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論文

Universality and structural implications of the Boson peak in Proteins

中川 洋; 城地 保昌*; 北尾 彰朗*; 山室 修*; 片岡 幹雄*

Biophysical Journal, 117(2), p.229 - 238, 2019/07

 被引用回数:5 パーセンタイル:21.19(Biophysics)

蛋白質の柔らかさや固さは、環境に影響を受けるダイナミクスに反映される。蛋白質の低エネルギー振動スペクトルの特徴の一つである、ボソンピークは、低温や乾燥状態における蛋白質構造の固さの指標となる。この論文では、中性子非弾性散乱と分子シミュレーションによって、ボソンピークと体積についての水和,温度,圧力効果を調べた。水和,加圧,低温はボソンピークを高エネルギー側にシフトさせ、強度が小さくなり、またキャビティが小さくなった。しかし、このような効果は水和蛋白質にはあまり見られなかった。体積の減少は固さの増加を意味し、これがボソンピークシフトの起源である。ボソンピークはキャビティ体積で予測できる。この予測は、強い準弾性散乱のために実験的にはボソンピークが見分けられない場合に、非干渉性中性子散乱スペクトルにおける準弾性散乱の寄与を見積もるのに効果的である。

論文

High-speed classification of coherent X-ray diffraction Patterns on the K computer for high-resolution single biomolecule imaging

徳久 淳師*; 新井 淳也*; 城地 保昌*; 大野 善之*; 亀山 豊久*; 山本 啓二*; 畑中 正行*; Gerofi, B.*; 島田 明男*; 黒川 原佳*; et al.

Journal of Synchrotron Radiation, 20(6), p.899 - 904, 2013/11

 被引用回数:5 パーセンタイル:28.23(Instruments & Instrumentation)

Single-particle coherent X-ray diffraction imaging using X-ray free electron laser has potential to reveal a three-dimensional structure of a biological supra-molecule at sub-nano meter resolution. In order to realize this method, it is necessary to analyze as many as one million noisy X-ray diffraction patterns, each for an unknown random target orientation. To cope with the severe quantum noise we need to classify patterns according to their similarities and average similar patterns to improve the S/N ratio. We developed a high-speed scalable scheme to carry out classification on the K computer, a 10PFLOPS supercomputer at RIKEN Advanced Institute for Computational Science. It is designed to work on the real time basis with the experimental diffraction pattern collection at the X-ray free electron laser facility SACLA so that the result of classification can be feed-backed to optimize experimental parameters during the experiment. We report the present status of our effort of developing the system and also a result of application to a set of simulated diffraction patterns. We succeeded in classification of about one million diffraction patterns by running 255 separate one-hour jobs on 385-node mode.

論文

Hydration affects both harmonic and anharmonic nature of protein dynamics

中川 洋; 城地 保昌*; 北尾 彰朗*; 片岡 幹雄

Biophysical Journal, 95(6), p.2916 - 2923, 2008/09

 被引用回数:51 パーセンタイル:78.00(Biophysics)

To understand the effect of hydration on protein dynamics, inelastic neutron scattering experiments were carried out on Staphylococcal nuclease samples at differing hydration levels: dehydrated, partially hydrated and hydrated. At cryogenic temperatures, hydration affected the collective motions with energies lower than 5 meV, while the high energy localized motions were independent of hydration. The prominent change was a shift of boson peak toward higher energy by hydration, suggesting hardening of harmonic potential at local minima on the energy landscape. The 240 K transition was observed only for the hydrated protein. Significant quasi-elastic scattering at 300 K was observed only for the hydrated sample, indicating that the origin of the transition is the motion activated by hydration water. The neutron scattering profile of the partially hydrated sample was quite similar to that of the hydrated sample at 100 and 200 K, while it was close to the dehydrated sample at 300 K, indicating that partial hydration is sufficient to affect the harmonic nature of protein dynamics, and that there is a threshold hydration level to activate the anharmonic motions. Thus, hydration water controls both the harmonic and anharmonic protein dynamics, by differing means.

