「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 2
26 January, 2009
公募研究の申請が始まりました。
平成 21 年度科学研究費補助金「新学術領域研究（研命分子科学」と言う新しい先端融合領域を創生するこ究領域提案型）」（公募研究）の公募が始まりました。とを目指す。

本研究領域では、300 万円以内の研究費の研究課題をこのため、次の研究項目について、「計画研究」によ30 件程度採択する予定です。応募締め切りは平成 21

り重点的に研究を推進するとともに、これらに関連す年 3 月 6 日です。多くのよい研究課題がこの新学術領る分子科学、計測科学、生命科学などの分野の実験及域“揺らぎと生体機能”に提案されるように皆様の御び理論研究者で、２年間の研究を公募する。1 年間の協力をお願いいたします。公募の詳細は、文部科学省

研究は応募の対象としない。研究分担者は置くことはのホームページ

できない。特に、生体分子全般にわたる対象や新しい

http://www.mext.go.jp/a_menu/shinkou/hojyo/12179

発想の揺らぎ計測手法・理論により、「揺らぎと生体機

70.htm能」に挑戦する研究者を歓迎する。また、異なる分野を参照してください。の研究者間の共同研究を推奨する。公募研究の単年度当たりの応募額は、300 万円を上限とする。採択目安
件数は、各項目それぞれ 10 件程度、計 30 件程度を予研究領域名：揺らぎが機能を決める生命分子の科学定している。

領域略称名：揺らぎと生体機能

なお、研究内容の詳細については、領域ホームペー

領域番号：2006

ジ(http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/hikari/yuragi/)を参照

設定期間：平成 20 年度～平成 24 年度すること。

領域代表者：寺嶋（研究項目）

正秀

A01 揺らぎ検出

所属機関：京都大学理学研究科

A02 揺らぎ制御
A03 揺らぎと機能

生体分子は、絶え間ない大きな熱揺らぎの中で機能を発揮している。入出力レベルも熱エネルギー程度である生体分子が、強い熱揺らぎの中でなぜ効率的に選択的に機能を発揮できるのか？そこに、静的な構造情報だけからではわからない生体機能の本質があり、こうした研究は既存の分野では対応できない今後の生命分子科学の重要な分野となるであろう。
本領域では、Ａ01：揺らぎ検出(構造やエネルギーなどのさまざまな揺らぎ検出手法の開発と、それを用いた生体分子の機能とのかかわりを明らかにする)、Ａ
02：揺らぎ制御（アミノ酸置換や欠損、挿入などの変異蛋白質を駆使して、揺らぎを制御する観点からの研究を推進する）、A03：揺らぎと機能（DNA・蛋白質・膜など生体分子全般にわたり、機能に直結する揺らぎを検出し、機能との関連に重点をおいて明らかにする）の観点から、物理、化学、薬学、医科学等多分野の力量ある研究者が結集し、生体分子の揺らぎの統一的研究を通してそれらの分野融合を行う。これにより、これまで統一的に考えられることの少なかった、揺らぎの本質や機構を物理化学的に明らかにし、「揺らぎと生1「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 2
26 January, 2009
業績紹介：蛋白質動力学に対する水和の影響を中性子散乱実験で観測
片岡幹雄（奈良先端大物質創成・A02 計画研究代表者）

定構造間をジャンプする蛋白質の非調和運動を活性化するための水和量に閾値があることを示す。非弾性散
乱データに現れる蛋白質ダイナミクスの水和量依存性論 文 題 目 ： "Hydration affects both harmonic andは、低温(調和性)と常温(非調和性)で異なる。
中性子弾性散乱データの散乱方向依存性からは、蛋

anharmonic nature of protein dynamics"
著者：Hiroshi Nakagawa, Yasumasa Joti, Akio Kitao, and

白質中の軽水素原子の平均 2 乗変位を見積もることがMikio Kataoka

出来る。上記 3 種類の試料を用いて、蛋白質の平均 2

雑誌巻号：Biophys. J. 95, 2916-2923 (2008)

乗原子揺らぎの温度依存性を調べたところ、140K 近傍と 240K 近傍に 2 種類の動力学転移が観られた。140K

蛋白質は、体温環境下の水中で機能している。極低の転移は、水和に依存せず、240K の転移は、高水和試温や低水和の条件化では、蛋白質は機能しない。水和料でのみ観測された。これは、準弾性散乱の観測と一や熱揺らぎが蛋白質の機能に影響を与えていると考え致している。

