「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 1
26 December, 2008
新学術領域研究“揺らぎが機能を決める生命分子の科学”が始まりました。
領域代表挨拶

そのダイナミクスが直接的に関与していることを忘れてはいけません（図）。
分子が動かない、変化しないで、新学術領域の形成：「静」から「動」へ化学反応や生体機能はあり得ないのです。例えば、化寺嶋正秀

学の中で基本的な分子を扱う物理化学の分野において（領域代表、は、多くの研究者が分子構造情報はそろっている中で京都大学大学院理学研究科）反応機構を知るために種々の手法を開発し、基礎的な知見を蓄積し、反応分野を構築してきております。構

これまでの特定領域研究にか造を決めるのが困難である生体分子になっても同じこわり、新しく新学術領域研究ととでしょう。さらに生体分子は、その天文学的に大きいう文科省科学研究費の研究種目が作られました。こな自由度のために、反応座標に沿った一方向に進む反れまでの特定領域研究が、現在存在する分野を大きく応の流れとともに、反応座標とは一致しない座標方向することも目的としていたのに対して、この種目は、への揺らぎというパラメーターが重要になってくると「異なる学問分野の研究者が連携して行う共同研究等思われます。こうした揺らぎの重要性の認識をだんだの推進により、既存の研究分野の枠に収まらない融合んと多くの人が持ちつつも、まだちゃんとした組織だ領域や異分野連携などの研究領域を見出し支援するこった分野形成が行われてなく、フラストレーションをとを重点的に考えて作られたものである」ことが、要感じはじめていたところに、我々の提案があったため、綱に書かれています。今年度が初めての募集であり、期待が大きいと考えられます。

非常に多くの領域提案があったと聞きますが、そうした中で我々の提案する「揺らぎが機能を決める生命分子の科学」が採択され、平成 20 年度から研究を開始できることになりました。これは、もちろん計画研究班メンバーのこれまでの卓越した業績と力量を評価されたためでもありますでしょうが、それだけではなく、まさに時代が「揺らぎと生命機能」という分野を要望していたことも大きい要素だったと思います。
生体分子の反応を分子レベルで扱う学会やシンポジウムなどでは、「揺らぎ」という言葉をよく聞くようになり、機能におけるその重要性が指摘され始めています。しかし、生命分子科学全体で見れば、ゲノムプロジェクトを経て、大きなタンパク質構造決定のプロジ

図：生体分子機能発現機構の理解には 3 つの分野

ェクトが進められ、構造がわかれば機能発現のメカニの存在と発展が重要。

ズムがわかるという意識をまだ多くの人が持っていると思われます。たしかに構造は重要な情報であることは間違いないでしょうが、反応機構の理解のためには、

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26 December, 2008
本「揺らぎと生体機能」領域の目標の詳しくは、次となって揺らぎ領域を作ろうという考えであります。の「研究概要」にまとめていますが、従来は組織的研

当該領域の研究の発展は、化学だけにとどまらず物究が困難であった揺らぎという運動に対して、分子科理・生物物理・医科学・物質化学などの他の研究領域

学的手法の開発、揺らぎ制御法の開発、生体分子の揺の研究の発展に大きく貢献するでしょう。

らぎと機能との関係、そうした揺らぎをモデル化する学問分野とは、限られた人だけではなく、多くの人物理的手法、そして揺らぎの立場から医療の分野へ応が参画することによって形成されると思っております。

用する医科学分野など、物理・化学・医科学分野の連こうした分野形成を行うために、本計画研究の 8 件と携と融合によって、揺らぎを正面にすえた大きくてまいうグループは小さいのではないかと感じますが、本だ隠された部分の多い課題を統一的に扱える分野形成

計画研究メンバーが所属する専攻は、化学専攻、物理を目標としております。分子認識形態を構造と揺らぎ専攻、応用化学専攻、物質創成科学専攻、薬学、生命の相関として普遍的に解明することは、生体分子の機科学専攻、機能科学専攻と広い専攻に渡っています。

能制御の本質を解明することにつながるでしょう。時それぞれの分野を代表する人が、それぞれの分野の多間軸に沿う見方、相互作用を通した空間軸に沿う見方

くの研究者に領域の重要性を納得させ、この領域に参で、局所的な個々の化学反応とタンパク質や生体分子入を促すことができれば、まさに分野の垣根を超えた全体のダイナミクス、生理機能の統合を行い、生理機領域が作られることになります。また、平成 21 年度

