中性子非弾性散乱によるタンパク質ダイナミクス研究

Protein dynamics studied by neutron inelastic scattering

中川 洋   ; 片岡 幹雄; 城地 保昌*; 山室 修*; 中島 健次  ; 河村 聖子   

Nakagawa, Hiroshi; Kataoka, Mikio; Jochi, Yasumasa*; Yamamuro, Osamu*; Nakajima, Kenji; Kawamura, Seiko

生体内でさまざまな生理機能を担うタンパク質は、周囲の熱揺らぎにさらされながらその構造を巧みに変化させることで機能を発揮する。タンパク質ダイナミクスは、広い時空間領域で特徴付けられる。実験的にはさまざまな分光学的手法でその動的挙動を調べることが可能であるが、理論研究により、生物機能における重要性が指摘されてきたTHz領域に観測される低エネルギーダイナミクスの研究には、中性子非弾性散乱実験がその威力を発揮する。タンパク質は、溶媒条件や温度,圧力などの外部環境のみならず、タンパク質自身の構造状態によってもその構造ダイナミクスは変化する。タンパク質ダイナミクスは、低エネルギースペクトルにみられるボソンピークや動力学転移といった現象を通じてよく特徴付けられる。本講演では、タンパク質ダイナミクス研究のモデルタンパク質であるスタフィロコッカルヌクレアーゼを用いて、水和,温度,圧力や折り畳みによるダイナミクスの変化をJRR-3のAGNES装置で調べたので報告する。また2009年12月にはJ-PARCのAMATERAS装置での初実験に成功した。限られた時間での実験であったが、多波長の入射中性子をうまく使うことにより、タンパク質ダイナミクスの温度変化を観測することに成功したので報告する。

Proteins are functional elements in all living organisms. Almost all vital phenomena are mediated by specific proteins. A protein is a hetero-polymer comprised of 20 types of amino acids. The sequence of amino acids of a protein is strictly determined by genetic code. When the polypeptide chain with the amino acid sequence encoded in the gene is biosynthesized, the polypeptide chain folds spontaneously into the unique tertiary structure. The tertiary structure of a protein can be determined by X-ray crystallography. Protein works in an aqueous environment at ambient temperature, indicating that protein cannot escape from thermal fluctuations. In fact, proteins are fluctuating thermally and can take some conformational substates. The magnitude of physiologically relevant input is as the same level as the thermal fluctuations. The understanding of protein dynamics is important to clarify how protein can discriminate physiologically relevant motions from random fluctuation. It is generally recognized that the internal motions of protein is essential for a protein function. Protein internal dynamics is characterized in the time scale of pico - nano second and in the space scale of the order of angstrom. Inelastic neutron scattering (INS) measurement is a powerful and unique technique for studying the protein dynamics. Here, we showed the protein dynamics studies using AGNES and AMATERAS spectrometer, which are installed at JRR-3 and J-PARC, respectively. We will discuss the hydration, temperature and pressure effect on protein dynamics as well as the difference of dynamics between folded and unfolded protein.