過渡的な生体分子構造の急速凍結とESR研究

• 研究課題/領域番号: 17K05758
• 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: 物理化学
• 研究機関: 大阪市立大学
• 研究代表者: 松岡 秀人 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 特任准教授 (90414002)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2019年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2018年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2017年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: ESR / スピンラベル / タンパク質 / 核酸 / 構造変化 / 電子スピン共鳴 / 距離測定 / 生体超分子 / 構造生物 / 生体分子 / 急速凍結 / 構造解析 / 生物物理 / 光合成

研究成果の概要

スピンラベルを用いた距離測定に対して、近似を用いない厳密な解析手法を開発し、モデル系に適用し有用性を示した。また、構造変化を伴う生体分子としてリボスイッチ（遺伝子発現に関わるRNAの構造変化）を対象に、距離測定による構造変化の追跡を行った。高効率なスピンラベル化法の提唱と、ESRによるリボスイッチの構造変化の観測に成功した。急速凍結システムを構築し、モデル系としてミオグロビンへのアジド結合反応に応用した。アジドがミオングロビン内の鉄に結合することで生じる鉄イオンの高スピンから低スピン状態への変化をESRによって追跡することができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、ESRを用いた構造解析のための、新しい解析手法やスピンラベル化法の提唱、ならびに急速凍結システムの構築を行った。対象とした系は、リボスイッチやイオンチャンネルなど、その構造変化の観測が実際に様々な分野で注目されているものであり、本研究成果は、関連分野にインパクトを与えるものであった。また、本研究で報告した研究手法は、構造変化を伴う生体反応の分子レベルでの追跡に有用なものとして、今後も活用されるものと期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] ボン大学(ドイツ)
• [国際共同研究] 国際トモグラフィセンター(ロシア連邦)
• [国際共同研究] ボン大学/欧州高度教育研究センター(ドイツ)
• [国際共同研究] 国際トモグラフィセンター(ロシア連邦)
• [国際共同研究] ボン大学/欧州高度教育研究センター/フライブルク大学(ドイツ)
• [雑誌論文] Trityl-Aryl-Nitroxide-Based Genuinely g-Engineered Biradicals, As Studied by Dynamic Nuclear Polarization, Multifrequency ESR/ENDOR, Arbitrary Wave Generator Pulse Microwave Waveform Spectroscopy, and Quantum Chemical Calculations (2019)
  • 著者名/発表者名: Sato Kazunobu、Hirao Rei、Timofeev Ivan、Krumkacheva Olesya、Zaytseva Elena、Rogozhnikova Olga、Tormyshev Victor M.、Trukhin Dmitry、Bagryanskaya Elena、Gutmann Torsten、Klimavicius Vytautas、Buntkowsky Gerd、Sugisaki Kenji、Nakazawa Shigeaki、Matsuoka Hideto、Toyota Kazuo、Shiomi Daisuke、Takui Takeji
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry A 巻: 123 号: 34 ページ: 7507-7517
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.9b07169
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pulsed EPR Dipolar Spectroscopy under the Breakdown of the High‐Field Approximation: The High‐Spin Iron(III) Case (2019)
  • 著者名/発表者名: Abdullin Dinar、Matsuoka Hideto、Yulikov Maxim、Fleck Nico、Klein Christoph、Spicher Sebastian、Hagelueken Gregor、Grimme Stefan、L?tzen Arne、Schiemann Olav
  • 雑誌名: Chemistry. A European Journal 巻: 25 号: 37 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1002/chem.201900977
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Isostructural M(II) complexes (M = Mn, Fe, Co) with field-induced slow magnetic relaxation for Mn and Co complexes (2019)
  • 著者名/発表者名: Uchida Kaiji、Cosquer Goulven、Sugisaki Kenji、Matsuoka Hideto、Sato Kazunobu、Breedlove Brian K.、Yamashita Masahiro
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 48 号: 32 ページ: 12023-12030
  • DOI: 10.1039/c8dt02150c
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] EPR and DEER Characterization of New Mixed Weakly Coupled Nitroxide Triradicals for Molecular Three-Spin Qubits (2019)
  • 著者名/発表者名: Zaytseva Elena、Timofeev Ivan、Krumkacheva Olesya、Parkhomenko Dmitryi、Mazhukin Dmitrii、Sato Kazunobu、Matsuoka Hideto、Takui Takeji、Bagryanskaya Elena
  • 雑誌名: Applied Magnetic Resonance 巻: 印刷中 号: 8 ページ: 967-976
