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論文

Sequence-dependent hydration water dynamics of dodecameric DNA

中川 洋; 米谷 佳晃*; 中島 健次; 河村 聖子; 菊地 龍弥*; 稲村 泰弘; 片岡 幹雄*; 河野 秀俊*

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011101_1 - 011101_6, 2021/03

5'CGCG$$underline{rm AATT}$$CGCG'3 and 5'CGCG$$underline{rm TTAA}$$CGCG'3のDNAについて、軽水と重水のコントラストを利用した中性子準弾性散乱による水和水ダイナミクスを測定した。この2つのDNAは計算機によってそれぞれ硬い分子と柔らかい分子であることが分かっている。どちらの配列も約240KにDNAと水和水のどちらも動力学転移が観測された。転移温度以上では、水和水の平均自乗変位は硬い配列の方が小さかった。また水和水の緩和時間は硬いほうが長かった。ピコ秒時間スケールの水和水ダイナミクスは配列依存的なDNAの硬さと関係していることを示唆した。

論文

Rigidity of protein structure revealed by incoherent neutron scattering

中川 洋; 片岡 幹雄*

Biochimica et Biophysica Acta; General Subjects, 1864(4), p.129536_1 - 129536_6, 2020/04

 被引用回数:2 パーセンタイル:24.69(Biochemistry & Molecular Biology)

蛋白質の硬さと柔らかさは、構造ダイナミクスに反映される。蛋白質ダイナミクスの研究は柔らかさに焦点を絞った研究が多い。この総説では、蛋白質の硬さに焦点をあてる。硬さの程度は実験的には非干渉性中性子散乱で評価できる。この方法は、分子シミュレーションと相補的である。この実験手法では、ピコ秒からナノ秒の時間スケール, ナノメーターの空間スケールの蛋白質ダイナミクスの情報が得られる。これらのダイナミクスは、力の定数, ボソンピーク, 動力学転移, 動的不均一性といった指標によって蛋白質の硬さを定量化できる。これらの指標は蛋白質の2次構造や3次構造の硬さを反映する。さらに、これらの指標を用いることで、水和, 温度, 圧力, 蛋白質間相互作用などの影響によってどの程度硬くなるかが分かる。水和は他の環境要素と比べて硬さや柔らかさに対する影響が大きい。興味深いことに、水和は調和的運動と非調和的運動に対して逆の効果を示す。この水和効果の違いは、水素結合を介した蛋白質と水分子の動的なカップリングが原因かもしれない。

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:2 パーセンタイル:14.1(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

How can we derive hydration water dynamics with incoherent neutron scattering and molecular dynamics simulation?

中川 洋; 片岡 幹雄*

Biophysics and Physicobiology (Internet), 16, p.213 - 219, 2019/00

非干渉性中性子散乱はピコ~ナノ秒スケールの蛋白質ダイナミクスを調べる便利な実験手法のひとつである。この時間スケールでは、蛋白質ダイナミクスは水和と強くカップルしていて、動力学転移として観測される。非干渉性中性子散乱は水素原子の非干渉性散乱断面機が大きいため、水素原子のダイナミクスに敏感である。したがって、水和蛋白質の中性子非干渉性散乱は水和水を含めた蛋白質についての全体的なダイナミクスの情報を与える。水和水ダイナミクスを分離することは、水和に関連した蛋白質ダイナミクスを理解するために重要である。軽水・重水の交換は蛋白質と水和水のダイナミクスを分離して観測するための中性子非干渉性散乱実験において有効な方法である。中性子散乱はバンホッフ時空間相関関数と直接関係していて、分子シミュレーションによって定量的に計算できる。水和水の拡散と水素結合ダイナミクスは分子シミュレーションによって解析できる。動力学転移は水和によって生じるため、非干渉性中性子散乱データを解釈するためには、水和に関連したタンパク質ダイナミクスにおける動的なカップリングのメカニズムを解析するのに分子シミュレーションは便利である。本研究では、我々は非干渉性中性子散乱における軽水・重水の交換の手法としての利点と、蛋白質と水和水を研究するツールとして非干渉性中性子散乱と分子シミュレーションの互換性を示す。

論文

中性子準弾性散乱による配列依存的なDNA分子の揺らぎ

中川 洋; 片岡 幹雄*

四季, 36, P. 6, 2017/09

二重らせん構造を持つDNA分子の曲がりやすさの程度は塩基配列によって異なるということを中性子準弾性散乱によって実証し、これまでの計算機などによる予測を実証したことを報告する。

