リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

大学・研究所にある論文を検索できる 「枯渇効果によるバクテリオロドプシン２次元結晶形成の理論研究による検討」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。
リケラボ

コピーが完了しました

URLをコピーしました

論文の公開元へ論文の公開元へ
書き出し

枯渇効果によるバクテリオロドプシン２次元結晶形成の理論研究による検討

須田, 慶樹 SUDA, Keiju スダ, ケイジュ 九州大学

2023.03.20

概要

九州大学学術情報リポジトリ
Kyushu University Institutional Repository

Theoretical Study on Two-dimensional
Crystallization of Bacteriorhodopsins Driven by
Lateral Depletion Effects
須田, 慶樹

https://hdl.handle.net/2324/6787408
出版情報：Kyushu University, 2022, 博士（理学）, 課程博士
バージョン：
権利関係：

（様式３）

氏

名

：須田慶樹

論 文 名
：
Theoretical Study on Two-dimensional Crystallization of
Bacteriorhodopsins Driven by Lateral Depletion Effects
(枯渇効果によるバクテリオロドプシン２次元結晶形成の理論研究による検討)
区

分

：

甲

論

文

内

容

の

要

旨

１．序論
膜貫通型タンパク質は脂質二重層の中に埋まっている。このタンパク質は他の膜貫通型タンパク
質と相互作用して、多量体を形成することがある。多量体形成はタンパク質の機能発現に重要であ
るが、多量体形成の駆動力は明らかにされていない。仮説として、直接の相互作用に由来する水素
結合やイオン結合の形成による説明も考えられる。しかし、これらの結合が見つかっていないタン
パク質の多量体も存在する。バクテリオロドプシン(bR)がその例である。野生型 bR はバクテリア
の膜貫通型タンパク質で、３量体を形成する。さらに３量体が膜の中で集合して２次元結晶を形成
する。しかし bR 単量体間、３量体間に水素結合やイオン結合は見られない。本研究では bR の結
晶形成に着目して、膜貫通型タンパク質の多量体形成駆動力を研究した。
本研究では、脂質分子の枯渇効果が bR 結晶形成の駆動力ではないかと考えた。理由は次の通り
である。生体膜系は脂質分子が混み合った系であり、疎水的な領域が膜の大部分を占め、水素結合
や静電相互作用の寄与が小さいので、van der Waals 描像が成り立つと考えたからである。この
描像によると液体構造は分子間の直接的な引力ではなく、分子間の斥力が決定する。従って bR の
凝集挙動も直接的な引力ではなく、エントロピーに由来する実効引力、つまり枯渇効果が支配的で
あると考えたのである。
2．モデル
理論研究に用いたモデルについて説明する。生体膜を２次元平面、脂質分子と bR を剛体円盤と
してモデル化し、枯渇効果の理論から相図を求めて bR 結晶形成駆動力の議論をしようと考えた。
この膜面内の配置に注目する側方枯渇効果に注目したモデルを用いた研究は本研究の特筆するべき
点の１つである。このシンプルなモデルは次のような観点から決められた。bR の大部分は疎水的
なアミノ酸によって構成されており、膜の疎水部に埋まった状態にある。それゆえ、bR の膜に対
して垂直の運動は、bR の疎水部を水中に露出することになりエネルギー的に不利であると考えら
れる。従って bR の運動は膜に対して側方的な２次元的な運動に限定されると考えられる。このこ
とから bR の結晶形成を２次元円盤系での相転移として捉えることができると考えたのである。
３．二つの理論的アプローチによる CCR の計算
理論計算の結果を検討するにあたり、３量体を形成しない変異型 bR 単量体は、野生型 bR３量
体よりも 10. 2 倍も高い濃度でないと結晶形成を開始しないという実験結果に注目した。そこで、