能発現に至る道筋を解明していきます。

からは公募研究も加わることになります。計画研究メ

我々は、この目標のために、「揺らぎを観る」、「揺らンバーをコアとして、公募班を含めてすそ野を広げ、ぎをつくる」、「揺らぎを使う」ための 3 つの研究項目

研究を広範囲にすることで、分野形成が達成されるとを構成し、それぞれの班での成果を基に班間融合を図思います。こうした活動を促すために、班会議、合同り、「揺らぎと生体機能」という分野を確立したいと計班会議、ニュースレターの発行、公開ワークショップ、画しました。「A01 揺らぎ検出項目」では、基本となホームページを通じた情報交換システムにより研究進る反応の時間・エネルギー・空間揺らぎの検出法開発

展をリアルタイムで把握し、協力研究を推進する提言とそれを用いた構造・タンパク質反応機能解明を目指を行いたいと思っております。

します。「A02 揺らぎ制御項目」では、揺らぎを引きこれからは、生体分子機能の分野でも、その反応機起こすための分子論的本質を探るために、揺らぎを制構に関して、より多くの人が、「静」的構造だけでなく、御する手法開発と機能の関係についての研究を行いま揺らぎ・ダイナミクスなど「動」的観点で考えていくす。「A03 揺らぎと機能」では、揺らぎを利用した機時代になると思います。本新学術研究によって、時代能へ向かう流れの検出法の開発と分子機構を明らかにが要請する「揺らぎと生体機能」の分野を作れるようすることを中心にすえます。このそれぞれの項目で開に、皆さんのご活躍とご協力をお願いいたします。

発された基礎基盤研究や技術を統合することで、一丸2

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26 December, 2008
研究概要

生命をつかさどる遺伝情報の翻訳、シグナル伝達、野を創出する。このために、「揺らぎを観る」、「揺らぎエネルギー変換などの現象は、タンパク質等の生体分をつくる」、「揺らぎを使う」ための 3 つの研究項目を子に担われ、その本質は細胞内外での制御された化学構成し、それぞれの班での成果を基に班間融合を図る。

反応の連鎖である。したがって生命現象の真の理解は、

A01 揺らぎ検出項目においては、構造やエネルギーこれらの反応を分子科学の言葉で理解することで達成などのさまざまな揺らぎ検出手法の開発を主として、される。そのためには、生体分子が引き起こす化学反それを用いた生体分子の機能とのかかわりについて明応と反応ダイナミクスを解明する必要がある。さらに、らかにする。また、実験で得られた情報を元に、理論ナノメートルサイズの生体分子は体温環境下の溶液中的に分子レベルで見た揺らぎとダイナミクスの関係をで機能しているため、絶えず強い熱揺らぎにさらされ、解明する。これらを通して、揺らぎから機能へ至る分生体分子への入出力は確率的である。確率入出力であ子機構を明らかにし、動力学的性質の解明等基礎科学りながら確定的な生命現象を創出する基礎は何か、あに貢献するとともに、構造生物学情報に基づいた創薬

るいは生体分子がいかにして揺らぎを逃れ、あるいはの可能性を革新的に広げる等の応用分野も開拓する。

逆に有効に利用して機能を発揮しているのか明らかに

A02 揺らぎ制御項目においては、アミノ酸置換や欠することは、生命分子科学の最も本質的な課題であり損、挿入などの変異蛋白質などを駆使して、揺らぎをながら、これまで組織的、系統的に研究されてこなか制御する観点からの研究を推進する。アミノ酸配列は、った。例えば、揺らぎが、機能反応の分子論的理解の立体構造を決定するのと同様に、揺らぎを制御してい本質である事は、天然変性蛋白質と呼ばれる、天然状るはずであり、アミノ酸の情報変化が引き起こす構造態で固有の構造を持たない蛋白質が数多く見出されて揺らぎの解明に取り組む。例えば、天然変性蛋白質のきていることからも次第に認識されつつある。天然変モデル系を開発し、揺らぎが機能とどう関わっている性蛋白質は、その結合すべき相手分子に対応して形をのかを明らかにする。

作り、多様な標的の認識を可能にしていると考えられ

A03 揺らぎと機能項目においては、DNA・蛋白質・ている。これは、蛋白質による分子認識の古典的描像

膜など生体分子全般にわたり、機能に直結する揺らぎである“鍵と鍵穴”モデルを否定し、誘導適合の概念を検出し、機能との関連に重点をおいて明らかにする。の大幅な変更を促すものである。このような分子認識