論文

Hydration effect on low-frequency protein dynamics observed in simulated neutron scattering spectra

城地 保昌*; 中川 洋; 片岡 幹雄; 北尾 彰朗*

Biophysical Journal, 94(11), p.4435 - 4443, 2008/06

 被引用回数:24 パーセンタイル:52.53(Biophysics)

分子シミュレーションによる中性子散乱スペクトルの周波数依存性を調べることで蛋白質ダイナミクスの水和依存性を調べた。蛋白質のボソンピークは水和にかかわらず100Kで1$$sim$$4meVに観測されるが、水和によってピーク位置は高エネルギーシフトする。4meVよりも高エネルギーの蛋白質の振動はほぼ調和振動的である。1meVよりも低振動運動は揺らぎの大きさに大きく寄与し、ガラス性転移の起源に寄与する。300Kでは水和状態のボソンピークは準弾性散乱に埋もれるが、低い水和量ではボソンピークは観測される。ボソンピークは蛋白質ダイナミクスがエネルギーランドスケープのローカルミニマムにトラップされることで観測される。ボソンピークに寄与する蛋白質の運動は蛋白質全体に広がっている。近い将来高エネルギー分解能の装置が開発されれば、動的構造因子の微細構造が実験的に検出されると期待される。

論文

Hydration-dependent protein dynamics revealed by molecular dynamics simulation of crystalline Staphylococcal nuclease

城地 保昌*; 中川 洋; 片岡 幹雄; 北尾 彰朗*

Journal of Physical Chemistry B, 112(11), p.3522 - 3528, 2008/03

 被引用回数:11 パーセンタイル:27.19(Chemistry, Physical)

結晶状態の黄色ブドウ球菌由来核酸分解酵素の分子シミュレーションを低い水和量と高い水和量で行って、蛋白質ダイナミクスに対する水和効果を調べた。高い水和量では結晶の隙間に水を充填させた。低い水和量では結晶水のみを入れた。ガラス性転移は220Kの温度で両者で見られたが、高い水和量の方が転移はより顕著であった。残基ごとの揺らぎの解析からは、ループや末端領域に揺らぎの増加が見られた。これら領域は低い水和量では分子間の接触によって揺らぎは抑制されていた。高い水和量での水分子の揺らぎは低い水和量よりも一桁大きい。転移温度以上では高い水和量では水分子はバルク水のように振る舞い、蛋白質ダイナミクスの潤滑剤として働く。一方、低い水和量では水分子は蛋白質と水素結合を形成し、蛋白質の揺らぎの大きさと同程度になる。分子間相互作用と溶媒の運動性は蛋白質のガラス性転移を理解するのに重要である。

論文

Non-Gaussian behavior of elastic incoherent neutron scattering profiles of proteins studied by molecular dynamics simulation

徳久 淳師; 城地 保昌*; 中川 洋; 北尾 彰朗*; 片岡 幹雄

Physical Review E, 75(4), p.041912_1 - 041912_8, 2007/05

 被引用回数:21 パーセンタイル:67.76(Physics, Fluids & Plasmas)

弾性非干渉性中性子散乱(EINS)では、散乱プロファイルの小角領域でガウス近似することで、揺らぎ幅の平均値である平均二乗変位(MSD)を見積もることがでる。一方、広角領域ではガウス近似からのずれ(非ガウス性)が観測される。非ガウス性には平均値以上の詳細な揺らぎ幅に関する情報が含まれており、非ガウス性に対しての解析法を確立することが望まれている。タンパク質ダイナミクスは非常に複雑で、非調和的であり、非等方的であり、かつ不均一である。そのため非ガウス性の起源に対して数種類の要因を考えることができる。非ガウス性の主要な起源を明らかにし、解析法を確立することを目的とした。核酸分解酵素であるStaphylococcal nucleaseの分子動力学計算から、EINSデータを再現した。非ガウス性を以下の3つの起源に分離し、非ガウス性を引き起こす種々の起源の寄与を見積もることに成功した。(1)揺らぎ幅の原子個々の不均一性の寄与(動的不均一性),(2)非等法性の寄与、及び(3)非調和性の寄与、に分離した。タンパク質全体では、さまざまなジャンプ距離を持つ原子が存在するため、非等方性及び非調和性の寄与は原子間で互いに打ち消し合い、EINSプロファイルへの寄与は結果的に小さくなることがわかった。つまり、非ガウス性の主要な起源は動的不均一性であり、タンパク質を試料としたEINS実験にあらわれる非ガウス性に対しては、動的不均一性の解析が適していることを明らかにした。

論文

Analysis of the function of a large-scale supra-biomolecule system by molecular dynamics simulation system, SCUBA (Simulation Codes for hUge Biomolecular Assembly)

