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協奏分子システム研究センター

秋山グループ


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研究テーマ

生命のリズムを化学する

キーワード

生物時計、生体リズム、時計タンパク質、遅く秩序あるダイナミクス、X線溶液散乱、動的構造解析


「概日(体内)時計」という言葉を意識するのはどのようなときでしょうか。渡航や帰国後に頻発する眠気、だるさ、夜間の覚醒...、これら時差ボケの症状は、我々が生物時計の奏でる24時間周期のリズムのもとで生活していることの証です。私たちの研究グループでは̶̶生命が地球の自転周期(24時間)をどのようにしてその内に取り込んだのか̶̶それを分子科学的に解明するという壮大な研究テーマに挑戦しています。

シアノバクテリアの生物時計は、3種の時計タンパク質(KaiA、KaiB、KaiC)とATPを混ぜ合わせることで試験管内に再構成され(Kaiタンパク質時計)、24時間を正確に刻むことができます。一方、時を刻む仕組みの分子科学的理解は進んでいません1)。その一つは「安定した遅さ」の根源で、既存概念の積み上げでは、タンパク質分子という素材で24時間という「遅いダイナミクス」が実現されている理由を説明できません。もう一つの謎が周期の温度補償性です。これは生物時計に普遍的に見いだされる特徴で、時計の発振周期が温度の影響をほとんど受けません。遅い反応は大きな活性化エネルギーを有し、温度の上昇に従って著しく加速されるのが一般的です。生物時計のからくりに迫るためには、「遅いダイナミクス」と「温度補償性」という一見排他的な2つの性質を同時に説明しなければならないのです1)

私たちの研究グループでは、Kaiタンパク質時計の生化学的な活性測定2)-5)はもとより、X線結晶構造解析2)-4)や溶液散乱5)を相補的に利用した動的構造解析、蛍光等による分子動態計測や同調実験、計算機を用いた実験データのシミュレーション4)などを行うことで、分子時計の実態解明に取り組んでいます。このような研究活動を通じて、多くの皆さんに生物、化学、物理、制御工学、計算科学を巻き込んだタンパク質時計研究のフロンティアを体験して頂ければと思います。


2018_akiyama.png

Towards a Unified View of Temperature-compensated 24 h Period in Biological Clock System.

参考文献

  1. S. Akiyama, “Structural and dynamic aspects of protein clocks: How can they be so slow and stable?” CMLS 69, 2147-2160 (2012).
  2. Y. Furuike et al., “Regulation Mechanisms of the Dual ATPase in KaiC” PNAS 119, e2119627119 (2022).
  3. Y. Furuike et al., “Elucidation of Master Allostery Essential for Circadian Clock Oscillation in Cyanobacteria” Sci. Adv. 8, eabm8990 (2022).
  4. J. Abe et al., “Atomic-scale Origins of Slowness in the Cyanobacterial Circadian Clock” Science 349, 312-316 (2015).
  5. Y. Furuike et al., “Cross-scale Analysis of Temperature Compensation in the Cyanobacterial Circadian Clock System” Commun. Phys. 5, 75 (2022).

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