  • DOI: 10.1007/s00723-019-01125-9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-Yield Spin Labeling of Long RNAs for Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Kerzhner Mark、Matsuoka Hideto、Wuebben Christine、Famulok Michael、Schiemann Olav
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 57 号: 20 ページ: 2923-2931
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.8b00040
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] ESR analyses of picket fence Mn^II and 6th ligand coordinated Fe^III porphyrins (S = 5/2) and a Co^II(hfac) complex (S = 3/2) with sizable ZFS parameters revisited: A full spin Hamiltonian approach and quantum chemical calculations (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamane Takeshi、Sugisaki Kenji、Matsuoka Hideto、Sato Kazunobu、Toyota Kazuo、Shiomi Daisuke、Takui Takeji
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 47 号: 46 ページ: 16429-16444
  • DOI: 10.1039/c8dt02988a
  • NAID: 120006776860
  • URL: https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2019797
  • 査読あり
• [雑誌論文] Time-Resolved Electron Paramagnetic Resonance and Theoretical Investigations of Metal-Free Room-Temperature Triplet Emitters (2017)
  • 著者名/発表者名: Hideto Matsuoka, Marius Retegan, Lisa Schmitt, Sigurd Hoeger, Frank Neese, Olav Schiemann
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 139 号: 37 ページ: 12968-12975
  • DOI: 10.1021/jacs.7b04561
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Analyses of sizable ZFS and magnetic tensors of high spin metallocomplexes (2017)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Yamane, Kenji Sugisaki, Tomoki Nakagawa, Hideto Matsuoka, Takahisa Nishio, Shigemori Kinjyo, Nobuyuki Mori, Satoshi Yokoyama, Chika Kawashima, Naoki Yokokura, Kazunobu Sato, Yuki Kanzaki, Daisuke Shiomi, Kazuo Toyota, David H. Dolphin, Wei-Ching Lin, Charles A. McDowell, Makoto Tadokoroc, Takeji Takui
  • 雑誌名: Phys Chem Chem Phys 巻: 19 号: 36 ページ: 24769-24791
  • DOI: 10.1039/c7cp03850j
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Surface recombination model for electron lifetime in intrinsic diamond (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Konishi、I. Akimoto、H. Matsuoka、Ian Friel、J. Isberg、N. Naka
  • 学会等名: Hasselt Diamond Workshop 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Correlation between p-conjugation network and luminescence of fused phenazine derivatives (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Matsuoka、H. Matsui、 O. Schiemann、 K. Sugisaki
  • 学会等名: EUROISMAR 2019
  • 国際学会
• [学会発表] りん光性有機EL発光体の開発に向けた フェナジン誘導体の励起状態研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松岡秀人、松井大樹、秋元郁子
  • 学会等名: SEST2019
• [学会発表] ナフタレンジイミド誘導体の励起状態のダイナミクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 芝野祐樹、神崎祐貴、秋元郁子、松岡秀人
  • 学会等名: SEST2019
• [学会発表] Q-band ESR装置を用いた光キャリアのサイクロトロン共鳴 (2019)
  • 著者名/発表者名: 秋元郁子、 中暢子、 松岡秀人
  • 学会等名: SEST2019
• [学会発表] Rapid-scan法によるNV-センターESR信号の高効率測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 牧祐介、松岡秀人、秋元郁子
  • 学会等名: SEST2019
• [学会発表] トラップされた電子・正孔スピンのトンネル再結合とスピン間ダイポール相互作用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 秋元郁子、松岡秀人、関谷隆夫
  • 学会等名: 第30回光物性研究会
• [学会発表] ランダウ準位の不均一広がりを考慮した ダイヤモンドの真性キャリア移動度の抽出 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小西一貴、秋元郁子、松岡秀人、Ian Friel、J. Isberg D、中暢子
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 室温でりん光を示すメタルフリー有機EL発光体の電子状態とスピンダイナミクス研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松岡 秀人、松井 大樹、Olav Schiemann