本 研 究 で は bR 単 量 体 と ３ 量 体 の 相 図 を そ れ ぞ れ 計 算 し 、 結 晶 形 成 開 始 濃 度 (critical
concentration: CC)とその比(critical concentration ratio: CCR)を求め、実験結果と比較した。
本研究の最も重要なポイントの１つは、このシンプルな描像を２つの異なる理論手法を用いて検
討したことにある。まず２次元 free volume theory(2D−FVT)を用いて bR 単量体と３量体の相図
を計算した。脂質分子の化学ポテンシャルを一定にするために脂質分子の粒子浴が生体膜に接して
いると想定した。脂質粒子浴中の脂質分子を理想気体として相図を計算し、bR 単量体と３量体の
CC をそれぞれ求めた。その結果、bR 単量体の CC の方が３量体の CC よりも高いことが示され
た。この結果は上述の実験結果と定性的に一致する。しかし、CCR を計算したところ、生体膜と
して想定される脂質充填率の範囲では実験結果と一致しなかった。一方、脂質浴中の脂質分子を理
想気体モデルから剛体円盤に切り替えて CC を求めた。CCR を計算したところ、脂質充填率が
0.477 のときに計算結果と実験結果と一致することが分かった。細胞膜の脂質充填率が 0.5 程度で
あるので、半定量的に実験結果と一致することが分かった。このことから、枯渇効果が bR 結晶形
成の主要な駆動力であること、枯渇効果の計算には脂質分子間斥力が重要であることが示唆された。
しかし、2D−FVT による相図の計算には問題があることも分かった。脂質分子の直径と bR の直

径の比 q (脂質直径 / bR 直径)が小さい場合、相図が q に依存しなくなるのである。これは実験事
実に反する。そこで他の理論である熱力学摂動理論を用いて CCR を求めて、bR 結晶形成の駆動
力としての枯渇効果の妥当性を検討することを考えた。
上述の議論を踏まえて bR 間実効相互作用を顕に扱う熱力学摂動理論と bR 間実効ポテンシャル
を用いて相図を求めた。なお bR 間実効相互作用として、AO ポテンシャル、修正 AO ポテンシャ
ルを考えた。AO ポテンシャルは脂質分子を理想気体として扱っているが、修正 AO ポテンシャル
は剛体円盤として扱っており、上述の 2D−FVT の結果と比較して議論できる。2D−FVT の結果と
同様に脂質分子間の斥力を考慮することが実験結果と半定量的一致を見るために重要であることが
分かった。実際、CCR は脂質充填率が 0.414 の場合に実験の CCR と一致することが予想され、
半定量的に一致する。このことから、脂質分子間斥力を取り入れた枯渇効果が bR 結晶形成の主要
な駆動力であることが示唆された。
４．まとめ
二つの異なる理論的なアプローチから枯渇効果が bR 結晶形成において重要なことが示唆された。
さらに脂質分子間斥力を考慮する事の重要性も示唆された。これらの結果は、側方枯渇効果は膜貫
通型タンパク質間の親和性、会合形成の理解のために重要であることも示唆していると考えられる。
今後、これらの理論計算の結果の妥当性を確かにするためにシミュレーションによる相図の計算を
考えている。

論文の公開元へ

関連論文

関連論文をもっと見る

参考文献

[1] Henderson, R. and Unwin, P. N. T., Nature, (1975), 257, 28.

[2] Henderson, R.; Baldwin, J. M.; Ceska, T. A.; Zemlin, F.; Beckmann, E. and Downing, K. H., J. Mol. Biol., (1990), 213, 899.

[3] Mukai, Y.; Kamo, N. and Mitaku, S., Protein Eng., (1999), 12, 755.

[4] Sasaki, T.; Sonoyama, M.; Demura, M. and Mitaku, S., Photochem. Photobiol.,

(2005), 81, 1131.

[5] Flory, P. J., J. Chem. Phys., (1942), 10, 51.

[6] Huggins, M. L., J. Phys. Chem., (1942), 46, 151.

[7] Asakura, S. and Oosawa, F., J. Chem. Phys., (1954), 22, 1255.

[8] Asakura, S. and Oosawa, F., J. Pol. Sci., (1958), 33, 183.

[9] Vrij, A., Pure Appl. Chem., (1976), 48, 471.

[10] Hek, H. D. and Vrij, A., J. Colloidal Interface Sci., (1979), 70, 592.

[11] Hek, H. D. and Vrij, A., J. Colloidal Interface Sci., (1981), 84, 409.