石田 恒; 樋口 真理子; 米谷 佳晃*; 叶野 琢磨; 城地 保昌*; 北尾 彰朗*; 郷 信広

Annual Report of the Earth Simulator Center April 2005 - March 2006, p.237 - 240, 2007/01

地球シミュレータは従来にはない大規模生体超分子系の分子動力学シミュレーションを可能とする計算能力を持つ。そこで、われわれは数百万原子の生体超分子系を扱う大規模な分子動力学シミュレーションシステムSCUBA(旧名PABIOS)を開発している。SCUBAはPPM計算法,系のエネルギー,温度,圧力を一定に保つさまざまな時間積分アルゴリズム,系の原子分布異方性により引き起こされる並列化効率の悪化を防ぐための動的ロードバランスなど、最新のアルゴリズムを採用した計算性能に優れたシミュレーションシステムである。本年度は、約55万原子の系(RuvAB-Holliday分岐DNA)について分子動力学シミュレーションを実行した結果、地球シミュレータで360個のプロセッサを用いてもSCUBAはベクトル化率95%以上,並列化効率50%以上の優れた性能を達成することに成功した。そして、ホリデイジャンクションモデル(RuvA-Holliday分岐DNA)の長時間分子動力学シミュレーションを実行することで、Holliday分岐DNA結合タンパク質RuvAがDNAを組み換えるメカニズムを分子レベルで明らかにすることができた。

論文

Dynamical heterogeneity of protein dynamics studied by elastic incoherent neutron scattering and molecular simulations

中川 洋; 徳久 淳師*; 上久保 裕生*; 城地 保昌*; 北尾 彰朗*; 片岡 幹雄*

Materials Science & Engineering A, 442(1-2), p.356 - 360, 2006/12

 被引用回数:4 パーセンタイル:33.53(Nanoscience & Nanotechnology)

中性子非干渉性弾性散乱と分子シミュレーションによって球状タンパク質の動的不均一性を調べた。中性子非干渉性弾性散乱のq依存性はガウス近似からのずれ、非ガウス性を示した。非調和性も非ガウス性に寄与するが、われわれは動的不均一性によって実際の散乱プロファイルの非ガウス性を説明することができた。分子シミュレーションにより、1meV程度の低いエネルギー分解能では非ガウス性はおもに動的不均一性に由来することを確認した。一方、非調和性の非ガウス性に対する寄与は10$$mu$$eV程度の高エネルギー分解能では無視できないが、それでも動的不均一性は非ガウス性の主な原因であった。

論文

Hydration-coupled protein boson peak measured by incoherent neutron scattering

中川 洋; 片岡 幹雄*; 城地 保昌*; 北尾 彰朗*; 柴田 薫; 徳久 淳師*; 筑紫 格*; 郷 信広

Physica B; Condensed Matter, 385-386(2), p.871 - 873, 2006/11

 被引用回数:14 パーセンタイル:51.10(Physics, Condensed Matter)

スタフィロコッカルヌクレアーゼを用いてタンパク質のボソンピークの水和との関連を調べた。ボソンピークは合成高分子,ガラス性物質,アモルファス物質に共通に見られるものであるが、その起源は十分には理解されていない。ボソンピークに寄与する運動は調和振動である。水和によりピークの位置は高周波数側にシフトし、振動の力学定数は増加した。このことはタンパクのエネルギー地形が変化したことを示す。タンパク質が水和することでエネルギー地形がより凸凹になり、極低温ではエネルギー極小に振動がトラップされる。タンパク質のボソンピークの起源はこのエネルギー地形の凹凸と関係しているかもしれない。

論文

Development of molecular dynamics simulation system for large-scale supra-biomolecules, PABIOS (PArallel BIOmolecular Simulator)

石田 恒; 樋口 真理子; 米谷 佳晃*; 叶野 琢磨; 城地 保昌*; 北尾 彰朗*; 郷 信広

Annual Report of the Earth Simulator Center April 2004 - March 2005, p.241 - 246, 2005/12

