博 士 論 文 概 要
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(2) 半導体電子部品に代表される微細加工技術は、性能向上とコスト削減を目的と して、その加工精度や素子寸法をスケールダウンすることにより発展した。そし て 、 今 日 そ の デ ザ イ ン ル ー ル は 、 100nm を 切 る ま で に 達 し 、 ト ラ ン ジ ス タ の 物 理 的な限界とさらなる微細化に対するコストの上昇が、これまでの急速な発展に歯 止めをかけはじめている。そのため、半導体微細加工技術の新しい分野への展開 が求められ、バイオテクノロジーとの融合が考えられるようになった。 半 導 体 微 細 加 工 技 術 の 発 展 は 、ナ ノ ス ケ ー ル に お い て 凹 凸 形 状 の 作 成 及 び 疎 水 、 親水性状の制御を可能にした。一方、タンパク質の表面には、ナノスケールで形 状、性状の異なる領域が存在することが知られている。固体表面上ではタンパク 質の活性は低下すると考えられているが、タンパク質の表面の形状、性状に適し た固体表面を人工的に作成すれば、活性低下は防げるかもしれない。固体表面上 でタンパク質の活性低下を防ぐことが出来れば、バイオセンサー、バイオリアク ターなどタンパク質を固体表面上に固定したデバイスの性能向上が期待できる。 タンパク質の活性を低下させることなく固定できる固体表面を設計するために は 、タ ン パ ク 質 ‑ 固 体 表 面 間 相 互 作 用 の 系 統 的 な 理 解 が 要 求 さ れ る 。我 々 は 、人 工 的な表面上におけるタンパク質の吸着及び吸着によって引き起こされる失活メカ ニ ズ ム の 理 解 を 目 的 と し 、分 子 動 力 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る タ ン パ ク 質 ‑ 固 体 表 面間相互作用の解析を行った。本論文は、その成果をまとめたものであり、全５ 章から構成されている。以下、各章毎に概要を述べる。 第１章. 「 序 論 」で は 、タ ン パ ク 質 ‑ 固 体 表 面 相 互 作 用 の 現 状 の 理 解 と 未 解 明 な. 課題を説明し、本研究の目的を明らかにする。 第２章. 「タンパク質と無機固体基板から成る系の分子動力学シミュレーショ. ン手法の検討」では、従来のタンパク質に関する理論的研究を概観し、本研究で 行うタンパク質と無機固体基板から成る系の分子動力学シミュレーションの手法 を説明する。 創薬研究の分野では、理論計算により原子レベルでのタンパク質の挙動を解析 する技術が進展している。その例として、分子動力学シミュレーションを用いた human immunodeficiency virus type‑1 (HIV‑1)プ ロ テ ア ー ゼ 阻 害 剤 の 研 究 が あ る 。 HIV‑1 プ ロ テ ア ー ゼ は 、 HIV‑1 の 複 製 に お い て 重 要 な 役 割 を 果 た す タ ン パ ク 質 で 、 HIV‑1 プ ロ テ ア ー ゼ の 阻 害 は 、 HIV‑1 の 治 療 に 非 常 に 効 果 的 で あ る 。 そ の た め 、 HIV‑1 プ ロ テ ア ー ゼ と 阻 害 剤 の 相 互 作 用 を 分 子 動 力 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り 詳 細に解析するという試みが盛んに行われており、一定の成果を挙げている。本研 究では、この阻害剤を無機固体基板に置き換える形で、タンパク質と固体基板か ら成る系の分子動力学シミュレーションを実行する。分子動力学シミュレーショ ン に は 、 AMBER を 使 用 す る 。 AMBER は 1981 年 に カ リ フ ォ ル ニ ア 大 学 サ ン フ ラ ン シ 1.