論文

中性子で展開される生命科学とその周辺のサイエンス

中川 洋; 片岡 幹雄*

加速器, 13(4), p.214 - 219, 2017/01

生命科学は中性子研究の主要なテーマの一つと考えられている。同位体効果や非弾性・准弾性散乱といった中性子の量子ビーム特性は、生体分子の結晶構造、溶液構造、動的構造を調べるのに便利である。非弾性散乱による生体物質の物性研究は食品科学の応用研究として有望である。加速器によって実現する高強度パルス中性子は、生命科学だけでなく、これまで利用がなかった学術分野にも適用が期待される。

論文

蛋白質の水和とダイナミクス

中川 洋; 片岡 幹雄*

Radioisotopes, 64(10), p.647 - 659, 2015/10

中性子非弾性散乱法では、生理的条件下、水溶液環境で機能する蛋白質構造の熱揺らぎを計測することができる。特に、理論研究により溶媒効果の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威力を発揮する。また、重水素化による蛋白質と水和水の運動の選択的な観測や、分子動力学シミュレーションを援用した水和構造とダイナミクスの解析は、蛋白質の水和研究に有効である。蛋白質機能の分子機構の理解に貢献している最近の研究事例を紹介する。

論文

タンパク質の水和と機能発現

中川 洋; 片岡 幹雄*

冷凍, 90(1054), p.569 - 573, 2015/08

中性子非干渉性散乱は、生理的な溶液環境での蛋白質の熱揺らぎを計測できる。蛋白質ダイナミクスは広い時空間で特徴付ける必要がある。中性子非干渉性散乱は、水の運動性や蛋白質の動力学転移を解析する、有効な実験手法である。中性子は物質の透過性に優れ、かつ分子ダイナミクスを非破壊的に観測できる。中性子では、振動状態密度,緩和,拡散過程,平均自乗変位の情報が得られる。分子シミュレーションでは、原子スケールで分子構造やダイナミクスの情報が得られ、中性子非干渉性散乱と相補的である。我々は、蛋白質の動力学転移の水和量依存性が、水和水のパーコレーション転移と相関があることを見出した。パーコレーション転移以上の水分量では、水和水ダイナミクスは蛋白質の動力学転移温度以上で運動性が劇的に変化する。蛋白質の動力学転移は、蛋白質表面に広がった水和水ネットワークの揺らぎとカップルしている。

論文

水から読み解く「おいしさ」とは?

中川 洋; 片岡 幹雄*

波紋, 24(特別号), 2 Pages, 2014/11

電子線でもX線でもつかめない水分子(H$$_{2}$$O)のふるまいを、中性子線が明らかにする。茨城名産「干し芋」のしっとりした食感は、保存性とおいしさの絶妙なバランスで成り立っている。単純な水分量だけでなく、どのような状態で水分子が物質と結合しているかが、おいしさや保存性を左右するとされている。「中性子非弾性散乱」は蛋白質やDNAの解析だけでなく、おいしさや食の安全に関わる新たな知見を蓄積しつつあり、大きな期待を寄せられている。

論文

Local dynamics coupled to hydration water determines DNA-sequence-dependent deformability

中川 洋; 米谷 佳晃; 中島 健次; 河村 聖子; 菊地 龍弥; 稲村 泰弘; 片岡 幹雄; 河野 秀俊

Physical Review E, 90(2), p.022723_1 - 022723_11, 2014/08

 被引用回数:9 パーセンタイル:56.03(Physics, Fluids & Plasmas)

CGCGAATTCGCGとCGCGTTAACGCGの柔軟性の異なる二つの配列のDNAの分子シミュレーションと中性子準弾性散乱実験を行った。前者は硬く、後者は柔らかいことが知られている。両方の配列のDNAで、200-240Kに動力学転移が見られた。DNA配列依存的なダイナミクスを調べるために、転移温度以上でDNAと水和水のダイナミクスを分子シミュレーションと中性子準弾性散乱によって調べた。12merDNAの真ん中の4merについて、AATTはTTAAと比べて揺らぎの振幅が小さく、緩和時間が長いことが分かった。これはATステップの方が、TAステップよりも、速度論的に安定であることを示唆している。配列依存的な局所的な塩基対のダイナミクスは、DNAと水和水の間の水素結合ダイナミクスと相関がある。配列依存的なDNAの塩基対の揺らぎは動力学転移温度以上で現れる。これらの結果を総合すると、DNAの柔軟性は塩基対の局所的なダイナミクスと関係があり、DNAのマイナー溝に存在する水和水とカップルしていると結論付けた。

論文

中性子非弾性散乱による食品タンパク質の水和とガラス転移の解析

中川 洋; 片岡 幹雄

日本食品科学工学会誌, 61(7), p.323 - 328, 2014/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.09(Food Science & Technology)

