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時間分解構造解析を補完する精密顕微分光計測

Planned

Project AreaNon-equilibrium-state molecular movies and their applications
Project/Area Number 19H05784
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionUniversity of Hyogo

Principal Investigator

久保 稔  兵庫県立大学, 理学研究科, 教授 (90392878)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 木村 哲就  神戸大学, 理学研究科, 准教授 (70506906)
古谷 祐詞  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80432285)
Project Period (FY) 2019-06-28 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥142,870,000 (Direct Cost: ¥109,900,000、Indirect Cost: ¥32,970,000)
Fiscal Year 2022: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000)
Fiscal Year 2021: ¥24,310,000 (Direct Cost: ¥18,700,000、Indirect Cost: ¥5,610,000)
Fiscal Year 2020: ¥22,880,000 (Direct Cost: ¥17,600,000、Indirect Cost: ¥5,280,000)
Fiscal Year 2019: ¥49,400,000 (Direct Cost: ¥38,000,000、Indirect Cost: ¥11,400,000)
Keywords分子分光学 / 時間分解計測 / 超精密計測 / 蛋白質 / 生物物理学 / 時間分解X線結晶構造解析 / 時間分解紫外可視吸収分光 / 時間分解赤外分光 / 時間分解ラマン分光 / 時間分解蛍光分光 / 動的構造生物学
Outline of Research at the Start

私たちの体の中では多くの分子が働いており、エネルギー変換、物質輸送、物質代謝などの生命活動を担っています。それらの生体分子は、形を巧みに変えながら働く、謂わば、小さな分子機械です。最近、生体分子が働く様子を動画として観測できる「時間分解X線構造解析」という手法が開発されました。私たちは、紫外光、可視光、赤外光などさまざまな光を道具に、時間分解X線構造解析では原理的に観測が難しい、電子レベルの細かな解析を精密に行ないます。時間分解X線構造解析と相補的に研究を進めながら、生体分子が働くしくみを物理化学的に解明します。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では溶液測定に加えて、タンパク質微結晶を測定できる顕微分光技術を開発し、時分割結晶構造解析(分子動画法)と時分割分光法(紫外可視吸収分光、ラマン・赤外分光、蛍光分光)との相関的・補完的解析を推進する。多くの研究試料を扱うが、それらは新学術領域「高速分子動画」において研究されている試料である。以下、各分光法毎に本年度の装置開発実績及び研究実績を記す。

・紫外可視吸収分光:(微結晶測定)光遺伝学ツール・チャネルロドプシンの結晶相におけるダイナミクスを解明した。その分光データと時分割結晶構造解析との相関解析により、チャネルロドプシンの光誘起チャネル開口のメカニズムを解明した。新規ロドプシン類の測定も終えており、時分割結晶構造解析との相関解析を進めている。(溶液測定)顕微装置にマイクロ流路デバイスを組み込んだ極微量フロー測定により、嫌気呼吸の鍵酵素cNORの反応中間体同定に成功した。
・赤外分光:(微結晶測定)微結晶に適用できる顕微時分割赤外分光装置の開発を完了した。N2O発生酵素P450norに装置を適用し、反応中間体の電子状態解明に成功した。(溶液測定)DNAフォトリアーゼの反応中間体を捉えることに成功した。現在、反応中間体の化学構造決定を目指し、同位体試料の測定を試みている。
・ラマン分光:(微結晶測定)昨年度に引き続き、時分割顕微測定系の開発を進めている。一方、凍結結晶に対する測定系を整備し、P450酵素への適用を進めている。(溶液測定)二液混合系のstopped-flow測定装置を完成させた。
・蛍光分光:(微結晶測定)二液混合系の時分割蛍光分光装置に分光器を導入した。今後、Ca2+感受性イクオリンに適用する。(溶液測定)Stopped-flow法を用いて、イクオリンの蛍光ダイナミクスを測定した。現在、発光過程の分子モデルを構築するための速度論解析を進めている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

