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論文

Hydration and its hydrogen bonding state on a protein surface in the crystalline state as revealed by molecular dynamics simulation

中川 洋; 玉田 太郎*

Frontiers in Chemistry (Internet), 9, p.738077_1 - 738077_7, 2021/10

タンパク質の水和は、タンパク質の安定性と分子認識に極めて重要である。水分子は、水素結合を介してタンパク質の表面と相互作用する。ここでは、球状タンパク質であるスタフィロコッカルヌクレアーゼの結晶状態での水和構造と水素結合状態を、様々な水和レベルで全原子分子動力学シミュレーションにより調べた。その結果、疎水性の残基表面は親水性の残基表面よりも水和性が高いことがわかったが、水分量の増加に応じて両者は均一に水和することがわかった。また、水和した水の水素結合は四面体構造をしており、バルク水の構造とあまり変わらないことがわかった。この水素結合構造は、中性子結晶構造解析の結果と一致している。今回のシミュレーションは、結晶状態での水和構造や水素結合状態を解析するのに有効であり、結晶構造解析で得られた情報をさらに解析するのに大いに役立つと考えられる。

論文

Conformational dynamics of a multidomain protein by neutron scattering and computational analysis

中川 洋; 齋尾 智英*; 長尾 道弘*; 井上 倫太郎*; 杉山 正明*; 味戸 聡志; 富永 大輝*; 川北 至信

Biophysical Journal, 120(16), p.3341 - 3354, 2021/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Biophysics)

マルチドメインタンパク質は、溶液中で様々な構造を持つことができる。他の分子との相互作用により、そのうちの1つの構造が安定化し、ドメインダイナミクスが変化することが知られている。マルチドメインタンパク質の溶液中での構造を解明するためには、小角散乱法を用いることができる。中性子スピンエコー法は、ナノ秒・ナノメートルスケールでのドメインダイナミクスを解析するための有望な技術であるが、まだ開発途上である。本研究では、非干渉性散乱を用いて中性子スピンエコー法のデータから拡散運動や流体力学的相互作用の寄与を定量的に除去し、マルチドメインタンパク質MurDの3つの機能状態のドメインダイナミクスの違いを明らかにした。3つの状態間の違いは、2つのドメインモードによって説明できた。

論文

Conformational ensemble of a multidomain protein explored by Gd$$^{3+}$$ electron paramagnetic resonance

齋尾 智英*; 平松 蒼野*; 浅田 瑞枝*; 中川 洋; 清水 和美*; 久米田 博之*; 中村 敏和*; 石森 浩一郎*

Biophysical Journal, 120(15), p.2943 - 2951, 2021/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Biophysics)

電子常磁性共鳴分光法を用いてタンパク質上の2点間の距離を測定し、マルチドメインタンパク質酵素MurDの構造状態と分布を調べた。これまでの結晶学的研究やNMR研究では、MurDの3つの異なる構造状態が報告されていたが、我々のデータは、MurDがリガンドを持たない状態では、より多様な構造状態で存在することを明らかにした。MurDは感染症治療の有力なターゲットの一つであることから、本研究の成果は創薬のための重要な構造基盤を提供するものと考えられる。

論文

中性子散乱による食品中の水の分析

中川 洋

アグリバイオ, 5(6), p.537 - 539, 2021/06

水分活性は、食品と純水の水蒸気圧の比として定義された、食品の保存性や品質を評価する熱力学量である。一方、水分活性が意味する食品中の水の状態は、水分収着等温特性で分類された結合水や自由水などによる定性的な説明にとどまっており、水の物理化学特性と水分活性との関係性はあいまいな点が多い。中性子散乱は分子運動性の解析や水和構造を調べることができ、食品中の水の物理化学的状態や食品と水との相互作用を調べるのに便利な手法である。

論文

X線散乱・中性子散乱

中川 洋; 松尾 龍人*

実験医学, 39(10), p.1667 - 1673, 2021/06

X線や中性子散乱は、溶液中の生体分子の構造状態や集合状態、分子間相互作用などが分かる手法である。放射光X線では、短時間で高精度な溶液散乱データが得られる。中性子線では重水素化ラベルにより特定の分子を不可視化して、分子集団の中の注目する分子だけを選択的に観測することもできる。また、熱揺らぎと同程度のエネルギーを持つ中性子線では、分子運動の計測にも適している。現在のところ相分離現象の解析への適用は限定的であるが、ナノ$$sim$$メゾスケールでの相分離状態を解析したり、相分離する過程を追跡したりするのに有効な手法である。

論文

Development of spin-contrast-variation neutron powder diffractometry for extracting the structure factor of hydrogen atoms

三浦 大輔*; 熊田 高之; 関根 由莉奈; 元川 竜平; 中川 洋; 大場 洋次郎; 大原 高志; 高田 慎一; 廣井 孝介; 森川 利明*; et al.