乾燥食品の低水分活性とガラス状態は微生物の増殖を抑え、そして食品の安定性を向上させる。また食品のガラス化はテクスチャーと関連する。したがって、水和とガラス化は、食品の物性や品質を決定する重要な要因となる。中性子非弾性散乱は、食品中の水の動態やガラス転移の解析に有効な実験手法である。中性子は物質の透過性が高く、食品の分子運動を非破壊的に観測できる。中性子では、分子の振動状態、緩和や拡散過程、そして平均自乗変位の分子運動の情報を得ることができる。分子シミュレーションでは、分子の構造や運動性を原子分解能で観ることができる、中性子非弾性散乱と相補的な研究手法である。筆者らは、蛋白質のガラス転移の水分量依存性が、水和水のパーコレーション転移と相関があることを見出した。さらに、水和水の分子運動がガラス転移温度以上で顕著に変化することがわかった。水和水のパーコレーション転移が蛋白質のガラス転移を引き起こしていると考えられる。

論文

中性子非弾性散乱法で観るタンパク質/水界面の構造と揺らぎ

中川 洋; 片岡 幹雄

日本接着学会誌, 49(11), p.427 - 432, 2013/11

中性子非弾性散乱は、物質界面の水和の解析に有効である。これまでに筆者らがタンパク質の研究に適用してきた中性子非弾性散乱による水和の分析手法は、接着の解析への応用が期待できる。本稿では、中性子非弾性散乱実験の簡単な原理などを解説し、筆者らの研究を紹介することで、中性子非弾性散乱がどのように活用できるのかを示したい。

論文

中性子非弾性散乱による生体高分子ダイナミックスの研究

中川 洋; 片岡 幹雄

高分子, 60(4), p.195 - 196, 2011/04

タンパク質は規則的な3次元の立体構造を持つ生体高分子である。温和な生理的環境で熱揺らぎにさらされながら、タンパク質はその構造を巧みに変化させることで生理機能を発揮している。中性子散乱実験で用いられる中性子は、波長が数AでエネルギーはmeV程度であり、それぞれ分子の原子間隔や揺らぎのエネルギーに近い。そのため、回折実験から分子構造を決定できるだけでなく、ピコ秒からナノ秒の時間スケールのダイナミクスを観測することができる。特に、機能発現に重要とされている分子全体の協調的な構造揺らぎや、水和水ダイナミクスの解析に中性子非弾性散乱は有効である。茨城県東海村で大強度陽子加速器施設J-PARCによる大強度の中性子源が稼働を開始し、利用できるようになった。本稿では、最近の筆者らの生体高分子ダイナミクス研究とJ-PARCで今後期待される研究について紹介する。

論文

Protein dynamics studies by neutron incoherent scattering

片岡 幹雄; 中川 洋

Neutrons in Soft Matter, p.517 - 538, 2011/03

タンパク質は室温の水溶液環境下で熱揺らぎにさらされながら機能する。タンパク質ダイナミクスの熱揺らぎは機能に関連する。中性子非弾性散乱は、時間空間軸からタンパク質のダイナミクスを観測することができる。生体物質からの中性子シグナルは弱く、これまでに生物研究への中性子非弾性散乱の利用は限られてきた。しかし、J-PARCなど新たな中性子源の建設により状況が変わりつつある。ここでは、中性子非弾性散乱による広い時間空間領域での、タンパク質ダイナミクスの研究を紹介する。タンパク質のボソンピークや動力学転移は他のソフトマター物質に共通して観測されるため、これら現象の研究は、ソフトマター研究に寄与する。生物物理学の分野でも、タンパク質の動的特性は生理機能発現の理解に重要である。

論文

Effect of hydration on protein dynamics

片岡 幹雄; 中川 洋

Water; The Forgotten biological molecule, p.49 - 62, 2010/11

タンパク質は生物の機能を担う基本的な要素である。多くのタンパク質は水溶液環境で機能する。ここではタンパク質ダイナミクスに対する水和効果の研究を紹介する。広い中性子スペクトルの測定により、水和の影響がないダイナミクスと水和の影響を受けるダイナミクスを分離した。前者は、メチル基などの分子基の局所的な運動である。後者の水和の影響を受ける運動は、低エネルギースペクトルに見られるタンパク質の全体的な揺らぎである。中性子では水和によって約240Kに動力学転移が観測される。水和はタンパク質の調和振動的な揺らぎを抑制するが、非調和的な運動を活性化させる。水和はタンパク質表面と相互作用し、タンパク質と水和水の動的なカップリングがタンパク質の機能的な揺らぎに重要である。