顕微測定系の開発が概ね計画通りに進展しており、新しい技術を用いた研究成果も出始めているため。

Strategy for Future Research Activity

顕微装置開発を継続して進めるとともに、開発済みの装置を活用して時分割分光研究を推し進める。具体的には、新学術領域が力を入れている研究試料の一つである新規ロドプシン類の紫外可視吸収・赤外分光解析をさらに進め、時分割構造解析と併せて反応中間体の構造を明らかにする。また、反応中間体を捉えたDNAフォトリアーゼの紫外可視吸収・赤外分光解析を進める。同位体試料等を用いて反応中間体の化学構造決定を目指す。その他、stopped-flowラマン分光装置のヘム酵素への応用やイクオリンの発光反応解析を進めていく。

Report

(2 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report

Research Products

(28 results)

All 2021 2020 2019 Other

All Journal Article (14 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 14 results,  Open Access: 7 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 7 results) Book (2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Time-resolved serial femtosecond crystallography reveals early structural changes in channelrhodopsin2021

    • Author(s)
      Oda Kazumasa、Nomura Takashi、Nakane Takanori、Yamashita Keitaro、Inoue Keiichi、Ito Shota、Vierock Johannes、Hirata Kunio、Maturana Andres D、Katayama Kota、( 32 authers )、Kandori Hideki、Hegemann Peter、Iwata So、Kubo Minoru、Nishizawa Tomohiro、Nureki Osamu
    • Journal Title

      eLife

      Volume: 10 Pages: 1-21

    • DOI

      10.7554/elife.62389

    • NAID

      120006996980

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Functional Assembly of Caenorhabditis elegans Cytochrome b-2 (Cecytb-2) into Phospholipid Bilayer Nanodisc with Enhanced Iron Reductase Activity.2021

    • Author(s)
      Hamed A Abosharaf,Yuki Sakamoto,Aliaa M Radwan,Keisuke Yuzu,Mika Fujimura,Thoria Diab,Tarek M Mohamed,Eri Chatani,Tetsunari Kimura,Motonari Tsubaki
    • Journal Title

      Biomolecules

      Volume: 11 Pages: 96-96

    • DOI

      10.3390/biom11010096

    • NAID

      120007162571

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Timing of NO Binding and Protonation in the Catalytic Reaction of Bacterial Nitric Oxide Reductase as Established by Time-Resolved Spectroscopy2020

    • Author(s)
      Hanae Takeda, Tatsunari Kimura, Takashi Nomura, Masaki Horitani, Azusa Yokota, Akiko Matsubayashi, Shoko Ishii, Yoshitsugu Shiro, Minoru Kubo and Takehiko Tosha
    • Journal Title

      Bull. Chem. Soc. Jpn.

      Volume: - Issue: 7 Pages: 825-833

    • DOI

      10.1246/bcsj.20200038

    • NAID

      130007879554

    • ISSN
      0009-2673, 1348-0634
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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Copper‐oxygen Dynamics in Tyrosinase Mechanism2020

    • Author(s)
      Fujieda Nobutaka、Umakoshi Kyohei、Ochi Yuta、Nishikawa Yosuke、Yanagisawa Sachiko、Kubo Minoru、Kurisu Genji、Itoh Shinobu
    • Journal Title

      Angew. Chem. Int. Ed.

      Volume: - Pages: 13385-13390

    • DOI

      10.1002/anie.202004733

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Enhanced redox reactivity of a nonheme iron(V)-oxo complex binding protons.2020

    • Author(s)
      Xue, S.-S., Li, X.-X., Lee, Y.-M., Seo, M. S., Kim, Y., Yanagisawa, S., Kubo, M., Jeon, Y.-K., Kim, W.-S., Sarangi, R., Kim, S. H., Fukuzumi, S., Nam, W.
    • Journal Title

      J. Am. Chem. Soc.

      Volume: 142 Pages: 15305-15319

    • DOI

      10.1021/jacs.0c05108

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Zinc Binding to Heliorhodopsin2020

    • Author(s)
      Hashimoto Masanori、Katayama Kota、Furutani Yuji、Kandori Hideki
    • Journal Title

      J. Phys. Chem. Lett.

      Volume: 11 Pages: 8604-8609

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.0c02383

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Direct measurements of ferric reductase activity of human 101F6 and its enhancement upon reconstitution into phospholipid bilayer nanodisc2020

    • Author(s)
      El-Behery, M., Fujimura, M., Kimura, T., Tsubaki, M.
    • Journal Title

      Biochem. Biophys. Rep.

