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2009 年度 実績報告書

ヒトの色覚に潜む量子過程の解明と医学・工学的応用

研究課題

研究課題/領域番号 21750019
研究機関京都大学

研究代表者

藤本 和宏  京都大学, 大学院・理学研究科, 研究員 (00511255)

キーワード生物物理 / 量子化学 / 生物・生体工学 / 励起状態
研究概要

ヒトの色覚を担う赤・緑・青色錐体視物質に関して、吸収波長制御機構の解明を試みた。ホモロジーモデルに対する電子状態計算(SAC-CI+QM/MM法)によって、実験の吸収スペクトルの定量的かつ系統的な再現に世界で初めて成功し、タンパク質中で特異的に起こる励起エネルギーの青方シフトが、第一励起状態の主配(HOMO-LUMO0遷移)に関与する分子内電荷移動と、レチナールπ鎖上に形成されたタンパク質由来の静電場に起因することを突き止めた。また、各視物質の吸収波長制御おける物理的起源は、第一にタンパク質の生成する静電効果、第二に色素の捩れ構造にあることを解明した。さらに、吸収波長制御に大きく寄与する11アミノ酸残基を見つけ、これらの分子機構に関して、水素結合ネットワーク、アニオン結合部位、水酸基双極子の配向という観点から解明することに成功した。
励起エネルギー移動(EET)の電子・電子相互作用項(PCI)を正確に計算するための手法(TDFI法)を考案し、キサントロドプシン中の2つの色素間(カロテノイド-レチナール)で観測されるEETに適用した。これまでの計算手法では再現不可能であったPCIの実験値をTDFI法は高精度で再現することに成功した。次に、タンパク質表面へのカロテノイド結合様式とEET効率との相関を探った。その結果、2つの色素の配置がEET効率に最も大きく寄与すること、2つの色素間距離は副次的な因子であることを突き止めた。これらの結果は、レチナールタンパク質の吸収波長をカロテノイド結合の観点から人工的にデザインするという新たな可能性を示した。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2010 2009

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (5件)

  • [雑誌論文] Excited States of Fluorescent Proteins, mKO and DsRed : Chromophore-protein Electrostatic Interaction Behind the Color Variations2010

    • 著者名/発表者名
      Jun-ya, Hasegawa, Takehiko Ise, Kazuhiro J.Fujimoto, Akihiro Kikuchi, Eiko Fukumura, Atsushi Miyawaki, Yoshitsugu Shiro
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry B 114

      ページ: 2971-2979

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electronic Coulombic Coupling of Excitation-Energy Transfer in Xanthorhodopsin2009

    • 著者名/発表者名
      Kazuhiro J.Fujimoto, Shigehiko Hayashi
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society 131

      ページ: 14152-14153

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Color Tuning Mechanism of Human Red, Green, and Blue Cone Pigments : SAC-CI Theoretical Study2009

    • 著者名/発表者名
      Kazuhiro Fujimoto, Jun-ya Hasegawa, Hiroshi Nakatsuji
    • 雑誌名

      Bulletin of the Chemical Society of Japan 82

      ページ: 1140-1148

    • 査読あり
  • [学会発表] レチナールタンパク質の吸収波長制御から何がわかるかタンパク質場やカロテノイド結合が何をもたらすか2010

    • 著者名/発表者名
      藤本和宏
    • 学会等名
      分子研研究会「拡がるロドプシンの仲間から"何がわかるか""何をもたらすか"」
    • 発表場所
      分子科学研究所
    • 年月日
      2010-03-24
  • [学会発表] 生物による光吸収の多様性に関する電子論的起源2009

    • 著者名/発表者名
      藤本和宏
    • 学会等名
      大阪大学蛋白質研究所セミナー「分子科学を基盤とした生命活動への理論的アプローチ」
    • 発表場所
      大阪大学
    • 年月日
      2009-12-03
  • [学会発表] Transition-Density-Fragment Interaction Approach for Excitation-Energy Transfer in Xanthorhodopsin2009

    • 著者名/発表者名
      Kazuhiro Fujimoto, Shigehiko Hayashi
    • 学会等名
      第47回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      徳島文理大学
    • 年月日
      2009-10-31
  • [学会発表] キサントロドプシンの励起エネルギー移動:遷移電子密度を用いた擬クーロン相互作用の計算法の開発2009

    • 著者名/発表者名
      藤本和宏、林重彦
    • 学会等名
      第3回分子科学討論会
    • 発表場所
      名古屋大学
    • 年月日
      2009-09-23
  • [学会発表] Transition-Density-Fragment Interaction Approach for Excitation-Energy Transfer in Xanthorhodopsin2009

    • 著者名/発表者名
      Kazuhiro Fujimoto, Shigehiko Hayashi
    • 学会等名
      International Congress of Quantum Chemistry
    • 発表場所
      ヘルシンキ大学(フィンランド)
    • 年月日
      2009-06-21

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公開日: 2011-06-16   更新日: 2016-04-21  

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