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論文

Effect of water activity on the mechanical glass transition and dynamical transition of bacteria

曽我部 知史*; 中川 洋; 山田 武*; 小関 成樹*; 川井 清司*

Biophysical Journal, 121(20), p.3874 - 3882, 2022/10

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Biophysics)

本研究の目的は、バクテリア($$Cronobacter sakazakii$$)のガラス転移挙動を水分活性($$a_{rm w}$$)の関数として明らかにすることである。298Kでの機械的緩和を調べ、機械的$$a_{rm wc}$$(298Kで機械的ガラス転移が起こる$$a_{rm w}$$)を0.667と決定した。平均二乗変位の温度依存性は、中性子非弾性散乱により調べた。フィッティングにより、2つの動的転移温度(low $$T_{rm ds}$$とhigh $$T_{rm ds}$$)が決定された。乾燥試料を除いて、低Tdに対する$$a_{rm w}$$の影響はわずかであった。高$$T_{rm d}$$$$a_{rm w}$$の減少に伴い大きく上昇した。高$$T_{rm d}$$で決定された動的$$a_{rm wc}$$(0.688)は、測定時間スケールが異なるため、機械的$$a_{rm wc}$$よりもわずかに高い値であった。高$$T_{rm d}$$をガラス転移温度($$T_{rm g}$$)に変換し、無水$$T_{rm g}$$は411Kと推定された。

論文

Nanosecond structural dynamics of intrinsically disordered $$beta$$-casein micelles by neutron spectroscopy

中川 洋; Appavou, M.-S.*; Wuttke, J.*; Zamponi, M.*; Holderer, O.*; Schrader, T. E.*; Richter, D.*; Doster, W.*

Biophysical Journal, 120(23), p.5408 - 5420, 2021/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Biophysics)

カゼイン蛋白質は、プロリン残基が多いため、典型的な折り畳み蛋白質とは異なる、拡張された構造的特徴とそのダイナミクスを特徴としている。この特徴的な構造のダイナミクスをOrenstein-Uhlenbeckブラウン振動子モデルを用いた広い時間スケールのQENS実験により記述することができた。また、リン酸カルシウムの効果的な貯留についても、その特徴的な動的構造の観点から議論することができた。また、ナノ秒オーダーでのタンパク質の物理過程が生体機能に与える生物学的な役割についても報告した。

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:1 パーセンタイル:15(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

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:3 パーセンタイル:16.76(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

Ligand-induced protein responses and mechanical signal propagation described by linear response theories

Yang, L.-W.*; 北尾 彰朗*; Huang, B.-C.*; 郷 信広*

Biophysical Journal, 107(6), p.1415 - 1425, 2014/09

 被引用回数:17 パーセンタイル:52.28(Biophysics)

In this study, a general linear response theory (LRT) is formulated to describe time-dependent and -independent protein conformational changes upon CO binding with myoglobin. Using the theory, we are able to monitor protein relaxation in two stages. The slower relaxation is found to occur from 4.4 to 81.2 picoseconds and the time constants characterized for a couple of aromatic residues agree with those observed by UV Resonance Raman (UVRR) spectrometry and time resolved X-ray crystallography. The faster "early responses", triggered as early as 400 femtoseconds, can be best described by the theory when impulse forces are used. The newly formulated theory describes the mechanical propagation following ligand-binding as a function of time, space and types of the perturbation forces. The "disseminators", defined as the residues that propagate signals throughout the molecule the fastest among all the residues in protein when perturbed, are found evolutionarily conserved and the mutations of which have been shown to largely change the CO rebinding kinetics in myoglobin.

論文

Molecular dynamics free energy calculations to assess the possibility of water existence in protein nonpolar cavities

及川 雅隆; 米谷 佳晃

Biophysical Journal, 98(12), p.2974 - 2983, 2010/06

 被引用回数:9 パーセンタイル:24.29(Biophysics)

Are protein nonpolar cavities filled with water molecules ? Though many experimental and theoretical investigations have been done, particularly for the nonpolar cavity of IL-1$$beta$$, the results are still conflicting. To study this problem from the thermodynamic point of view, we calculated hydration free energies of four protein nonpolar cavities by means of the molecular dynamics thermodynamic integration method. Besides the IL-1$$beta$$ cavity, we selected the three largest nonpolar cavities from the structural database, in view of the simulation result of Vaitheeswaran et al. [Proc. Natl. Acad. Sci. (2004)] showing that larger nonpolar cavities are more expected to be hydrated. The calculated free energy changes were all positive; hydration of the nonpolar cavities was energetically unfavorable for all four cases. Because hydration of smaller cavities should happen more rarely, we conclude that existing protein nonpolar cavities are not likely to be hydrated. Although a possibility remains for much larger nonpolar cavities, such cases are not found experimentally. We present a hypothesis to explain this: hydrated nonpolar cavities are quite unstable and the conformation could not be maintained.