      Volume: 21 Pages: 100730-100730

    • DOI

      10.1016/j.bbrep.2020.100730

    • NAID

      120007026374

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      2020 Annual Research Report 2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] SACLA時分割結晶構造解析による動的構造生物学研究~酵素反応の可視化に向けた分子動画~.2020

    • Author(s)
      久保稔
    • Journal Title

      放射光

      Volume: 33 Pages: 266-270

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Comparing serial X-ray crystallography and microcrystal electron diffraction (MicroED) as methods for routine structure determination from small macromolecular crystals2020

    • Author(s)
      Wolff, A. M., Kubo, M. et al.
    • Journal Title

      IUCrJ

      Volume: 7 Pages: 306-323

    • DOI

      10.1107/s205225252000072x

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Syntheses, characterizations, and crystal Structures of dinitrogen-divanadium complexes bearing triamidoamine ligands.2020

    • Author(s)
      Kokubo, Y., Wasada-Tsutsui, Y., Yomura, S., Yanagisawa, S., Kubo, M., Kugimiya, S., Kajita, Y., Ozawa, T., Masuda, H.
    • Journal Title

      European Journal of Inorganic Chemistry

      Volume: 2020 Pages: 1456-1464

    • DOI

      10.1002/ejic.201901123

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Infrared spectroscopic analysis on structural changes around the protonated Schiff base upon retinal isomerization in light-driven sodium pump KR2.2020

    • Author(s)
      S. Tomida, S. Ito, T. Mato, Y. Furutani, K. Inoue, H. Kandori
    • Journal Title

      Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics

      Volume: - Pages: 148190-148190

    • DOI

      10.1016/j.bbabio.2020.148190

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Oxidative DNA cleavage, formation of μ-1,1-hydroperoxo species, and cytotoxicity of dicopper(II) complex supported by a p-cresol-derived amide-tether ligand2019

    • Author(s)
      Kadoya, Y., Fukui, K., Hata, M., Miyano, R., Hitomi, Y., Yanagisawa, S., Kubo, M., Kodera, M.
    • Journal Title

      Inorg. Chem.

      Volume: 58 Pages: 14294-14298

    • DOI

      10.1021/acs.inorgchem.9b02093

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fundamental electron-transfer and proton-coupled electron-transfer properties of Ru(iv)-oxo complexes2019

    • Author(s)
      Hiroaki Kotani, Hinatsu Shimomura, Momoka Horimoto, Tomoya Ishizuka, Yoshihito Shiota, Kazunari Yoshizawa, Sachiko Yanagisawa, Yuka Kawahara-Nakagawa, Minoru Kubo, Takahiko Kojima
    • Journal Title

      Dalton Trans.

      Volume: 48 Pages: 13154-13161

    • DOI

      10.1039/c9dt02734c

    • NAID

      120007133077

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Pump-Probe Time-Resolved Serial Femtosecond Crystallography at SACLA: Current Status and Data Collection Strategies2019

    • Author(s)
      Nango Eriko、Kubo Minoru、Tono Kensuke、Iwata So
    • Journal Title

      Appl. Sci.

