電離放射線により誘発されるDNA鎖切断の生成に係る水和水分子の役割の解明

• 研究課題/領域番号: 17K00564
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 放射線・化学物質影響科学
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 研究代表者: 藤井 健太郎 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 次世代放射光施設整備開発センター, 上席研究員(定常) (00360404)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2019年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2018年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2017年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 生体分子 / プロトン移動 / 軟X線 / 分子変化 / アデノシン / 電荷移動 / 水和 / デオキシリボース / 中性種の脱離 / DNA主鎖切断 / 水和水分子 / 重水素置換 / 脱離イオン / DNA鎖切断 / 放射線

研究成果の概要

光合成によるエネルギー伝達は、主に葉緑体の膜上で行われるが、その際にATPなどの核酸分子で起こるリン酸基の脱離・融合を通貨としてエネルギーの伝達が行われる。ごく最近、ATPを取り囲む水分子とATP分子との間で起こる電子やプロトンの移動がエネルギー伝達に密接にかかわっていることが理論的に予測された。本研究では、この過程についての実験的なアプローチによる情報を得ることを目的として、生体分子を取り囲む水分子との間で起こる電荷移動およびプロトン移動現象に着目し、放射光軟X線による元素選択的イオン化後に起こるこれらの現象を、軟X線分光によって推測した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

光合成などの生体分子内のエネルギー産生能力は非常に高効率で、そのメカニズムを利用したエネルギー生成が実現できれば、省エネルギーデバイスなどの実現に向けて大きく前進することが期待される。また核酸塩基と水分子は自然環境に当たり前に存在する物質であり、これらを利用したデバイスの応用は、環境適合材料としても最も適したものの一つと考えられ、生産から廃棄に至るまでのエネルギーコストは極めて少なく抑えられる。イオン液体内の電荷移動現象の基礎過程に関する知見となり、技術的な革命が期待されている生体分子を用いた電子デバイスの開発において重要な知見となることが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Piere Marie Curie University/Essonne University(フランス)
• [雑誌論文] Electronic properties of DNA-related molecules containing a bromine atom (2020)
  • 著者名/発表者名: Hirato Misaki、Onizawa Misato、Baba Yuji、Haga Yoshinori、Fujii Kentaro、Wada Shin-ichi、Yokoya Akinari
  • 雑誌名: International Journal of Radiation Biology 巻: - 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1080/09553002.2020.1800121
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hydration of Nucleobase as Probed by Electron Emission of Uridine-5’-Mono-Phosphate (UMP) in Aqueous Solution Induced by Nitrogen K-Shell Ionization (2020)
  • 著者名/発表者名: Yasuaki Takeda, Hiroyuki Shimada, Ryosuke Miura, Masatoshi Ukai, Kentaro Fujii, Yoshihiro Fukuda, Yuji Saitoh
  • 雑誌名: Quantum Beam Science 巻: 4 号: 1 ページ: 10-10
  • DOI: 10.3390/qubs4010010
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 放射線によるアデノシン三リン酸分子変異によって誘発される生物学的効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤井 健太郎, 加藤 大, 藤井 紳一郎, 月本 光俊, 秋光 信佳
  • 雑誌名: X線分析の進歩 巻: 51 ページ: 251-259
  • NAID: 40022215594
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab Initio Molecular Dynamics Simulations to Interpret the Molecular Fragmentation Induced in Deoxyribose by Synchrotron Soft X-Rays (2019)
  • 著者名/発表者名: Marie-Anne Herve du Penhoat, Anis Hamila, Marie-Pierre Gaigeot, Rodolphe Vuilleumier , Kentaro Fujii, Akinari Yokoya
  • 雑誌名: Quanum Beam Science 巻: 3 号: 4 ページ: 24-24
  • DOI: 10.3390/qubs3040024
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] NOVEL ANALYTICAL STUDY FOR REACTION INTERMEDIATES IN THE PRIMARY RADIATION INTERACTION OF DNA USING A SYNCHROTRON RADIATION-INDUCED LUMINESCENCE SPECTROSCOPY (2019)
  • 著者名/発表者名: Kojima T、Aihara H、Kodashima Y、Makishima H、Nakiri S、Takada S、Shimada H、Ukai M、Ozga C、Holzapfel X、Schmidt Ph、Kostner-Wetekam C、Otto H、Bloβ D、Knie A、Ehresmann A、Yokoya A、Fujii K、Fukuda Y、Saitoh Y
  • 雑誌名: Radiation Protection Dosimetry 巻: - 号: 1-2 ページ: 32-35
  • DOI: 10.1093/rpd/ncy239
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] XANES spectral changes of hydrated deoxyribose induced by K-shell ionization of oxygen (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujii Kentaro、Yokoya Akinari