られる。本研究では、蛋白質ダイナミクスに対する水和の効果を中性子散乱により調べた。
本研究では、Staphylococcal nuclease (SNase)を用い、３通りの水和率の試料を作製し、それぞれについて中性子散乱を用いた解析を行った。各試料の含水量は、熱天秤により評価した。脱水和試料(h=0.12 g D2O/ gprotein)は凍結乾燥により調整した、低水和 (h=0.29)、高水和 (h=0.44)試料はそれぞれ NaBr、KCl の飽和水溶液による 蒸気 拡散平衡 によ り調整し た。3 種類のSNease 試料について、それぞれ 100K から 300K の様々な温度で中性子非弾性散乱データを測定した。すべての測定温度で、5meV 以上の高エネルギー領域では、水和量の違いによる蛋白質ダイナミクスの変化は観測されなかった(図)。高エネルギー領域のスペクトルは局在した運動に起因する。これらの運動には水和の効果が現れないことを意味する。一方、低エネルギー領域では、顕著に水和の効果が現れる。
100K では、すべての試料で、ボゾンピークと呼ばれる 2-4meV 付近のブロードなピークが観測される。ボソンピークは蛋白質全体に広がった運動モードに起因し、蛋白質が弾性体であることを示す[1]。水和量が中性子散乱実験は、今後生体高分子研究において重0.12 g D2O/ g protein より多いと、ボゾンピークの位置要な役割を担っていくと期待される。現在東海村に建は高エネルギー側にシフトする(上図)。この結果は、設中の大強度中性子散乱実験施設 J-PARC により、動水和水による水素結合が、蛋白質を硬くすることを示

力学解析による蛋白質の機能研究を促進していきたい。

している。この効果は、低水和率でも起きる。
一方、300K では、高水和試料のみに、強い準弾性散

参考文献乱が観測されるのに対し、低水和試料は脱水和試料と[1] M. Kataoka et al., J. Phys. Chem. Solid 60, 1285-1289

同様のスペクトルを示す。(下図)。この結果は、準安(1999).

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No. 226 January, 2009
シンポジウム報告
WATER IN BIOLOGICAL SYSTEMSA French-Japanese workshop
Kyoto, Westin Miyako Hotel - November 26-27, 2008
平田文男
（自然科学研究機構・分子科学研究所・A03計画研究代表者）

-Pr.

Denis

Le

Bihan

(NeuroSpin/CEA Saclay and KyotoUniversity)-Pr.

Hidenao Fukuyama (KyotoUniversity))

表記のシンポジウムが 2008 年 11 月 26 日から 3 日間、9:30-10:45 From the water molecule to

京都市の，ウエステイン都ホテルで開催された。このprotein dynamics(I)シンポジウムは日本とフランスの国交開始 150 周年を祝って、様々な研究分野で開催されている研究会のひ-Paul Caro (French Academy ofSciences, Paris): Water, the life

とつである。

liquid

本研究会の企画者は京都大学医学部の福山秀直教授とフランス（NeuroSpin/CEA Saclay）の Denis Le-

Fumio Hirata (Molecular Science

Bihan 教授で、これまで両教授が行ってきた MRI のInstitute,Okazaki):

水の拡散強調画像の共同研究に端を発して、さらに水Statistical-mechanicsや液体の物理化学的研究と結合して発展させたいといmolecular recognition: water andう趣旨で開催されたものである。研究会参加者は医

other

学・生理学、物理化学および生物物理関係を中心に多protein

molecules

theoryrecognizedofby

彩な分野に及び、生体分子の機能における水の役割か
10:45-11:15ら京都の伝統文化と水の関わりまで、「水」を話題の中Coffee break

心にして学際的な研究報告と議論が行われた。
（プログ11:15-12:30

ラムを添付）

Marie-Claire

Bellissent-Funelの疾病において分子レベルでの「水」がいかに重要な(Laboratoire

Léon-Brillouin,役割を演じているかということであるが、それは取り

CEA-CNRS, CEA-Saclay) : Protein

も直さず新学術領域「揺らぎと生体機能」で解明を目

dynamics and hydration water

本研究会で特に浮き彫りにされたのは生体機能やそ-指している問題と軌を一にしている。今後、医学・生-Mikio Kataoka (Nara Institute of

理学関係の研究者ともさらに交流を深めていく必要を

Science and Technology, Graduate

強く感じた。

School of Material Sciences): Effectof hydration on protein dynamic

November 26th
12:30-14:00LUNCH

14:00-15:30

Exhibition and Poster viewing

15:30-16:00

Coffee break

9:00-9:30 Welcome and opening:-Pr.