地球シミュレータは従来にはない大規模超分子系の分子動力学シミュレーションを可能とする計算能力を持つ。そこで、われわれは数百万原子のシステムを扱う大規模な分子シミュレーション(PABIOS)を開発している。PABIOSは空間分割法を用いており高い並列化効率を持つ。PABIOSは系のエネルギー,温度,圧力を一定に保つさまざまな時間積分アルゴリズム,原子結合長を固定することにより時間ステップの増大を可能とするSHAKE, RATTLEアルゴリズムなどの高精度アルゴリズムを採用した計算性能に優れたシミュレーションシステムである。今回、系の原子分布の異方性による並列化効率の悪化がおこらないように、動的ロードバランスを開発した。ホリデイ分岐DNAとDNA結合蛋白質RuvA4量体の複合体が水中に存在する系(全系16万6千原子)について分子動力学シミュレーションを実行した結果、地球シミュレータで120個のプロセッサを用いてもPABIOSはベクトル化率95%以上,並列化効率50%以上の優れた性能を達成することに成功した。そして計算速度も昨年度と比べて約2倍程度向上した。

論文

Protein boson peak originated from hydration-related multiple minima energy landscape

城地 保昌*; 北尾 彰朗*; 郷 信広

Journal of the American Chemical Society, 127(24), p.8705 - 8709, 2005/06

 被引用回数:27 パーセンタイル:60.79(Chemistry, Multidisciplinary)

ボゾンピークとは200K以下の生体高分子を含む多くのガラス状物質による非弾性中性子散乱やラマン散乱スペクトルの低振数領域に見られる幅の広いピークを指す。本論文では蛋白質のボゾンピークの起源に関する新しい描像を与える。分子動力学シミュレーションによれば、蛋白質分子のまわりの構造水分子は蛋白質のエネルギー地形の多極小性を一層際立たせ、これがボゾンピークの起源となっている。ピークは蛋白質分子が、水分子に由来するエネルギー極小構造に低温で束縛されることによって生じる。

論文

Development of molecular dynamics simulation system for large-scale supra-biomolecules, PABIOS (PArallel BIOmolecular Simulator)

石田 恒; 城地 保昌*; 樋口 真理子; 叶野 琢磨; 北尾 彰朗*; 郷 信広

Annual Report of the Earth Simulator Center April 2003 - March 2004, p.175 - 179, 2004/07

地球シミュレータは従来にはない大規模超分子系の分子動力学シミュレーションを可能とする計算能力を持つ。そこで、われわれは数百万原子のシステムを扱う大規模な分子シミュレーション(PABIOS)を開発している。PABIOSは空間分割法を用いており高い並列化効率を持つ。PABIOSは系のエネルギー,温度,圧力を一定に保つさまざまな時間積分アルゴリズム,原子結合長を固定することにより時間ステップの増大を可能とするSHAKE, RATTLEアルゴリズムなどの高精度アルゴリズムを採用した計算性能に優れたシミュレーションシステムである。ホリデイ分岐DNAとDNA結合蛋白質RuvA4量体の複合体が水中に存在する系(全系16万6千原子)について分子動力学シミュレーションを実行した結果、地球シミュレータで144個のプロセッサを用いてもPABIOSはベクトル化率95%以上,並列化効率50%以上の優れた性能を達成することに成功した。

口頭

タンパク質表面の水和水のネットワーク形成とダイナミクス

中川 洋; 城地 保昌*; 北尾 彰朗*; 片岡 幹雄

no journal, , 

一般に蛋白質は、水和することで200$$sim$$240Kの温度領域で動力学転移が見られる。本研究では、蛋白質の動力学転移がなぜ水和で生じるのかを明らかにすることを目的とし、非干渉性中性子散乱と分子動力学計算によって動力学転移における水和水の構造やダイナミクスを調べた。蛋白質の水和量を段階的に変えて動力学転移を測定したところ、水和量が約0.37(g water/g protein)以上で動力学転移が顕著に現れることがわかった。なぜ動力学転移がこのような水和依存性を示すのかを明らかにするために、中性子散乱の同位体効果を利用して水和水のダイナミクスを直接観測した。その結果、転移温度以下の低温では水和量に関係なくタンパク質と水分子の揺らぎの大きさはほぼ同じであった。また転移が生じない低い水和量の場合では転移温度以上でもやはりタンパク質とほぼ同じであった。一方、動力学転移が生じる高い水和量の場合には転移と同時に水和水の揺らぎが大きくなっていることが明らかになった。蛋白質表面の水和水の構造的な考察から、約0.37(g water/g protein)の水和量を超えると水和水間の接触が顕著になると考えられた。分子動力学計算によって蛋白質の水和構造とダイナミクスを調べた結果、高い水和量では水和水間の水素結合ネットワークが蛋白質表面を取り囲み、水素結合ダイナミクスが活発になることがわかった。動力学転移は、水和水ネットワークのダイナミクスとのカップリングによって生じるといえる。

