Site-specific relaxation of peptide bond planarity induced by electrically attracted proton/deuteron observed by neutron crystallography

千葉 薫*; 松井 拓郎*; 茶竹 俊行*; 大原 高志; 田中 伊知朗*; 油谷 克英*; 新村 信雄*

Protein Science, 32(10), p.e4765_1 - e4765_13, 2023/10

https://doi.org/10.1002/pro.4765

In structural biology, peptide bonds, fundamental linkages between hundreds of amino acids, of which a protein molecule is composed, have been commonly treated as a plane structure just as Linus Pauling et al. proposed. In this paper, a site-specific peptide bond relaxation mechanism by deuterons whose localization has been suggested by neutron crystallography is proposed. A comprehensive study using X-ray and neutron diffraction and N chemical shifts of individual amide nitrogen atoms within the same peptide bond strongly suggests the relaxation of the electronic resonance structure because of site-specific modulation by protons/deuterons localized on the electron orbital of the carbonyl oxygen.

Development of evaluation method for core deformation reactivity feedback in sodium-cooled fast reactor by coupled analysis approach

堂田 哲広; 上羽 智之; 横山 賢治; 根本 俊行*; 田中 正暁

Proceedings of 19th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-19) (Internet), 14 Pages, 2022/03

ナトリウム冷却高速炉では、炉心温度上昇時に炉心燃料集合体の熱変形によって反応度フィードバックが生じる。この炉心変形反応度を固有の安全特性として活用し、安全評価における炉心設計の過度の保守性を排除するため、核動特性、熱流動、炉心構造変形の連成解析により評価する手法を開発した。米国高速実験炉EBR-IIの冷却材喪失時炉停止失敗事象模擬試験の解析を実施した。解析結果から、炉心変形反応度が負のフィードバック効果を持つこと、変形反応度の要因として燃料の移動に加えて、燃料周辺の反射体の移動も影響することが示され、連成解析による炉心変形反応度評価手法の有用性を確認した。

Hydrological gravity response detection using a gPhone below- and aboveground

田中 俊行*; 宮島 力雄*; 浅井 秀明*; 堀内 泰治; 熊田 宏治; 浅井 康広*; 石井 紘*

Earth Planets and Space, 65(2), p.59 - 66, 2013/02

https://doi.org/10.5047/eps.2012.06.012

We used a gPhone (serial number 90), the newest spring-type gravimeter manufactured by Micro-g LaCoste Inc., to acquire high-quality, continuous gravity records, both below-and aboveground. At a depth of 100 m, when the gPhone was situated under an unconfined aquifer, the standard deviations of the residual gravity based on the first and second-order curve fittings were 4.2 and 2.7 Gal, respectively. Some gravity decreases caused by rainfall were clearly observed, but unknown gravity variations may also have occurred. Alternatively, when the gPhone was placed aboveground on the flank of a high mountain, the standard deviation of the residual gravity was 1.7 Gal for both the first-and second-order curve fittings. The rainfall amount and snow depth can explain most of the residual gravity. On the basis of these results, we propose to detect and correct hydrological gravity responses using multiple gravimeters to study gravity signals from deep within the earth.

Protonation states of buried histidine residues in human deoxyhemoglobin revealed by neutron crystallography

茶竹 俊行*; 柴山 修哉*; Park, S. Y.*; 栗原 和男; 玉田 太郎; 田中 伊知朗*; 新村 信雄*; 黒木 良太; 森本 幸生*

Journal of the American Chemical Society, 129(48), p.14840 - 14841, 2007/12

https://doi.org/10.1021/ja0749441

A large crystal of human deoxy hemoglobin (Hb) was grown from DO solution (pD 6.3). The preliminary neutron diffraction experiment was carried out at the KUR reactor in RRI of Kyoto University, and the diffraction data set to 2.1 resolution was collected at JRR-3 reactor in JAEA using the BIX-3. The neutron crystal structure of Hb reveals that both the - and -distal histidines (His58 and His63) adopt fully (doubly) protonated form. This finding sharply contrasts with existing results on R (relaxed) state liganded Hbs where such full protonation can never occur. This results suggest an interesting possibility that the both histidines could contribute to the T (tense) state Bohr effect of Hb. Indeed, the protonation/deprotonation of each distal histidine may have a direct impact on the oxygen affinity of the nearby heme group through sterical hindrance and/or polarity change in the heme pocket without affecting the allosteric equilibrium of Hb.

