公募班［前期］A01：動的秩序の探査
秋山 修志
| 自然科学研究機構・分子科学研究所 協奏分子システム研究センター 教授 工学博士 |
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| 領域での役割 | A01 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | Ｘ線小角散乱と液中高速AFMの相補利用による分子時計の離合集散計測 | |
| 研究目的 | 生命の見せる柔軟性や適応性の所以は生体分子の動的振る舞いにあり、その離合集散を計測する、つまり相互作用しているタンパク質分子の数・種類と複合体の形態のダイナミクスを計測することは生物学における重要課題である。本申請課題では、シアノバクテリアのKaiタンパク質時計を題材に、Ｘ線小角散乱や液中高速AFMによる１分子イメージングを駆使して、分子が秩序（リズム）を保ちつつ離合・集散する分子機構の解明に取り組む。 | |
秋山 良
| 九州大学・大学院理学研究院化学部門 准教授 博士（理学） |
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| 領域での役割 | A01 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 多価カチオンによって媒介される酸性蛋白質間引力の制御と動的秩序構造 | |
| 研究目的 | アメーバ様の細胞は、アクチン様蛋白質の会合・解離とアンカーリングを利用して移動する。この課題の目的は、統計力学に基づいて細胞移動という高次機能発現の基礎であるトレッドミル運動の駆動力と制御機構の理解を進める事（第一目標）、及びアクチン分子に限定されない応用の探索を行う事（第２目標）である。そのトレッドミル運動とは、会合・解離を通じてアクチンモノマーが動的秩序形成を行い、アクチンフィラメントが一方向へ移動する現象のことである。申請者が提案するカチオンを介した引力発生機構とATPの加水分解による価数変化に注目する事で上記第一目標を統計力学の観点から説明し、応用を考えてゆきたい。 | |
安中 雅彦
| 九州大学大学院理学研究院 教授 理学博士 |
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| 領域での役割 | A01 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 超分子複合系ソフトマターの秩序構造とダイナミクス | |
| 研究目的 | 分子の構造形成・集合を支える弱い相互作用は，室温程度の熱エネルギーであるという特徴がある。そのため形成される秩序構造は，熱揺らぎのなかで，特徴的な時間で生成消滅する非常に微妙なバランスの上に成り立っており，複雑な時間階層性を同時に持つことになる。生体は，この微妙なバランスの上で秩序構造の作り換えることで適応や進化を可能としてきたと考えられる。ソフトマターの可能性は，まさにこの複雑な時空階層にあり，その理解と制御が重要である。物理的相互作用による高分子の秩序構造形成，相転移及び その構造の記憶が，生命の分子物理学的原理の構築につながるものと考えられる。そこで本研究では，両親媒性高分子における温度などの外部環境，せん断流，更には少量のゲスト成分の添加等の物質場など広義の外場による秩序構造転移を対象とし，両親媒性高分子を用いて(1)外場による秩序構造相転移，(2)非平衡状態から熱平衡状態へのキネティックパスの解明，さらに，(3)分子の情報の分子内，分子間伝達する仕組みの解明を目指す。両親媒性高分子と生体分子，生体高分子との複合体における，外場により誘起される秩序構造相転移について検討を行い，(4)生命機能の分子論的解明を目指すことを目的とする。 | |
池谷 鉄兵
| 首都大学東京・理工学研究科 助教 博士（農学） |
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| 領域での役割 | A01 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 生細胞内の秩序構造が誘起する蛋白質立体構造の安定性 | |