Kohei Shiota (Dean, KyotoUniversityGraduateSchoolofMedicine)-Dr. Louis Armand (Tokyo FrenchEmbassy Science Advisor

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16:00-17:15 From the water molecule torestrains membrane shape and theprotein dynamics (II)--BernardCabanediffusion of solute carriers(PMMH/ESPCI,-

Masahiro

Sokabe(NagoyaCNRS UMR 7636/P6/P7, Paris): TheUniversity): Gating mechanisms ofphysics of liquid water, hydrophobicmechanosensitive

molecules in waterinteractions among lipid, protein

Giuseppe

Zaccai(InstitutLangevin,Grenoble):

Laueionchannels:

and water

Hydrationwater in biological membranes

12:30-14:00

LUNCH

Key-note lecture

14:00-15:15

Water and cell physiology I

Water and Kyoto history - Staining of clothes-

17:30-18:30

Gilles Bœuf (UMR 7628,

by water and dyes : Prof. Urakawa (Kyoto

Laboratoire Arago, University Paris

Institute of Technology)

VI/CNRS, Banyuls-sur-mer): Water

Waterlifein

AsianCountries:

Kouzo

metabolism and emergence from theMatsubayashi (Kyoto University)

oceans-Denis Le Bihan (NeuroSpin, CEA,

19:00-22:00 BANQUET DINNER with sake

Saclaytasting (courtesy of Okura Shuzo, Fushimi)

Membranes, water and diffusion

andKyotoUniversity):and kimono exhibition (courtesy of Toshiaki
Nagakusa)

15:15-16:15

Exhibition and Poster viewing+ Coffee

November 27th
16:15-17:30
9:00-10:15-

Water and membranes-

Mounir Tarek (UMR CNRS UHP
7565,

Université-

membranes:

Henri-Poincaré,Insight

Nakahara-Hidenao

Fukuyama

frommolecular dynamics simulations

17:30 Farewell and concluding remarks (H.

Yoshinori

Fukuyama, D. Le Bihan)

Fujiyoshi(Kyotoof water and ion channels
10:15-10:45

18:30 Farewell party for speakers

Coffee break

10:45-12:30
Sachiko Tsukita (Osaka University):
Tight junction-dependent regulationof physiological homeostasis-(KyotoUniversity): Water and Medicine

University): Structure and function-(Kyoto

University): NMR of cell biology

Nancy): Transport of water acrosscell

Water and cell physiology IIMasaru

MakotoKinoshita(KyotoUniversity): Septin cytoskeleton4「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 226 January, 2009
生物物理学会サテライトミーティング報告
芳坂貴弘（北陸先端大マテリアルサイエンス・A02 計画研究代表者）

けることは無かったが、本領域の方向性は十分に理解して頂けたのではないかと思われる。なお、公募研究の募集については、まだ詳細が決まっていない時点であったため、今回はその予告に留められた。

生物物理学会サテライトミーティング 3M5
新学術領域研究「揺らぎが機能を決める生命分子の科学」の説明と公募募集について
2008 年 12 月 5 日

福岡国際会議場（福岡市博多区）

昨年 12 月の生物物理学会において、本新学術領域研究の説明と公募募集についてのサテライトミーティングが開催された。サテライトミーティングは、生物物理学会年会 3 日目の昼食時間（11:45～13:00）を利用して、関連研究分野の様々な取り組みを発表・議論で会場となった福岡国際会議場きる場として企画されたものであり、今回は科研費審査に関する説明や、会場となった九州地区の研究組織

以下、生物物理学会ホームページより引用の活動報告などが並行して行なわれた。

----------------------------------------サテライトミーティング

本新学術領域の発表は、急遽開催が決まったためにプログラム冊子への掲載が間に合わなかったものの、3M5「新学術領域研究「揺らぎが機能を決める生命分会場にはかなり多くの方に参加して頂いた。まず、領子の科学」の説明と公募募集について

域代表の寺嶋先生から、本新学術領域の概要について今年度より特定領域研究に代わり、新学術領域研究紹介が行なわれ、引き続き、各研究項目における狙いが設けられ、領域提案型の一つとして「揺らぎが機能と計画研究についての紹介が行なわれた。A01 班の寺を決める生命分子の科学」が採択されました。これは、嶋先生からは、生体分子の揺らぎ検出のための新手法

揺らぎを中心にして生体分子の機能から生命現象を理に関するご自身の研究の他、岡本先生の構造揺らぎを解する生命分子科学の分野を創出するために、従来は促進する分子シミュレーション手法の開発、加藤先生

