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2019 年度 実績報告書

中性子非弾性散乱によるアモルファス界面の分子選択的なフォノンスペクトロスコピー

研究課題

研究課題/領域番号 18K18828
研究機関国立研究開発法人日本原子力研究開発機構

研究代表者

中川 洋  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究副主幹 (20379598)

研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2020-03-31
キーワードフォノンスペクトロスコピー / 中性子非弾性散乱 / フォノン / ナノ熱計測 / アモルファス / 分子シミュレーション / 安定同位体ラベル / ボソンピーク
研究実績の概要

「タンパク質+トレハロース+水」の3成分系および各成分の中性子非弾性散乱解析を行った。その結果、タンパク質のみでは150Kから240K付近にかけて直線的に非干渉性散乱強度が減少するが、約240K以上の温度でこの直線性からさらに減少が見られた。このことは240K付近でタンパク質がガラス転移を起こしていることを示す。一方、トレハロースのみでは測定した全温度でほぼ直線的に強度の減少が見られ、室温でもガラス状態にあることが分かった。トレハロースとタンパク質の混合物でもやはり同様に室温までほぼ直線的な減少が見られた。このことから、トレハロースが存在することによって、タンパク質の分子揺らぎは抑制され、室温条件下でもガラス状態にあることが分かった。また、温度や水分量を段階的に変えた試料の中性子非弾性散乱スペクトルの解析を行った結果、低エネルギー領域に水和量に依存した顕著な違いが確認された。また、重水素化ラベルによって水分子のダイナミクスを選択的に観測し、さらに分子シミュレーションを援用した解析によって、中性子準弾性散乱から水和水の水素結合の寿命を定量的に評価できることを示した。さらに水和タンパク質のテラヘルツ周波数領域の中性子非弾性散乱スペクトルに観測されるボソンピークに対する水和・温度・圧力効果を系統的に調べ、ボソンピークがタンパク質分子内部の空隙と関連していることを見出した。さらに、タンパク質表面で集団的に揺らぐ水和水のフォノンモードとボソンピークがカップルしていることを示唆する結果を得た。これら結果は、中性子散乱実験や分子シミュレーションによる解析により、アモルファス状態にある水和タンパク質のナノ熱物性をフォノンの観点から解析できることを示唆する結果であり、中性子によるナノ熱物性解析の重要性を示した。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 9件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 2件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Rigidity of Protein Structure Revealed by Incoherent Neutron Scattering2020

    • 著者名/発表者名
      H. Nakagawa and M. Kataoka
    • 雑誌名

      Biochimica et Biophysica Acta

      巻: 1864 ページ: 12536

    • DOI

      10.1016/j.bbagen.2020.129536

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Sequence-dependent hydration water dynamics of dodecameric DNA2020

    • 著者名/発表者名
      H. Nakagawa, Y. Yonetani, K. Nakajima, Seiko Ohira-Kawamura, T Kikuchi, Y. Inamura, M. Kataoka and H. Kono
    • 雑誌名

      the Proceedings of the 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)

      巻: - ページ: -

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Position dependency of the scattered intensity in the time-of-flight backscattering2020

    • 著者名/発表者名
      Masato Matsuura, Takeshi Yamada, Taiki Tominaga, Makoto Kobayashi, Hiroshi Nakagawa, and Yukinobu Kawakita
    • 雑誌名

      the Proceedings of the 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)

      巻: - ページ: -

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quartz Cell for a Backscattering Spectrometer2020

    • 著者名/発表者名
      Taiki. Tominaga, Yukinobu. Kawakita, Hiroshi. Nakagawa, Takeshi. Yamada, and Kaoru. Shibata
    • 雑誌名

      the Proceedings of the 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)

      巻: - ページ: -

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Understanding water-mediated DNA damage production by molecular dynamics calculation of solvent2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshiteru Yonetani and Hiroshi Nakagawa
    • 雑誌名

      Chem. Phys. Lett

      巻: 749 ページ: 137441

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2020.137441

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 中性子溶液散乱-現在・過去・未来2020

    • 著者名/発表者名
      杉山正明、井上倫太郎、中川洋、齊尾智英
    • 雑誌名

      波紋

      巻: 30 ページ: 16-25

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Universality and structural implications of the Boson peak in proteins2019

    • 著者名/発表者名
      H. Nakagawa, Y. Joti, A. Kitao, O. Yamamuro and M. Kataoka
    • 雑誌名

      Biophys. J.

      巻: 117 ページ: 229-238

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2019.06.007

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Molecular Basis of Water Activity in Glycerol-Water Mixtures2019

    • 著者名/発表者名
      H. Nakagawa and T. Oyama
    • 雑誌名

      Frontiers in Chemistry-Physical Chemistry and Chemical Physics

      巻: 7 ページ: 731

    • DOI

      10.3389/fchem.2019.00731

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] How can we derive hydration water dynamics with incoherent neutron scattering and molecular dynamics simulation?2019

    • 著者名/発表者名
      H. Nakagawa and M. Kataoka
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 16 ページ: 213-219

    • DOI

      10.2142/biophysico.16.0_213

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 中性子準弾性散乱で解析する食品中の水の物理化学2020

    • 著者名/発表者名
      中川洋
    • 学会等名
      PF研究会「量子ビームを活用した食品科学」
    • 招待講演
  • [学会発表] 中性子準弾性・非弾性散乱による生体物質の構造物性ダイナミクス研究2020

    • 著者名/発表者名
      中川洋
    • 学会等名
      2019年度MLFシンポジウム
  • [学会発表] 非干渉性中性子準弾性散乱による生体物質の相転移と分子運動性の解析2019

    • 著者名/発表者名
      中川洋
    • 学会等名
      第2回LLPS研究会
  • [学会発表] Water activity and glass transition of food protein studied by inelastic neutron scattering and molecular dynamics2019

    • 著者名/発表者名
      H. Nakagawa
    • 学会等名
      8th International Symposium on “Delivery of Functionality in Complex Food Systems(国際学会)
    • 国際学会
  • [学会発表] 干し芋の水和状態・ミクロ構造と保存性・食感の関係2019

    • 著者名/発表者名
      中川洋、渡辺万里
    • 学会等名
      つくばソフトマター研究会2019
  • [学会発表] タンパク質構造の硬さ・柔らかさと水和水ダイナミクス2019

    • 著者名/発表者名
      中川洋
    • 学会等名
      ATI水和ナノ構造研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 中性子準弾性散乱による蛋白質の拡散運動と構造揺らぎの解析2019

    • 著者名/発表者名
      中川洋
    • 学会等名
      蛋白質研究所セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] 蛋白質ダイナミクスに対する水和・圧力・温度効果2019

    • 著者名/発表者名
      中川洋
    • 学会等名
      生物の環境適応と分子科学
  • [学会発表] QENS of protein solutions measured by the TOF near Backscattering Spectrometer DNA2019

    • 著者名/発表者名
      H. Nakagawa, T. Saio, T. Oda, M. Sato, R. Inoue, M. Sugiyama, T. Tominaga and Y. Kawakita
    • 学会等名
      第3回J-PARCシンポジウム
    • 国際学会
  • [学会発表] 中性子非弾性散乱・準弾性散乱と分子シミュレーションによる蛋白質ダイナミクスの解析2019

    • 著者名/発表者名
      中川洋
    • 学会等名
      CBI学会2019年大会
    • 招待講演

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公開日: 2021-01-27  

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