領域研究概要

【本領域の目的】

タンパク質中のアミノ酸が並ぶ順番は遺伝子DNAが指定しています。長い生物進化におけるランダム変異と選択の結果、タンパク質は自発的に折れ畳んで一定の立体構造を持ち、センサー、触媒、モーター、そして構造体として極めて洗練された構造と機能を持つ分子機械となりました。
分子機械としてのタンパク質分子の機能を理解するには、立体構造を精密に決定することが必要です。得られた構造は基本的に静止画像ですが、紙芝居のように並べて説明することで、手のひらサイズの機械のように多くの事実を説明することができます。この方法が成功を収めたことから構造生物学という学問分野が生まれました。
しかし、構造生物学の既存の測定手法は、タンパク質の形の時間変化に十分に対処できていません。
そこで、本領域では、

タンパク質分子が生きて動作している状態を働いている現場(in situ)で活写する
測定方法の開発を独創的な発想に基づいて行います。

【本領域の内容】

タンパク質分子の3次元的な形の時間変化を知るには核磁気共鳴法(NMR)と原子間力顕微鏡(AFM)の2つの手法が適しています。しかし、NMRとAFMを含む従来の測定技術では、「平均と分布の問題」と「インビトロ測定問題」
(キーワード参照) を克服することは難しいのが現状です。そこで、本領域では

「AFM装置の高速化と光学技術の融合」と
「タンパク質結晶内に隙間をつくって運動性解析を行う」課題に挑戦して、
平均と分布の問題の原理的解決を目指します。

また、試験管内の希薄溶液状態ではなく細胞環境などの現場において、タンパク質分子の動的構造変化を知る方法が必要です。

「インセルNMRの手法の高度化」と
「ダイアモンドナノ粒子の蛍光測定と電子スピン共鳴法を組み合わせた
光検出磁気共鳴(ODMR)測定法」を開発することで、
「インビトロ測定問題」の解決を目指します。

新しい測定法は、まったく新しい結果を与えます。しがって、結果の正しさの検証を行う必要があります。そこで、計算機による分子動力学計算と比較して検証します。新測定手法を特定に課題に集中的に利用することで、測定手法の問題点や限界、潜在的な適用範囲を明らかにし、リスクの大きい革新的測定技術開発を短期間に達成することが可能になります。

【期待される成果と意義】

「タンパク質の形の3次元の動的変化の領域」において、日本発の独創的計測技術の開発と普及を図ることで、

日本の生命科学研究力の強化を達成します。
また、新測定技術を広く生物学の諸問題に適用することで、
ブレイクスルーを促すような斬新な学問上の発見を期待できます。

キーワード

平均と分布の問題

安定状態は動きが小さく意味のある平均構造をつくることができます。ところが、動きが大きい過渡的状態では平均構造を作ると歪んでしまいます。したがって分布を正しく評価できる方法が必要となります。1分子測定による統計も解決法の1つです。

平均と分布の問題
インビトロ測定問題

試験管内のような人工的な環境における最安定構造と機能している現場である細胞内環境における活性型の構造が異なる可能性があります。原因として、他の分子との相互作用や分子クラウディング効果があります。解決には、細胞内にあるタンパク質の感度良い選択的な測定が鍵になります。

インビトロ測定問題

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