチナール発色団のするハロゲン化物イオン依存性が顕著に観測された。

構造変化の研究は、もっとも代表的なイオンポンプでL 中間体では、ポンプされるイオンは、シッフ塩基とあるバクテリオロドプシン（BR）について精力的に行水素結合している水分子に水和されることが示唆されわれているが、それ以外のイオンポンプについては、た。この構造変化が、シッフ塩基をイオンが通過する

BR のスペクトルとの類似性による議論に限られてきタンパク質の分子運動に関与すると考えられる。

た。わたしたちは本研究で、古細菌 Natoronobacterium

pHR は、これまでにいくつかの中間体を含めた結晶

pharaonis 由来ハロロドプシン（pHR）のレチナール発構造解析が行われており、タンパク質内における原子色団の時間分解可視共鳴ラマンスペクトルをイオンが座標はかなり明らかになっている。本研究では、塩化輸送される幅広い時間スケール（ナノ秒からミリ秒ま物イオンがポンプされるときに起こるレチナール発色で）で観測した。その結果、光サイクル反応で現れる団と周辺分子やポンプされるイオンとの相互作用変化

一連の K、L および N 中間体における発色団構造から、を明らかにした。これにより、pHR のポンプ機構に対塩化物イオンのポンプ機構を議論した。

するさらなる知見を得ることに成功した。

光反応中のレチナール発色団におけるポリエン鎖の構造は、C−C 伸縮振動バンドの変化から、未反応状態
では全トランス（13-trans, 15-anti）体であるのに対して、K、L および N 中間体では 13-cis, 15-anti 体である
ことがわかった。また、K 中間体では C11=C12 位における水素原子面外変角振動（hoop）バンドが、L 中間
体では C15 位における hoop バンドが観測されたのに対して、N 中間体では観測されなかった。
hoop バンドは、
図 pHR の未反応状態の共鳴ラマンスペクトル，および 3 つの光反応中間体（K，L および N 中間体）の過渡共鳴ラマン
スペクトル．もっとも高波数側に現れているバンドが，イオンの輸送経路にあるプロトン化シッフ塩基の構造を反映す
る C=N 伸縮振動バンドである．

ポリエン鎖がねじれることで、ラマン散乱の強度が増大する。観測結果は、光反応初期では、異性化をともなう K 中間体の生成においてポリエン鎖のねじれが生505

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 55平成 30 年 3 月

業績紹介：変性したタンパク質の一分子 FRET データに構造の不均一性がなぜ観察されるのか？
高橋 聡（東北大・A02 計画研究代表者）
小井川 浩之（東北大・A02 計画研究連携研究者）

でいないのは驚くべきことである。
我々のこれまでの研究において、BdpA とユビキチンの変性状態において観測された FRET 効率がショッ

論文題目："Hypothesis: Structural heterogeneity of the

トノイズ限界よりも広く分布することを見いだした。

unfolded proteins originating from the coupling of the local

分子ごとの FRET 効率の時間変化はゆっくりであり、

clusters and the long-range distance distribution"

ミリ秒以上の時間スケールで変動しているようである。

著 者 ： Satoshi Takahashi, Aya Yoshida and Hiroyuki

一方で、蛍光相関分光測定では、変性タンパク質の構Oikawa

造揺らぎが 100ns 以内に起こることが報告されている。

雑

誌

巻

号

：

BiophysicalReviews(2018).

ここで、100ns 以内という高速の構造揺らぎがあるな

https://doi.org/10.1007/s12551-018-0405-8

らば、構造の不均一性はマイクロ秒やミリ秒の時間領域では平均化されるはずである。なぜこのような矛盾する観察結果が得られるのだろうか？

我々は、タンパク質のフォールディングを分子論的に理解することを目指して、本新領域研究に取り組ん

変性タンパク質において、ミリ秒の時間領域におけできた。この過程で、ライン共焦点型の一分子蛍光分る構造の不均一性が観察できるとする我々の主張は、

光測定法を開発し、変性したタンパク質の FRET 効率

分野の中では異端である。一分子蛍光分光法を用いてが広く分布することを見出した。これは、変性状態のいるほとんどの研究者は、FRET 効率の若干のブロー

不均一性を示唆するデータである。しかし、我々の観

ドニングが観察された場合でも、FRET 効率の平均値

察は、変性タンパク質の構造揺らぎが高速で起こるとのみを解析に用い、不均一性は追求していない。実際、する従来の知見と一見矛盾する。本総説では、我々の常識的に考えると、ミリ秒よりもゆっくりとした構造観察と従来の知見を統一的に説明するために、変性しの不均一性が残っているとは考えられないのである。

たタンパク質の示す不均一性と運動性について、新し本総説において、我々は、変性したタンパク質には局所的な不均一構造が存在し、ミリ秒以上の比較的長い仮説を提案した。
変性タンパク質の構造の不均一性は、いまだに正確い寿命を持つことを提案した。さらに、局所構造の違な理解が進んでいない謎の物理量である。変性タンパ

いに応じて、色素をラベル化した部位間の距離分布が

ク質は、ランダムコイル状態にある高分子鎖として振変動を受けることを提案した。例えば、N 末端付近にる舞う。そのため、ある瞬間の溶液内における変性タ

部分的なヘリックス構造を持つ分子 A と、ターン構造

ンパク質を調べると、分子ごとに異なる多数の構造がを持つ分子 B があったとする。分子 A と B それぞれ観察されるはずである。しかし、実験的に構造不均一

では、N 末端と C 末端の衝突は大変高速に起きるはず性を検出することは大変難しい。これは、分子構造をである。しかし、分子 A においては平均的な両末端間調べる通常の手法の感度が悪く、分子の集団平均しか距離が短く、分子 B は平均末端間距離が長い状況が想観測できないためである。一分子測定方法を用いたと定できる。これにより、FRET 効率に不均一性が観察しても、観測には時間平均を必要とするために、やはされる可能性がある。

り構造の不均一性の検出は大変難しい。

変性したタンパク質に比較的長時間の寿命を持つ構

このため、変性タンパク質は「理論的には不均一で造が存在することが事実であれば、タンパク質フォー

あるけれども、実験的にはほぼ均一に振る舞う状態」

ルディングについてのこれまでの描像を大きく変えると捉えられている。実際、最新の一分子観察データを可能性がある。実際、過去にも何人かの研究者が類似含むほとんど全ての実験データは、「均一な」変性状態する提案を行なっている。より精度の高い物理化学測を仮定することで、問題なく解釈が可能である。しか定を行い、タンパク質の特性を正確に捉えることが求し、タンパク質のフォールディングを理解する上で、められている。

構造の不均一性は本質的に重要な物理量である。現在においても、不均一性についての具体的な理解が進ん506

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 55平成 30 年 3 月

業績紹介：アドレナリン受容体部分ペプチドによる分子認識に似た紫外スペクトルを与え、２つのバンド a, b が観石内 俊一（東工大化生研・A02 班分担者）
藤井 正明（東工大化生研・A02 計画研究代表者）

測された。一方、ノルアドレナリン及びドーパミンではバンド a のみが観測された。それぞれのバンドがど

論文題目：" M olecular Recognition by a Short Partialの様な構造に由来するのかを明らかにするため、IR-

Peptide of the Adrenergic

Receptor: A Bottom-Up

UV dip 分光法により異性体選別した赤外スペクトル

Approach"
著 者 ： Tsubasa Sekiguchi, M asato Tamura, Hikari Oba,を測定した。同位体置換などを駆使してそれぞれの赤Pierre Çarçarbal, Rolando Rafael Lozada-Garcia, Anne構造（α-ヘリックスの基本構造）のペプチドにリガン

外スペクトルを解析したところ、バンド b はα-ターン

Zehnacker-Rentien, Gilles Grégoire, Shun-ichi Ishiuchi, and

ド分子がカテコール OH 基で水素結合した構造である

M asaaki Fujii
雑誌巻号：Angew. Chem. Int. Ed. (2018) in press. (DOI:

ことが分かった。これは結晶構造から分かっているア

10.1002/anie.201712976)

一方、バンド a はリガンド分子のプロトン化したアミ

ドレナリンの結合構造（分子認識構造）と同様である。
ノ基がペプチドに水素結合した構造であり、ペプチド

神経伝達物質とその受容体タンパク質は、互いに種々

はα-ターン構造とは全く異なる構造をとっていることのコンフォメーションを取り得る柔らかい分子であるが分かった。すなわち、本来受容体と結合するリガンにも関わらず、非常に精密な分子認識を実現しており、ドは分子認識構造である異性体 b を形成するのに対しそのメカニズムに興味がもたれる。これらの分子選択て、結合しないリガンドではその様な複合体を形成し的結合については、薬理学的重要性から生化学的に広ないということであり、SIVSF という短い部分ペプチ