[12] Gast, A. P.; Hall, C. K. and Russel, W. B., J. Colloidal Interface Sci., (1983), 96,

251.

[13] Lekkerkerker, H. N. W., Colloids and Surface, (1990), 51, 419.

[14] Lekkerkerker, H. N. W.; Poon, W. C. K.; Pusey, P. N.; Stroobants, A. and Warren,

P. B., Europhys. Lett., (1992), 20, 559.

[15] Ilett, S. M.; Orrock, A.; Poon, W. C. K. and Pusey, P. N., Phys. Rev. E, (1995), 51,

1344.

[16] Dijkstra, M.; Frenkel, D. and Hansen, J. P., J. Chem. Phys., (1994), 101, 3179.

[17] Dijkstra, M. and Frenkel, D., Phys. Rev. Lett., (1994), 72, 298.

[18] Dijkstra, M.; van Roij, R. and Evans, R., Phys. Rev. Lett., (1998), 81, 2268.

[19] Dijkstra, M.; van Roij, R. and Evans, R., Phys. Rev. Lett., (1999), 82, 117.

[20] Dijkstra, M.; van Roij, R. and Evans, R., Phys. Rev. E, (1999), 59, 5744.

[21] Dijkstra, M.; Brader, J. M. and Evans, R., J. Phys.: Condens. Matter, (1999), 11,

10079.

[22] Alder, B. J. and Wainwright, T. E., Phys. Rev., (1962), 127, 359.

57

[23] Reiss, H.; Frisch, H. L. and Lebowitz, J. L., J. Chem. Phys., (1959), 31, 369.

[24] Lekkerkerker, H. N. W. and Tuinier, R., Springer, New York, (2011).

[25] Buehler, R. J.; Jr., R. H. W.; Hirschfelder, J. O. and Curtiss, C. F., J. Chem. Phys,

(1951), 19, 61.

[26] Hoover, W. G. and Ree, F. H., J. Chem. Phys, (1968), 49, 3609.

[27] Chandler, D.; Weeks, J. D. and Andersen, H. C., Science, (1983), 220, 787.

[28] Chandler, D. and Weeks, J. D., Phys. Rev. lett., (1970), 25, 149.

[29] Weeks, J. D.; Chandler, D. and Andersen, H. C., J. Chem. Phys., (1971), 54, 5237.

[30] Alberts, B.; Johnson, A.; Lewis, J.; Morgan, D.; Raff, M.; Roberts, K. and Walter,

P., Garland Science, New York, (2015).

[31] Alder, B. J. and Wainwright, T. E., J. Chem. Phys., (1957), 27, 1208.

[32] Alder, B. J.; Hoover, W. G. and Young, D. A., J. Chem. Phys., (1968), 49, 3688.

[33] Kosterlitz, J. M. and Thouless, D. J., J. Phys. C, (1973), 6, 1181.

[34] Halperin, B. I. and Nelson, D. R., Phys. Rev. Lett., (1978), 41, 121.

[35] Young, A. P., Phys. Rev. B, (1979), 19, 1855.

[36] Russo, J. and Wilding, N. B., Phys. Rev. Lett., (2017), 119, 115702.

[37] Bernard, E. P. and Krauth, W., Phys. Rev. Lett., (2011), 107, 155704.

[38] Engel, M.; Anderson, J. A.; Glotzer, S. C.; Isobe, M.; Bernard, E. P. and Krauth,

W., Phys. Rev. E, (2013), 87, 042134.

[39] Mermin, N. D. and Wagner, H., Phys. Rev. Lett., (1966), 17, 1133.

[40] Mermin, N. D., Phys. Rev., (1968), 176, 250.

[41] Krebs, M. P. and Isenbarger, T. A., Biochim. Biophys. Acta, (2000), 1460, 15.

[42] Yamashita, H.; Voìtchovsky, K.; Uchihashi, T.; Contera, S. A.; Ryan, J. F. and

Ando, T., Journal of Structural Biology, (2009), 167, 153.

[43] Krebs, M. P.; Li, W. and Halambeck, T. P., J. Mol. Biol., (1997), 267, 172.

[44] Wang, J.; Link, S.; Heyes, C. D. and El-Sayed, M. A., Biophysical journal, (2002),

83, 1557.

