研究課題
蛋白質が関与する化学現象を理論計算する手法において、QM/MM法はプラクティカルな理論としての有用性を発揮している。QM/MM法に基づく計算の多くは色素のみをQM部分とし、蛋白質を古典理論により扱っている。特に励起状態においては、これまで蛋白質の電子状態が色素の電子状態や機能に及ぼす影響に関してはあまり研究が行われてこなかった。当該年度では、光生物学において研究対象となる蛍光蛋白質などについて、励起状態における色素と蛋白質の相互作用に関する研究を行った。蛍光蛋白質に関しては赤色蛍光蛋白質DsRed、mKOについて、発光色を決定している色素-蛋白質相互作用を見出した。DsRedでは発光に関わる励起状態において分子内電荷移動の性質があることが分かった。また、蛋白質における色素近傍の蛋白質には電荷を持つアミノ酸側鎖があり、偏った静電ポテンシャルを形成していることが分かった。これらの要因により赤色蛍光蛋白質では静電ポテンシャルにより、蛍光エネルギーが低エネルギーシフトをすることが明らかになった。この系において、周辺アミノ酸の電子状態を考慮するために、これらアミノ酸を量子化学計算モデルに含めた大規模計算を行った。その結果、色素の励起エネルギーは約0.1eV程度減少することが分かった。これは主にアミノ酸における電子状態の分極に起因すると考えられる。同様な研究を、レチナールのオプシンシフトにも応用し、有機溶媒とたんぱく質の効果の差異についても検討を行った。今後、このような効果をより詳細に特徴付ける解析を行う予定である。また、蛍光エネルギーの制御機構は、レチナール蛋白質や、蛍ルシフェリンにも共通しており興味深い。このような原理の解明は同時に発光色制御の指針を与えるものであり、DsRedについての新規ミュータントを提案した。
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