赤外分光法を用いた微生物型ロドプシンの水素結合環境解析

近年、タンパク質の構造決定が発展しているが、水素結合供与基の環境まで詳細に調べることは未だに難しい。本研究では、(1)光受容膜タンパク質である様々なイオン輸送型微生物型ロドプシンの構造解析を行い、その機能発現と水素結合環境を明らかにすることを目的とする。また、(2)赤外分光法により得られる振動情報に着目し、分子振動情報をその倍音・結合音の成分にまで拡張し、タンパク質の機能発現との関係性を明らかにしたい。(1)様々なイオン輸送タンパク質に対する系統的な赤外分光解析計6種類のタンパク質に対して、系統的な構造解析を行った。選定したタンパク質は、輸送可能なイオン種やその方向性に多様性がある。プロトンポンプは非常に強い水素結合をした水分子が存在することで、機能を実現することは知られていたが、今回の系統的な赤外分光解析の結果、他の4種類においても強い水素結合を形成した水分子が存在していることが明らかとなった。さらにアミノ酸変異体を用いた構造解析の結果、その水分子の位置がずれていることが示唆された。このように、微生物型ロドプシンはそのイオン輸送の実現のために、活性中心の水素結合環境を柔らかに制御していることが明らかとされた。(2)タンパク質における分子振動の倍音・結合音の振動解析これまでのタンパク質の構造解析では、分子の伸縮振動・偏角振動の解析により、タンパク質の緻密な水素結合環境の解析が行われてきた。本研究では、タンパク質の分子振動の倍音・結合音の振動解析を行い、単純な伸縮振動との比較を行う。光駆動外向きプロトンポンプを対象にC-C伸縮振動・C-H偏角振動の解析を行った。倍音・結合音の振動モードは、その振動の非調和性のために振動数がシフトすることが想定されるが、今回の測定結果からは振動数シフトが全く見られず、タンパク質ならではの振動の非調和性と思われる信号が得られた。

近年、タンパク質の構造決定が発展しているが、水素結合供与基の環境まで詳細に調べることは未だに難しい。本研究では、(1)光受容膜タンパク質である様々なイオン輸送型微生物型ロドプシンの構造解析を行い、その機能発現と水素結合環境を明らかにすることを目的とする。また、(2)赤外分光法により得られる振動情報に着目し、分子振動情報をその倍音・結合音の成分にまで拡張し、タンパク質の機能発現との関係性を明らかにしたい。(1)様々なイオン輸送タンパク質に対する系統的な赤外分光解析計6種類のタンパク質に対して、系統的な構造解析を行った。選定したタンパク質は、輸送可能なイオン種やその方向性に多様性がある。プロトンポンプは非常に強い水素結合をした水分子が存在することで、機能を実現することは知られていたが、今回の系統的な赤外分光解析の結果、他の4種類においても強い水素結合を形成した水分子が存在していることが明らかとなった。さらにアミノ酸変異体を用いた構造解析の結果、その水分子の位置がずれていることが示唆された。このように、微生物型ロドプシンはそのイオン輸送の実現のために、活性中心の水素結合環境を柔らかに制御していることが明らかとされた。(2)タンパク質における分子振動の倍音・結合音の振動解析これまでのタンパク質の構造解析では、分子の伸縮振動・偏角振動の解析により、タンパク質の緻密な水素結合環境の解析が行われてきた。本研究では、タンパク質の分子振動の倍音・結合音の振動解析を行い、単純な伸縮振動との比較を行う。光駆動外向きプロトンポンプを対象にC-C伸縮振動・C-H偏角振動の解析を行った。倍音・結合音の振動モードは、その振動の非調和性のために振動数がシフトすることが想定されるが、今回の測定結果からは振動数シフトが全く見られず、タンパク質ならではの振動の非調和性と思われる信号が得られた。