口頭

蛋白質の動力学転移における水和水の構造とダイナミクス

中川 洋; 城地 保昌*; 北尾 彰朗*; 片岡 幹雄

no journal, , 

Most globular proteins work in an aqueous milieu and water molecules located at the protein surface strongly affects the protein stability and function. Structure and dynamics of hydration water on the protein, staphylococcal nuclease, were examined at various hydration levels to study the hydration effect on dynamics. We found that the hydration dependent protein dynamical transition around 240 K shows the threshold hydration level between 0.30 and 0.42 (g water/g protein). Below the threshold, hydration water is localized to form several independent clusters on the surface, while above the threshold level the hydration water encircles the protein via hydrogen bond, suggesting the percolation transition. The MD simulations at various hydration indicate that the size of the cluster of hydrogen bonded hydration water dramatically increased above the threshold level of the hydration level. We concluded that the dynamics of hydration water is coupled with the protein dynamics via hydrogen-bond network on the protein-water interface. Such a dynamical coupling drives the hydration dependent protein dynamical transition.

口頭

中性子非弾性散乱法によるタンパク質ダイナミクスの研究

中川 洋; 片岡 幹雄; 城地 保昌*; 北尾 彰朗*; 山室 修*

no journal, , 

一般に蛋白質は、水和することで200-240Kの温度領域で動力学転移が見られる。本研究では、蛋白質の動力学転移がなぜ水和で生じるのかを明らかにすることを目的とし、非干渉性中性子散乱と分子動力学計算によって動力学転移における水和水の構造やダイナミクスを調べた。蛋白質の水和量を段階的に変えて動力学転移を測定したところ、水和量が約0.37(g water/g protein)以上で動力学転移が顕著に現れることがわかった。なぜ動力学転移がこのような水和依存性を示すのかを明らかにするために、中性子散乱の同位体効果を利用して水和水のダイナミクスを直接観測した。その結果、転移温度以下の低温では水和量に関係なくタンパク質と水分子の揺らぎの大きさはほぼ同じであった。また転移が生じない低い水和量の場合では転移温度以上でもやはりタンパク質とほぼ同じであった。一方、動力学転移が生じる高い水和量の場合には転移と同時に水和水の揺らぎが大きくなっていることが明らかになった。蛋白質表面の水和水の構造的な考察から、約0.37(g water/g protein)の水和量を超えると水和水間の接触が顕著になると考えられた。分子動力学計算によって蛋白質の水和構造とダイナミクスを調べた結果、高い水和量では水和水間の水素結合ネットワークが蛋白質表面を取り囲み、水素結合ダイナミクスが活発になることがわかった。動力学転移は、水和水ネットワークのダイナミクスとのカップリングによって生じるといえる。

口頭

タンパク質ダイナミクスの調和運動と非調和運動に対する水和効果

中川 洋; 城地 保昌*; 北尾 彰朗*; 片岡 幹雄

no journal, , 

タンパク質ダイナミクスに対する水和効果を理解するために、脱水和状態,中間量の水和状態,水和状態の3つの異なる水和状態のスタフィロコッカルヌクレアーゼを用いて中性子非弾性散乱実験を行った。極低温において、高エネルギー振動である局所的な運動は水和に依存しなかったのに対し、5meVより低エネルギーの協調的な運動は水和に影響を受けることがわかった。この水和の影響はボソンピークの高エネルギーシフトとして観測され、このことはエネルギーランドスケープのローカルミニマムでの調和ポテンシャルがハードニングを起こすことを示している。240Kの動力学転移は水和タンパク質でのみ観測された。300Kで観られる顕著な準弾性散乱も水和タンパク質のみで観測され、これは転移の起源が水和水によって活性化される非調和運動であることを示している。中間量の水和状態のタンパク質の中性子散乱スペクトルは、100Kと200Kでは水和状態とほとんど同じであるが、300Kでは乾燥状態に近い。このことは中間量の水和は調和運動に十分に影響を与えるが、非調和運動に影響を与えるにはある閾値以上の水和量が必要であることを示す。水和は、調和運動と非調和運動の両者に影響を与えるが、その仕組みは異なっている。