く研究されており、一部の受容体においては結合サイドでも分子認識機能をもつことが示唆された。しかし、トも明らかになっている。β 2-アドレナリン受容体は古そもそも SIVSF は受容体中ではカテコール OH 基を認くから研究されてきた系であり、アドレナリン・受容識する部位であり、今回取り上げたリガンドはアミノ体複合体の高分解能の X 線結晶構造解析により、アド基の構造が異なるだけであるから、SIVSF がアミノ基

レナリンがどの様に結合しているかが原子分解能で明の構造の違いを認識しているということになる。つまらかになっている[1]。この様に、認識されるリガンド

りこの結果は、結合ポケットを形成する各結合サイトについては詳細な情報が得られているものの、認識さがリガンド分子の各部分を完全に分業して認識していれないリガンドがなぜ認識されないのかは従来の実験

るのではないことを示唆している。

法ではアプローチが困難である。本研究では、気相ク
ラスター研究の技術を利用して、結合部位だけを切り出した部分ペプチドと種々のリガンド分子との複合体の構造を研究した（ボトムアッップ・アプローチ）。
SIVSF はβ 2-アドレナリン受容体のアドレ ナリン結合ポケットに位置する部分配列であり、２つの Ser 残
基の OH 基がアドレナリンのカテコール OH 基と水素結合を形成すると考えられている[1]。本研究では、この結合部位だけを切り出した部分ペプチドとアドレナ
リン、イソプレナリンの様に受容体と親和性の高いリ
ガンド、及びノルアドレナリンやドーパミンの様に親和性の低いリガンドとの複合体をエレクトロスプレー

図 1. SIVSF と a) アドレナリン, b) イソプレナリン, c)
ノルアドレナリン, d) ドーパミンの複合体の紫外スペ
クトル法で生成した。これら複合体イオン（リガンド分子がプロトン付加体となっている）を冷却イオントラップ
で極低温に冷やし、紫外スペクトルを測定した（図１）。

引用文献

アドレナリン及びイソプレナリンを含む複合体は非常[1] A. M . Ring, et al., Nature 502, 575 (2013).

507

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No. 55平成 30 年 3 月

業績紹介：光駆動型ナトリウムイオンポンプ KR2 の
プロトンポンプ機構欠如の機構解明
重田 安里寿(横浜国大・A02 公募研究 研究協力者)
伊藤 奨太 (名工大・A03 計画研究 研究協力者)
井上 圭一 (名工大・A03 計画研究 研究分担者)
神取 秀樹 (名工大・A03 計画研究代表者)
川村 出 (横浜国大・A02 公募研究代表者)

イオンのサイズに依存的であることと、バッファーの置換が細胞外側 Na+結合サイトのイオンの置換を誘発することに着目し、H30A でアルカリ金属イオン置換
した際のレチナールシッフ塩基及びカウンターイオン
Asp116 との相互作用変化を観測した。
A02 川村 G によるプロトン化シッフ塩基 15N NMR
信号の固体 NMR 観測により、WT/Na+存在下でシッフ

論 文 題 目 ： "Long-distance perturbation on Schiff

塩基とカウンターイオンが形成している水素結合やシ

base-counterion interactions by His30 and the extracellular

ッフ塩基周りのねじれが、H30A/Na+存在下、WT/Na++

Na -binding site in Krokinobacter rhodopsin 2"

非存在下、H30A/Na+非存在下の順に大きくなっている

著者：Arisu Shigeta, Shota Ito, Rina Kaneko, Sahoko

ことがシッフ塩基の化学シフト値のシフトから明らか

Tomida, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Izuru Kawamuraになった(図)。また、A03 神取 G の FTIR 観測により、

雑 誌 巻 号 ： Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 8450-8455

シッフ塩基の N-D 伸縮振動の信号が WT/Na+非存在下、(2018) (Communication).

H30A/Na+非存在下でより低波数のバンドを示し、強い相互作用が生まれていることが明らかになった。また

光 駆 動 型 ナ ト リ ウ ム イ オ ン ポ ン プ Krokinobacter

過渡吸収の結果から H30A/Na+存在下では WT 様に光rhodopsin 2 (KR2)は当新学術領域で様々な共同研究が反応が起こるのに対し、H30A/Na+非存在下では反応が生まれ、シンボル的な分子の一つである。KR2 のナト

少量の K 中間体の形成で止まり、強まったシッフ塩基

リウムイオンポンプ機構に関してはその輸送機構をはとカウンターイオン間の相互作用により、レチナール

じめとしてそのユニークな特性が明らかになっているの異性化及びシッフ塩基の脱プロトン化を阻止してい[1]。本論文は KR2 が持つプロトンポンプ機能が欠如ることが考えられる。これらのことから、His30 の変するメカニズムに関して明らかにしたものである。

異と Na+の非結合状態が同時に起こることにより、プKR2 が Na+非存在下かつ K+やそれ以上のサイズのア

ロトンポンプ機能が阻害されることを明らかにした。

ルカリ金属イオン存在下で発現するプロトンポンプ機
構に関しての知見は少ない[2]。特に、タンパク質内に結合したレチナールのシッフ塩基のカウンターイオン
である Asp116 の変異体 D116N や、NaR に共通しポン
プ機能に重要とされる NDQ モチーフの一つである
Asn112 の変異体 N112A はナトリウムイオンポンプ機能を欠如しプロトンポンプ機能のみを保持するのに対し、イオン輸送には直接関与しないと考えられる
His30 の変異体 H30A は Na+存在下でナトリウムイオン
ポンプ機能を有するにも関わらず K+存在下でプロト

図 His30 と細胞外側 Na+結合サイトの位置及びアルカリ金属

ンポンプ機能を欠如する。前者の現象が、そのイオン

イオン置換によるシッフ塩基の 15N 化学シフト値の変化

輸送メカニズムや過去の機能転換の結果から容易に推引用文献察できるのに対し[3]、H30A は構造と機能を結びつける情報が必要である。また、KR2 には細胞外側に Na+[1] H. Kandori, K. Inoue, S. P. Tsunoda, Chem. Rev.

結合サイトが存在し、高塩濃度下では光反応中も結合(2018) DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00548

したまま存在すると考えられ、タンパク質の安定性や[2] K. Inoue et al., Nat. Commun. 4, 1678 (2013).

フォトサイクルに関与していることが明らかになって[3] K. Inoue et al., J. Biol. Chem. 291, 9883-9893 (2016).

いる。我々は、イオン輸送の選択性がバッファー中の508

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No. 55平成 30 年 3 月

業績紹介：リーシュマニア原虫細胞模倣膜との相互作用における抗菌ペプチド ボンビニン H4 の D 体アロイソロイシン残基の役割
H2 と H4 それぞれについて細胞膜との相互作用を評価

川村 出 (横浜国立大学・A02 公募研究代表者)
佐藤 久子 (愛媛大学・A02 公募研究代表者)

した。水溶液中から細胞膜表面にペプチドが吸着する
際に H4 の方がより早く相互作用を始める。その際に、N 端から 2 つのイソロイシン残基の側鎖のコンフォメ

論文題目："The role of D-allo-isoleucine in thedeposition of the anti-Leishmania peptide bombinin
H4 as revealed by 31P solid-state NMR, VCD
spectroscopy and MD simulation "著者：Batsaikhan Mijiddorj, Shiho Kaneda, Hisako
Sato, Yuki Kitahashi, Namsrai Javkhlantugs, Akira
Naito, Kazuyoshi Ueda, Izuru Kawamura
雑誌巻号：
Biochim. Biophys. Acta. –Proteins and Proteomics(2018) doi.org/10.1016/j.bbapap.2018.01.005

ーションが VCD で明らかにしたようなシス型をとる(Fig. 1)ことによって、側鎖が脂質二分子膜の疎水環境に挿入され、ペプチドの膜貫通状態への移行がより進
みやすくなることが示唆された。
このようなペプチド中のアミノ酸 1 残基の立体異性の変化が細胞膜との相互作用に影響を与えることを分子レベルで明らかにした。

生体分子のわずかな構造の違いで機能が増強する場合がある。カエルの皮膚分泌に含まれる抗菌ペプチドであるボンビニン H2 は、その 2 残基目の L 体イソロ
イシンがイソメラーゼによる翻訳後修飾を受けて、D
体のアロイソロイシンを有するボンビニン H4 に変化するとされる[1]。リーシュマニア原虫に対する活性試
験, 大腸菌や黄色ブドウ球菌などに対する抗菌試験やリポソームからの蛍光試薬のリークなどにおいて H2よりも H4 の活性がいずれも高いことが報告されてきた[2]が、なぜ 2 残基目の立体異性がそのような差をもたらすのかはわかっていなかった。
我々はこのような性質を示すボンビニン H4 に注目して研究を行ってきた。まずリーシュマニア原虫の細胞膜構成脂質成分を模倣したリポソームを作成し、31P
固体核磁気共鳴(NMR)測定からボンビニン H2 と H4

図 1 分子動力学シミュレーションによるボンビニン

がペプチド濃度依存的な膜分断活性を示すことを示し

H2 および H4 のリーシュマニア模倣脂質二分子膜とのた。一方で H2 と H4 の差は計測することはできなかっ相互作用のスナップショットた。次に A02 佐藤久子教授と共同して、分子の絶対立
体配置を決定することができる振動円偏光二色性

引用文献(VCD)を用いて、ボンビニンの N 端のコンフォメーシ[1] V. Gehmayr et al., ChemBioChem. 12, 1996 (2011).