(3) ス コ 校 の Peter A. Kollman 教 授 ら を 中 心 に 開 発 さ れ た 、 タ ン パ ク 質 、 核 酸 、 有 機 分子などの生体分子を主な対象とした分子動力学シミュレーション・プログラム である。分子動力学シミュレーションの際必要なタンパク質の構造データは、 Protein Data Bank（ PDB） か ら 入 手 す る 。 PDB は 米 国 Research Collaboratory for S t r u c t u r a l B i o i n f o r m a t i c s （ R C S B ）、 欧 州 E u r o p e a n B i o i n f o r m a t i c s I n s t i t u t e （ E B I ）、 日 本 の 大 阪 大 学 蛋 白 質 研 究 所 の ３ 者 に よ っ て 共 同 的 に 運 営 さ れ て い る 蛋 白質の立体構造情報を収めたデータベースである。固体基板の電荷分布は、固体 基 板 の ク ラ ス タ ー モ デ ル を 作 成 し 、ハ ー ト リ ー ‑ フ ォ ッ ク 分 子 軌 道 計 算 に よ り 求 め る。各種パラメータが揃った後、固体基板上にタンパク質を配置し、周囲に水分 子を発生させることにより初期構造が完成する。この初期構造に対して分子動力 学シミュレーションを実行し、ポテンシャルエネルギーが収束した領域において 解析を行う。タンパク質が固体基板に吸着した際の活性低下の指標には、タンパ ク 質 の 安 定 構 造 及 び B‑factor(タ ン パ ク 質 を 構 成 す る 原 子 の 動 き を 表 す 因 子 )の 変 化 を 使 用 す る 。固 体 基 板 と の 吸 着 に よ り 、タ ン パ ク 質 の 安 定 構 造 、B‑factor の 変化が大きくなりすぎると、タンパクの活性低下は顕著になると言える。 第３章. 「 分 子 動 力 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る Green Fluorescent Protein. (GFP)‑Si 基 板 間 相 互 作 用 の 解 析 」 で は 、 実 験 及 び 計 算 が 容 易 な GFP と Si 基 板 間 の 相 互 作 用 に つ い て 分 子 動 力 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 実 行 し 、 Si 基 板 上 に お け る GFP の 吸 着 形 態 、 吸 着 に よ る GFP の 安 定 構 造 及 び B‑factor の 変 化 を 解 析 す る 。 GFP は 紫 外 線 （ 波 長 395nm） を 吸 収 し 、 緑 色 の 光 （ 波 長 508nm） を 発 す る タ ン パ ク質で蛍光バイオイメージングに利用される。蛍光バイオイメージングとは、観 察したい分子に蛍光標識を付けることによって、分子の分布や動きを可視化する 技 術 で あ る 。こ の G F P と 疎 水 性 の H ‑ S i 基 板 、親 水 性 の O H ‑ S i O 2 基 板 の 相 互 作 用 を 解 析 し た 。 GFP は 疎 水 基 板 と 直 接 、 親 水 基 板 と 水 分 子 を 介 し て 吸 着 し 、 親 水 基 板 よ り も 疎 水 基 板 に 強 く 吸 着 す る 。S i 基 板 と の 吸 着 に よ る G F P の 安 定 構 造 の 変 化 は 、 疎 水 基 板 上 よ り も 親 水 基 板 上 の 方 が 小 さ い 。一 方 、G F P の B ‑ f a c t o r は 、S i 基 板 と の吸着によって減少し、吸着後は親水基板上よりも疎水基板上の方が大きい。以 上 の 結 果 か ら 、 固 体 表 面 は 、 GFP の 安 定 構 造 及 び B‑factor を 保 持 す る よ う 疎 水 、 親水性状のバランスを考慮し、精密に作成すべきとの結論を得た。 第 ４ 章 「 分 子 動 力 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る Luciferase‐ Si 基 板 間 相 互 作 用 の 解 析 」 で は 、 実 験 が 容 易 で バ イ オ セ ン サ ー と し て の 応 用 の あ る luciferase と S i 基 板 間 の 相 互 作 用 に つ い て 分 子 動 力 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 実 行 し 、S i 基 板 上 に お け る l u c i f e r a s e の 吸 着 形 態 、吸 着 に よ る l u c i f e r a s e の 安 定 構 造 及 び B ‑ f a c t o r の変化を解析する。 luciferase は 、 luciferin の 酸 化 を 触 媒 し 、 こ の 時 発 生 す る 反 応 エ ネ ル ギ ー に 2.
(4) よ っ て 酸 化 生 成 物 （ oxyluciferin） が 励 起 状 態 で 生 成 し 、 そ れ が 基 底 状 態 に な る 時 に 発 光 す る 。 こ の 発 光 過 程 で は 、 a d e n o s i n e t r i p h o s p h a t e（ A T P ） が 必 要 と さ れ る こ と か ら luciferase は ATP セ ン サ ー と し て 利 用 さ れ る 。 全 て の 細 胞 の 活 動 は A T P の 代 謝 を 基 盤 と し て 成 り 立 っ て い る こ と か ら 、A T P の セ ン シ ン グ は 、生 物 の セ ン シ ン グ に つ な が る 。 こ の luciferase と 疎 水 性 の H‑Si 基 板 、 親 水 性 の OH‑SiO2 基 板 の 相 互 作 用 を 解 析 し た 。l u c i f e r a s e は 疎 水 基 板 と 直 接 、親 水 基 板 と 水 分 子 を 介 し て 吸 着 し 、 親 水 基 板 よ り も 疎 水 基 板 に 強 く 吸 着 す る 。S i 基 板 と の 吸 着 に よ る l u c i f e r a s e の 安 定 構 造 の 変 化 は 、 疎 水 基 板 上 よ り も 親 水 基 板 上 の 方 が 小 さ い 。S i 基 板 と の 吸 着 に よ る luciferin と 水 素 結 合 を 形 成 す る 活 性 部 内 の 原 子 の 原 子 間 距 離 の 変 化 も 、 疎 水 基 板 上 よ り も 親 水 基 板 上 の 方 が 小 さ い 。 そ し て luciferase の B ‑ f a c t o r も 、S i 基 板 と の 吸 着 に よ っ て 減 少 し 、吸 着 後 は 疎 水 基 板 上 よ り も 親 水 基 板上の方が大きい。従って、固定による活性低下を防ぐためには、固体表面は、 親 水 性 を 持 つ よ う に 作 成 す べ き で あ る 。 し か し な が ら 、 luciferase の B‑factor は疎水基板上でより小さくなるので、熱安定性向上のためには、疎水性の表面が 好ましい。以上の結果から、固体表面は固定による活性低下を防ぐこと及び熱安 定性向上の両視点から、疎水、親水性状のバランスを考慮し、精密に作成すべき との結論を得た。 第５章. 「結論」では、得られた成果を総括する。. 3.