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 2054 ページ: 040005-040005
  • DOI: 10.1063/1.5084606
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Substituent effect on the yield of unpaired electrons in DNA bases studied by electron paramagnetic resonance (2018)
  • 著者名/発表者名: Oka Toshitaka、Yokoya Akinari、Fujii Kentaro、Kino Yasushi、Sekine Tsutomu
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 113 号: 24 ページ: 243701-243701
  • DOI: 10.1063/1.5055722
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Roles of Hydration for Inducing Decomposition of 2-deoxy-D-ribose by Ionization of Oxygen K-Shell Electrons (2018)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Fujii, Yudai Izumi, Ayumi Narita, Krishina Ghose, Pable Lopez-Tarifa, Alain Touati, Riccardo Spezia, Rodolphe Vuilleumier, Marie-Pierre Gaigeot, Marie-Francoise Politis, Marie-Anne Herve du Penhoat, Akinari Yokoya
  • 雑誌名: Radiation Research 巻: 189 号: 3 ページ: 264-272
  • DOI: 10.1667/rr14225.1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A significant role of non-thermal equilibrated electrons in the formation of deleterious complex DNA damage (2018)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Kai, Akinari Yokoya, Masatoshi Ukai, Kentaro Fujii, Tomohiro Toigawa, Rituko Watanabe
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 92 号: 4 ページ: 660-664
  • DOI: 10.1039/c7cp06903k
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Circular dichroism spectroscopic study on structural alterations of histones induced by post-translational modifications in DNA damage responses: Lysine-9 methylation of H3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Yudai Izumi, Koichi Mastuo, Kentaro Fujii, Akinari Yokoya, Masaki Taniguchi, Hirofumi Namatame
  • 雑誌名: Journal of Radiation Research 巻: 59 号: 2 ページ: 108-115
  • DOI: 10.1093/jrr/rrx068
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 軟X線光電子分光法を用いた臭素化DNA関連分子の電子状態の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 平戸 未彩紀, 馬場 祐治, 和田 真一, 藤井 健太郎, 横谷 明徳
  • 学会等名: 第34回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 次世代放射光施設 共用ビームライン検討状況 -軟X線ナノ吸収分光（XMCD）ビームライン- (2021)
  • 著者名/発表者名: 今園 孝志, 上野 哲朗, 岩澤 英明, 大坪 嘉之, 堀場 弘司, 宮脇 淳, 中谷 健, 藤井 健太郎, 安居院 あかね, 木村 洋昭, 高橋 正光
  • 学会等名: 第34回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 放射線生物研究と軟X線分光 (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤井 健太郎
  • 学会等名: 第34回日本放射光学会年会 放射光科学合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 次世代放射光施設 共用ビームライン検討状況 -軟X線超高分解能共鳴非弾性散乱(RIXS)ビームライン- (2021)
  • 著者名/発表者名: 宮脇 淳, 藤井 健太郎, 今園 孝志, 堀場 弘司, 大坪 嘉之, 中谷 健, 安居院 あかね, 木村 洋昭, 高橋 正光
  • 学会等名: 第34回日本放射光学会年会 放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 次世代放射光施設 共用ビームライン検討状況 -軟X線ナノ光電子分光（ARPES）ビームライン- (2021)
  • 著者名/発表者名: 堀場 弘司, 今園 孝志, 岩澤 英明, 藤井 健太郎, 宮脇 淳, 大坪 嘉之, 中谷 健, 安居院 あかね, 木村 洋昭, 高橋 正光
  • 学会等名: 第34回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 細胞の放射線増感を誘発する臭素化DNA関連分子の電子状態の研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 平戸 未彩紀, 馬場 祐治, 藤井 健太郎, 和田 真一, 黒川 悠索, 中辻 博, 横谷 明徳
  • 学会等名: 量子生命科学会第2回大会
• [学会発表] 次世代放射光施設を利用した量子生命科学研究の展開 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤井 健太郎
  • 学会等名: 量子生命科学先端フォーラム
• [学会発表] 次世代放射光を利用した量子生命科学研究の展望 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤井 健太郎, 平野 優, 玉田 太郎, 宮脇 淳, 泉 雄大, 原田 慈久, 安達 基泰
  • 学会等名: 量子生命科学会 第2回大会