ョンを調べた。すでにこのペプチドの研究を想定して、[2] M. L. Mangoni, Curr. Protein Pept. Sci. 13, 734 (2103).

アミノ酸レベルでイソロイシンの VCD パターンを詳[3] H. Sato et al., Chem. Lett. 46, 449-452 (2017).

細に解明していたことも助けになって[3]、今回の VCDの結果から 1 残基目の側鎖と 2 残基目の側鎖の関係がH2 ではトランス型、H4 ではシス型であることがわかった。さらに分子動力学シミュレーションにおいて、509

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No. 55平成 30 年 3 月

業績紹介：噴霧スプレー熱分解堆積法で作成した TiO2 薄膜の電子トラップ準位
山方

啓 （豊田工大・A02 公募研究代表者）

確率が減るからであると説明できる。
ASPD 法で調製した電極の方が、SPD 法で調製した

論文題目："Fabrication of Robust TiO2 Thin Films by

電極よりも光励起キャリアーの寿命が短いにも関わらAtomized

ず、光電極活性が高いことは一見矛盾しているように

Spray

Pyrolysis

DepositionforPhotoelectrochemical Water Oxidation"

見える。しかし、これは電子の移動度の違いで説明で

著者：Chandana Sampath Kumara Ranasinghe, Junie Jhon

きる。粉末を水に懸濁して反応させる光触媒反応の場

M. Vequizo, and Akira Yamakata

合には、電子と正孔はいずれも粉末の表面で反応物に雑誌巻号：J. Photochem. and Photobiol. A: Chemistry, in

消費される。したがって、電子が表面欠陥に捕捉されpress, DOI: 10.1016/j.jphotochem.2017.09.006.

ていても反応物が接近できるので、光励起キャリアーの寿命が長い方が活性は高い。一方、電極反応の場合

酸化チタン薄膜は光を用いて水を分解する光電極やには正孔は酸化チタンの表面で水と反応するが、電子

色素増感太陽電池などに用いられている。これらのデは酸化チタン薄膜内部を通過し、対極に移動しなけれバイスの性能を向上させるためには、表面積が大きく、ば反応物と反応しない。したがって、ASPD 法で調製

電気伝導特性が高い薄膜を調製することが重要である。

した欠陥が少ない薄膜の方が電子が速やかに対極に移

一般に酸化チタン薄膜電極は酸化チタン粉末を基板に動するので、定常反応活性は高くなると考えられる。

塗布し、焼結して作製することが多い。しかし、粉末をベースに用いているため、表面欠陥が多く、透明度も高くないという問題点がある。一方、有機チタン溶液を加熱した基板上に噴霧して作製する方法（ASPD法）では、緻密で透明な薄膜を作ることができる。そこで本研究では、この二つの製法の違いを詳しく理解するために、ASPD 法で調製した酸化チタン薄膜と粉末懸濁液をスプレー噴霧した後に焼成（SPD 法）してA調製した薄膜を用意し、これらの光電気化学特性と光励起キャリアーの挙動を比較した。
まず、酸化チタン薄膜電極に 375 nm の定常光を照Absorbance / a.u.

射して水の酸化活性を調べたところ、ASPD 法で調製した電極は、SPD 法で調製した物より 3 倍以上高い活性を示した。次に、このメカニズムを調べるためにこれらの薄膜に 355 nm のレーザーパルスを照射して赤外過渡吸収スペクトルを測定した。その結果、図 1(A)に示すように ASPD 法で作成した薄膜は 3000 cm-1 以

Optimized ASPD-550 oC
5 s
10 s
20 s
50 s
100 s200 s500 s1000 s0

B

下に自由電子特有の右肩上がりの単調な吸収が現れた。
一方、SPD 法で調製した薄膜の場合には、図 1(B)に示
すように 3000 cm-1 以下の自由電子特有の吸収に加え

5 s
10 s
20 s
50 s
100 s200 s500 s1000 s-4

1 x 10SPD-TiO2 powder
1 x 10-4て、トラップ電子に帰属される吸収が 2000 cm-1 と6000~3000 cm-1 に出現した。これは、粉末は表面に欠0

陥が多数存在することに加えて、焼結の際に形成され6 00 0た粒界などの欠陥に電子が捕捉されていることを示唆

5 00 0 4 00 0 30 0 0 2 00 0
Wavenumber / cm-1

している。一方、再結合速度自身は ASPD 法よりも粉図１．噴霧スプレー熱分解堆積法（ASPD）で作製した TiO2末を用いた SPD 法で調製した薄膜の方が長い。これは薄膜(A)と粉末焼成して作製した TiO2 薄膜(B)に紫外光パル

電子が欠陥に捕捉されると正孔と衝突して再結合する

ス(355 nm, 6 ns)を照射して測定した過渡吸収スペクトル510

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No. 55平成 30 年 3 月

業績紹介：可視光応答型 Ta3N5 光触媒粒子に担持した CoOx 助触媒の担持効果
山方啓 （豊田工大・A02 公募研究代表者）

が分かっている。したがって、スペクトルの変化からも CoOx に正孔が移動することが確認できる。

論 文 題 目 ： "Role of CoOx Cocatalyst on Ta3N5

一方、電子の変化を見ると、13000~4000 cm-1 の吸収

Photocatalysts Studied by Transient Visible to Mid-Infraredが減少し、3000 cm-1 以下に自由電子に帰属されるブロ

Absorption Spectroscopy"

ードな右肩上がりの吸収が増加している。これは、

著者：Junie Jhon M. Vequizo, Mirabbos Hojamberdiev,

CoOx を担持すると、トラップ電子の数が減り、自由電

Katsuya Teshima, and Akira Yamakata

子の数が増加することを意味している。この結果は、

雑誌巻号：J. Photochem. and Photobiol. A: Chemistry, in

CoOx を担持すると酸素欠陥などの電子トラップサイ

press, DOI: 10.1016/j.jphotochem.2017.09.006.

トが減少することを意味している。自由電子はトラップ電子よりも反応活性が高い。つまり、担持した CoOx

エネルギー問題や環境問題を解決するために太陽光

は、正孔を捕捉することで電子の寿命を延ばす効果がを用いて水を分解して水素を製造できる光触媒が注目ある一方で、表面欠陥に配位することで欠陥の構造とされている。この光触媒の活性を向上させるのに有効

トラップ準位を変化させ、光触媒活性の向上に役立っ

な方法の一つは助触媒を担持することである。Pt やていることが分かった。

NiO は水素発生を促進し、IrO2 や CoOx は酸素発生を促進することが知られている。これらの助触媒はそれぞ

Effects of CoOx on Ta3N5

れ光励起電子と正孔を捕捉し、水素発生と酸素発生のReduction of defect(recombination center)

過電圧を下げる役割をすると考えられている。しかし、担持した助触媒が光励起キャリアーに与える影響はまEfficient hole-capture

h+

CoOx

h+

bare Ta3N5

CoOx

h+

CoOx-Ta3N5
trapped efree e-

だ十分に分かっていない。そこで、本研究では光励起
photon電子や正孔の動きを調べることができる時間分解分光e-

Defects測定をもちいて、触媒担体から助触媒への電荷移動過

e-

Ta3N5

V IS Eh

程を調べた。ここでは、600 nm までの可視光を用いて
A bsorb an ce (x 10-3)

水を酸化できる Ta3N5 に CoOx を担持して、光励起キャ
リアーの減衰過程を調べた。
何も担持しない Ta3N5 に 355 nm のレーザーパルスを照射すると、図１(A)のように 17000 cm-1 と 13000~4000
cm-1 にブロードな過渡吸収が観測された。これらはそれぞれトラップ正孔とトラップ電子に帰属される。これは、Ta3N5 の場合、大部分の電子は欠陥にトラップ
モニア気流下で高温処理して合成されるが、この時に酸素欠陥が形成されやすい。この酸素欠陥近傍にある
Ta が電子を強く束縛していると考えられる。
次に、この触媒に酸素発生助触媒の CoOx を 2wt%担
持して過渡吸収スペクトルを測定した。その結果、-1

CoOx を担持すると、図１(B)のように 17000 cm のト
ラップ正孔に帰属される吸収が減少している。これは、CoOx に正孔が捕捉されることを意味している。実際に、CoOx を担持すると、13000 cm-1 に新しいピークが出現A b so rba n ce (x 10-3)