論文

Sequence dependencies of DNA deformability and hydration in the minor groove

米谷 佳晃; 河野 秀俊

Biophysical Journal, 97(4), p.1138 - 1147, 2009/08

 被引用回数:27 パーセンタイル:60.94(Biophysics)

DNA deformability and hydration are both sequence dependent and are essential in specific DNA sequence recognition by proteins. However, their relationship is not well understood. Here, systematic molecular dynamics simulations of the 136 DNA sequences that differ from each other in the central tetramer revealed that sequence dependence of hydration is clearly correlated with that of deformability. We show that the feature of this correlation can be explained by the following four typical cases. Most of rigid base-pair steps are highly likely to form an ordered hydration pattern composed of one water molecule bridging between the bases of distinct strands, but there are a few exceptions which favor another ordered hydration composed of two water molecules participating in the bridge construction. Steps with medium deformability can make both of the hydration patterns with frequent transition. Highly flexible steps do not have any stable hydration pattern. The detailed picture of this correlation demonstrated that motions of hydration water molecules and of DNA bases were tightly coupled with each other at the atomic level. These results are helpful to understand the entropic contribution from water molecules in protein or drug binding and could be applied for predicting the binding sites.

論文

Path of nascent polypeptide in exit tunnel revealed by molecular dynamics simulation of ribosome

石田 恒; Hayward, S.*

Biophysical Journal, 95(12), p.5962 - 5973, 2008/12

 被引用回数:29 パーセンタイル:61.68(Biophysics)

Molecular dynamics simulations were performed on ${it Thermus thermophilus }$ 70S ribosome with and without the nascent polypeptide inside the exit tunnel. Modeling of the polypeptide in the tunnel revealed two possible paths: one over Arg$$^{92}$$ of L22 and one under (from the viewpoint of 50S on top of 30S). A strong interaction between L4 and Arg$$^{92}$$ was observed without the polypeptide and when it passed over Arg$$^{92}$$. However, when the polypeptide passed under, Arg$$^{92}$$ repositioned to interact with Ade$$^{2059}$$ of 23S rRNA. Using steered molecular dynamics the polypeptide could be pulled through the L4-L22 constriction when situated under Arg$$^{92}$$, but did not move when over. These results suggest that the tunnel is closed by the Arg$$^{92}$$-L4 interaction before elongation of the polypeptide and the tunnel leads the entering polypeptide from the peptidyl transferase center to the passage under Arg$$^{92}$$, causing Arg$$^{92}$$ to switch to an open position. It is possible, therefore, that Arg$$^{92}$$ plays the role of a gate, opening and closing the tunnel at L4-L22. There is controversy over whether the tunnel is dynamics or rigid. At least within the time-scale of our simulations conformational analysis showed that global motions mainly involve relative movement of the 50S and 30S subunits and appear not to affect the conformation of the tunnel.

論文

Key interactions in integrin ectodomain responsible for global conformational change detected by elastic network normal-mode analysis

松本 淳; 鎌田 徹治*; 高木 淳一*; 岩崎 憲治*; 由良 敬

Biophysical Journal, 95(6), p.2895 - 2908, 2008/09

 被引用回数:17 パーセンタイル:41.5(Biophysics)

インテグリンは、多細胞生物において、細胞間の接着にかかわるタンパク質グループの総称である。インテグリンのなかには、活性化の際に、大きく構造を変化させるものがあることがわかっているが、その構造変化のメカニズムに関しては、よくわかっていなかった。われわれは、折りたたまれた構造をとっているインテグリンに対し、エラスティックネットワークモデルによる基準振動解析法を適用し、インテグリンの分子振動にとって重要な部位を発見した。さらなる計算の結果、その部位が、インテグリンの大規模な構造変化にとって重要であることを発見した。この重要性は、実験によっても確認した。さらに、さまざまな種類のインテグリンを調査し、重要な部位を構成するアミノ酸がどの程度保存されているかを調べたところ、限られたグループのインテグリンにおいてのみ、よく保存されていることを発見した。これは、大規模構造変化のメカニズムが、インテグリンの種類によって違うことを示している。