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会
• [学会発表] PELDOR with Microsecond Time Resolution (2018)
  • 著者名/発表者名: Tobias Hett、Tobias Zbik、Hideto Matsuoka、Reinhard Seifert、Benjamin Kaupp、Olav Schiemann
  • 学会等名: APES-IES2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Conventional ESR Analyses of Sizable ZFS Tensors in Metal Ionic High Spin Systems in Harmony with Quantum Chemical Calculations: Applications to Some Important High Spin Metallocomplexes (2018)
  • 著者名/発表者名: Takeshii Yamane、Kenji Sugisaki、Hideto Matsuoka、Kazunobu Sato、Kazuo Toyota、Daisuke Shiomi、 Takeji Takui
  • 学会等名: APES-IES2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Double electron-electron resonance with arbitrary-waveform pulses: application to randomly distributed electron and hole spins in a semiconductor (2018)
  • 著者名/発表者名: Ikuko Akimoto、Hideto Matsuoka、Takao Sekiya
  • 学会等名: APES-IES2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] - Time-resolved EPR, Optical, and Quantum Chemical Studies of pi-conjugated phenazine derivatives (2018)
  • 著者名/発表者名: Hideto Matsuoka、Hiroki Matsui、Olav Schiemann、Kenji Sugisaki
  • 学会等名: APES-IES2018
  • 国際学会
• [学会発表] ホスホニウム基を有する安定なナフタレンジイミドの電子構造とダイナミクスの研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 崎山 弾、巽 俊輔、杉崎 研司、松岡 秀人、佐藤 和信、豊田 和男、塩見 大輔、Sharvan Kumar、Sudhir Kumar Keshri、Yogendra Kumar、Pritam Mukhopadhyay、工位 武治
  • 学会等名: SEST2019
• [学会発表] ピリジンおよびベンゼンが縮環したフェナジンの時間分解EPRおよび発光測定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松井大樹、杉崎研司、Olav Schiemann、佐藤和信、松岡秀人
  • 学会等名: SEST2019
• [学会発表] 縮環フェナジン類におけるπ共役ネットワークと発光の相関 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松岡秀人、松井大樹、Olav Schiemann、杉崎研司
  • 学会等名: SEST2019
• [学会発表] Excited Triplet States of Metal-Free Emitters for OLEDs (2017)
  • 著者名/発表者名: Hideto Matsuoka, Marius Retegan, Lisa Schmitt, Frank Neese, Sigurd Hoeger, Olav Schiemann
  • 学会等名: AWEST2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Metal-Free Room-Temperature Triplet Emitters as Studied by Time-Resolved EPR and Quantum Chemical Calculations (2017)
  • 著者名/発表者名: Hideto Matsuoka, Marius Retegan, Lisa Schmitt, Sigurd Hoeger, Frank Neese, Olav Schiemann
  • 学会等名: The 11th Japanese-Russian workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Time-Resolved EPR and Theoretical Investigations of Metal-Free Dual Singlet-Triplet Emitters in OLEDs (2017)
  • 著者名/発表者名: Hideto Matsuoka, Marius Retegan, Lisa Schmitt, Sigurd Hoeger, Frank Neese, Olav Schiemann
  • 学会等名: MOLMAG2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Time-Resolved EPR and Theoretical Investigations of Metal-Free Triplet Emitters for Organic Light Emitting Diodes (2017)
  • 著者名/発表者名: Hideto Matsuoka, Marius Retegan, Lisa Schmitt, Sigurd Hoeger, Frank Neese, Olav Schiemann
  • 学会等名: MDMR2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 室温でりん光を示す有機EL発光物質の時間分解EPR および理論計算による研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: Hideto Matsuoka, Marius Retegan, Lisa Schmitt, Wolfram Ratzke, John M. Lupton, Sigurd Hoeger, Frank Neese, Olav Schiemann
  • 学会等名: 第11回分子科学討論会2017
• [学会発表] メタルフリーOELD発光体の時間分解ESRおよび理論計算による研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: Hideto Matsuoka, Marius Retegan, Lisa Schmitt, Wolfram Ratzke, John M. Lupton, Sigurd Hoeger, Frank Neese, Olav Schiemann
  • 学会等名: SEST2017