されていることを意味している。Ta3N5 は Ta2O5 をアン

Ee

IR

Wavenumber / cm-1

5 s
10 s
20 s
50 s
100 s
1 ms

6
4
2

(A)

0
2 00001 50001 00005000 1000-1

Wavenumber / cm
5 s
10 s
20 s
50 s
100 s
1 ms

6
4
2

(B)

0
20000

15000

10000

5000 1000-1

Wavenumber / cm

する。Co が二価から三価に酸化されると、Co3+種の

図１．Ta3N5 (A)と CoOx を担持した Ta3N5 (B)に紫外光パル

d-d 遷移に帰属される吸収がこの付近に出現することス(355 nm, 6 ns)を照射して測定した過渡吸収スペクトル511

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No. 55平成 30 年 3 月

業績紹介：能動輸送のパナマ運河モデルと光駆動ナトリウムポンプの特殊性
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）

一方、神取グループでは自然界に存在しないと信じられてきた光駆動ナトリウムポンプを 2013 年に報告した。光駆動ナトリウムポンプはナトリウムイオンを
出口側表面に結合するが、結合部位を欠損させてもポ

論文題目："Light-Driven Sodium-Pumping Rhodopsin:

ンプの機能は保たれることが判明し、標準的なパナマ

A New Concept of Active Transport"

運河モデルに従わないことが明らかになった。この分

著者：Hideki Kandori, Keiichi Inoue, Satoshi P. Tsunoda

子ポンプは、船が入っていない状態でエネルギーを入

雑誌巻号：Chem. Rev. DOI:10.1021/acs.chemrev.7b00548.

力しても、船を運ぶことができるという不思議な輸送メカニズムを持つことがわかったのである。

ポンプやトランスポータの能動輸送は、チャネルの本総説では、パナマ運河モデルに従わない光駆動ナ

受動輸送とともに生命を支えている。上り坂輸送にな

トリウムポンプに対して、修正パナマ運河モデルともるため必ずエネルギー入力が必要であり、そのメカニ言うべきモデルを提案している。光のエネルギーを巧

ズム解明は生命科学における最重要課題の 1 つである

みにタンパク質内部に貯め込むことで、ナトリウムイ

とともに、分子科学が解決すべき最高の題材である。

オンが拡散により入って来るまで待つことができるの能動輸送は左図下に示す alternating access model によだ。このためには、パナマ運河モデルに必須の 2 つのって説明されるが、能動輸送をエネルギー面からわかゲートが正しく作動することが重要であり、このタンりやすく説明するのが左図上のパナマ運河モデルであパク質はそのようにはたらいていることがわかってきる。パナマ運河では水位の高いところに船を運ぶため、
2 つのゲートとエネルギー入力による水位上昇が連動た（右図）。本総説のタイトルにある「新しい概念」とは、イオンを結合していなくても輸送できるメカニズ

しており、分子ポンプの 8 つの構造はパナマ運河の 8ムを指している。

つの状態と完全に対応する。

Chem. Rev.誌のインパクトファクターの高さには驚能動輸送にとって大切なことは、状態 3 と 4 の間のくところであるが、2014 年に機会を得てロドプシンのエネルギー入力の時点で船が入っていること（分子ポ「百科事典的」総説を発表した（ニュースレター p. 15）。

ンプではイオンが結合していること）である。水位をその後、本領域での共同研究などにより光駆動ナトリ

上げたときに船が入っていなければエネルギーを使っウムポンプ研究は神取研の看板となり、今回、二度目ても無駄な仕事になってしまうので当然であり、ほとの執筆依頼へとつながった。これをニュースレターのんどの分子ポンプはイオンを結合した状態でエネルギ

期間最終号に報告できることは大きな喜びであり、多ー入力が起こる。光のエネルギーを使ってイオンを一数の共同研究者に深く感謝の意を表したい。

方向に能動輸送する光駆動イオンポンプも、輸送されるプロトンやクロライドイオンは光吸収時にタンパク質内部に結合しており、この点でパナマ運河モデルに従う分子ポンプと言うことができる。

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新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 55平成 30 年 3 月

業績紹介：多機能性ダブルデッカー型ルテチウムフタロシアニン液体－スピン活性スイッチングおよびエレクトロクロミズム－
中西 尚志（物材機構・A03 計画研究代表者）

コアが効果的に隔離されていることが分かった。
C8C12Pc2Lu における Pc2Lu コアの隔離は、スピン特性でより顕著に議論でき、溶液中とニート液体状態のESR シグナルが高い類似性を示した。一方、C2C6Pc2Lu
では、溶液中の ESR シグナルに比べ、固体（ニート）状では半値幅の狭いシグナルとなり、隣接する Pc2Lu
コア間に相互作用が生じている。ニュートラル状態のスピン活性（SQUID 測定より常磁性を確認）は、電気
化学還元もしくは化学還元することで、不活性化できる（図 1）。この酸化還元制御に伴う、スピン活性のス
イッチングは、吸収スペクトル（電子状態）にも同様に反映（エレクトロクロミズム）された（図 1）。
以上、ダブルデッカー型ルテチウムフタロシアニン
を機能性コアとし、分岐アルキル鎖で安定化された液体は、酸化還元状態を制御することにより、スピン活性と同時に光吸収特性を可変な多機能型分子性液体となった。また、コア間の相互作用の違いにより、液体、
過冷却液体、固体などの様々な相状態を制御できた。
本結果は、相状態の制御に加え、分子固有の光学機能、スピン特性など複数の機能を保持・制御できる新たな機能性分子液体の開発の斬新な提案となっている。

論文題目："A Spin-Active, Electrochromic, Solvent-Free
Molecular Liquid Based on Double-Decker Lutetium
Phthalocyanine Bearing Long Branched Alkyl Chains"
著者：Agnieszka Zielinska, Atsuro Takai, Hiroya Sakurai,
Akinori

Saeki,

MarcinLeonowicz,

andTakashiinpress,Nakanishi*
雑 誌 巻 号 ： Chem.

Asian

J.,

DOI:10.1002/asia.201800175.
機能性ユニットとしてπ共役系分子、その周りに嵩高く、柔軟な分岐アルキル基を導入配置することで、
機能性π共役分子固有の機能を保持したまま常温液体の分子材料の創成が可能である。ここでの分子設計コ
ンセプトは、π共役系分子間で本来強く働くπ-π相互作用を分岐アルキル鎖の嵩高さ（立体障害）により効率よく抑制し、さらに分岐アルキル鎖の無数コンフィ
ギュレーションの効果によって、融点が室温以下となる液体物質の創成を可能としていることである。例えば、ピレン[1]やナフタレン[2]色素を発光性機能部位として、導入するアルキル鎖の数や置換位置を変えた誘導体は、色素ユニットの隔離度合い、液体粘性と高い相関性を持って発光機能が変化した。
今回、π共役分子ユニットに比較的大きな分子骨格であるフタロシアニンを採用し、かつルテチウムイオンを中心金属としたフタロシアニン環の二階建て（ダブルデッカー）構造とさせ、周りにチオアルキル基（分岐アルキル鎖）を導入した（Pc2Lu、図 1）。それらの溶媒フリーのニート状態における液体物性、酸化還元制御に追随する色変化ならびにスピン特性のスイッチ
ング等の検討を行った。アルキル鎖長には、2-エチル
ヘキシルデシル（2-C2C6）、および 2-オクチルドデシル（2-C8C12）の 2 種類を用い、アルキル鎖長に依存した相挙動やスピン活性の違いを検討した。
2-C8C12 アルキル鎖を導入した誘導体 C8C12Pc2Lu は
常温で高粘性の液体（非ニュートニアン液体ならびにずり減粘特性）となった。一方、短いアルキル鎖のC2C6Pc2Lu は常温において固体で得られたが、加熱で生じた溶融状態は、冷却後も一定時間安定に存在する過冷却液体状態を取り得ることが分かった。液体（固体）物性の違いは、Pc2Lu ユニット同士の相互作用の強さ（隔離状態）に起因しており、例えば光導電性は、
C2C6Pc2Lu > C8C12Pc2Lu となり、C8C12Pc2Lu 中の Pc2Lu

図 1. アルキル化ダブルデッカー型ルテチウムフタロシアニ
ン液体のエレクトロクロミズムおよびスピンスイッチング.

引用文献[1] T. Takaya, I. Kawamura, T. Nakanishi, et al., Sci. Rep. 7,3416 (2017). [2] T. Takaya, S. Ishihara, T. Nakanishi, et al,
Phys. Chem. Chem. Phys., 20, 2970 (2018).

