タンパク質分子認識過程を活写する時間分解ラマン計測の光スイッチングによる超高速化

• Project Area: Novel measurement techniques for visualizing 'live' protein molecules at work
• Project/Area Number: 15H01639
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 水野 操 大阪大学, 理学研究科, 助教 (10464257)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2016: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2015: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
• Keywords: 分子認識 / 時間分解共鳴ラマン分光法 / 天然変性タンパク質 / 光スイッチング

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、天然変性タンパク質の複合体形成における分子認識機構を明らかにするために、時間分解分光法による高速実時間ダイナミクス観測の実現を目指した。複数の光パルスを使用した時間分解分光法は、ごく短寿命で存在する過渡的な分子集団のダイナミクス観測に対して非常に有効であるが、反応開始のトリガーには光が必要である。光反応を必要としない変性タンパク質の複合体形成反応を開始するタイミング制御に「分子光スイッチ」をもちいることで、これらの反応の実時間観測を試みた。分子認識過程を観測するためには、部位特異的な構造変化の観測を行うのに有効な共鳴ラマン分光法をもちいた。
光スイッチとして作用するアゾベンゼン誘導体を合成した。また、本領域外ではあるが、国内の研究グループとの共同研究を実施することで、よりタンパク質に導入しやすいアゾベンゼン誘導体を得ることができるようになった。さらに、アゾベンゼン誘導体を導入するための変性タンパク質の標的タンパク質の変異体作製、および変性タンパク質の発現・精製を行った。ダイナミクス観測を行うため、光スイッチング反応を開始するのに適した波長のナノ秒パルスレーザーを導入した。このレーザーは、良質のスペクトルが得られる既存の高繰り返し発振のレーザーシステムと同期がとれることを確認し、新たにナノ秒の時間分解能を有する時間分解紫外共鳴ラマン分光システムを製作した。
光スイッチングおよび時間分解分光法を組み合わせることにより、既存の方法より数桁速いダイナミクス観測が可能になった。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Demonstration of a light-driven SO42- transporter and its spectroscopic characteristics (2017)
  • Author(s): Niho A, Yoshizawa S, Tsukamoto T, Kurihara M, Tahara S, Nakajima Y, Mizuno M, Kuramochi H, Tahara T, Mizutani Y, *Sudo Y.
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 139 Issue: 12 Pages: 4376-4389
  • DOI: 10.1021/jacs.6b12139
  • NAID: 120006425837
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Importance of Atomic Contacts in Vibrational Energy Flow in Proteins (2016)
  • Author(s): Masato Kondoh, Misao Mizuno, and Yasuhisa Mizutani
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: 7 Issue: 11 Pages: 1950-1954
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.6b00785
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Regulatory Implications of Structural Changes in Tyr201 of the Oxygen Sensor Protein FixL (2016)
  • Author(s): Takeo Yamawaki, Haruto Ishikawa, Misao Mizuno, Hiro Nakamura, Yoshitsugu Shiro, and Yasuhisa Mizutani
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 55 Issue: 29 Pages: 4027-4035
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.6b00405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Study of the Dynamics of the Heme Pocket and C-helix in CooA Upon CO Dissociation Using Time-resolved Visible and UV Resonance Raman Spectroscopy (2016)
  • Author(s): Akihiro Otomo, Haruto Ishikawa, Misao Mizuno, Tetsunari Kimura, Minoru Kubo, Yoshitsugu Shiro, Shigetoshi Aono, and Yasuhisa Mizutani
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 120 Issue: 32 Pages: 7836-7843
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b05634
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chromophore Structure of Photochromic Fluorescent Protein Dronpa: Acid-base Equilibrium of Two cis Configurations (2016)
  • Author(s): Asuka Higashino, Misao Mizuno, and Yasuhisa Mizutani
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 120 Issue: 13 Pages: 3353-3353
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b01752
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of the N-terminal residues on the quaternary dynamics of human adult hemoglobin (2016)
  • Author(s): Shanyan Chang, Misao Mizuno, Haruto Ishikawa, and Yasuhisa Mizutani