口頭

中性子非弾性散乱によるタンパク質ダイナミクス研究

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

no journal, , 

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。

口頭

Dynamics of protein and its hydration water studied by incoherent neutron inelastic scattering

中川 洋; 城地 保昌*; 北尾 彰朗*; 柴田 薫; 郷 信広; 片岡 幹雄

no journal, , 

タンパク質ダイナミクスの特徴であるボソンピークや動力学転移が水和とどのようにかかわっているのかを中性子非弾性散乱により調べた。極低温では3$$sim$$4meVにボソンピークが観測され、ピーク位置は水和により高エネルギー側へシフトすることがわかった。ボソンピーク近傍のスペクトルが示すタンパク質の低振動モードは調和振動的であり、ピークのシフトからそのばね定数は水和量が多いほど大きくなると言える。これは水素結合を介した水和水とタンパク質の相互作用によってタンパク質の低振動モードのエネルギー地形がより凸凹になったことに起因し、このことはシミュレーションからの理論的な予測(Y. Joti et al.,2005)と一致する。一方、水和量が約0.2(g water/g protein)以上で240K付近において動力学転移が観測された。中性子散乱の同位体効果を利用して水和水のダイナミクスを直接観測した結果、転移温度以下の低温では水和量に関係なくタンパク質と水分子の揺らぎの大きさはほぼ同じであった。また転移が生じない低い水和量の場合では転移温度以上でもやはりタンパク質とほぼ同じであった。一方、動力学転移が生じる時には同時に水和水の揺らぎが大きくなっていることが明らかになった。高い水和量で生じるタンパク質表面の水分子の特異的なダイナミクスが、タンパク質と水分子の界面に存在する水素結合ネットワークを介してタンパク質の振動モードと相互作用し、その結果動力学転移が生じると考えている。

口頭

Structure and dynamics of the protein hydration water at the protein dynamical transition

中川 洋; 城地 保昌*; 北尾 彰朗*; 片岡 幹雄

no journal, , 

The dynamical transition of a protein has been observed at 200 - 240 K with the hydrated protein. We studied hydration level dependence of the hydration water structure and dynamics at the dynamical transition of a protein Staphylococcal nuclease by inelastic neutron scattering and molecular dynamics simulation. It was found that hydration dependent protein dynamical transition was observed around 240K, which was more significant above the threshold hydration level between 0.30 and 0.42 (g water/g protein). Above the threshold hydration level, the connectivities of the hydration water via hydrogen bond spread over the protein surface. Furthermore the hydrogen bond network among the hydration water encircles the whole protein, and the hydration water is percolated on the protein surface. Therefore, the protein dynamical transition is highly correlated with the percolation transition of the hydration water. At the percolation transition the translational dynamics of the hydration water markedly increase. The dynamical behavior of hydration water is coupled with the protein dynamics via hydrogen-bond network at protein-water interface. Such a dynamical coupling drives the hydration dependent protein dynamical transition.

口頭

Hydration affects both harmonic and anharmonic nature of protein dynamics

中川 洋; 城地 保昌*; 北尾 彰朗*; 片岡 幹雄

no journal, , 

タンパク質ダイナミクスに対する水和効果を理解するために、脱水和状態,中間量の水和状態,水和状態のスタフィロコッカルヌクレアーゼを用いて中性子非弾性散乱実験を行った。極低温において、高エネルギー振動である局所的な運動は水和に依存しなかったのに対し、水和は5meVより低エネルギーの協調的な運動に影響を与えた。顕著な変化はボソンピークの高エネルギーシフトとして観測され、このことはエネルギーランドスケープのローカルミニマムでの調和ポテンシャルがハードニングを起こすことを示している。240Kの動力学転移は水和タンパク質でのみ観測された。300Kで観られる顕著な準弾性散乱は水和タンパク質のみで観測され、これは転移の起源が水和水によって活性化される運動であることを示している。中間量の水和状態のタンパク質の中性子散乱スペクトルは、100Kと200Kでは水和状態とほとんど同じであるが、300Kでは乾燥状態に近い。このことは中間量の水和は調和運動に十分に影響を与えるが、非調和運動に影響を与えるにはある閾値以上の水和量が必要であることを示す。水和は、調和運動と非調和運動の両者に影響を与えるが、その仕組みは異なっている。

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