Journal of Applied Crystallography, 54(2), p.454 - 460, 2021/04

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.02(Chemistry, Multidisciplinary)

山形大学が原子核物理実験用に開発した結晶試料の核スピン偏極技術を、スピンコントラスト偏極中性子回折測定法に展開し、水素核偏極化されたグルタミン酸を用いて粉末結晶試料中の水素の配向および凝集・分散などの構造情報を抽出できることを実証した。

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

Corrosion of aluminum-based containers for neutron studies with aqueous samples under low temperatures

富永 大輝*; 佐原 雅恵*; 川北 至信; 中川 洋; 島本 直伸*

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011094_1 - 011094_5, 2021/03

中性子準弾性散乱研究では、しばしばアルミもしくはアルミ合金製の試料容器が使われる。入射中性子の強度増大に伴って、研究領域は拡がり続けており、希薄な試料環境でもデータ取得は以前より速くなっている。そうした研究分野の一つに水を含むシステムが挙げられる。この研究では、アルミに関する温度効果を調べ、低温環境下でもアルミの腐食が起きることが分かった。その理由は、母材としてのアルミニウムと不動態フィルムとしての酸化アルミニウムの膨張係数の差による。

論文

Position dependency of the scattered intensity in the time-of-flight backscattering spectrometer DNA

松浦 直人*; 山田 武*; 富永 大輝*; 小林 誠*; 中川 洋; 川北 至信

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011068_1 - 011068_6, 2021/03

飛行時間分析型後方散乱分光器DNAにおける散乱強度の位置依存性を調査した。垂直方向(位置敏感一次元検出器(PSD)のピクセル方向)と水平方向(PSD毎)の両方で周期的な構造が見られた。DNAに設置されたソラースリットとアナライザー結晶の設計値を超えた過度な湾曲が、強度分布の起源であると考えられる。我々は、強度の位置依存性と弾性散乱のエネルギーオフセットを系統的に補正できるソフトウェアを開発した。このソフトウェアにより、本来の散乱強度からのずれが補正でき、エネルギー分解能などのデータの質も向上させることができる。

論文

Quartz cell for a backscattering spectrometer

富永 大輝*; 川北 至信; 中川 洋; 山田 武*; 柴田 薫

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011086_1 - 011086_5, 2021/03

後方散乱型中性子分光器、特にJ-PARC MLFのBL02(DNA)分光器用に最適化された二重円筒型石英試料セルを開発した。一端を閉じられた石英ガラス管を0.55mmの厚みまで削り、内筒を底部の突起によって外筒に同芯になるように挿入する。この石英セルは、標準的に用いられているアルミセルの表面に触れさせたくない試料に用いられる。石英セルと標準アルミセルの容器散乱の効果を重水バッファ試料を使って中性子準弾性散乱実験(QENS)により確かめた。Qが1[1/A]未満の領域では石英セルとアルミ容器の弾性散乱プロファイルはほぼ同一であった。一方Qが1[1/A]以上の領域では、石英ガラスのFSDPのために、プロファイルが異なることが分かった。この領域では、吸収補正や石英セルの個々の厚みの差を考慮した解析が必要である。

論文

Freezable and unfreezable hydration water; Distinct contributions to protein dynamics revealed by neutron scattering

山本 直樹*; 古府 麻衣子; 中島 健次; 中川 洋; 柴山 修哉*

Journal of Physical Chemistry Letters (Internet), 12(8), p.2172 - 2176, 2021/03

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Chemistry, Physical)