| 研究目的 | 生体分子の動的な秩序形成の真の理解には、それらが実際に働いている細胞内における分子の立体構造とその動態の解析が欠かせない。一方で、これまでの構造解析の殆どが単離・精製した分子の計測であり、秩序を持って機能している細胞内とは程遠い希薄溶媒中の計測に過ぎなかった。我々は、in-cell NMR 法と呼ばれる細胞中の蛋白質を原子分解能で解析可能な手法を用いて、これまでに細胞内蛋白質立体構造決定法などの新規手法開発を進めてきた。これら手法をさらに応用すれば、生細胞内で生体分子がどのような動的振る舞いを持ち、その分子秩序形成・機能発現に関わっているかを明らかにすることも可能になる。本課題では、細胞内の秩序形成機構解明の第一ステップとして、細胞内ダイナミクスと他の分子との相互作用をin-cell NMR を用いて明らかにし、生体高分子の細胞内での構造・運動性・複合的な相互作用の包括的理解を目指すことで当該領域に貢献する。 | |
岩田 耕一
| 学習院大学・理学部化学科 教授 理学博士 |
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| 領域での役割 | A01 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 人工脂質二重膜におけるドメイン構造の実験的探究 | |
| 研究目的 | 生体膜は細胞の主要な構成要素である。細胞内での生化学反応の多くは、膜タンパク質を触媒として生体膜の内部あるいはその近傍で進行する。生体膜の構造とその時間変化は、そこで進行する生化学反応に対してきわめて大きな影響を与えている。生体膜に関する研究には長い歴史があるが、現在も、生体膜の構造とその動力学の研究はその途上にある。たとえば、多くの研究者は「脂質ラフト」の存在を想定している。「脂質ラフト」のモデルは、脂質二重膜の内部にゲル相類似の構造と液晶相類似の構造が共存すること、すなわち脂質二重膜がドメイン構造を有することを主張している。しかし、脂質ラフトが存在することを明確に示す実験的な証拠が得られたとは言い難い。本研究では、先端的な分光法を実験手段として、脂質二重膜におけるドメイン構造の有無を検証することを目的とする。 | |
内橋 貴之
| 金沢大学・理工研究域・数物科学系 教授 博士（工学） |
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| 領域での役割 | A01 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 高速AFMを用いたKaiタンパク質の複合体形成過程のダイナミクス観察 | |
| 研究目的 | 多くのタンパク質は複合体を形成し、それらがダイナミックに離散集合を繰り返しながら分子機能の発現と制御を実現している。これら分子が離散集合する過程をリアルタイムで計測することは、タンパク質の機能発現機序を理解するために本質的である。申請者らは長年にわたって原子間力顕微鏡(AFM)の高速化に取り組み、タンパク質分子をサブ分子分解能、サブ100msの時間分解能で、機能を乱さずに観察することが可能になった。本研究では高速AFMを用いて分子の離散集合過程を分子スケールで追跡できる技術基盤を確立するとともに、この技術をシアノバクテリアの概日時計システムを構成するKaiタンパク質(KaiA, KaiB, KaiC)に応用する。３つのKaiタンパク質の離散集合過程やKaiC六量体のモノマー交換過程を直接可視化することで、概日時計システムの素過程を明らかにすることを目的としている。 | |
高田 十志和
| 東京工業大学・大学院理工学研究科 教授 理学博士 |
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| 領域での役割 | A01 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | トポロジー変換可能な新規超分子ポリマーの合成と組織化・機能制御 | |
| 研究目的 | 高分子では、線状・分岐状・環状などその一次構造の違いによって物性が大きく変わることはよく知られているが、1つの分子でこれらの構造を相互変換するものは未だ知られてない。これまで申請者は、ロタキサン構造に注目して低分子、高分子を問わず様々な超分子システムの構築と構造制御を研究してきた。本研究では、ロタキサン構造を複数の高分子鎖の連結点に組み込み、その可動な連結点の特長を活かして高分子の一次構造（トポロジー）が自在に変換できるユニークなシステムを創成する。例えば、延伸によってその一次構造が分岐状（星形）から線状（ブロック状）へと変化するシステムは、一つの人工筋肉系にたとえられるであろう。すなわち、ロタキサン部位の微少なスイッチが高分子のトポロジーと組織を変え、ついには表面やバルクの機能・物性をスイッチする、そのような動的秩序形成系を開発する。本研究により、新しい動的秩序系が生まれ、生命分子系の理解が深まることで、刺激応答型の新素子・新素材が生まれるものと期待される。 | |