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新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 55平成 30 年 3 月

業績紹介：外部刺激に応答してフォトン・アップコンバージョン発光色をスイッチングできる新規材料の開発
間瀬 一馬 （九大院工・博士課程学生）
楊井 伸浩 （九大院工・A03 公募研究代表者）
相良 剛光 （北大電子研・A03 公募研究代表者）

してそれぞれ緑色と黄色の蛍光を示した。項間交差によるエネルギー損失のない S-T 吸収を示す Os 錯体を用いて 1 の三重項励起状態を増感することで、G-form
だけでなく、より長波長シフトした発光を有する Y-論 文 題 目 ： "Stimuli-Responsive Dual-color Photon

form においても TTA-UC 発光が観測された。外部刺激

Upconversion: an S-T Absorption Sensitizer in a Softによる可逆的な UC 発光色のスイッチングに初めて成Luminescent Cyclophane"

功した (図 2)。

著者：Kazuma Mase, Yoichi Sasaki, Yoshimitsu Sagara,*
Nobuyuki Tamaoki, Christoph Weder, Nobuhiro Yanai,* andNobuo Kimizuka*
雑誌巻号：Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 2806-2810.
近年、三重項-三重項消滅に基づくフォトン・アップ
コンバージョン (TTA-UC) の新たな展開として、外部刺激による発光スイッチングが注目されている[1]。しかしながら、これまでの研究は発光の ON/OFF スイッ
チングに限られており、UC 発光色を可逆的に変化さ
図 2. 熱刺激による可逆的な UC 発光スイッチング

せた例は無かった。UC 発光色変化が容易でない理由
としては、三重項エネルギー拡散が起こる二種類の秩

本論文は Reviewer の反応が大変良く、リバイズ無し

序構造を示す分子が必要であること、構造変化に伴いの一発アクセプトとなり、雑誌の Inside Cover にも採発光が長波長シフトしても、励起波長と UC 発光波長用された (図 3)。これも本領域の新しい研究を生み出の差 (アンチストークスシフト) が十分に確保できるそうという勢いに背中を押され、本領域で初めて出会こと、が挙げられる。この二点を満たす系の構築を目ったメンバーで共同研究を行うことで、これまで困難

指し、室温で二種類の秩序構造を示すシクロファン 1

であった機能を達成できたお陰であると考えている。

を[2]、三重項増感剤として基底一重項から励起三重項への直接 S-T 吸収が可能な Os 錯体[3]と融合させた。

【引用文献】
[1]

P.

Duan,

N.

Yanai, Y. Kurashige
and N. Kimizuka,
Angew. Chem. Int.
Ed.,

54,

(2015);

7544
[2]

Y.

Sagara, C. WederandN.

Tamaoki,Chem. Mater., 29,6145 (2017); [3] Y.
図 1. a) 発光分子と三重項増感剤の分子構造と b) 今回

Sasaki, S. Amemori,の TTA-UC 発光のエネルギーダイヤグラム

H. Kouno, N. Yanai

シクロファン 1 は、結晶相 (G-form) と、高温で現and N. Kimizuka, J.

れるネマチック相を急冷することで得られる過冷却ネ

Mater. Chem. C, 5,

マチック相 (Y-form)は、分子間相互作用の違いに起因

5063 (2017).

514

図 3. Inside Cover に採用

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No. 55平成 30 年 3 月

業績紹介：延び縮みで発光が繰り返し ON/OFF スイッチングするゴム
相良 剛光 （北大電子研・A03 公募研究代表者）

団から離れ、蛍光が観察されるようになる（図 2）。

論文題目："Rotaxanes as Mechanochromic Fluorescent
Force Transducers in Polymers"
著 者 ： Yoshimitsu Sagara,* Marc Karman, Ester
Verde-Sesto, Kazuya Matsuo, Yuna Kim, Nobuyuki
Tamaoki, and Christoph Weder*

図２：ロタキサン型超分子メカノルミノフォアの動作

雑誌巻号：J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1584-1587.

原理
今回は、すでに合成法が確立されているポリウレタ

近年、機械的刺激を印加することで共有結合が切断

ンを二つの水酸基に導入した。ポリウレタンはいわゆ

され物性が変化するメカノフォアと呼ばれる分子骨格

るゴムの物性を示すので、バルク状態で何回でも繰りが、主に高分子化学の分野で着目されている[1]。特に返し伸ばしたり縮めたりすることができる。実際に、吸収色や発光色が変化するメカノフォアは、ポリマー

超分子メカノフォアが共有結合を介して導入されたポに印加されるダメージを簡便に可視化できるため、非リウレタンフィルムをバルク状態で伸縮させたところ、常に有用である。これまでに多数の共有結合切断型の繰り返し蛍光が ON/OFF スイッチングすることがわか

メカノフォアが報告されているが、様々な欠点が存在った（図３）。これはロタキサンを機械的刺激応答性発する。例えば、代表的な分子骨格であるスピロピラン

光材料に応用した初めての例ではないかと考えている。

は、フォトクロミズムを起こすことでも有名な分子骨格であり、機械的刺激だけを特異的に検出することができない。また、特定の共有結合を狙って切断するた
めの分子設計指針を立てることが難しく、目的のメカ
ノフォアを得るには相当量の試行錯誤が必要となる。
さらには、根本的な問題として、共有結合を切断してしまうため、必要となる力が大きくなり、かつ可逆性に乏しいという問題がある。

図１：今回開発した超分子メカノルミノフォア
最近我々はこれらの問題を一気に解決するべく、ロ
タキサン型超分子メカノルミノフォア（図１）を開発

図３：得られたポリウレタンフィルムが示した繰り返した。このロタキサンは蛍光団を持つシクロファンとし応答性

消光団を持つロッド分子で構成され、ロッド分子には

このような材料はストッパー部位が二つ導入されており、シクロファン

様々な分野にわたる応用が期待できるが、その一方でまだ基礎的な部分で解明されてがロッド分子から離れることができない。シクロファ
ンとロッド分子に導入された水酸基を利用することで、ポリマーを導入することができる。

いない点が多い。今後は、このような材料の動作原理に関する知見を集積することと、応用へ向けたアプローチを並行して研究を推進したいと考えている。

メカニズムは単純であり、力が印加される前は蛍光団の発光が消光団により消光されるが、力が印加され参考文献

る（ポリマーにより引っ張られる）と、消光団が蛍光[1] D. A. Davis et al., Nature 2009, 459, 68-72.

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新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 55平成 30 年 3 月

第 28 回 ワークショップ開催報告
北尾 彰朗
表者）

（東工大生命理工・A01 計画研究代

分子構造に関しては、構造生物学的な観点でべん毛の超分子構造が超解像度電顕を中心に次々に決定されていることが発表された。これらの超分子ではドメイ

第 28 回 柔らかな分子系ワークショップ 「べん毛：ンスワッピングなどの大規模な構造変化が、超分子機

柔らかな生体分子集合体の機能から細胞運動まで」を能のスイッチングをもたらすことが示唆されており、

平成 30 年 3 月 11 日（日）～13 日（火）に滋賀県大津

柔らかなタンパク質分子の変形と分子機能および生物市で開催したので報告する。このワークショップは、学的な機能が直結する系として、シミュレーションを

第 23 回べん毛研究交流会を、柔らかな分子系共催ワー

加えた今後の研究が待たれる。また、細菌べん毛モークショップとして開催したものである。

ターの一分子測定も大きく進展しており、イオン透過

大腸菌やサルモネラ菌などの細菌は、べん毛を用いとタンパク質の構造変化がモーターの回転とどのようてより生存に適した環境へと移動することができる。

に結びついているのか、分子科学として解明する準備

細菌のべん毛は、３０種類以上・数万分子の柔らかなが整ってきている。

タンパク質からなる分子集合体である。本ワークショ「柔らかな分子系」からの発表の一つは、べん毛モ

ップは、べん毛の立体構造構築・イオン勾配を回転運

ーターの固定子 PomAB の Na＋イオン透過性とアミノ酸動に変換するモーターの仕組み・シグナル伝達に伴う変異の影響を分子シミュレーションで明らかにした研モーターの反転とべん毛繊維の構造変化といった分子究である（発表者：北尾研・信夫 愛）。また、モータ

レベルの機能から、よりマクロな細菌の運動までの広ーの反転をもたらすタンパク質 CheY-FliM 複合体安定い範囲をターゲットとしている。つまり、柔らかな分性への圧力効果に関する発表を北尾研・畑 宏明が行っ子が作り上げる超分子システムがマクロレベルの生命た。これらはどちらも分子現象がマクロな細胞運動に機能を生み出す仕組みに多面的に取り組む研究会であ強く関わる興味深い系である。

るといえる。

今回のワークショップは広範な空間・時間スケール

今回のワークショップは合宿形式でおこない、８９の渡る現象を多面的なアプローチで明らかにするとい名の参加があった。タイトなスケジュールで外国人７

う点で大きく成功

名を含む４２名による最新の研究の口頭発表があり、したと言えるだろ

深夜までにいたる活発な討論がおこなわれた。

う。最後に、このワークショップを活用して、我々も含め、共同研究の輪が更に大きく広
がったことも申し添えておく。

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新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 55平成 30 年 3 月