水和水は、機能発現に必要な蛋白質のダイナミクスを活性化するために重要な役割を果たしている。しかし、水和水がどのようにして蛋白質のダイナミクスと結びついているのか、その詳細は不明である。水和水の氷形成の温度ヒステリシスは、凍結不可能な水和水と凍結可能な水和水のどちらのタイプの水和水が蛋白質ダイナミクスの活性化に重要な役割を果たしているのかを理解するための鍵となる現象である。中性子散乱を用いて、凍結可能な水和水の氷の回折ピークに温度ヒステリシス現象が観測されたのに対し、蛋白質ダイナミクスでは温度ヒステリシスは観測されなかった。これらの結果から、蛋白質のダイナミクスは凍結可能な水和水のダイナミクスとは連動しておらず、蛋白質のダイナミクスの活性化には凍結不可能な水和水が不可欠であることが明らかになった。

論文

SANS-JとPNOの紹介

熊田 高之; 元川 竜平; 中川 洋; 大場 洋次郎; 関根 由莉奈

波紋, 31(1), p.5 - 6, 2021/02

SANS-Jはナノからサブマイクロメートルの幅広い空間スケールの階層構造を決定することができる。その特徴の一点目は、速度選別機で切り出された高強度の中性子(10$$^{5}$$ neutrons/s/cm$$^{2}$$)を用いることができる。二点目は、試料と透過した全ての中性子は色収差の影響を受けることなくレンズを用いて検出器上に集光することができる。そのため、散乱角0.01$$^{circ}$$に相当する波数Q=3$$times$$10$$^{-3}$$ nm$$^{-1}$$までの散乱中性子を透過中性子と識別して検出し、実空間スケールでサブマイクロメートルの構造を決定することができる。三点目は、偏極中性子および偏極解析が使えることである。偏極中性子はマグネットと組み合わせて磁性体の磁気構造解析に利用できるほか、ソフトマテリアルにおいても偏極解析や後述するスピンコントラスト変調実験に利用することができる。PNOは、単色化結晶とアナライザー結晶の間に試料を挟んだBonse-Hart型熱中性子小角散乱装置である。その最大の特徴は、SANS-Jより一桁小さい最小波数3$$times$$10$$^{-4}$$ nm$$^{-1}$$までの超小角散乱を測定し、実空間スケールで10um近くまでの構造を決定することができることである。

論文

Study of protein hydration via neutron scattering

中川 洋; 味戸 聡志

低温生物工学会誌, 66(2), p.83 - 92, 2021/02

生体高分子の水和・脱水は、構造の安定化や生体機能の変化をもたらす。水和水の構造とダイナミクスは、生体系の水和・脱水過程を理解するために不可欠である。中性子はオングストロームオーダーの波長と熱エネルギーを持っているため、生体分子や水和水の構造やダイナミクスを観察できる。水素と重水素の中性子散乱断面積の差が大きいことから、生体高分子や水和水を選択的に重水素化することで、生体高分子や水和水からの散乱を強調することができる。非干渉性中性子散乱及び小角中性子散乱は、それぞれ、水和水のダイナミクスや水和殻の密度及び構造を調べることができる。日本では、JRR-3原子炉とJ-PARC加速器の中性子源で実験可能である。本総説では、中性子散乱法の概要とタンパク質の水和への応用について解説することを目的とする。

論文

Eco-friendly carboxymethyl cellulose nanofiber hydrogels prepared via freeze cross-linking and their applications

関根 由莉奈; 南川 卓也; 柚木 俊二*; 杉田 剛; 中川 洋; 山田 鉄兵*

ACS Applied Polymer Materials (Internet), 2(12), p.5482 - 5491, 2020/12

凍結濃縮を利用した架橋法を開発し、高い圧縮強度($$>$$80MPa)と高い圧縮回復性を備えた新しいタイプのカルボキシメチルセルロースナノファイバー(CMCF)ハイドロゲルを開発した。ハイドロゲルは、クエン酸(CA)の水溶液を凍結したCMCFゾルに添加し、次にそのゾルを解凍することによって調製した。凍結濃縮されたCMCFとCA間の反応により、氷結晶構造を反映する剛直な多孔質構造が形成された。圧縮評価により、架橋構造が圧縮応力に対して高い安定性を持つことを明らかにした。凍結架橋の前にベントナイトをCMCFゾルに追加することにより、CMCFヒドロゲルに簡易に固定することに成功した。CMCF-ベントナイトゲルは、化学染料に対して高い吸着性を示した。物理的に架橋されたCMCFヒドロゲルは、毒性がなく、金属を含まず、調製が簡単であるため、さまざまな分野で持続可能な材料として役立つ。

論文

Dynamics of proteins with different molecular structures under solution condition

井上 倫太郎*; 小田 隆*; 中川 洋; 富永 大輝*; 齋尾 智英*; 川北 至信; 清水 将裕*; 奥田 綾*; 守島 健*; 佐藤 信浩*; et al.