• [学会発表] Physical Process of Radiation Damage to DNA utilizing Soft X-ray Spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Fujii, Akinari Yokoya, M-A. Herve du Penhoat, M-F. Politis
  • 学会等名: The international workshop for synergetic collaboration between material and synchrotron science through IMR-MAX IV joint research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physical Process of DNA Strand Breakages by Ionizing Radiations utilizing Synchrotron Soft X-ray Spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Fujii, Akinari Yokoya, M-A. Herve du Penhoat, M-F. Politis
  • 学会等名: The 8th International Symposium of Gunma University Initiative for Advanced Research
  • 国際学会
• [学会発表] Physical Process of DNA Strand Breakage induced by Core-Electron Ionization (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Fujii, 藤井 健太郎, Akinari Yokoya, 横谷 明徳, Marie-Anne Herve du Penhoat, Marie-Francoise Politis
  • 学会等名: International Young Researchers Workshop on Synchrotron Radiation Science
  • 国際学会
• [学会発表] 軟X線を用いたDNA損傷生成過程の研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤井 健太郎
  • 学会等名: 第25回HiSOR研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Physical Process of DNA Strand Breakage induced by Ionizing Radiations (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Fujii, Akinari Yokoya, Marie-Anne Herve du Penhoat, Marie-Francoise Politis
  • 学会等名: International Conference on Materials and System for Sustainability
  • 国際学会
• [学会発表] 放射光軟X線分光を用いた電離放射線誘発DNA主鎖切断の物理過程の観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤井 健太郎, 横谷 明徳, Marie-Anne Herve du Penhoat, Marie-Francoise Politis
  • 学会等名: 量子生命科学会 第１回大会
• [学会発表] Fragmentation of Doubly-Ionized Deoxyribose (2019)
  • 著者名/発表者名: M-A. Herve du Penhoat, A. Souchaud, R. Vuilleumier, M-P. Gaigeot, Kentaro Fujii, Akinari Yokoya, M-F. Politis
  • 学会等名: International Congress of Radiation Research 2019
  • 国際学会
• [学会発表] XANESスペクトルによる放射線DNA鎖切断の観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤井健太郎, 横谷明徳, M-A.Herve du Penhoat, M-F.Politis
  • 学会等名: 第32回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] Soft X-ray spectroscopies for Br-incorporated DNA nucleotide (2019)
  • 著者名/発表者名: Misaki Hirato, Kentaro Fujii, Akinari Yokoya, Shin-ichi Wada, Yuji Baba
  • 学会等名: The 23rd Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Brを含むDNA関連分子の内殻電子状態の研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 平戸未彩紀, 横谷明徳, 馬場祐治, 藤井健太郎
  • 学会等名: 2018年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] XANES spectral changes of hydrated deoxyribose induced by K-ionization of oxygen (2018)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Fujii, Akinari Yokoya
  • 学会等名: International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation
  • 国際学会
• [学会発表] Proton transfers between a deoxyribose and hydrated waters after K-ionizations of constituent atoms (2018)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Fujii, Akinari Yokoya, M-A. Herve du Penhoat, M-F. Politis
  • 学会等名: 15th International Workshop on Radiation Damage to DNA
  • 国際学会
• [学会発表] 酸素K殻イオン化によって起こるデオキシリボースの分解過程 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤井健太郎, 横谷明徳, M-A. Herve du Penhoat, M-F. Politis
  • 学会等名: 第12回分子化学討論会
• [学会発表] X線光電子分光法によるBrを含むDNA関連分子の内殻電子状態の研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 平戸未彩紀, 横谷明徳, 馬場祐治, 藤井健太郎
  • 学会等名: 日本放射線影響学会第61回大会