  • Journal Title: Chemical Physics Volume: 469-470 Pages: 31-37
  • DOI: 10.1016/j.chemphys.2016.02.009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Progress of Laser Technology and Observation of Ultrafast Protein Dynamics (2015)
  • Author(s): 水野 操，水谷 泰久
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 55 Issue: 6 Pages: 322-328
  • DOI: 10.2142/biophys.55.322
  • NAID: 130005110034
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Protein response to chromophore isomerization in microbial rhodopsins revealed by picosecond time-resolved ultraviolet resonance Raman spectroscopy: a review (2015)
  • Author(s): Misao Mizuno, and Yasuhisa Mizutani
  • Journal Title: ACS Symposium Series eBooks, Recent Progress in Surface and Colloids Chemistry with Biological Applications Volume: 1215 Pages: 329-353
  • DOI: 10.1021/bk-2015-1215.ch016
  • ISBN: 9780841231207, 9780841231191
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ハロロドプシン光反応中間体のレチナール発色団に対する水分子の役割 (2016)
  • Author(s): 水野 操、神取 秀樹、水谷 泰久
  • Organizer: 第10回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 神戸ファッションマート
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Structural evolution of the retinal chromophore in the photocycle of microbial rhodopsins (2016)
  • Author(s): Misao Mizuno
  • Organizer: 4th Awaji International Workshop on “Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications”
  • Place of Presentation: 淡路夢舞台国際会議場
  • Year and Date: 2016-06-19
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] タンパク質が動作する姿を時間分解共鳴ラマン分光法で観る (2016)
  • Author(s): 水野 操
  • Organizer: 新学術領域研究「柔らかな分子系」第14回ワークショップ
  • Place of Presentation: 不死王閣（大阪府池田市）
  • Year and Date: 2016-03-01
  • Invited
• [Presentation] ナトリウムポンプ型ロドプシンの発色団中間体構造：共鳴ラマン分光法による観測 (2015)
  • Author(s): 西村 尚，水野 操
  • Organizer: 新学術領域研究「柔らかな分子系」第13回ワークショップ
  • Place of Presentation: 名鉄犬山ホテル（愛知県犬山市）
  • Year and Date: 2015-10-28
  • Invited
• [Presentation] Structural evolution of the retinal chromophore in the photocycle of microbial ion pumps (2015)
  • Author(s): Misao Mizuno, Ayumi Nakajima, Hideki Kandori, and Yasuhisa Mizutani
  • Organizer: 5th Asian Spectroscopy Conference
  • Place of Presentation: The University of Sydney, Australia
  • Year and Date: 2015-09-29
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] グロイオバクターロドプシンのプロトンポンプ機能を促進する発色団構造変化 (2015)
  • Author(s): 中嶋 亜侑美，水野 操，神取 秀樹，水谷 泰久
  • Organizer: 第9回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] Observation of rare events in retinal proteins revealed by time-resolved resonance Raman spectroscopy（時間分解共鳴ラマン分光法をもちいたレチナールタンパク質におけるレアイベント観測） (2015)
  • Author(s): 水野 操
  • Organizer: 日本生物物理学会第53回年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-13
  • Invited
• [Presentation] Structural evolution of the retinal chromophore in the photocycle of microbial ion pumps (2015)
  • Author(s): Misao Mizuno, Ayumi Nakajima, Hideki Kandori, and Yasuhisa Mizutani
  • Organizer: 17th International Conference on Time-Resolved Vibrational Spectroscopy (TRVS2015)
  • Place of Presentation: University of Misconsin, Madison, Wisconsin, USA
  • Year and Date: 2015-06-21
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 大阪大学 大学院理学研究科 化学専攻 生物物理化学研究室
  • URL: http://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/mizutani/index-jp.html
• [Remarks] 大阪大学大学院理学研究科化学専攻 生物物理化学研究室
  • URL: http://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/mizutani/index-jp.html