化学・物理・応用化学・薬学・生命科学などの分野での NMR を利用したタンパク質および複合糖質の揺ら活躍していた研究者を、この統一テーマの下に結集し、ぎ検出と機能連関の探索についての紹介が行なわれた。

有機的な連携の下で、この融合分野を構築することをA02 班は芳坂から、片岡先生の天然変性タンパク質に目標としております。このために、A01 揺らぎ検出項

着目した揺らぎと構造形成や分子認識の相関の解析、目、 A02 揺らぎ制御項目、A03 揺らぎと機能項目とい芳坂の非天然アミノ酸の導入技術とタンパク質揺らぎ

う 3 つの項目を設け、それぞれに属する 8 つの計画研研究への応用を、揺らぎ制御の例として紹介した。A03

究と公募研究を加えたグループによる研究を行います。

班は上岡先生より、ご自身の研究であるハイブリッド

今年度は年明けに公募班の公募が行われる予定です。

リポソームと細胞膜の揺らぎが関与する制がん機能メ

本説明会では、数人の計画研究メンバーによる研究紹

カニズム研究、桑島先生のシャペロニンの構造揺らぎ

介を通して、本新学術領域の御紹介と各研究項目でのと機能発現との関係の解明、平田先生の生体分子と溶ねらいをご説明し、皆様の公募の参考に供したいと思媒の構造揺らぎと共役した機能発現過程の理論的解明、います。

に関して紹介が行なわれた。

司会

講演者

いずれも時間が限られていたために研究の内容は詳寺嶋正秀（京都大学）
寺嶋正秀（京都大学），上岡龍一（崇城大学），芳坂貴弘（北陸先端科学技術大学院大学）

しく述べられなかったこともあり、会場から質問を受

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No. 2
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「揺らぎと生体機能」第一回公開シンポジウム報告
山口拓実（加藤晃一代理）（自然科学研究機構 分子科学研究所）

先生は、生体分子シミュレーションにおける種々の拡張アンサンブル法の有益性について紹介された。講演
題目は「構造ゆらぎを促進する分子シミュレーション

平成２１年１月６日、新学術領域研究「揺らぎが機能手法の開発と自由エネルギー計算」である。エネルギを決める生命分子の科学」第１回公開シンポジウムがー極小状態への留まりを回避し、ペプチドの折り畳み京都テルサにて行われた。会場には一時、立ち見も出やアミロイド繊維の形成開始過程を再現する様子は非るほど多数の参加者が訪れ、この新学術領域研究が掲常に興味深かった。以上の３グループは「揺らぎ検出」げる「揺らぎと生体機能」への興味・関心の高さがう班に所属する。

かがえた。８名の計画研究代表者による研究報告は、「揺らぎ制御」班では各グループのこれまでの研究成果を中心とした実に充

片岡幹雄先生「天然変性実した内容であり、その多様性に驚かされるとともに、蛋白質のモデル系開発共通して内在する「揺らぎ」への想いと、それに対すと揺らぎと構造形成相る独自のアプローチが大変印象的であった。誠に簡単

関の解析」と、芳坂貴弘にではあるが、以下に演題と講演内容を紹介させてい先生「非天然アミノ酸導入技術を利用したタンパク質ただく。の揺らぎ解析」の講演が行われた。片岡先生は遺伝子まず始めに領域代表で操作手法による変異を駆使し、天然変性蛋白質のモデもある寺嶋正秀先生がル系の構築を行ってきた。一方芳坂先生は、タンパク「エネルギー・構造揺ら質へ非天然アミノ酸を部位特異的に導入する手法を開ぎの時間分解検出法開発発した。人工合成した蛍光標識非天然アミノ酸を割りと反応機構」について講当てた４塩基コドンを遺伝子に組み込むことで、特定演された。体積収縮率やの部位に任意の化学修飾を施したタンパク質を作成で熱膨張係数といった熱力学量により、反応過程におけきる。

る構造やエネルギーの変化を表すことができる。これ続いて「揺らぎと機能」班

らを特に時間分解で測定することで、従来の分光学的の上岡龍一先生から「細胞膜手法では捉えきれないごく短寿命の中間体を検出する及び人工膜の揺らぎが関与すことができ、タンパク質−リガンド解離反応過程の揺らる制がん機能メカニズム」にぎを見ることが可能となった。続いて海外出張のためついての発表があった。リン

