【研究領域課題番号】20K20446 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

天然変性タンパク質 / レーザー分光 / 赤外分光 / 冷却イオントラップ / 質量分析 / 量子化学計算 / 部分構造解析 / イオントラップ分光

【研究成果の概要】

１）YEMPS-ドーパおよびノルアドレナリン複合体のの冷却イオントラップ赤外分光
天然変性タンパク質であるα-シヌクレインのドーパミン結合部位にはドーパミン誘導体であるドーパやノルアドレナリンも結合することが分かっている。そこで，YEMPS配列の部分ペプチドAc-YEMPS-NHMe(以降YEMPS)とプロトン付加ドーパおよびプロトン付加ノルアドレナリンの複合体をエレクトロスプレーで気相中に取り出し，冷却イオントラップ中の極低温下で赤外スペクトルを測定した。ドーパミン複合体の場合と同様に，プロトン化アミノ基がYEMPSと優先的に結合するのを阻害するために，18C6クラウンエーテルでプロトン化アミノ基を包接保護した。その結果，これら２つの複合体でも，YEMPSとカテコールOH基が結合した構造を形成させることができた。YEMPSの2 次構造を明らかにするために，ペプチド結合のC=O伸縮振動(amide-I)を測定したところ，1650 cm-1にバンドが観測され，α-ヘリックス構造が形成されていることが確認された。従って，ドーパミンと同様に，ドーパやノルアドレナリンも複合体形成によりYEMPSにヘリックス構造を誘起することが分かった。

２）異性体分離したスペクトル測定法の検討
クラウンエーテルを付加した複合体ではUVスペクトルの測定が困難なため，UVスペクトルを用いた異性体分離ができない。そこで，IRスペクトルのみを用いて異性体分離したスペクトルを測定する方法であるIR-IR dip分光法を用いる必要があるが，これを実現するためには，1本目のIR照射と2本目のIR照射の間で質量分析する必要があり，現有装置では困難である。そのため，冷却イオントラップの後の線形飛行時間方質量分析器を２段の質量分析器に改造する必要があり，最適な方法をイオン軌道シミュレーションを用いて確立した。

【研究種目】挑戦的研究(開拓)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】26,000千円 (直接経費: 20,000千円、間接経費: 6,000千円)

【研究領域課題番号】20H00372 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

赤外分光 / 分子認識 / レーザー分光 / 受容体 / ペプチド / アドレナリン受容体 / カテコールアミン神経伝達物質 / 質量分析 / 冷却イオントラップ

【研究成果の概要】

１）アゴニスト等に対する受容体ポケットの分子認識検証
イソプレナリンのみならずβ2-アドレナリン受容体に認識されて動作させる分子（アゴニスト）が受容体ポケットであるSIVSFにどのように結合するのかを明らかにするために，アドレナリンが有するOH基を１個ずつ除いたシネフリン，フェニレフリン分子（アゴニスト）とSIVSFペプチド複合体をエレクトロスプレーで生成し，冷却イオントラップ内で紫外・赤外スペクトルを測定した。
２）種々のアドレナリン受容体に対するボトムアップアプローチの適用
アドレナリン受容体はβ2-受容体に加えてα1-, α2-, β1-などの受容体がある。これらの受容体でも，分子認識を司るポケットに対応する 部分ペプチドが、受容体本体と同様の分子認識を示すのか否か検証した。アドレナリンをリガンドとして固定し，β1-受容体のポ ケットSVVSFやα2B-受容体のポケットSIGSFなどのペプチドを合成し，これらがアドレナリンに対してどのように結合するのかをボトムアップアプローチにより調べ，結合様式がどのように変化するかを明らかにした。
３）非天然受容体ポケットの分子認識能の検証 ２）で測定対象とするペプチドにSIXSF(X=A)のような非天然配列も加えてアドレナリンに対する結合様式の変化を ボトムアップアプローチで明らかにした。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2020-04-01 - 2024-03-31

【配分額】44,720千円 (直接経費: 34,400千円、間接経費: 10,320千円)

【研究領域課題番号】19K05183 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

金属クラスター / 活性化エネルギー / 解離反応 / 赤外解離分光法 / 気相昇温脱離法 / 量子化学計算 / 大気汚染物質 / 環境浄化触媒 / 質量分析法 / 赤外分光 / 赤外分光法 / クラスター / 質量分析

【研究成果の概要】

本研究では、気相分散した金属クラスター上での分子（一酸化窒素など）の解離反応の活性化エネルギーを測定するための装置の開発をおこなった。活性化エネルギーを求めるためには金属クラスターを加熱する必要がある。また、分子が解離したかを調べるためには、加熱したクラスターを冷却してプローブとなるアルゴン原子を付加する必要がある。これを実現するための装置を設計して既存の装置に組み込んだ。この装置を用いて金属クラスターに分子とアルゴンが付着した会合体の質量スペクトルを測定することができた。