East Anglia 大 Hayward 博士との国際共同研究報告
北尾 彰朗
表者）

（東工大生命理工・A01 計画研究代

第 2 の目的は、力覚装置を用いたフレキシブルドッ
キング法の共同研究である。生体分子は他の分子との結合時に立体構造を柔らかに変化させる。Hayward 博

英国 East Anglia 大 Steven Hayward 博士は、タンパ

士とその共同研究者である Stephen Laycock 博士・

ク質の分子シミュレーションや構造バイオインフォマ

George Iakovou 氏は、上述した力覚装置を用いたタン

ティクスの分野で長年独創的な研究を展開している研

パク質分子のドッキング法を開発してきた。最近、彼究者であり、この新学術領域の研究者が利用しているらは非常に大きな生体分子(例えば GroES と GroEL)の力覚装置を用いた分子操作ソフトウェア Haptimol シ

剛体 ドッキング を可能にするソ フトウェア ツール

リーズの開発者としてご存知の方も多いであろう。

Haptimol_RD を開発した。このソフトウェアは最終的

Hayward 博士は、MD シミュレーションを使っている研には生体分子の柔らかさを取り扱えるように開発され究者や構造生物学の研究者はほぼ必ず使ったことがあている。これまでに、北尾グループと共同して線形応るタンパク質のダイナミックドメイン解析サーバー・

答理論を用いたフレキシブルドッキングシステムの有データベース DynDom の開発者でもある。今回、柔らか

効性のテストを行っている。具体的には、複合体を形な分子系の招聘プログラムによって Hayward 博士に平成する 2 つのタンパク質分子（受容体分子と配位分子）成 29 年 11 月 5 日～12 日に来日していただき、国際共に関して、北尾グループでそれぞれ分子動力学シミュ

同研究を推進するとともに、セミナーもお願いするこレーションを行い、平衡状態での共分散行列を決定すとができたので、報告する。

る。そして線形応答理論を使用することで、外力（分この招聘の目的は、アミロイドβの新しい構造モデ

子間相互作用）に対して生体分子の変形の計算を行う。

ルの構築と力覚装置を用いたフレキシブルドッキング

今回、招聘が開始する前に、北尾グループで MD シミュ法の開発という２つの共同研究であった。

レーションを行って共分散行列を計算し、予め第一の目的は、上述のとおりアミロイドβの新しい

Hayward 博士にデータを渡し、解析を行ってもらって構造モデルに関する共同研究を推進することであった。

おいた。招聘期間中には、これまでの進捗状況の確認

アミロイドβはアルツハイマー病の原因となると考えと今後の研究方法・スケジュールについて議論を進められているアミロイドで、β構造をとった約 40 残基ほることができた。

どの長さのペプチドが、会合して形成される繊維状の平成 29 年 11 月 9 日には、Hinge and Shear Mechanism

構造体である。その構造や形成メカニズムには様々なin Protein Domain Movements- Is there a Real

モデルがあるが、それらが十分立証されているわけでDistinction?というタイトルでセミナーをお願した。

はない。北尾グループでは Hayward 博士らが提唱してこのセミナーは私のグループが東工大に移動して初めいるアミロイドβ線維の毒性オリゴマー中間体を検証て開催した記念すべき「第一回北尾研セミナー」となする MD シミュレーションを、１年以上前から長時間にった。今回の招聘プログラムによって共同研究を飛躍わたって実行してきた。MD シミュレーションでは、マ的に推進することができた。ここに記して感謝する。

イクロ秒程度の時間スケールのうちに、柔らかな構造
変化が起こり、シリンダー状の構造が形成される過程を観察することができた。この結果の解析を招聘前から開始し、構造形成のメカニズムを明らかにすべく準備を進めておいた。今回の招聘期間中には、これらのデータを Hayward 博士と私が一緒に分析して密なディ
スカッションを行い、論文の骨子を固めることができ、また追加のシミュレーションも行うことになった。その後、追加したシミュレーションの実行と解析が終了
し、論文をまとめあげることができた。現在、この論図文は投稿中である。

517

力覚装置によるタンパク質操作

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No. 55平成 30 年 3 月

Report on the 18th International Conference on Time Resolved Vibrational
Spectroscopy (TRVS-2017)

reactions of photo acids and the possibility ofobserving similar dynamics at air/water interface,which provided me a new insight into this type of
research. After Max Born Institute, I visited BESSY
II synchrotron at Helmholtz-Zentrum Berlin. Dr.
Marc F. Tesch from Institute of Methods for Material
Development division introduced me BESSY II beamline for soft X-ray photoelectron spectroscopy.
In the Fritz Haber Institute (FHI) of the Max Planck
Society, I visited department of physical chemistryheaded by Prof. Martin Wolf. One of postdocs in his
group, Dr. Martin Thamer, has introduced me to theirrecently developed Time-domain HD-VSFG set up
and also other facilities such as non-linear THz
spectroscopy and Time-resolved SHG Spectroscopy.
Besides, I gave a departmental seminar at the instituteon our recent results on 2D HD-VSFG study on water
dynamics at hydrophobic interfaces. This conference
and laboratory visits were really helpful andmotivated me towards a new future research direction.
It also helped me to improve my communication skill
in sharing thoughts and ideas with peers.

Mohammed Ahmed(理研，A02 計画研究田原グループ連携研究者）
The XVIIIth International conference on Time
Resolved Vibrational Spectroscopy (TRVS-2017)
took place in Churchill College, Cambridge
University, UK during the week of July16-21, 2017.
This conference represents the largest gathering ofresearchers in the field of ultrafast spectroscopy fromall over the world, and it covers advanceexperimental and theoretical developments in all
aspects of time resolved vibrational spectroscopy.
The conference was mostly focused on recent
developments in multi-dimensional spectroscopy andits application in studying vibrational dynamics andenergy transfer in liquids, solids and interfaces.
Indeed, this conference provided me with awonderful opportunity to explore many areas ofvibrational spectroscopy and meet many eminentscientists.
Besides attending many talks and posters, I made aposter presentation about our recent work on ultrafast
vibrational dynamics of water at hydrophobic
ion/water interfaces. During my poster presentation, I
have discussed our observation of distinct
energetically isolated water at hydrophobic ion/waterinterface with many researchers and got their helpfulcomments and suggestions. This was my first time toattend an international conference abroad and learned
a lot of new things by communicating withexperienced scientists.
After the conference, I travelled to Berlin to visit the
Max Born Institute, Helmholtz-Zentrum Institute andFritz Haber Institute (FHI) of the Max Planck Society.
In the Max Born Institute, I have visited Prof.
Thomas Elsasser’s research group. Wherein, Dr. Eric
Nibbering introduced their laboratories for 2D-IR
spectroscopy, 2D-THz and femtosecond x-ray
diffraction experiments. Dr. Eric Nibbering is anexpert in ultrafast UV-pump IR probe studies ofproton transfer processes in the condensed phase. We
had a deep discussion on ultrafast proton transfer

Photograph with Dr. Eric Nibbering (left) a at Max Born
Institute

Photograph with Dr. Marc F. Tesch (left) at BESSY II
synchrotron facility at Helmholtz-Zentrum Berlin.

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新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 55平成 30 年 3 月

国際共同研究・招聘報告：Prashant C. Singh 博士
二本柳
田原ーマについてまとめるとともに、次のテーマを見つけ聡史（理研，A02 計画研究連携研究者）て帰るところはさすがである。

太平（理研，A02 計画研究代表者）

滞在中 Singh 博士は田原研メンバーと積極的に交流
本新学術領域の国際共同研究・外国人研究者招聘プした。ラボミーティングや界面チームミーティングに

ログラムにより、インドの Indian Association for theも参加し積極的に意見を述べた。また、埼玉大学山口

Cultivation of Science（IACS）分光部門の Prashant C.