立川 仁典
| 横浜市立大学・大学院生命ナノシステム科学研究科 教授 博士（理学） |
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| 領域での役割 | A01 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 量子シミュレーション手法の深化による超分子および生体分子の自己集合機構の解明 | |
| 研究目的 | 超分子・生体分子における自己集合機構の解明を目指し、申請者らが構築してきた量子シミュレーション手法を深化させ、領域内での実験グループとの密な議論に基づき、量子化学計算の立場からこの課題に挑戦する。具体的には、量子シミュレーション手法の深化として、溶媒効果の実装、効率的サンプリング手法の導入、量子核ダイナミクスへの拡張、を行う。それにより、超分子・生体分子の自己集合という観点から、歯車状両親媒性分子の超分子自己集合、低障壁水素結合たんぱく質、のシミュレーションを実行する。自己集合機構の解明という目標に向け、申請者の理論手法と実験研究者との有機的な結びつきにより、当該領域の研究推進に大きく貢献したい。 | |
田中 良和
| 北海道大学大学院・先端生命科学研究院 准教授 博士（工学） |
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| 領域での役割 | A01 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 膜孔形成毒素の動的な作用機構の解明 | |
| 研究目的 | 膜孔形成毒素はターゲット細胞を攻撃するために様々な生物により普遍的に用いられている重要な蛋白質である．ヒトをはじめとした高等生物では免疫系の蛋白質として機能し，一方で，病原性微生物は宿主の血球細胞を攻撃するために膜孔形成毒素を分泌する．膜孔形成毒素蛋白質は一般に，可溶性の単量体として分泌されるが，ターゲット細胞に接すると細胞膜上で円状に会合してpreporeと呼ばれる中間体を形成した後，劇的な構造変化を起こして細胞膜に孔（膜孔）を形成する．膜孔の形成により，ターゲット細胞は死に至らしめられる．本研究では，可溶性の単量体の膜孔形成毒素が，自己会合し，膜蛋白質会合体へと瞬時に大きく構造変化する一連の動的な分子機構を，X線結晶構造解析や電子顕微鏡解析，分光学的解析などの手法を組み合わせて詳細に解明する．蛋白質の動的な作用原理を明らかにすることにより，分子の運動性をデザインし，それを利用したナノデバイスを創出することが可能になると期待される． | |
内藤 晶
| 横浜国立大学・大学院工学研究院・ 機能の創生部門 教授 理学博士 |
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| 領域での役割 | A01 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | ヒトカルシトニンのアミロイド線維形成および阻害の分子機構の解明 | |
| 研究目的 | ヒトカルシトニンはアルツハイマー病に見られるアミロイド線維形成タンパク質として認識されている。このヒトカルシトニンの線維形成現象を解明するため、固体NMR、ＴＥＭおよび分子動力学計算の手法を用いて線維形成反応機構の解析、線維の立体構造決定を行い、線維形成の分子機構を明らかにすることを研究の目的とする。本研究では、選択的に13C,15Nで二重標識したヒトカルシトニン線維を用いて、精密原子間距離測定を行い、ヒトカルシトニンアミロイド線維の精密立体構造決定を行う。次に、この構造情報をもとに分子動力学計算を行い、線維形成に重要な役割を果たす線維形成能の高いアミノ酸残基間の相互作用を特定する。この情報を基にして、線維形成速度が遅くなるヒトカルシトニンの変異体を設計し、線維形成阻害機構について検討を行う。加えて、線維形成の初期段階に現れる線維中間体の検出、および線維形成へと進む動態変化機構の解明を行う。さらに、細胞内の条件に近づけるため、脂質二重膜小胞の存在下で起こる、線維形成の分子機構について明らかにする計画である。 | |
松村 浩由
| 立命館大学生命科学部生物工学科 教授 工学博士 |
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| 領域での役割 | A01 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 細菌の細胞分裂ダイナミクスの構造機能相関解析 | |