Recent results on hydrogen and hydration in biology studied by neutron macromolecular crystallography

新村 信雄; 新井 栄揮; 栗原 和男; 茶竹 俊行*; 田中 伊知朗*; Bau, R.*

Cellular and Molecular Life Sciences, 63(3), p.285 - 300, 2006/02

https://doi.org/10.1007/s00018-005-5418-3

中性子回折は蛋白質やDNAの水素位置を直接的に決定する実験手法である。三つの異なったタイプの生体物質用高分解能中性子回折計が日本,フランス,アメリカに建設され、それらは近年、多くの蛋白質の結晶構造を決定するために頻繁に用いられてきた。本論文では、詳細な水素結合のジオメトリー,蛋白質及び核酸のH/D交換に関する情報,プロトンの正確な位置決定,酵素活性及び熱安定性における水素原子の役割,水和構造の動力学的挙動など、中性子構造解析から引出された成果を取り上げる。その他の重要な技術として開発された、結晶化相図による大型単結晶育成の最適化,完全重水素化蛋白質の調製,中性子蛋白質結晶学におけるクライオ技術の導入,生体水素水和水データベースの設立なども本論文中にて議論する。

シーリング性能挙動に関する評価研究

戸井田 克*; 笹倉 剛*; 渥美 博行*; 升元 一彦*; 田中 俊行*; 須山 泰宏*; 小林 一三*

JNC TJ8400 2004-023, 146 Pages, 2005/02

JNC-TJ8400-2004-023.pdf:11.18MB

わが国の地質環境条件に適応し得るこれら閉鎖システムの確立に資するため,室内試験及び原位置試験を通じてこれらの性能に関連するデータの取得,および,これらのデータを活用し評価手法を確立することが必要である。サイクル機構とカナダAECLとの共同研究としてこれまで実施してきた,カナダAECLにおけるトンネルシーリング性能試験が最終段階に至り,シーリング性能に関する基礎データが取得された。本年度は,これまでに実施した試験の総合的なデータ整理・解釈,トレーサー試験結果に対する数値解析的検討・評価を実施した。また,堆積岩を対象としたトンネルシーリング性能の確認を行うための試験計画の概念設計を行った。

A Neutron crystallographic analysis of a rubredoxin mutant at 1.6 resolution

茶竹 俊行*; 栗原 和男; 田中 伊知朗*; Tsyba, I.*; Bau, R.*; Jenney, F. E. Jr.*; Adams, M. W. W.*; 新村 信雄

Acta Crystallographica Section D, 60(8), p.1364 - 1373, 2004/08

https://doi.org/10.1107/S090744490401176X

由来ルブレドキシンの高い熱安定性の起源を明らかにするため、その変異型に対する1.6分解能中性子結晶構造解析(重水中で結晶育成)を生体高分子用中性子回折装置BIX-3(原研原子炉JRR-3内設置)を用いて行った。由来ルブレドキシンは、通常の熱安定性を持つ常温菌由来のルブレドキシンと異なるアミノ酸残基部分を持つ。そこで、その中で重要と考えられる3つの残基を常温菌のものに変えた変異型を発現させ、その水素結合パターンを変異の無い野生型と比較した。その結果、変異を行った残基の一つで水素結合パターンの違いが明らかになった。これをもとに熱安定性の議論を行った。一方で、このタンパク質の水素/重水素置換率の詳細も調べた。その結果、ルブレドキシンの鉄-硫黄中心(酸化還元機能を司る)にかかわる4つのシステイン残基周辺は、最も水素/重水素置換が進んでいないということがわかった。これはこの周囲の構造が安定であることを示唆している。加えて、この高分解能な中性子構造解析により、水和水の秩序性も含めた詳細な水和構造が明らかになった。