      Volume: 9 Pages: 5505-5505

    • DOI

      10.3390/app9245505

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 光駆動イオン輸送タンパク質による光・電気エネルギー変換システムの構築2020

    • Author(s)
      古谷祐詞
    • Organizer
      シンポジウム「社会実装を見据えた微生物・生体関連技術の最前線」, オンデマンドWeb開催(名古屋工業大学)
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    • Invited
  • [Presentation] Structural and functional dynamics of ABC transporters clarified by novel time-resolved measurement systems2020

    • Author(s)
      Kimura, T.
    • Organizer
      International Conference on Chemical and Environmental Sciences 2020
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高速分子動画撮影を補完する時間分解分光測定法の開発と微結晶タンパク質試料への応用2020

    • Author(s)
      木村 哲就
    • Organizer
      第93回生化学会大会
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    • Invited
  • [Presentation] 分子拡散混合を利用したヘムABCトランスポーターの時間分解分光解析2020

    • Author(s)
      木村 哲就
    • Organizer
      第2回ピコバイオロジー研究会
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    • Invited
  • [Presentation] XFEL結晶構造解析と振動分光法を用いたタンパク質の動的精密構造解析2019

    • Author(s)
      久保稔
    • Organizer
      鳥取大学GSCセミナー,鳥取大学工学部附属GSC研究センター(鳥取県・鳥取市),2019年9月27日.
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      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] タンパク質の動的構造と機能2019

    • Author(s)
      久保稔
    • Organizer
      第46回生体分子科学討論会,筑波大学大学会館(茨城県つくば市),2019年6月22日.
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      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Membrane Protein Dynamics Studied by Time-resolved Measurements2019

    • Author(s)
      Kimura, T.
    • Organizer
      Indo-Japan Joint Workshop “Frontiers in Molecular Spectroscopy: From Fundamentals to Applications in Chemistry and Biology” Nov. 1, 2019, Kobe (Japan).
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 赤外分光法によるイオンチャネルタンパク質におけるイオン-タンパク質間相互作用の研究2019

    • Author(s)
      古谷祐詞
    • Organizer
      ISSPワークショップ「レチナールタンパク質の光機能発現の物理と化学」プログラム, 東京大学物性研究所(千葉県・柏市), 2019年9月5日.
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  • [Presentation] Time-resolved FTIR spectroscopy for studying molecular mechanisms of sodium and lithium ion transportation of Krokinobacter rhodopsin 22019

    • Author(s)
      Tomida, S., Kandori, H., Furutani, Y.
    • Organizer
      The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan, Sep. 24-26, 2019, Seagaia Convention Center (Miyazaki, Miyazaki).
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Characterization of Antarctic inward proton pumping microbial rhodopsins (AntRs)2019

    • Author(s)
      Harris, A., Tomida, S., Schubert, L., Lazaratos, M., Watt, E., Hoang, A., Bondar, A.-N., Heberle, J., Furutani, Y., Kandori, H., Brown, L.
    • Organizer
      The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan, Sep. 24-26, 2019, Seagaia Convention Center (Miyazaki, Miyazaki).
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Structural features of enzyme rhodopsins revealed by infrared spectroscopy2019

    • Author(s)
      Watari, M., Ikuta, T., Hutamata, H., Yamada, D., Shihoya, W., Yoshida, K., Furutani, Y., Tsunoda, S., Nureki, O., Kandori, H.
    • Organizer
      The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan, Sep. 24-26, 2019, Seagaia Convention Center (Miyazaki, Miyazaki).
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      2019 Annual Research Report
  • [Book] 膜タンパク質工学ハンドブック(分担執筆:第1編 第1章 X線自由電子レーザーによる膜タンパク質の構造解析)2020

    • Author(s)
      溝端栄一, 久保稔
    • Total Pages
      538
    • Publisher
      (株)エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      9784860435370
    • Related Report
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  • [Book] Optogenetics. Light-Sensing Proteins and Their Applications in Neuroscience and Beyond Advances in Experimental Medicine and Biology (分担執筆:Part I 5. Optogenetic Modulation of Ion Channels by Photoreceptive Proteins)2020

    • Author(s)
      Hisao Tsukamoto and Yuji Furutani
    • Total Pages
      663
    • Publisher
      Springer Nature Singapore Pte Ltd.
    • ISBN
      9789811587627
    • Related Report
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  • [Remarks] 名古屋工業大学 古谷研究室ホームページ

    • URL

      http://biophys-molsci.web.nitech.ac.jp/index.html

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      2019 Annual Research Report

URL: 

Published: 2019-07-04   Modified: 2022-07-01  

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