研究室を訪問し研究室見学および交流を行った。
最後に Singh 博士招聘をご支援いただきましたこと

Singh 博士を招聘した。Singh 博士は 2018 年 1 月 15 日
から 2 月 14 日までの一か月間理化学研究所に滞在し、を感謝申し上げます。

共同研究を実施した。
Singh 博 士 は Indian Institute of Technology (IIT),
Bombay で博士の学位を取得後、Wayne State University
で一度目のポスドク研究を行った。その後 2010 年 5月から 2013 年 6 月の 3 年間理化学研究所の理研の国際特別研究員として田原研で界面選択的な時間分解分光法を用いて水表面の超高速振動ダイナミクスの研究を行った。それらの業績が認められ現所属である IACSの助教授となった。Singh 博士はインド帰国後も報告
者らと共同研究を続けてきたが、その一つが DNA の脂質単分子膜界面への吸着に関する研究である。
今回の招聘では、これまで我々との間に続けてきた
DNA の脂質界面への吸着に関する共同研究をまとめるための追加の実験と議論を行った。具体的には水面に展開した正に帯電した脂質の単分子膜と双イオン性
脂質の単分子膜の界面への DNA の吸着挙動を、ヘテ
ロダイン検出和周波発生分光を用いて水の配向を通して調べた。その結果の概略図を図 1 に示す。正に帯電した脂質界面では DNA を溶液中に加えることで水の信号がほとんどゼロになる。このことは、DNA が吸着
図 1．カチオン性脂質および双イオン性脂質単分子したことで界面の電荷が中性化されたものと解釈でき

膜界面における DNA 吸着の概念図。

る。これは予想通りの挙動である。一方、元々電荷的に中性である双イオン性脂質の界面では、DNA を加えることで正の水の信号が増加することが明らかとなった。これは中性の双イオン界面に DNA が吸着することで界面が負に帯電することを意味しており、静電気力とは異なる引力が双イオン性脂質と DNA の間に働いていることを意味している。この結果について現在論文を執筆中である。
さらに、今回の実験結果に刺激されて、双イオン性
脂質界面における対イオンの吸着挙動についても調べた。その結果、二価イオンの吸着挙動がイオン性脂質

写真 1．Singh 博士＠歓迎会

界面とは著しく異なることがわかった。これについては今後さらに実験を続けていく予定である。1 つのテ

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No. 55平成 30 年 3 月

Gordon Research Conference, Molecular and Ionic Cluster への参加
宮﨑 充彦

（東工大・A02 計画研究分担者）

表もあり興味を引いた。ただ、実時間観測は行われていないため、そのあたりが可能性が残されている領域

2018 年 2 月 23～3 月 3 日の日程で、斜塔で有名なイになるはずである。

タリア、ピサ市近郊 Il Ciocco において開催された

また今回は、少し変わった理論的研究の講演が増え

Gordon Research Conference, M olecular and Ionic Cluster（M IC）に参加しました。前回 2 年前の開催に続いて、たような印象が残った。動的な過程や、多くの可能性

本新学術領域の研究者海外派遣支援をいただきました

かつ実験との整合性を目指すような計算の取り組みがので、その概要を報告させていただきます。今回の会

進められている印象を持った。コンピューターの発展

議では、ホットトピックの口頭講演も行うことができ、に伴い、分子軌道法の適用から一歩進んで応用的な解充実した会議参加となりました。

析を目指せるようになってきているのかもしれない。

を当たる必要性があるような複雑系を取り扱い、なおM IC は気相クラスター研究についての最新の研究

流行の AI を用いた解析法の試みも注目を集めていた。

成果を議論する会議であり、1990 年からに 2 年毎に開ただし、実験結果との整合性をいかに付けるかはいま催されてきている。テーマとなる内容は、クラスター

だにこれといった指標がないようで、まだまだ実験かの生成法、その性質の研究手法、量子化学計算に基づらのベンチマークとの協同が不可欠であることもまたく理論的研究を大きな柱とし、構造論、ダイナミクス、

明らかである。

凝縮系や生体系へのアプローチまでを含み、クラスタ

旧知の面々とも久しぶりに話すことができ、個人的ー研究のほとんどすべてを含むといっても過言ではなにも楽しむことが出来た。特に、Otto Dopfer 教授と共い重要な会議となっている。そのため大御所の先生方

同研究、実験の打ち合わせを進める機会が得られたのから若手研究者まで、気相クラスター分野の著名な研は、5 月からのドイツ訪問を前にして良い機会であっ究者が数多く参加し、世界の潮流を伺うことが出来るた。一方で残念だったのは、当初参加予定であった R.

貴重な機会である。

M etrić 教授が急遽参加できなくなったことである。教

今回は申請したポスター発表がホットトピックに選授には ab initio M D 計算を依頼して、私の研究テーマ

出され、ポスター発表と併せて口頭発表を行う機会がである実時間分解分光の実験結果の解析、解釈につい得られた。10 分の講演時間で発表しなければならないて共同研究を行っており、現在の進捗状況と今後実験ため、トピックを絞った発表に難しさがあったが、ク予定の系について詳しく議論したかったが、かなわな

ラスターの赤外分光を用いた分子間ダイナミクスの実かった。今度のドイツ滞在で訪問しなければならない。

時間観測は研究が少ないため、おおむね好評に受け止

最後は会場周辺だけでなくヨーロッパ全体が大雪にめられたと感じた。個人的には、質疑応答にこれまで見舞われ、その影響で危うく日本への飛行機に乗り損

より余裕を持って臨めた点を評価したい（きわどい質

ねかけたが、最終的には特に大事に至らず帰国できた

問がなかっただけかもしれないが）。

ため、雪景色もよい思い出となった。

全体としては、今回の会議でも最近の流れを反映してエレクトロスプレー＋冷却イオントラップを用いた
極低温クラスターイオンに対する分光研究の様々な応用展開についての発表がなされた。極低温冷却トラップの実験もこれまでに比べより応用の範囲が広がり、クラスターイオンの温度制御による構造解析から反応プロセスの解析の話まで、気相の精密分光に止まらず、
より一般的な分析化学のツールとしての発展も視野に入ってきたように感じられた。解析手段が赤外分光にほぼ限定されている点が課題であろうか。
一方で、私の発表したクラスターイオンにおけるダ
イナミクスだけでなく、中性状態のダイナミクスの発520

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 55平成 30 年 3 月

英国 Leicester 大学 Cyril Dominguez 博士との国際共同研究の報告
伊藤 隆 （首都大・A02 公募研究代表者）
三島 正規 （首都大・A02 公募研究連携研究者）
平井 剛 （九大・A02 公募研究連携研究者）

術（迅速な多次元 NMR 測定法，データ処理法など）も習得してもらった（図 b）．
図 c に今回得られた in-cell NMR（2D 1H-15N SOFASTHMQC）スペクトルを示した．比較のために，希薄溶

柔らかな分子系における国際共同研究のための研究

液中の STAR ドメインの 2D 1H-15N HSQC スペクトル

者派遣・招へい支援制度を利用させていただき，英国を図 d に示した．STAR ドメインは 2 量体で約 41kDaの Dominguez 博士の研究室（Department of Molecularであるにも関わらず，HeLa.S3 細胞中で比較的良好な

and Cell Biology, University of Leicester）から Ph.D student

1H-15N 相関スペクトルが得られたのは大変有望である．

の Adam Lightfoot さんを首都大学東京に招いて，2017

今後は electroporation 条件の最適化を行うとともに，

年 10 月 3 日から 12 月 8 日まで共同研究を行った．

メチル基選択的 1H/13C 標識試料を用いるなどして，よDominguez 博士は，核内 RNA 結合蛋白質 Sam68 蛋

り高感度な観測を試みる．また，Leicester で作成中で白質について，これまで希薄溶液試料の NMR 解析やある，N 末端ドメイン＋NLS，STAR ドメイン＋NLS の

X 線結晶解析を用いて構造・機能解析研究を行ってきフラグメントについても in-cell NMR 解析を進め，細ている[1]，今回の共同研究は，Sam68 の各種フラグメ

胞内の Sam68 機能発現メカニズムの解明を目指す．

ントについて，ヒト培養細胞を用いた in-cell NMR 解析を行うことが目的であった．Sam68 は，多数の原が引用文献

ん遺伝子産物の選択的スプライシング制御に関わって[1] Feracci, M. et al. Nat. Commun. 7, 10355 (2016)

おり，近年注目されている蛋白質である．しかし，
Sam68 の機能発現に関わる核内の修飾反応（リン酸化およびメチル化）の詳細については，試験管内再構成系を用いた解析が行われていたものの，詳細は十分に解明されているとは言えなかった．そこで，安定同位体標識した Sam68 のフラグメントをヒト培養細胞の核内に導入し，in-cell NMR（正確には in-nucleus NMR）
解析を行うことで，核内修飾反応をリアルタイムで追いかけることがこの共同研究の最終目標である．
Sam68 はアミノ酸 443 残基のマルチドメイン蛋白質であり（図 a）
，かつ 2 量体を形成するため，全長で incell NMR 解析を行うことは困難であることが予想された．そこで，Lightfoot 氏の来日に先立って，N 末端ドメイン（1-97 残基），STAR ドメイン（97-283 残基），
START ドメイン＋C 末端ドメイン＋核移行シグナル（NLS）（97-443 残基）の 3 種類のフラグメントの調製を試みた．その結果，STAR ドメインについて（NLS は
ついていないものの）最も効率よく安定同位体標識試料を調製できることが判明したため，Lightfoot 氏の incell NMR 測定技術の習得も兼ねて，STAR ドメインについてまず in-cell NMR 解析を試みることとした．
図 a．Sam68 蛋白質のドメイン構造．b．Adam
Lightfoot 氏の実験風景．c. 15N 標識 Sam68 STAR
ドメインを導入した HeLa.S3 細胞の 2D 1H-15N
SOFAST-HMQC スペクトル．
d. 希薄溶液中の 15N
標識 Sam68 STAR ドメインの 2D 1H-15N HSQC
スペクトル．