東濃地域における地質環境の不均一性評価

戸井田 克*; 須山 泰宏*; 稲葉 武史*; 笹倉 剛*; 渥美 博行*; 田中 俊行*; 小林 一三*; 岩野 圭太*; 古市 光昭*

JNC TJ7400 2004-017, 521 Pages, 2004/02

JNC-TJ7400-2004-017.pdf:96.64MB

東濃地科学センター殿における地層科学研究では、地質環境特性を明らかにするために必要な調査・解析技術並びにその妥当性を評価する手法の開発を進めている。この研究では、岩盤の不均一性推定に伴う不確実性を定量的に把握するための手法を明らかにし、その不確実性を低減するための合理的な地質環境調査手法の確立を一つの大きな目標としている。本研究においては、これまでにファジー地球統計を基本とした不確実性解析手法を用い、調査の各段階で想定し得る(あるいは否定できない)モデルやパラメータの全体集合を考えることにより不確実性を定量化でき、調査結果に基づき蓋然性が低いと考えられる選択肢を絞り込むことによってその不確実性を低減できるという新たなアプローチを考案している。平成15年度は、これまで東濃地域で行われた調査結果に基づき、本手法を適用した地質構造モデルの構築と地下水流動解析を通して、不確実性解析手法としての適用性確認を行った。本研究成果を取りまとめると、以下のようになる。1.東濃地域の事例を用い、地質環境の不均一性推定に伴う不確実性を定量化することができた。2.感度解析を行うことにより、不確実性低減を目的とした調査計画への情報提供を行うことができた。3.適用事例を用いて不確実性解析手法としての方法論を構築できた。4.上記の結果により、本手法の適用性を確認すると共に、本手法の体系化としての課題を整理できた。

High resolution neutron protein crystallography, hydrogen and hydration in proteins

新村 信雄; 茶竹 俊行; Ostermann, A.; 栗原 和男; 田中 伊知朗

Zeitschrift fr Kristallographie, 218(2), p.96 - 107, 2003/03

これは原研で開発した中性子回折装置BIX-3を用いて行った中性子構造生物学研究の総合報告の依頼原稿である。中性子構造生物学はタンパク質の水素,水和構造を原子レベルで決定できる唯一の実験手法であり、原理はわかっており30年前に実験の試みはされたが、実験データ収集に1年以上かかるのでその後ほとんど行われてこなかった。われわれ原研グループは中性子イメージングプレート(IP)及びいくつかの技術開発を成功させ、中性子回折装置BIX-3を建設し、それにより基本的なタンパク質ミオグロビン,ルブレドキシンの水素を含む立体構造を高分解能で決定し、中性子構造生物学を確立した。それにより得られたいくつかの成果をまとめた。内容は中性子回折装置BIX-3の説明,中性子IPの説明,BIXにより決定されたミオグロビン,ルブレドキシンの水素原子の見え方,水素結合の見え方,H/D交換とその意義,水和水のダイナミックスについて紹介した。

Neutron diffractometer for biological crystallography-3; BIX-3

田中 伊知朗; 栗原 和男; 茶竹 俊行; 新村 信雄

Journal of the Physical Society of Japan, Vol.70, Supplement A, p.459 - 461, 2001/05

原研JRR-3Mにおいて生体高分子結晶用中性子回折計(BIX-3)が建設された。そこには筆者らによって開発された中性子イメージングプレートや弾性湾曲Siモノクロメータなどの最新の技術革新が応用されている。これらによって、ルブレドキシンやミオグロビンの結晶から約1ヶ月でデータセットを得ることができるようになった。そのデータ分解能は1.5Åで、水素原子の位置同定を高い精度で行える。データの質と必要な測定時間を考えると、BIX-3は現在、世界のタンパク質用中性子回折計の中で最高の性能を持つことが判明した。