レチナール蛋白質の光応答反応シミュレーションと新規光機能性材料への展開研究

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10450325
• 研究機関: 東海大学
• 研究代表者: 佐々木 政子 東海大学, 総合科学技術研究所, 教授 (00090514)
• 研究分担者: 若木 守明 東海大学, 工学部, 教授 (20100993) ; 神取 秀樹 京都大学, 大学院・理学研究科, 講師 (70202033)
• キーワード: レチナール / モンモリロナイト / ロドプシン / シッフ塩基 / プロトン化 / 界面活性剤修飾粘土 / 光異性化 / 光機能性材料

研究概要

本研究の目的は第1に、レチナールがオプシン蛋白質中で示す光応答反応の生体外シミュレーションを修飾粘土鉱物モンモリロナイト反応場で行いその分子機構を解明すること、第2は、レチナールが生体反応場で示す幅広い可視吸収帯発現と高速かつ可逆な光異性化反応を光機能性材料へ展開するための諸因子抽出と試行実験である。
モンモリロナイトはサブミクロンオーダーの薄いシート状粘土粒子で層構造を形成する。この層間表面はマイナスに帯電しており、層間には交換性陽イオンが存在し立体的かつ静電的に特異な反応場である。本研究では層間陽イオンをカチオン界面活性剤分子で交換置換させ、かつプロトン供与能を付加させた。層間はこれにより親水性と疎水性が独立に共存する反応場になった。この反応場を使ってレチナールの可視吸収帯発現と光異性化を実現できた。この反応場は生体蛋白質オプシンの機能を生体外でまねることに成功した世界初の研究である。成果の概要を下記に箇条書きでまとめる。
1)生体外で強酸を使わず、視覚の初期過程でプロトン供与体として働く、弱酸分子グルタミン酸を使って常温においてレチナールシッフ塩基の幅広い吸収帯発現を実現させた(投稿中)。
2)可視吸収発現における波長調節をモンモリロナイト層間に交換修飾させる陽イオン界面活性剤の種類を変えることによって可能とした。
3)この反応場は生体蛋白質によく似た光異化体制御を行った。11-cisレチナールシッフ塩基は生体系と同じようにall-trans体のみに効率よく光異性化した。また、この反応は可逆的に行われた。
4)光異性化は77Kの低温でも観測された。低温での光異性化はこれまで報告された例はない(投稿中))。
5)本研究では非線形光学材料への展開も試みたが十分な成果を得るまでにはいたらなかった。

研究成果

• [文献書誌] Takada,M,.M.Wakaki,H.Kandori and M.Sasaki: "In vitro study on color tuning of rhodopsin"Photomedicine and Photobiology. 21(in press). (2000)
• [文献書誌] 佐々木政子: "粘土鉱物で視覚プロセスをつくる -無機固体材料と生体フォトニクスの融合"東海大学総合科学技術研究所研究会資料集 (ISSN 1344-2619). 18. 15-19 (1998)
• [文献書誌] kandori,H.,et al.: "Structural Change of Threonine 89 upon Photoisomerization in Bacteriourhodopsin as Revealed by Polarized FTIR Spectroscopy"Biochemistry. 38. 9676-9683 (1999)
• [文献書誌] kandori,H.,et al.: "Polarized FTIR Spectroscopy Distinguishes Peptide Backbone Chanbes in the M and N Photointermediates of Bacteriorhodopsin"J.Am.Chem.Soc.. 120. 4546-4547 (1998)
• [文献書誌] 森田豊明、若木守明、板谷太郎: "フェムト秒パルスレーザーを用いた光導電スイッチ中における非線形光電流に関する研究"東海大学紀要工学部. 39・1. 89-93 (1999)
• [文献書誌] Sasaki,M.: "Development of measuring methods and technologies of photon in Japanese Society for Photomedicine and Photobiology"Photomedicine and Photobiology. 20. 23-25 (1998)
• [文献書誌] 井上晴夫、高木克己、佐々木政子、朴鐘震: "光化学I"丸善. 204 (1999)