Lightfoot 氏の来日後に，15N 標識 STAR ドメインの調製，electroporation によるヒト培養細胞 HeLa.S3 への導入条件の検討を行った．これと並行して，ヒト培養細胞を用いた in-cell NMR 解析のための様々な要素技

521

新学術領域研究「柔らかな分子系」ニュースレター

No. 55平成 30 年 3 月

A02 班藤井研究室 関口翼君が大隅ジャーナル賞を受賞
石内 俊一（東工大化生研・A02 班分担者）

複合体は、SIVSF とカテコールアミンの混合

A02 班藤井研究室の関口翼君が大隅ジャーナル賞を

溶液を蒸発乾固して得受賞した。本賞は大隅先生のノーベル賞基金を元に昨られる粉末をレーザー

年創設され、東工大の生命理工学系の学生の優れた論

脱離することによって文発表に対して送られるものである。関口君が筆頭著得られることが分かり、者として発表した“Molecular Recognition by a Short

関口君は、様々な溶媒やPartial Peptide of the Adrenergic Receptor: A

比率、蒸発乾固の条件な

Bottom-Up Approach”, Angew. Chem. Int. Ed. (2018)

どを黙々と試行錯誤しin press. (DOI: 10.1002/anie.201712976)が受賞対象た。しかし、分光測定にとなった。本論文の内容は本新学術領域研究の成果で十分な強度の信号を得あり、共著者として大変喜ばしく、心よりお祝い申しるには至らなかった。ちょうどその頃、エレクトロス

上げる次第である。この紙面をお借りして、簡単にそ

プレーの装置が完成し、立ち上げのデモンストレーシの成果を紹介させていただきたい。

ョン実験を進めていた。そこで、試しに SIVSF とアド本研究は、β2-アドレナリン受容体のアドレナリン結

レナリンの混合溶液をエレクトロスプレーしてみたと合モチーフだけを取り出した部分ペプチド SIVSF ところ、複合体の非常に強い信号が観測され、これまで

アドレナリンや他のカテコールアミン神経伝達物質との苦労が一気に解決してしまった。濃度の最適化などの複合体をエレクトロスプレー法で生成し、冷却イオの細かい調整は必要であったが、これまでのレーザー

ントラップ中の極低温条件下で紫外及び赤外分光によ脱離の実験のストレスが一気に解放する様に実験はト

りそれらの構造を調べた。その結果、アドレナリンやントン拍子に進んだ。

イソプレナリン（β2-アドレナリンレセプター作動薬）

従来の気相分光では、例えば赤外スペクトルが得らなどの元々受容体と親和性の高いリガンド分子は、受れたら、あとは量子化学計算で網羅的に安定構造を計

容体中と同様に、
カテコール OH 基とα-ターン構造（α-

算して、それらの計算スペクトルと実測スペクトルをヘリックスの基本構造）のペプチドが結合した構造を比較して構造決定を行ってきた。しかし、本研究で扱形成するのに対して、親和性の低いリガンド（ノルア

う様な系は、膨大な数の安定構造が見つかるため、網ドレナリンやドーパミンなど）はその様な構造を形成

羅的な計算は困難であり、実験的にスペクトルを帰属しないことが明らかになった。つまり、SIVSF というすることが不可欠である。関口君は１つ１つのアミノ

短いペプチドでも、受容体がもっている分子認識能を示すことが分かった。さらに興味深いのは、SIVSF は酸を 15N ラベルした SIVSF を合成し、NH 伸縮振動を帰属した。これによりペプチドの主鎖構造が明らか

受容体中ではカテコール OH 基を認識する部位であるになった。大変な努力の賜物である。さらに、種々のと考えられてきたが、本研究の結果はアミン鎖の構造

カテコールアミンとの複合体の研究に発展させ、今回の違いも認識することを示しており、分子認識が独立論文発表した非常に興味深い現象の発見につながった。

した結合サイトの単純な寄せ集めではない可能性が示

これらの実験も、紫外スペクトルや赤外スペクトルを唆された点である。この様な気相分光を用いたボトム

種々微調整を加えながらこつこつと測定する必要があ

アップアプローチが分子認識のメカニズムの解明や創り、大変な労力が掛かっている。関口君は来る日も来薬における新しいスクリーニングの手法として役立つる日も黙々と実験を進め、膨大なデーターを積み上げ、可能性が示された。

大きな成果として結実した。

本研究は関口君の卒業研究のテーマとしてスタート

その様な大変な努力が今回この様な栄誉ある賞に輝した。それまで、種々のカテコールアミン神経伝達物

いたことは、関口君にとっても今後の大きな励みとな

質と SIVSF ペプチド単体の構造をレーザー脱離・超るであろうし、また研究室の後輩にも「研究は一生懸

音速ジェット法で研究してきたが、それらの分子認識

命やるものだ」ということを示すよい手本になったとのメカニズムに踏み込むためには、複合体は避けては思う。残念ながら、彼は 4 月から企業に就職してしま通れない。研究を始めた当初、それまでと同様にレーうが、是非ともこれを励みとして、今後とも黙々と頑ザー脱離法で複合体を気相中に取り出そうとしていた。

張って欲しい。

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No. 55平成 30 年 3 月

A02 班の山方 啓さんが International Congress on Pure & Applied
Chemistry 2018 講演賞と豊田工業大学教育優秀賞を頂きました
山方

啓 （豊田工大・A02 公募班、研究代表者）

長くなるため、反応活性は逆に向上する。つまり、光触媒粒子の表面欠陥の幾何学的構造と電子構造を制御

A02 計測公募班の山方氏が、平成 30 年 3 月 7 日（水）すれば、光励起電子と正孔の寿命を制御することがでから 10 日（土）にカンボジア、シェムリアップで開き、光触媒活性を向上させることができることを示し催された International Congress on Pure & Applied

た。

Chemistry (ICPAC) 2018 で Conference Award を受
賞 し 、 『 Trapping-Induced

Enhancement

粉末表面に多数存在する欠陥における光励起キャリofアーの挙動を理解することは、光触媒活性を支配する

Photocatalytic Activity on TiO2 Powders』というタイ非常に重要である。しかし、マイクロメートル以下のトルで受賞講演を行った。ICPAC-2018 は、カンボジ

サイズの粉末中におけるキャリアーの挙動を非接触でア化学会が主催し、マレーシア化学会と日本の公益財

観察することはこれまで非常に困難であった。山方氏

団 法 人 総 合 工 学 振 興 財 団 、 そ し て 、 Asia Chem

は可視から中赤外領域の過渡吸収をフェムト秒から秒

Corporation が協賛して開催された学会である。参加の時間領域で測定できる独自の分光装置を開発し、自者の過半数が日本人であり、日本側の事務局は北海道

由電子やトラップ電子、正孔の挙動を独立して観察す

大学触媒科学研究所の高橋保教授が担当している。こることを可能にした。さらに、これらのキャリアーのの学会は 1-2 年おきに 1 回、主にマレーシアやベトナ

エネルギー状態の評価も可能にしたことに新規性と独ム、カンボジアなどの東南アジアで開催されている。

自性がある。今後、この分光計測技術をさらに発展さ

以前は有機化学の研究者が大部分を占めていたが、参せ、より高い活性を有する光触媒の実現に役立つ新し

加者の紹介制度が採用されたことで分野の広がりを見い知見を発見することを期待している。

せ、無機化学研究者や物理化学研究者の参加が増えてまた、山方氏は 2017 年 10 月 30 日に、前期教育優いる。この学会は、異分野の著名な先生方と交流を深秀賞を受賞した。この賞は、2017 年度前期に豊田工業

めることに役立つほか、アジア全体の化学の発展に役大学で開講された学部・大学院のすべての授業の中か立つことが期待されているので、今後もますます多く

ら、学生の授業アンケートによる投票で選出される。

の研究者が参加することが望まれている。

受講者数が 30 人以上と 30 人未満、そして実習科目のさて、次に受賞の対象となった研究内容を述べる。

3 部門に分かれており、山方氏は受講者数が 30 人以上

エネルギー問題や環境問題を解決するために、太陽の部門の中から選出された。

光を用いて水から水素を製造できる光触媒が注目されている。この光触媒の活性を向上させるためには、従来、欠陥を低減させることが重要であると考えられてきた。それは、粉末表面に存在する欠陥は光励起電子と正孔の再結合を促進させると考えられてきたからである。しかし、つい最近、山方氏は TiO2 や SrTiO3 の場合には、欠陥の少ない単結晶よりも不純物や表面欠陥の多い粉末の方が光励起キャリアーの寿命が著しく長いことを実証した。これは、電子が欠陥にトラップされると、電子と正孔の衝突確率が低下し、正孔の寿命が長くなるからである。欠陥に捕捉された電子のエ
ネルギー準位が低すぎれば反応活性は低下する。しかし、その深さが適度な場合には、反応活性はそれほど低下しない。むしろ酸化活性を誘起する正孔の寿命が523