渡辺芳人, 「ヘム酵素の分子設計―ミオグロビンへのヘム酵素機能賦与」, 第3 回バイオデザインの研究会, 名古屋, 2001 年 12月 .
B -5) 受賞、表彰
渡辺芳人 , 日本化学会学術賞 (2000).
B -6) 学会および社会的活動 学協会役員、委員
触媒学会生体関連触媒研究会幹事(1988- ).
基礎生物工学会幹事(1994- ).
日本化学会生体機能関連化学部会幹事(1997- ).
日本化学会東海支部常任幹事(1999-2000).
日本化学会将来構想委員会(2001- ).
学会の組織委員
第二回 International C onference on Porphyrins and Phthalocyanines組織委員 (2000- ).
文部科学省、学術振興会等の役員等
日本学術振興会特別研究員等審査会専門委員(1999-2000).
学会誌編集委員
Journal of Inorganic Biochemistry, Editorial Board (1997- ).
European Journal of Inorganic Chemistry, International Advisory Board (2000- ).
Journal of Biological Inorganic Chemistry, Editorial Board (2001- ).
B -7) 他大学での講義、客員
富山大学工学部 , 「生物無機化学」, 2001 年 2月 13日 -14日 . 名古屋大学理学部 , 総合科目 , 2001 年 11月 19日 .
名古屋大学工学部 , 総合科目 , 2001 年 11月 26日 .
奈良女子大学 ,「ヘム酵素の化学」, 2001年 11月 21日 -22日 .
名古屋大学大学院理学研究科物質理学専攻併任 , 2001年 4月 1 日 -2002 年 3月 31日 .
C ) 研究活動の課題と展望
酸化反応を触媒するヘム酵素の反応機構に関する基礎研究から，活性中心を構成するアミノ酸の役割を分子レベルで明 らかとしてきた。こうした研究成果に基づいて，人工的なヘム酵素の構築を現在目指している。具体的には，ミオグロビンを 人工酵素構築のためのビルディングブロックとして利用し，酵素活性発現に必要なアミノ酸を適切に配置することによって，
目的とするヘム酵素を合成する試みを行っている。現時点では，高い光学選択制を有する一原子酸素添加酵素の構築に 成功しているが，反応の多様性，非天然型補欠分子族導入による生体系にはない化学反応を触媒する人工酵素への展開 を現在の目標としている。一方，非ヘム酸化酵素の分子レベルでの機構解明のためのモデル系による研究では，ヘムと非 ヘム酵素の本質的な差異と生体における酸素活性化戦略の総合的な解明を行いたい。水溶液中での新たな反応の開拓 は，今後ますます重要な化学反応系として展開したい分野であり，現在，カルボニルのアルコールへのハイドライド還元を達 成している。本系はpHが4以下のような強酸性条件下でも反応を進行させることが可能であり，現在硝酸還元などデヒドロ ゲナーゼ様活性の付与を検討している。
木 下 一 彦（教授） （相関分子科学第一研究部門兼務）
＊）
A -1)専門領域：生物物理学
A -2)研究課題：
a) 一分子生理学の立ち上げ：一個の分子機械の機能と構造変化の直接観察
A -3)研究活動の概略と主な成果
a) たんぱく質ないし R NA でできた分子機械はたった一分子で見事な機能を発揮する。その仕掛けを探ることが我々 の研究目標である。分子機械は確率的に働く（次の瞬間に何をするかをサイコロを振って決める）ため，複数の分子 機械の動きを同期させることができない。したがって，どうしても個々の分子機械の働く所を直接観察し，必要なら １個１個の分子機械を直接操作する必要がある。我々は，光学顕微鏡の下で，「生きた」分子機械を相手に解析を続け ている。主な成果として，① R NA 合成酵素が D NA の遺伝情報を読みとる際，らせん状の D NA の溝に沿って D NA を 回転させながら D NA を引きこんでいくことが分かった。②回転分子モーター F1-A T Paseの回転が 90 度と 30 度のス テップからなることを発見，それぞれがA T P結合と加水分解産物の解離により駆動されることを示し，回転機構お よび逆回転によるA T P合成の仕掛けに関する重要なヒントを得た。③同モーターの回転機構はたんぱく質分子内に プログラムされており，ヌクレオチドはこの機構を駆動できるものとできないものに２分される。④同モーターは，
90 度ステップを終えた地点付近で休止状態に陥りやすい。
B -1) 学術論文
Y. HARADA, O. OHARA, A. TAKATSUKI, H. ITOH, N. SHIMAMOTO and K. KINOSITA, Jr., “Direct Observation of DNA Rotation during Transcription by Escherichia coli RNA Polymerase,” Nature 409, 113 (2001).