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:49 パーセンタイル:79.24(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:54.58(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

Differences in internal dynamics of actin under different structural states detected by neutron scattering

藤原 悟; Plazanet, M.*; 松本 富美子; 小田 俊郎*

Biophysical Journal, 94(12), p.4880 - 4889, 2008/06

 被引用回数:9 パーセンタイル:22.08(Biophysics)

アクチンは、ほぼすべての真核細胞内に存在し、細胞運動や輸送等にかかわる実に多様な機能を持つ。アクチン単量体(G-アクチン)は重合して繊維状重合体(F-アクチン)を形成するが、多様なアクチンの機能は、種々の蛋白質との相互作用を可能とするF-アクチンの柔らかさのゆえである。F-アクチンの柔らかさの起源を明らかにするための第一段階として、われわれはピコ領域におけるアクチンの運動特性の測定を、中性子非干渉性弾性散乱(EINS)法を用いて行った。G-アクチン及びF-アクチンの水和粉末試料についてEINS測定を行い、アクチン分子内の原子の平均自乗変位の温度依存性を調べた。その結果、平均自乗変位には150K付近及び245K付近に2つの転移が観測されること、その振舞がG-アクチンとF-アクチンで異なること、そしてG-アクチンの方がF-アクチンより"柔らかい"ことが示された。さらに、アクチンは、G-アクチンとF-アクチンで同様の柔らかさを持つ領域と、G-アクチンにおいてより柔らかくなる領域という動的不均一性を持っていることが示唆された。

論文

Discrimination of class I cyclobutane pyrimidine dimer photolyase from blue light photoreceptors by single methionine residue

宮沢 祐司*; 西岡 宏隆*; 由良 敬; 倭 剛久*

Biophysical Journal, 94(6), p.2194 - 2203, 2008/03

 被引用回数:22 パーセンタイル:51.26(Biophysics)

DNAフォトリアーゼ(修復酵素)は紫外線による損傷したDNA部位を認識し、光エネルギーを利用して修復する。修復の際に必要な電子がどのように酵素内を流れるかをラン藻が持つDNAフォトリアーゼの立体構造を用いて、シミュレーションした。その結果Met353で構成される酵素の一部分が、電子流路のハブになっていることが初めてわかった。また、データベース解析の結果、DNAフォトリアーゼと共通祖先を持つ全タンパク質において、DNAを修復する機能を持つ場合はMet353が存在するが、DNAを修復できなくなった共通祖先由来タンパク質では、Met353が失われていることも明らかにできた。シミュレーションとデータベース解析がともにMet353の重要性を独立に示したことは、Met353の重要性を強く示している。

論文

Novel approach for the effective determination of DNA scission site using the Sanger method

坂本 文徳; 鈴木 英治*; 藤井 有起*

Journal of Biochemical and Biophysical Methods, 52(2), p.97 - 109, 2002/07

 被引用回数:4 パーセンタイル:9.84(Biochemical Research Methods)

遺伝子研究の隆盛により、多くの分野でDNA本体を対象とした研究が広範に行われている。その一つとして、研究者の希望する位置でDNAを切断させる研究が行われているが、DNAの切断位置の特定はマキサム-ギルバート法を利用する手法が一般的だった。しかし、この手法は煩雑な点や不確実な点が多く、あまり利用されてこなかった。そこで、それらの問題点を改善する目的で、$$^{32}$$Pとサンガー法を利用した特定法を新規に開発した。この新規手法は、切断されたDNAを$$^{32}$$Pにより標識し、ポリアガロースゲル電気泳動後に、基準となる塩基配列とその$$^{32}$$P標識DNAを比較することにより切断位置を特定するものである。この手法により、DNA切断位置の特定が、従来の方法に比べ、より簡便でより確実性が増し、また特定に要する時間は半分程度に短縮できた。さらに、この特定法の有効性を示すため、DNA切断物質の一種であるCu(II)TACH錯体によるDNAの切断位置を特定した。

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