論文

Percolation of hydration water as a control of protein dynamics

中川 洋; 片岡 幹雄

Journal of the Physical Society of Japan, 79(8), p.083801_1 - 083801_4, 2010/08

 被引用回数:33 パーセンタイル:81.3(Physics, Multidisciplinary)

タンパク質は水和水なしには機能しない。タンパク質ダイナミクスに対する水和水効果を明らかにするために、非干渉性中性子散乱実験と分子動力学シミュレーションをスタフィロコッカルヌクレアーゼを用いて行った。タンパク質の動力学転移の水和率依存性は水和水のパーコレーション転移とよい相関があることがわかった。水和水ダイナミクスは同様に転移で揺らぎが増大した。水和水のパーコレーション転移は、タンパク質の機能発現に重要となるタンパク質の非調和運動を活性化するために本質的である。

論文

Effect of conformational states on protein dynamical transition

中川 洋; 上久保 裕生*; 片岡 幹雄

Biochimica et Biophysica Acta; Proteins and Proteomics, 1804(1), p.27 - 33, 2010/01

 被引用回数:18 パーセンタイル:47.73(Biochemistry & Molecular Biology)

折れ畳まったタンパク質の特性を調べるため、野生型と欠損変異体のスタフィロコッカルヌクレアーゼを用いて非干渉性中性子弾性散乱によりタンパク質の動力学転移に対する構造状態の効果を調べた。変異体はC末端の13残基を欠損させたもので、コンパクトな変性構造を取り、天然変性タンパク質のモデルとされている。非干渉性中性子弾性散乱実験はILLのIN10とIN13で行われた。弾性散乱強度のQ依存性をさまざまな温度で測定し、平均二乗変位を求めた。乾燥タンパク質と水和タンパク質で測定を行った。水和タンパク質では野生型と変異体では差がなかったが、乾燥状態では差が見られた。140Kの転移は乾燥状態と水和状態の両方で見られるが、転移温度前後での平均二乗変位の温度依存性は両者で異なり、折り畳みによる構造のハードニングが見られた。水和によってさらに240Kの転移が生じるが、構造状態には依存しない。これにより水和水のダイナミクスがタンパク質動力学を支配していると言える。

論文

非干渉性中性子非弾性散乱で観るタンパク質ダイナミクスの水和効果

中川 洋; 片岡 幹雄

波紋, 19(2), p.91 - 94, 2009/04

中性子非弾性散乱実験でスタフィロコッカルヌクレアーゼのダイナミクスに対する水和効果を調べた。低温では、5meV以下の協調的な運動に対して水和効果が表れたが、一方で高エネルギーの局所的な振動に対しては水和の影響はない。水和によってボソンピークの高エネルギーシフトが見られた。この結果は、エネルギー地形のローカルミニマムでの調和ポテンシャルにハードニングが起こっていることを示している。240Kの転移は水和蛋白質のみに見られるが、部分的に水和した蛋白質には見られない。一方で、部分的に水和した蛋白質では、調和運動に対しては影響が見られた。これらから蛋白質の非調和運動を活性化するのには、ある一定量以上の水和が必要であると言える。したがって、水和は蛋白質の調和運動と非調和運動の両者の影響を与えるが、そのメカニズムは異なると言える。

論文

Low-barrier hydrogen bond in photoactive yellow protein

山口 繁生*; 上久保 裕生*; 栗原 和男; 黒木 良太; 新村 信雄*; 清水 伸隆*; 山崎 洋一*; 片岡 幹雄*

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 106(2), p.440 - 444, 2009/01

 被引用回数:148 パーセンタイル:94.88(Multidisciplinary Sciences)

Low barrier hydrogen bonds (LBHBs) have been proposed to play roles in protein functions, including enzymatic catalysis and proton transfer. Transient formation of LBHBs is expected to stabilize specific reaction intermediates. However, based on experimental results as well as on theoretical considerations, arguments against the importance of LBHB in proteins have been raised. The discrepancy is due to the absence of direct identification of the hydrogen atom position. Here, we show by high-resolution neutron crystallography of photoactive yellow protein (PYP) that a LBHB exists in a protein, even in the ground state. We identified $$sim$$87% (819/942) of the hydrogen positions in PYP, and demonstrated that the hydrogen bond between the chromophore and E46 is a LBHB. This LBHB stabilizes an isolated electric charge buried in the hydrophobic environment of the protein interior. We propose that in the excited state, the fast relaxation of the LBHB into a normal hydrogen bond is the trigger for photo-signal propagation to the protein moiety. These results give insights into the novel roles of LBHBs, as well as the mechanism of the formation of LBHBs.

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:48 パーセンタイル:79.66(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.

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