R. YASUDA, H. NOJI, M. YOSHIDA, K. KINOSITA, Jr. and H. ITOH, “Resolution of Distinct Rotational Substeps by Submillisecond Kinetic Analysis of F1-ATPase,” Nature 410, 898 (2001).
H. NOJI, D. BALD, R. YASUDA, H. ITOH, M. YOSHIDA and K. KINOSITA, Jr., “Purine But Not Pyrimidine Nucleotides Support Rotation of F1-ATPase,” J. Biol. Chem. 276, 25480 (2001).
Y. HIRONO-HARA, H. NOJI, M. NISHIURA, E. MUNEYUKI, K. HARA, R. YASUDA, K. KINOSITA, Jr. and M.
YOSHIDA, “Pause and Rotation of F1-ATPase during Catalysis,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98, 13649 (2001).
B -3) 総説、著書
S. ISHIWATA, J. TADASHIGE, I. MASUI, T. NISHIZAKA and K. KINOSITA, Jr., “Microscopic Analysis of Polymerization and Fragmentation of Individual Actin Filaments,” in Results and Problems in Cell Differentiation, Vol.32:
Molecular Interactions of Actin, C. dos Remedios, Ed., Springer-Verlag, 79-84 (2001).
木下一彦、小林 剛、中田千枝子、楠見明弘 , 「巻頭座談会：１分子細胞生物学の魅力を語る」, 細胞工学 20, 638-655 (2001).
B -4) 招待講演
K. KINOSITA, Jr., “Optical Imaging of Rotary Molecular Motors,” 221st ACS National Meeting: Optical Studies of Single Molecules and Molecular Assemblies in Chemical Physics and Biophysics, San Diego (U. S. A. ), April 2001.
K. KINOSITA, Jr., “How an ATP-Driven Molecular Machine May Work,” Fifth Membrane Research Forum, Nagoya (Japan), June 2001.
木下一彦 , 「たんぱく質１分子でできた回転モーター」, 第 24回日本バイオレオロジー学会 , 横浜 , 2001 年 6 月 .
K. KINOSITA, Jr., “F1-ATPase: A Rotary Stepper Motor,” 2001 Gordon Research Conference: Molecular Cell Biology, Tilton (U. S. A. ), June 2001.
K. KINOSITA, Jr., “Single-Molecule Physiology under an Optical Microscope,” 4th International Conference on Biological Physics, Kyoto (Japan), August 2001.
K. KINOSITA, Jr., “Mechanism of Stepping Rotation of F1-ATPase,” International Symposium on Biophotonics, Wisconsin (U. S. A. ), August 2001.
K. KINOSITA, Jr., “Stepping Rotation of F1-ATPase: How an ATP-Driven Molecular Machine May Work,” 34th International Union of Physiological Sciences, Christchurch (New Zealand), August 2001.
木下一彦 , 「一分子生理学―光学顕微鏡下で分子機械の働きを探る」, 第 16回生体機能関連化学シンポジウム, 東京 , 2001年 9 月 .
K. KINOSITA, Jr., “Stepping Rotation of F1-ATPase: How an ATP-Driven Molecular Machine May Work,” The German Biophysical Society Annual Meeting and NanoBioTec Congress, Muenster (Germany), September 2001.
木下一彦 , 「A T P 駆動の分子機械の動作機構を一分子生理学で探る」, 第 74回日本生化学会大会 , 京都 , 2001年 10月 . 木下一彦, 「タンパク質１分子でできた回転モーター：化学・力学エネルギー変換の仕組み」, 第23回生体膜と薬物の相互 作用シンポジウム, 熊本 , 2001 年 11月 .
K. KINOSITA, Jr., “Stepping Rotation of Single F1-ATPase Molecules: How a Molecular Machine May Work,” Rockefeller University Friday Lecture, New York (U. S. A. ), November 2001.
K. KINOSITA, Jr., “Single-Molecule Physiology under an Optical Microscope: How Molecular Machines May Work,” The 9th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy, Atagawa (Japan), December 2001.
B -6) 学会および社会的活動 学会の組織委員
日本生物物理学会副会長 (2000-2001).
日本細胞生物学会評議委員 (1999- ).
