2022 Fiscal Year Final Research Report

Revisiting genetic information: introducing the concept of the collective dynamics of DNA and water

Research Project

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Project/Area Number	20H03298
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 45010:Genetics-related
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	Imashimizu Masahiko 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 主任研究員 (90465930)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	田中真人国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (30386643) 徳永裕二東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 助教 (80713354)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	サブテラヘルツ / DNA / 転写因子 / 反復配列 / イミノプロトン / 水素結合ネットワーク / 溶液NMR / 水和
Outline of Final Research Achievements	With transcription initiation and DNA-transcription factor binding as targets of analysis, we biochemically and statistically evaluated repetitive DNA sequence-dependent transcriptional regulations. We also spectroscopically evaluated changes in physical properties of double-stranded DNA and hydration water and their repetitive sequence dependence. In particular, we performed solution NMR experiments for measuring iminoproton exchange of aqueous DNA solution samples containing various types of repetitive sequences and dielectric relaxation measurements of the DNA solutions. Combining the above measurements with perturbations to the hydrogen bonding network by sub-THz irradiation, we attempted to interpret the relationship between the physical properties and biomolecular functions as microscopically as possible from the results obtained. These results suggest a direct effect of the sub-THz excitation on hydrogen bond recombination in the DNA-water system.
Free Research Field	テラバイオロジー
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	ピコ秒の生体高分子と水の集団的な運動が、通常ミリ秒以下の遅い生物分子機能を駆動する機構は、分光研究や理論研究から長く示唆されていた。しかし、振動モードの励起や緩和過程の分光分析から得られた解釈を生物学的な機能に結び付けるには、物理化学から生物学までの学問領域の壁を乗り越える必要がある。本研究は、生物の現象論と分子分光研究で得られた微視的な情報を結びつける新しい学際研究に位置づけることができる。上述した本研究の成果は、DNAの遺伝学的な概念とDNA・水分子の集団的な分子間運動に基づいた物性的な概念を繋げる学術基盤としての意義があると考えている。