• [学会発表] 電離放射線によって生じるDNA鎖切断 に対する水和水分子の役割 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤井 健太郎, 横谷 明徳, M-A Herve du Penhoat, M-F Politis
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 国際学会
• [学会発表] 放射光円二色性分光によるメチル化ヒストンH3の構造解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 泉 雄大, 松尾 光一, 藤井 健太郎, 横谷 明徳
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 国際学会
• [学会発表] VUV-CDスペクトル測定による DNA修復タンパク質 XRCC4の二次構造解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西久保 開, 泉 雄大, 藤井 健太郎, 松尾 光一, 松本 義久, 横谷 明徳
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 国際学会
• [学会発表] Secondary structural analysis of XRCC4 protein using HiSOR-VUVCD (2018)
  • 著者名/発表者名: Kai Nishikubo, Yudai Izumi, Kentaro Fujii, K.Matsuo, Y.Yamamoto, Akinari Yokoya
  • 学会等名: The 22nd Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Radiation Damage to DNA Induced by K-shell Electron Ionizations (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤井 健太郎
  • 学会等名: HiSORセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 円二色性スペクトル法によるDNA2本鎖切断修復関連 タンパク質（XRCC4）の二次構造解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西久保 開, 泉 雄大, 藤井 健太郎, 松本 義久, 横谷 明徳
  • 学会等名: 科学技術創成研究院 先導原子力研究所 研究交流・発表会
• [学会発表] Structural Analysis of DNA Repair Protein (XRCC4) by Applying Circular Dichroism at Synchrotron VUV Beamline (2017)
  • 著者名/発表者名: Kai Nishikubo, Yudai Izumi, Kentaro Fujii, Yoshihisa Matsumoto, Akinari Yokoya
  • 学会等名: 第１回国際シンポジウム 「量子生命科学 -Quantum Life Science-」
  • 国際学会
• [学会発表] シンクロトロン放射を用いたCDスペクトル測定によるDNA修復タンパク質XRCC4の構造解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西久保 開, 泉 雄大, 藤井 健太郎, 松本 義久, 横谷 明徳
  • 学会等名: 平成29年度KUR専門研究会
• [学会発表] Ultrafast Proton Transfer between DNA-Sugar Molecule and Hydrated Water induced by K-Ionization of Oxygen (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤井 健太郎, Marie-Francois Politis, Marie-Anne Herve du Penhoat, 横谷 明徳
  • 学会等名: 第１回国際シンポジウム 「量子生命科学 -Quantum Life Science-」
  • 国際学会
• [学会発表] シンクロトロン放射を用いたCD スペクトル測定によるDNA 修復タンパク質XRCC4 の溶液中での構造解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西久保 開, 泉 雄大, 藤井 健太郎, 松本 義久, 横谷 明徳
  • 学会等名: 日本放射線影響学会
• [学会発表] STRUCTURAL ANALYSIS OF DNA REPAIR PROTEIN (XRCC4) APPLYING CIRCULAR DICHROISM IN AN AQUEOUS SOLUTION (2017)
  • 著者名/発表者名: 西久保 開, 泉 雄大, 藤井 健太郎, 松本 義久, 横谷 明徳
  • 学会等名: MICROS 2017 - 17th International Symposium on Microdosimetry 参加
  • 国際学会
• [学会発表] DNA構成元素の内殻励起によって誘発されるDNA損傷の定量実験 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鯉渕 誠也, 藤井 健太郎, 横谷 明徳
  • 学会等名: 平成29年度KUR専門研究会
• [学会発表] Quantum Life Sciences in QST (2017)
  • 著者名/発表者名: Akinari Yokoya, Tatsuhiko Imaoka, Takeshi Ohshima, Shinobu Onoda, Kenji Owada, Kentaro Fujii, Koichi Yamakawa, Motoyasu Adachi, Hironori Oba, Makiko Yamada, Hidetoshi Kono, Hiroshi Murakami, Noriyuki Ouchi, Yoshiteru Yonetani, Ryuji Igarashi, Yudai Izumi, Shigenori Tanaka, Mutshuko Hatano, Shigeki Takeuhi
  • 学会等名: 第1回QST国際シンポジウム「量子生命科学 -Quantum Life Science-」
  • 国際学会
• [学会発表] Fragmentation of Doubly-Ionized Deoxyribose. (2017)
  • 著者名/発表者名: Marie-Annne Herve du Penhoat, Alexandre souchaudl, Rodolphe Vuilleumier, Marie-Piene Gaigeot, Kentaro Fujii, Akinari Yokoya, Marie-Francoise politis
  • 学会等名: 第1回QST国際シンポジウム「量子生命科学 -Quantum Life Science-」
  • 国際学会
• [学会発表] Synchrotron Radiation as a Quantum Tool for Studies of Radiation Damage to DNA and Resulting Cellular Responses (2017)
  • 著者名/発表者名: 横谷 明徳, 藤井 健太郎, 島田 紘行, 鵜飼 正敏, 神長 輝一, Kenji Owada, 町田 晃彦, 西村 由希子, 今岡 達彦
  • 学会等名: Conbio2017(生命科学系学会合同年次大会)