[45] Isenbarger, T. A. and Krebs, M. P., Biochemistry, (1999), 38, 9023.

[46] Suda, K.; Suematsu, A. and Akiyama, R., J. Chem. Phys., (2021), 154, 204904.

[47] Fulton, A. B., Cell, (1982), 30, 345.

[48] Goodsell, D. S., Trends Biochem. Sci., (1991), 16, 203.

[49] Minton, A. P., Curr. Opin. Biotechnol., (1997), 8, 65.

[50] Kinjo, A. R. and Takada, S., Phys. Rev. E, (2002), 66, 031911.

[51] Kinjo, A. R. and Takada, S., Phys. Rev. E, (2002), 66, 051902.

58

[52] Ellis, R. J. and Minton, A. P., Nature, (2003), 425, 27.

[53] Hall, D. and Minton, A. P., Biochim. Biophys. Acta, (2003), 1649, 127.

[54] Akiyama, R.; Karino, Y.; Hagiwara, Y. and Kinoshita, M., J. Phys. Soc. Japan,

(2006), 75, 064804.

[55] Lee, J. T. and Robert, M., Phys. Rev. E, (1999), 60, 7198.

[56] Wadati, M. and Toda, M., J. Phys. Soc. Japan, (1972), 32, 1147.

[57] Hachisu, S.; Kobayashi, Y. and Kose, A., J. Colloid Interface Sci., (1973), 42, 342.

[58] Pusey, P. N. and van Megen, W., Nature, (1986), 320, 340.

[59] Tuinier, R.; Smith, P. A.; Poon, W. C. K.; Egelhaaf, S. U.; Aarts, D. G. A. L.;

Lekkerkerker, H. N. W. and Fleer, G. J., Europhys. Lett., (2008), 82, 68002.

[60] Widom, B., Science, (1967), 157, 375.

[61] Longuet-Higgins, H. C. and Widom, B., Mol. Phys., (1964), 8, 549.

[62] Rakovich, A.; Sukhanova, A.; Bouchonville, N.; Lukashev, E.; Oleinikov, V.; Artemyev, M.; Lesnyak, V.; Gaponik, N.; Molinari, M.; Troyon, M.; Rakovich, Y. P.;

Donegan, J. F. and Nabiev, I., Nano Lett., (2010), 10, 2640.

[63] Henderson, D., Mol. Phys., (1975), 30, 971.

[64] Helfand, E.; Frisch, H. L. and Lebowitz, J. L., J. Chem. Phys., (1961), 34, 1037.

[65] Salsburg, Z. W. and Wood, W. W., J. Chem. Phys., (1962), 37, 798.

[66] Neugebauer, D. C.; Zingsheim, H. P. and Oesterhelt, D., Meth. Enzymol., (1983),

97, 218.

[67] Thorneywork, A. L.; Abbott, J. L.; Aarts, D. G. A. L. and Dullens, R. P. A., Phys.

Rev. Lett., (2017), 118, 158001.

[68] Lin, S.-C. and Oettel, M., Phys. Rev. E, (2018), 98, 012608.

[69] García, Á. G.; Opdam, J.; Tuinier, R. and Vis, M., Chem. Phys. Lett., (2018), 709,

16.

[70] Suematsu, A.; Yoshimori, A. and Akiyama, R., Europhys. Lett., (2016), 116,

38004.

[71] Velasco, E.; Navascués, G. and Mederos, L., Phys. Rev. E, (1999), 60, 3158.

[72] Tamura, Y.; Yoshimori, A.; Suematsu, A. and Akiyama, R., Europhys. Lett, (2020),

129, 66001.

[73] Luecke, H.; Schobert, B.; Richter, H. T.; Cartailler, J. P. and Lanyi, J. K., J. Mol

Biol., (1999), 291, 899.

[74] Sternberg, B.; L’Hostis, C.; Whiteway, C. A. and Watts, A., B. B. A–

Biomembranes, 1992, 1108, pp. 21.

59

...

参考文献をもっと見る

全国の大学の
卒論・修論・学位論文
を
一発検索！

この論文の関連論文を見る