一方、分子動力学シミュレーションと統計力学を用い形態を構造と揺らぎの相関として普遍的に解明するこた二方向から、揺らぎと機能を結び付ける理論構築をとは、生命分子の機能制御の本質を解明することにつ行い、生命現象を「説明」するだけでなく「予測」すながるであろう。ところが、揺らぎと言う概念が多くる理論を発展させる。
以上の研究項目の成果を統合して、「構造から機能」の分野で多様に解釈されており、さらにその検出の困という従来のパラダイムを離れて、「揺らぎから機能」難さもあり、組織的研究は困難であった。

へという新しいパラダイムを構築することが、本新学

この新学術領域研究では、物理・化学・薬学・医科術領域研究の大きな目標である。

学分野の研究者により、揺らぎを中心にして生体分子の機能から生命現象を理解する生命分子科学の融合分

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研究組織
総括班

明に取り組む。置換や挿入のために、一般的な組換え領域代表 寺嶋正秀（京大・院理）

遺伝子技術に加え、非天然アミノ酸の部位特異的導入

事務担当 片岡幹雄（奈良先端大・物質）技術を開発する。４塩基コドンを用いた非天然アミノ評価委員 北川偵三（豊田理研）

酸導入は、蛍光性アミノ酸導入による揺らぎの直接検榊茂好（京大・院工）出など様々な新しい蛋白質の研究手段を提供する可能中原勝（京大・化研）性がある。また、天然変性蛋白質の構造と機能に関す

R.J. Dwayne Miller（カナダ・トロント大）る研究も本研究班の主要テーマとする。
班長 片岡幹雄（奈良先端大・物質）計画研究代表者と研究課題

天然変性蛋白質のモデル系開発と揺らぎと構造形成相研究項目 A01 「揺らぎ検出」

関の解析

構造やエネルギーなどのさまざまな揺らぎ検出手法の

芳坂貴弘（北陸先端大・マテリアル）

開発を主として、それを用いた生体分子の機能とのか

非天然アミノ酸の部位特異的導入技術を用いたタンパかわりについて明らかにする。特にエネルギー揺らぎ

ク質の揺らぎ解析と構造揺らぎに着目し、反応途中で揺らぎがどのように変化しているのかを時間分解検出する手法を確立す

研究項目 A03 「揺らぎと機能」

る。また、NMR や中性子非弾性散乱により機能に密生体分子全般にわたり、機能に直結する揺らぎを検出

接に関係した揺らぎや蛋白質のダイナミックな描像をし、機能との関連に重点をおいて明らかにする。生体明らかにする。一方で分子動力学シミュレーションに膜関連では、膜の揺らぎ物性と難治性疾患治療への応よる揺らぎを明らかにする手法を開発し、実験で得ら用を行い、その分子論的解明を行うことで、副作用のれた情報を元に、分子レベルで見た揺らぎとダイナミないがん治療を目指す。細胞内の分子機能の一例としクスの関係を解明する。これらを通して、揺らぎからて細胞内フォールディングを取り上げ、細胞内の蛋白機能へ至る分子機構を明らかにし、蛋白質と単なるポ質フォールディングに関わる分子シャペロンの機能発リペプチドを区別する動力学的性質の解明等基礎科学

現とその構造ゆらぎの分子論的実体やゆらぎと機能とに貢献するとともに、構造生物学情報に基づいた創薬の関係を明らかにする。一方、分子動力学シミュレーの可能性を革新的に広げる等の応用分野も開拓する。
班長

ションと統計力学を用いた二方向から、揺らぎと機能を結び付ける理論構築を行い、生命現象を「説明」す

寺嶋正秀（京大・院理）

るだけでなく「予測」する理論を発展させる。

時間・空間揺らぎの時間分解検出法開発と反応機構
岡本佑幸 (名大・院理）

班長 上岡龍一（崇城大・生物生命）

構造ゆらぎを促進する分子シミュレーション手法の開細胞膜及び人工膜の揺らぎが関与する制がん機能メカ

発と自由エネルギー計算

ニズム

加藤晃一（岡崎統合バイオ）桑島邦博（岡崎統合バイオ）

NMR を利用したタンパク質および複合糖質の揺らぎ

シャペロニンの構造揺らぎとフォールディング介助機の検出とその機能連関の探査

能平田文男（分子研）

研究項目 A02 「揺らぎ制御」

生体分子および溶媒の構造揺らぎと共役した機能発現

アミノ酸置換や欠損、挿入などの変異蛋白質を駆使し過程の理論的解明て、揺らぎを制御する観点からの研究を推進する。ア
ミノ酸配列は、立体構造を決定するのと同様に、揺らぎを制御しているはずであり、A01 項目研究者と共同で、アミノ酸の情報変化が引き起こす構造揺らぎの解4