| 研究目的 | 本研究では、「細菌の細胞分裂の際に働くタンパク質が、どのように集合・離散を繰り返し、いかにして細胞膜を陥入・分裂させるのか？」を分子レベルで解明し、細胞分裂の分子機構モデルを構築することを目的に研究を行います。 私は長年Ｘ線・中性子結晶構造解析やそれに必要な結晶化の技術開発を行い、最近ではＸ線溶液散乱によって、主にタンパク質や核酸の機能を分子レベルで解明する研究を行って参りました。しかし、個々の分子の機能だけでは説明できない現象（例えば本テーマの「細胞分裂」）が多く存在することに気づき、本領域のキーワードであります「ダイナミクス」が生命個体において私達の想像以上に重要な役割を担っているのではないかと考えるようになりました。本研究では、Ｘ線結晶構造解析と様々な生物物理化学的な手法と組み合わせることによって、この生命におけるミクロとマクロのギャップを少しでも埋めることができればと考えております。そのためにも是非、本領域において様々な分野の方々とコラボレーションをさせて頂ければと思っておりますので、どうぞよろしくお願い致します。 |
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松森 信明
| 九州大学大学院理学研究院 教授 博士（理学） |
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| 領域での役割 | A01 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 脂質ラフトにおける脂質分子の動的秩序解析 | |
| 研究目的 | 脂質ラフトは、コレステロールやスフィンゴミエリンに富んだ秩序の高い領域で、生理的に重要な役割を果たしている。しかし、脂質ラフトは生成と崩壊を繰り返しつつ自己組織化しているため、その分子基盤や動的秩序は未解明である。これまで安定同位体標識した脂質の化学合成とNMRを組み合わせる独自のアプローチで、脂質ラフトにおける脂質の動的挙動および分子間相互作用の解明に取り組んできた。本研究では、NMRに加えて、時間分解能の高い蛍光寿命測定や2次元IRを導入し、脂質ラフトに形成される短寿命の脂質ナノクラスターの解析にあたる。さらに共焦点蛍光顕微鏡も導入し、脂質の動的秩序の高感度解析を図る。このような統合分析システムを用い、より複雑な脂質膜、さらには実際の細胞膜の動的挙動および相互作用解析へと研究を展開する。これにより、脂質ラフト形成の分子基盤を明らかにし、その動的秩序を解明することを目的とする。 従来の脂質ラフト研究では、脂質膜をマクロな集合体として捕えた研究が多かったが、本研究では有機合成と各種分析を組み合わせることで、脂質の動的秩序を分子、原子レベルで捕える点が大きな特徴となっている。またラフト形成の分子機作は疾病との関係から医学的にも関心が高く、本研究によりラフトの動的過程の理解が進展し分子認識機構が解明されれば、その成果は広く医薬分野への波及効果を有するものと期待される。 |
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養王田 正文
| 東京農工大学・大学院工学研究院 教授 工学博士 |
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| 領域での役割 | A01 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | sHspの動的秩序制御による機能発現の分子機構解明 | |
| 研究目的 | sHsp (small heat shock protein)は全ての生物に存在する分子シャペロンであり、水晶体タンパク質αクリスタリンと相同なドメインを有し、非ストレス下の条件では大きなオリゴマーとして存在する。オリゴマー状態ではシャペロンとしての機能を示さず、ストレス条件下において解離することで機能を発現する。sHsp の会合と解離は可逆的であり、物理化学的解析に最適な対象である。また、この会合と解離が機能発現のメカニズムであることが特筆するべき点である。本研究課題では、sHsp のオリゴマー形成から機能発現までの一連のプロセスを明らかにすることを目的とする。特に、細胞内の高濃度かつ多様な生体分子が共存する環境での構造形成・解離及び機能発現に焦点を当てて研究を行う。本研究は、細胞内における分子の自立的集合・解離の基本的なメカニズムの解明とその生理的意義の理解に貢献すると考えている。 | |