Scientific Reports (Internet), 10, p.21678_1 - 21678_10, 2020/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Multidisciplinary Sciences)

非干渉性中性子準弾性散乱(iQENS)は、タンパク質の内部ダイナミクスを調べるための魅力的な手法である。しかし、中性子ビームのフラックスが低いことや、iQENSプロファイルから内部ダイナミクスを抽出するための解析手法がないことが、生理的条件下(溶液中)での研究の障害となっていた。近年の中性子分光器の開発により、iQENSプロファイルから内部ダイナミクス,並進拡散,回転拡散を切り離すことが可能となった。本研究では、球状性蛋白質(GDP)と天然変性蛋白質(IDP)の溶液中での内部ダイナミクスを調べた。その結果、IDPの平均緩和時間はGDPよりも大きいことが分かった。IDPの内部ダイナミクスを詳細に解析した結果、IDPのmobileなH原子の割合はGDPよりもはるかに高いことが明らかになった。興味深いことに、mobileな水素原子の割合は、溶媒に曝された表面の水素原子の割合と密接に関連していることがわかった。iQENS研究では、タンパク質の分子構造に応じて、溶媒にさらされたアミノ酸残基が内部ダイナミクスを支配していることが示された。

論文

Understanding water-mediated DNA damage production by molecular dynamics calculation of solvent accessibility

米谷 佳晃*; 中川 洋

Chemical Physics Letters, 749, p.137441_1 - 137441_5, 2020/06

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Chemistry, Physical)

DNAのMDシミュレーションによりDNAの主鎖の水素原子の溶媒露出状態を計算した。計算された溶媒露出状態は、これまでの実験的研究で報告されているOHラジカルとの反応性と良い相関がみられた。これは、放射線に対する異なるDNAの反応性が、主にそれぞれの水素原子の溶媒露出状態の違いが原因であることを示している。過去に計算された溶媒露出表面積の計算と比較すると、今回の計算はわずかに良い結果をもたらしている。これは、静電相互作用とDNAの構造揺らぎのようなより現実の分子状態を反映した解析が重要であることを示唆する。

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:45.26(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

中性子溶液散乱; 現在・過去・未来

杉山 正明*; 井上 倫太郎*; 中川 洋; 齋尾 智英*

波紋, 30(1), p.16 - 25, 2020/02

中性子は生体高分子の構造とダイナミクスを解析するためのプローブである。この総説では中性子がどのように活用されてきたかをまとめる。そして、溶液散乱により、統合構造生物学の最近のトレンドにどのように効果的に活用すべきかを議論する。

論文

Molecular basis of water activity in glycerol-water mixtures

中川 洋; 大山 泰史*

Frontiers in Chemistry (Internet), 7, p.731_1 - 731_9, 2019/11

 被引用回数:12 パーセンタイル:64.14(Chemistry, Multidisciplinary)

水分活性は同じ温度の純水とサンプルの水蒸気圧の比で定義された熱力学量である。この値は微生物の増殖挙動、酵素活性、食品の保存性の信頼できる指標になることが知られている。しかし、水分活性の分子基盤は関連する分野で議論になっている。グリセロールと水の混合物は、その割合を変えることで水分活性を制御できる。本研究では、水分活性の分子基盤を、水分収着等温線を軸に示差走査熱分析法,赤外分光法,非干渉性中性子準弾性散乱法で調べた。その結果、水分子の拡散ダイナミクスが水素結合の分子振動と相関があることを見つけた。さらに重要なことに、グリセロール水溶液の水分活性は、溶液中の水の水素結合ネットワークと水のダイナミクスで説明できること見出した。

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:21.36(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。

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