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分子挙動リアルタイム追跡のためのケージ空間の構築

研究課題

研究課題/領域番号 21J10039
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分37010:生体関連化学
研究機関東京工業大学

研究代表者

菱川 湧輝  東京工業大学, 生命理工学院, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2021-04-28 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
1,500千円 (直接経費: 1,500千円)
2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワードタンパク質ケージ / X線結晶構造解析 / 芳香族クラスター / 分子内包 / 熱安定性 / 分子動力学 / エントロピー / フラーレン / タンパク質結晶 / タンパク質ダイナミクス
研究開始時の研究の概要

本研究では、ナノサイズのタンパク質ケージを結晶鋳型として、タンパクケージの内部空間に、ターゲットとなる分子反応場を構築することで、分子反応過程を実時間で直接追跡・解析できる実験システムの構築に挑む。
そこで、研究期間内に以下の達成を目指す。
(1)タンパク質ケージの内部空間設計による標的分子結合部位の構築、
(2)標的分子のケージ内包と光異性化反応条件の最適化、
(3)外部刺激に応じた複合体結晶構造変化の追跡

研究実績の概要

本研究では、ナノサイズのタンパク質ケージを結晶鋳型として、タンパク質ケージの内部空間に、ターゲットとなる分子反応場を構築することで、分子反応過程を実時間で直接追跡・解析できる実験システムの構築に挑んだ。前年度に引き続き、芳香環相互作用を構築・解析のターゲットとし、最終年度となる令和4年度は、(1)理論計算を用いた、タンパク質ケージ内での芳香環相互作用の動的挙動および熱力学特性の分子レベルでの解明、(2)芳香族蛍光分子の結合により駆動する分子挙動伝搬システムの開発と蛍光特性評価、(3)芳香族空洞設計による標的内包分子種の拡張、に取り組んだ。
具体的には、
(1)分子動力学シミュレーションにより、芳香族クラスターが、高温において幾何学配向をT型からπ-πスタッキングへと変化させること、また、水和エントロピーの獲得により、タンパク質の熱安定化に寄与していることを明らかにした。
(2)タンパク質ケージの2回対称サブユニット界面に、異なる形状の分子ポケットを有する芳香族クラスターを構築した。適切なリガンドの結合を駆動力として、複数の芳香環側鎖の配向変化を制御できることを、X線結晶構造解析により確認し、分子挙動伝播システムの設計コンセプトを実証した。また、π-πスタッキングを介して芳香族蛍光分子をポケット内に孤立させ、リガンドの蛍光量子収率および蛍光寿命を向上できることを示した。
(3)タンパク質ケージの内壁に複数のグリシンおよびフェニルアラニンを導入することにより、空洞を構築し、フラーレン誘導体の固定化、X線結晶構造解析による複合体構造の決定に成功した。
以上により、タンパク質ケージ内部に、種々の多環式芳香族分子を固定化し、その集積状態・熱力学特性・光学特性を評価できる芳香族ケージシステムを構築した。従って、本研究は、分子反応過程を実時間で実験的に追跡するための、分子設計基盤を確立した。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (7件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Protein large-scale motions revealed by quantum beams: A new era in understanding protein dynamics2022

    • 著者名/発表者名
      Naoki Yamamoto, Rintaro Inoue, Ikuo Kurisaki, Tatsuhito Matsuo, Yuki Hishikawa, Wenyang Zhao, Hiroshi Sekiguchi
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 19 号: 0 ページ: n/a

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v19.0035

    • ISSN
      2189-4779
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] タンパク質ケージ内での動的芳香環相互作用ネットワークの熱構造解析2022

    • 著者名/発表者名
      菱川 湧輝, 野谷 大樹, 浅沼 明日香, Basudev Maity, 長門石 曉, 津本 浩平, 安部 聡, 上野 隆史
    • 学会等名
      発動分子科学 第10回領域会議
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] タンパク質ケージ内における芳香環相互作用ネットワークの熱力学・分子動力学的解析2022

    • 著者名/発表者名
      菱川 湧輝, 野谷 大樹, 浅沼 明日香, Basudev Maity, 長門石 曉, 津本 浩平, 安部 聡, 上野 隆史
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Analysis of Dynamic Behavior of Aromatic Interactions using Protein Cages2022

    • 著者名/発表者名
      菱川湧輝, 浅沼明日香, Basudev Maity, 長門石曉, 津本浩平, 安部聡, 上野隆史
    • 学会等名
      日本化学会第102回春季年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] タンパク質ケージ結晶を用いた芳香族クラスターの動的挙動解析2021

    • 著者名/発表者名
      菱川湧輝, 野谷大樹, Basudev Maity, 長門石曉, 津本浩平, 安部聡, 上野隆史
    • 学会等名
      第1回発動分子科学研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] タンパク質ケージ内芳香族クラスターによる蛍光分子特性制御2021

    • 著者名/発表者名
      菱川湧輝, Basudev Maity, 吉沢道人, 森本正和, 安部聡, 上野隆史
    • 学会等名
      第15回バイオ関連化学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 日本生物物理学会学生発表賞2022受賞

    • URL

      https://educ.titech.ac.jp/bio/news/2022_10/063171.html

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-05-27   更新日: 2024-03-26  

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