(5) 研 究 業 績 種 類 別 論文 ○. ○. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. (1)"Analysis of Interactions between Luciferase and Si Substrates Using Molecular Dynamics Simulations" Jpn. J. Appl. Phys. in press. K . N i s h i y a m a , T. Wa t a n a b e , T. H o s h i n o a n d I . O h d o m a r i (2)"Analysis of Interactions between Green Fluorescent Protein and Silicon Substrates Using Molecular Dynamics Simulations" Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005) 8210. K . N i s h i y a m a , T. Wa t a n a b e , T. H o s h i n o a n d I . O h d o m a r i (3)"Modeling of Organosilane Self-Assembled Monolayers" J . d e P h y s i q u e I V. （ 投 稿 中 ） H . Ya m a m o t o , T. Wa t a n a b e , K . N i s h i y a m a , K . Ta t s u m u r a , I . Ohdomari. 5.
(6) 研 究 業 績 種 類 別 講演 国際会議. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. （第 一 著 者 のみ） (1)"Molecular dynamics simulation on interactions between proteins and semiconductor surfaces " M o l e c u l e - B a s e d I n f o r m a t i o n Tr a n s m i s s i o n a n d R e c e p t i o n (MB-ITR2005), Okazaki, Japan, March, 2005 K . N i s h i y a m a , T. Wa t a n a b e , T. H o s h i n o , I . O h d o m a r i (2)"Molecular dynamics simulation on interactions between Luciferase and semiconductor substrates " the 12th International Conference on Solid Films and Surfaces (ICSFS-12), Hamamatsu, Japan, June, 2004 K . N i s h i y a m a , T. Wa t a n a b e , T. H o s h i n o , I . O h d o m a r i (3)"Molecular dynamics simulation on interactions between biomolecules and semiconductor surfaces" 7th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-7), Nara, Japan, N o v e m b e r, 2 0 0 3 K . N i s h i y a m a , T. Wa t a n a b e , T. H o s h i n o , I . O h d o m a r i. 国内学会 (4)「 Luciferase‑半 導 体 基 板 間 相 互 作 用 の 分 子 動 力 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン (4)」 第 66 回 応 用 物 理 学 会 学 術 講 演 会 , 2005 年 9 月 西山勝彦，渡邉孝信，星野忠次，大泊巌 (5)「 Luciferase‑半 導 体 基 板 間 相 互 作 用 の 分 子 動 力 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン (3)」 第 52 回 応 用 物 理 学 会 学 術 講 演 会 , 2005 年 3 月 西山勝彦，渡邉孝信，星野忠次，大泊巌 (6)「 生 体 分 子 ‑半 導 体 表 面 間 相 互 作 用 の 分 子 動 力 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン」 日 本 機 械 学 会 2004 年 度 年 次 大 会 , 2004 年 9 月 西山勝彦，渡邉孝信，星野忠次，大泊巌 (7)「 Luciferase‑半 導 体 基 板 間 相 互 作 用 の 分 子 動 力 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン (2)」 第 65 回 応 用 物 理 学 会 学 術 講 演 会 , 2004 年 9 月 西山勝彦，渡邉孝信，星野忠次，大泊巌 (8)「 Luciferase‑半 導 体 基 板 間 相 互 作 用 の 分 子 動 力 学 シ ミ ュ レ ー シ ョン」 第 51 回 応 用 物 理 学 会 学 術 講 演 会 , 2004 年 3 月 西山勝彦，渡邉孝信，星野忠次，大泊巌. 6.
(7) 研 究 業 績 種 類 別. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. (9)「 生 体 分 子 ‑半 導 体 表 面 間 相 互 作 用 の 分 子 動 力 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン」 第 64 回 応 用 物 理 学 会 学 術 講 演 会 , 2003 年 8 月 西山勝彦，渡邉孝信，星野忠次，大泊巌. 7.
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