【研究の社会的意義】

金属クラスターは触媒活性を持つことなどから注目されている。金属クラスター本来の活性を調べるためには気相分散させる必要があり従来の化学分析手法の適用には限界がある。そのためにクラスター上での分子の解離反応の活性化エネルギーの測定はおこなわれていなかった。本研究で開発した装置を用いることで、金属クラスター上での分子の解離反応の活性化エネルギーの測定が可能となる。活性化エネルギーがわかることで、組成を変えることなどによるクラスターの反応性の制御に対して指針が得られることが期待される。それにより、大気汚染物質である一酸化窒素などを効率よく分解できるクラスターなどが開発されることが期待される。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)

【研究領域課題番号】19K23624 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

イオン選択性 / バリノマイシン / 赤外分光法 / 冷却イオントラップ分光法 / 気相分光法 / 水和効果 / 赤外分光 / エレクトロスプレーイオン化 / 質量分析

【研究成果の概要】

本研究では、バリノマイシンのカリウムイオン選択性の起源を明らかにするために、バリノマイシンー金属錯体とその水和クラスターの構造を気相赤外分光法により調べた。その結果、親和性が高いカリウムとの錯体では対称性の高いコンフォメーションが水和されても維持されるのに対して、親和性の低いナトリウムでは水分子が一つ付加しただけで対称性が崩れ構造が歪むことがわかった。このことから、バリノマイシンのみならず、他のイオン選択性を示す他の分子においても水和効果が重要な因子であることを強く示唆している。

【研究の社会的意義】

本研究では，水和効果が分子のイオン選択性に大きな影響を及ぼしていることが示された。これは気相環境下で分子の組成・水分子の個数を精密に規定したことにより初めて示されたものであり、気相赤外分光法の威力を物語っている。精密な分光測定に裏打ちされたイオン選択性の構造論を展開した本研究は、イオン選択性を示す多様な分子の原理を解明するだけでなく、イオン選択性分子の創出にも寄与するものと考えられ、イオン分離や創薬にも展開されることが期待される。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2019-08-30 - 2022-03-31

【配分額】2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)

【研究領域課題番号】18H01938 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

イオンチャネル / ペプチド / 質量分析 / レーザー分光法 / 赤外分光法 / 冷却イオン分光法 / レーザー分光 / 赤外分光 / 赤外分光方 / イオンチャンネル

【研究成果の概要】

イオンチャネルのイオン選択性に対する水和効果を分子レベルで解明するために，イオン選択部位である選択フィルターの部分ペプチドの種々の金属イオン錯体の水和クラスターを真空中に生成し，極低温下で赤外スペクトルを測定することで，それらの構造が水和によってどの様に変化するかを調べた。これまで，単純にイオンが選択フィルターに結合するのと水和されているのでどちらが安定かという視点でイオン選択性と水和の関係が述べられてきたが，本研究の結果，水和がイオン選択にもっと直接的に関わっているいくつかの例が明らかになった。

【研究の社会的意義】

本研究では，水和効果がイオンチャネルのイオン選択性に直接的かつ本質的な役割を果たしている可能性があることが示された。金属イオンの高い電荷密度は生体にとってタンパク質の高次構造を破壊する有害なものであり，水和は遮蔽効果により電荷を中和するのに役立っている。イオン選択過程においても，水和のその様な役割は不可欠であるが，それをうまく調整して利用することでイオン選択が達成できているらしい。本研究の結果は，イオンチャネルに関わる基礎的な生物学・化学だけでなく，超分子や創薬などの人工分子の設計にも資する知的基盤を提供するものと期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】17K14433 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

気相クラスター / 気相反応 / 反応機構 / 幾何構造 / 質量分析 / イオン移動度分析 / クラスター / 反応性 / 速度定数 / 衝突誘起解離 / 昇温脱離 / 赤外分光 / 物理化学 / 化学反応

【研究成果の概要】

金属や金属酸化物の気相クラスターを研究対象とし、熱的条件下における気体分子との反応について実験及び理論計算により研究した。真空装置内でレーザー蒸発法によりクラスターを生成し、反応セル内で気体分子と反応させた後、気相昇温脱離法やイオン移動度質量分析法を用いた測定を行った。これにより、特にクラスター上に付加した気体分子について、結合の強さ(エネルギー)や付加形態(幾何構造)についての情報が得られる。実験と並行して量子化学計算を行い、クラスターと分子が反応した際の具体的な構造について検討した。

【研究の社会的意義】

金属や金属酸化物の気相クラスターは触媒反応のモデル系として研究される。従来の実験研究はクラスターが真空中に孤立した断熱条件での反応研究が主であったが、これは実際の触媒反応の環境とは大きく異なる。本研究では、反応で生成したエネルギーが速やかに拡散して熱平衡に達するような熱的条件下での反応実験を展開することで、よりリアルなモデル系として気相クラスターを扱う研究を行った。また、気相クラスターの反応機構について、これまでは理論計算に頼る研究が多く為されてきたが、本研究では実験科学的に反応過程のエネルギーや構造の情報を取得する手法を進展させた。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)