不在となった加藤晃一先生に代わり、神谷由紀子博士

脂質と界面活性剤からなるハイブリッドリポソームはから「超高磁場 NMR によるタンパク質・複合糖質の動がん細胞の細胞膜へ蓄積し、がん細胞増殖抑制効果を的高次構造解析」について発表が行われた。生体内でもつことが見出された。興味深いことに、用いるリン有益な機能を果たす糖鎖であるが、化学構造の多様性脂質のアシル鎖長をわずかに変えることで、細胞死誘と内部運動の自由度の高さにより、分子科学的アプロ導の形式に変化が見られ、正常細胞への毒性が大きくーチは困難である。これに対し加藤グループでは、安異なった。桑島邦博先生はシャペロニン GroEL-GroES

定同位体標識技術と超高磁場 NMR を駆使することで、複合体の作用機構に関する研究の現状について、「シその構造と機能の連関を明らかにしてきた。岡本祐幸

ャペロニンの構造揺らぎとフォールディング介助機能」として紹介された。ATP によってアロステリックに機能するシャペロニンの動作機構は、静的な構造解析のみでは明らかにすることはできず、溶液中での種々の測定による解析が重要であることがわかってきた。平田文男先生の「生体分子および溶媒の構造揺ら6

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ぎと共役した機能発現過程の理論的解明」では、理論科学によるタンパク質の構造揺らぎへのアプローチが示された。３次元 RISM 理論を用いることで、タンパク質の水和構造とともにタンパク質内部に存在する水についても描き出すことに成功した。また熱力学量に関しても、非常に精度良く求められることが示された。
このように、講演された計画研究代表者の研究背景は非常に多岐にわたっており、正直に申し上げると、著者にとっては難解に感じる部分も時にはあった。しかしながら、素晴らしい研究成果はもちろんのこと、受付の様子「揺らぎ」への今後の展望をうかがっていると、次々に興味が沸き上がってきたのである。それは会場に訪れた多くの参加者も同様であったのではないかと思う。
実際に、シンポジウムでの質疑応答をはじめ、懇親会会場においても、至る所で分野を異にする研究者間での活発な議論、意見交換が行われていた。 この新学術領域研究が目指す、「揺らぎと生体機能」という新たな研究領域の形成へ向け、まさに一歩が踏み出されたことを強く感じた。

懇親会の様子

なお、崇城大学ホームページにも今回のシンポジウムが TOPICS として掲載されています。
http://www.sojo-u.ac.jp/site/view/contview.jsp?cateid=142&id=1230&page=1

お世話になった寺嶋研の皆さん

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No. 2
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片岡班員らの研究成果が新聞に掲載される。
A02 班、計画研究代表者の片岡幹雄博士と同グループの上久保裕生博士（連携研究者）、山口繁生氏（研究協力者）及び日本原子力研究開発機構の黒木良太博士のグループの共同研究により、蛋白質中の低障壁水素結合の存在が証明されました。この研究成果が産経新聞（平成 20 年 12 月 31 日）日刊工業新聞（平成 21 年 1 月 6 日）、フジサンケイビジネスアイ（平成 21 年 1 月 6 日）に掲載されました。また、時事通信（平成 20 年 12 月 30 日）からウェブで配信されました。基となった研究は Proc. Natl. Acad. Sci. USA （early edition）に平成 21 年 1 月 2 日
付でオンライン公表されています。また、時事通信（平成 20 年 12 月 30 日）からウェブで配信されました。研究内容の詳細は、後日紹介する予定です。

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たんぱく質に水素の特殊な結合＝新薬開発へ応用期待－奈良先端大など
12 月 30 日 7 時 29 分配信 時事通信
水素原子が酸素や窒素の原子と非常に高いエネルギーで結び付く「低障壁水素結合」がたんぱく質にも存在することを、奈良先端科学技術大学院大と日本原子力研究開発機構の研究チームが 30 日までに確認した。低障壁水素結合を生み出し、酵素反応を活発にする新たな仕組みの医薬品開発につながると期待される。論文は米科学アカデミー紀要電子版に掲載される。
低障壁水素結合は、水素原子と酸素や窒素の原子との間が 2．6 オングストローム（1 オングストロームは 100 億分の 1メートル）以下に接近し、エネルギー障壁が低くなった際に起きやすい。高圧など特殊な条件下にある有機低分子で起こることが知られ、たんぱく質では消化酵素の反応に関与しているとの説があったが、存在が直接確認されていなかった。
奈良先端科学技術大学院大の片岡幹雄教授らは、細菌で光センサーの役割を果たすたんぱく質について、X 線と中性子で結晶構造解析を行い、低障壁水素結合が存在することを突き止めた。

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