2016 Fiscal Year Research-status Report
超高速時間分解分光によるヘムたんぱく質光乖離機構解明
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16K17784
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| Research Institution | Kanagawa University |
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Principal Investigator |
藪下 篤史 神奈川大学, 工学研究所, 客員教授 (20376536)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 超高速分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ヘムたんぱく質は生体内で重要な機能を持っており、ヘモグロビンは呼吸で得た酸素を体内に輸送しエネルギーを与え、一酸化窒素合成酵素から発生する一酸化窒素は血流、神経伝達、免疫をコントロールする。これらの機能のトリガーとなる初期過程は分子のヘムたんぱく質からの超高速乖離であるが、その重要性にもかかわらず、未だその詳細は明らかにされていない。本研究課題ではこれらの乖離過程を明らかにするため、超短光パルスを用いた分光実験を行いそのダイナミクスを解明する。独自に開発した超短パルス光源と測定装置を用いることにより、きわめて独自性のありかつ医療につながる意義を持った研究が行える。
一酸化窒素(NO)は生体内で重要な役割を担っており、血流の制御、神経伝達、免疫などの細胞の活性を制御する役割を持つ。これらのNOSは単量中に還元部位(reductase domain)と酸化部位をもちそれらがカルモジュリンによってつながれており、一般に２量体として体内に存在する。NOは還元部位から酸化部位へ電荷移動が起きた後に、酸化部位中のヘムから乖離される。この最重要である乖離過程はフェムト秒オーダーの超高速で起きるため、その機構解明には超短パルスを用いた超高速分光が必須となる。
生物学上の重要性からNOSは広く研究されてきており、定常状態、準定常状態の分光がミリ秒の時間スケールで明らかにされている。また近年ではピコ秒領域で時間分解分光もなされている。しかしながら既述の超高速の乖離過程を含め、NOSの反応初期過程の機構は未だに不明である。
本研究課題ではこれらヘムたんぱく質からの分子の超高速乖離過程を明らかにするために、超高速分光の手法を用いて観測した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度の測定としては主に時間分解吸収分光をメインに遂行した。独自のフェムト秒時間分解吸収分光システムの構築のため、ファイバーレーザーの構築を並行して進めている。
紫外超短パルスレーザーを用いることにより、NOS酸化部位の超高速時間分解分光を行い、配位子や基質が超高速ダイナミクスに与える変化の観測を行うことができた。イミダゾールをNOS酸化部位に加えた場合はイミダゾールが配位し、光励起後300フェムト秒以内で配位子が光乖離し、その後２ピコ秒で振動緩和と配位子の再結合が観測された。またタンパク内の構造変動は数十ピコ秒で緩和した。一方Lアルギニン基質をNOS酸化部位に加えた場合は５配位型となり、緩和ダイナミクスは400フェムト秒の超高速内部転換、振動緩和、電荷移動を経て1.4ピコ秒で電子基底状態へと緩和した。一方何も加えない原型のNOS酸化部位では水分子が弱く配位し、800フェムト秒で配位子の乖離が観測された。それに続き4.8ピコ秒の電荷移動を伴う振動緩和、12ピコ秒の配位子の再結合が観測された。これらの成果はBiophys. Chem. 214-125, 11-16 (2016)に出版された。
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| Strategy for Future Research Activity |
フェムト秒光源のパルスに同期した電気信号と、単一光子計数器からの蛍光光子の検出信号を、ともにマルチスケーラーに送り、時間相関単一光子計数による時間分解分光を行う。一酸化窒素合成酵素の酸化部位にいろいろな配位子をつけたものの分光を行い、その比較を行うことで配位子が乖離ダイナミクスに与える効果を評価することができると期待される。
酸化部位のみを試料として用いることで、純粋にヘムから一酸化窒素が乖離する過程が見られる。その後、還元部位、カルモジュリンを含む全体の一酸化窒素合成酵素の時間分解蛍光を行い、酸化部位のみの場合との比較を行うことによって、還元部位から酸化部位への電荷移動ダイナミクスについても評価が可能となる。
さまざまな配位子をつけた一酸化窒素合成酵素の時間分解吸収分光を並行して行うことで、一酸化窒素の乖離ダイナミクスの全容が解明され、また配位子が与える影響の評価を行うことによって、一酸化窒素排出を制御する薬の開発のための重要な情報を得ることにつながる。
超高速光乖離は100フェムト秒より速い時間で進行する可能性もあるため、National Chiao-Tung University, Taiwanで研究協力者と構築中の超短パルス紫外レーザーを完成させ、30フェムト秒を上回る時間分解能で時間分解吸収分光を行い、その結果を合わせることにより超高速光乖離が観測可能となる。アルゴンガスで満たした中空ファイバー中をSHパルスが通ることで紫外広帯域パルスとなり、時間圧縮することで紫外超短レーザーパルスを作成する。
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Research Products
(18 results)
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[Presentation] ジアニオン生成過程に対する電子吸引基の効果2016
Author(s)
Sena Hashimoto, Atsushi Yabushita, Izumi Iwakura
Organizer
第72回有機合成化学協会関東支部シンポジウム(新潟シンポジウム)
Place of Presentation
Niigata University of Pharmacy and Applied Life Science, Niigata, Japan
Year and Date
2016-11-26 – 2016-11-27
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[Presentation] 超高速二次元相関分光法によるバクテリオロドプシンのプロトンポンプ機構解明2016
Author(s)
Atsushi Yabushita, Chii-Shen Yang, Takayoshi Kobayashi
Organizer
第72回有機合成化学協会関東支部シンポジウム(新潟シンポジウム)
Place of Presentation
Niigata University of Pharmacy and Applied Life Science, Niigata, Japan
Year and Date
2016-11-26 – 2016-11-27
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