【研究領域課題番号】18K19285 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物物理学 / ナノバイオ / 細胞・組織 / 生体分子 / 分析科学 / 生物物理

【研究成果の概要】

細胞内には局所温度の分布がある。しかし、現状では、温度計測の空間分解能は光の回折限界の～500 nmに留まっている。この限界を打開するため、細胞内の生体分子のラマン散乱光（アンチストークス光とストークス光）を測定することにより、生体分子の温度を計測することを目指した。低周波顕微ラマン分光システムの性能を確かめるため、Acetonitrileを顕微ラマン分光した。Stokes/Anti-stokes 比の温度依存性を利用して、約１℃の分解能で温度測定することが可能になった。

【研究の社会的意義】

細胞が機能を発揮する上で、温度は重要な物理的パラメータである。病気になった細胞、例えばガン細胞では温度が上昇している例が知られており、診断や治療という観点からも１細胞や細胞内温度を計測することは重要な意義を持っている。しかし、1 μmの小さな領域の温度を1℃以下の高分解能で測定することは困難だった。この限界を打開するため、細胞内の生体分子のラマン散乱光を測定することにより、生体分子の温度を計測する技術を開発した。この手法は純粋に物理的な手段で生体分子の温度を測定できるという利点がある。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2018-06-29 - 2020-03-31

【配分額】6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)

【研究領域課題番号】18K14666 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

揺らぎ / 統計力学 / 3D-RISM理論 / 生物物理学 / 分子動力学シミュレーション / 統計力学理論 / 3D－RISM / 生物物理

【研究成果の概要】

2013年にKimとHirataらによって提案された溶液中における分子の揺らぎの特徴を予測可能な新しい理論の解を得るための計算手法を2種類開発し、実装した。そして、本手法をアラニンジペプチド、メチオニンエンケファリンの2種類の分子の揺らぎの解析へ応用した。２つの手法は1つの構造周囲の小さな揺らぎを再現するものと、長時間のシミュレーションに対応するような大きな揺らぎを解析するためのものである。得られた結果は通常の分子動力学シミュレーションを用いて得られた結果とよく一致することが示された。

【研究の社会的意義】

本研究は溶媒和自由エネルギーの２階微分という、これまで計算されてこなかった物理量の計算を初めて行った。また、分子の揺らぎという生物物理学の中心的な問題に取り組むための新しい手法を提案した点に大きな学術的意義がある。本理論の実装はまだ試験的なもので計算コストや計算精度に課題が残されているが、蛋白質のような生体高分子の揺らぎはその機能と直接的な関連があるため、本計算手法を発展させて行くことで創薬等への応用が期待される。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】生命・健康・医療情報学

【研究領域課題番号】16K00407 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物物理学 / バイオインフォ―マティクス / 計算化学 / タンパク質の立体構造 / 基準振動解析 / 動的構造 / ネットワーク解析 / タンパク質の動的構造 / Protein Data Bank / 多量体 / T細胞受容体 / 中心性指標 / アロステリック効果 / 生物物理 / 生体生命情報学 / 計算物理

【研究成果の概要】

タンパク質の動的構造を理解するために基準振動解析計算を行い、低周波数の基準振動モードそれぞれについて、隣接し、大きな正の相関をもって動くアミノ酸残基対を結合して分子内動的構造ネットワークを定義した。そしてそれらネットワークの特性からタンパク質の動的構造を特徴づけることを考えた。酵素、アロステリックタンパク質、多量体などに応用し、ネットワーク解析で使われる中心性指標の一つbetweennessがタンパク質の構造特性や機能とよい相関をもつことを見出した。低振動モードの動きは機能と関係することが知られており、タンパク質の動的構造と機能の相関をより的確に表現することが可能となった。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】26410017 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

振動分光 / 生物物理 / 光受容タンパク質 / 量子化学計算 / 分子分光学 / 生物物理学 / 国際研究者交流 / 国際研究者交流（米国）

【研究成果の概要】

本研究の大きな目的は申請者らが開発してきたラマン円偏光二色性分光装置の更なる高感度化と、生命科学における重要課題への適用である。本手法は円二色性分光（いわゆるCD）のラマン分光版で、通常のラマン分光に比べて極めて多くの構造情報を提供する。特に溶液中では平面構造の分子がタンパク質中ではキラルな非平面構造になることに注目し、活性中心である補欠分子の構造的な歪みを検出できることを示してきた。特に、本研究では分子動力学計算と量子化学計算を用いたスペクトル解析法を確立することができた。また光受容タンパク質の応用に関しては、その励起波長依存性に関して顕著な成果を得ることができた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)

【研究分野】神経・筋肉生理学

【研究領域課題番号】23300146 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生理学 / 細胞・組織 / 生体分子 / ナノバイオ / 心筋 / 筋肉生理学 / 分子・細胞生理学 / 分子心臓学 / 生物物理学 / バイオイメージング / ナノバイオシステム / １分子イメージング・ナノ計測 / 医用物理学 / 生物物理一般 / 生物物理

【研究成果の概要】

1）ラット培養幼若心筋細胞のZ線にAcGFPを発現させ、収縮の最小単位であるサルコメアの長さ変化を細胞内Ca濃度変化と同時にnm精度で解析できるシステムの構築に成功した。2）ラット培養幼若心筋細胞において、約38℃以上の条件下、高速（~10 Hz）のサルコメア振動（HSOs）が生じることを見出した。3）マウスin vivo心臓において、心筋細胞内ナノ分子情報を抽出できる新たな顕微システムを構築し、サルコメアの動きを高空間・時間分解能で捉えることに成功した。4）Frank-Starling機構について解析し、その程度が細いフィラメントの”on-off”平衡に依存していることを見出した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2015-03-31

【配分額】19,890千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 4,590千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】23550019 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子分光 / 振動分光 / 生物物理 / 光受容タンパク質 / 量子化学計算 / 国際研究者交流（米国） / 分子分光学 / 生物物理学 / 国際情報交流（米国）

【研究成果の概要】

本研究の大きな目的は申請者らが開発してきたラマン円偏光二色性分光装置を高感度化し、これをさまざまな系に応用してその有用性を実証することである。本手法は円二色性分光のラマン分光版で、通常のラマン分光に比べて極めて多くの構造情報を提供する。特に、本研究では近赤外光励起のラマン円偏光二色性分光法をさまざまな光受容タンパク質に応用し、発色団の捻れ構造に関する微細な情報が得られることを明らかにした。最近、発色団分子の捻れなどの構造的な歪みが酵素活性等に重要であることを示唆する研究が報告されてきており、本手法はタンパク質の機能を分子構造レベルで解明するうえで極めて重要な情報を与えると期待された。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2011 - 2013

【配分額】5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)