AAAS (American Association for the Advancement of Science) Fellow (2001- ).
文部科学省、学術振興会等の役員等 日本学術会議生物物理学研連委員 .
B -7) 他大学での講義、客員
慶應義塾大学理工学部 , 客員教授 , 「生物物理学」, 2001年 4 月 -.
東京大学医学部 , 非常勤講師 , 2001年 4月 -.
早稲田大学理工学部 , 客員非常勤講師「総合生命理工学特論」, 2001 年 9月 -.
C ) 研究活動の課題と展望
現状の一分子生理学は，努力・才能だけでは成果が保証されず，幸運にも恵まれないといけない。努力すれば報われるよう， 試行錯誤の部分を「技術」と呼べるレベルまで引き上げたいものである。
＊）2001年 4 月 1日着任
藤 井 浩（助教授） （分子物質開発研究センター兼務）
A -1)専門領域：生物無機化学、物理化学
A -2)研究課題：
a) 酸化反応に関与する金属酵素反応中間体モデルの合成 b)磁気共鳴法による金属酵素の反応場の研究
c) ヘムオキシゲナーゼの酸素活性化機構の研究
d)アミノ酸の位置特異的ミューテーションによる酵素機能変換
A -3)研究活動の概略と主な成果
a) 生体内には，活性中心に金属イオンをもつ金属酵素と呼ばれる一群のタンパク質が存在する。これらの中で酸化反 応に関与する金属酵素は，その反応中に高酸化状態の反応中間体を生成する。この高酸化状態の反応中間体は，酵素 反応を制御するキーとなる中間体であるが，その不安定性のため詳細が明らかでないものが多い。これら金属酵素 の構造と機能の関わりを解明するため，そのモデル錯体の合成を行った。メシチル基をもつ新規配位子を用いて鉄 錯体を合成した結果，カテコールジオキシゲナーゼの活性中心と同じ構造を持つ錯体を初めて合成することができ た。その物性から，活性中心の構造と酵素反応の関わりを示すことができた。
b)自然界にある窒素や酸素などの小分子は，金属酵素により活性化され，利用される。活性中心の金属イオンに配位し た小分子は，配位する金属イオンの種類，配位子，構造によりその反応性を大きく変化させる。このような多様な反 応性を支配する電子構造因子がなにかを解明するため，磁気共鳴法により研究を行っている。金属イオンやそれに 配位した小分子を磁気共鳴法により直接観測して，電子構造と反応性の関わりを解明することを試みている。タン パク質由来の配位子の役割を解明するため，種々の物性の異なる配位子から銅１価C O錯体を合成し，その
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C u-NMR の測定を行った。その結果，アミン配位子とイミン配位子の電子供与性の違いを定量化することができた。また，同 じイミン配位子での５員環，６員環で大きな違いがあること，配位子のアニオン性が銅イオンの電子状態を大きく 変化させることがわかった。
c) 金属酵素が作る反応場の特色と機能との関わりを解明するため，ヘムオキシゲナーゼを題材にして研究を行ってい る。ヘムオキシゲナーゼは，肝臓，脾臓，脳などに多く存在し，ヘムを代謝する酵素である。肝臓，脾臓の本酵素は，胆 汁色素合成に関与し，脳に存在する本酵素は情報伝達に関与していると考えられている。本酵素の研究は，これら臓 器から単離される酵素量が少なく，その構造，反応など不明な点を多く残している。最近，本酵素は大腸菌により大 量発現することができるようになり，種々の物理化学的測定が可能になった。本研究では，大腸菌発現の可溶化酵素 と化学的に合成したヘム代謝中間体を用いて本酵素による酸素の活性化およびヘムの代謝機構の研究を行ってい る。ヘム近傍のアスパラギン酸をミューテーションすると，酸素活性化能を消失することを見いだした。種々の測定 の結果，これがプロトン供給経路の遮断によることが示された。
d)我々多くの動物は，生命エネルギー合成に酸素を利用しているが，酸素の乏しいところで生育する菌類やバクテリ アなどは窒素をエネルギー合成に利用している。これらの菌類やバクテリアは，酸素の代わりに硝酸イオンを電子 受容体として利用している。硝酸イオンは，菌体内のさまざまな金属酵素により亜硝酸イオン，一酸化窒素，亜酸化 窒素と還元されて，最終的に窒素になる。これらの菌類は，この反応過程で環境破壊につながる窒素酸化物を分解す