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研究概要

私たちは、反応する分子の刻一刻の変化を、分子の核の運動を直接観測することで追跡する先進的な分光計測法、「フェムト秒時間分解インパルシブ・ラマン分光法」（フェムト秒は1,000兆分の1秒、10^-15秒）を独自に開発してきました。最近その性能を大幅に向上し、タンパク質のような複雑な分子も研究できるようになりました。これを用いて、紅色光合成細菌の青色光センサーである光受容タンパク質「イエロープロテイン（PYP）」が光刺激を受けた際の最初の変化を明らかにしました。このPYPの変化は有害な光が当たった際に細菌がそれから逃げようとする運動の引き金となるものです。実験では、青色光を照射して変化を開始させた後に光パルスでPYP分子を瞬間的に揺さぶり、その揺れる様子を刻一刻観測することでPYPの変化を“ストロボ写真”を撮るように観測しました。その結果、青色光の照射からわずか10兆分の１秒（10^-13秒）で、光を吸収した部位の近くの特定の水素結合が弱まり、続いて炭素－炭素の二重結合が回転して歪んだ形の構造へと変化して、それがタンパク質の機能発現につながることを見いだしました。これは、タンパク質が機能し始める精巧な仕組みをリアルタイムで追跡した画期的な成果といえます。

研究分野

化学、物理学、生物学／生化学

キーワード

超高速分光、非線形分光、単分子分光、ダイナミクス、界面

研究テーマ

1. 超短パルス光の発生とそれを用いた超高速分光計測法の開発
2. 超高速分光を用いた凝縮相分子ダイナミクスの解明と制御
3. 非線形分光を用いた界面分子ダイナミクスの観測と解明

主要論文

1. Kuramochi, H., Takeuchi, S., Iwamura, M., Nozaki, K., and Tahara, T.: “Tracking photoinduced Au–Au bond formation through transient terahertz vibrations observed by femtosecond time-domain Raman spectroscopy”, J. Am. Chem. Soc. 141, 19296 (2019).
2. Tahara, S., Kuramochi, H., Takeuchi, S., and Tahara, T.: “Protein dynamics preceding photoisomerization of the retinal chromophore in bacteriorhodopsin revealed by deep-UV femtosecond stimulated Raman spectroscopy”, J. Phys. Chem. Lett., 10, 5422 (2019).
3. Kuramochi, H., Takeuchi, S., Yonezawa, K., Kamikubo, H., Kataoka M., and Tahara, T.: "Probing the early stages of photoreception in photoactive yellow protein with ultrafast time-domain Raman spectroscopy", Nat. Chem., 9, 660 (2017).
4. Singh, P. C., Inoue, K., Nihonyanagi S., Yamaguchi S., and Tahara, T.: “Femtosecond hydrogen-bond dynamics of bulk-like and bound water at positively and negatively charged lipid interfaces revealed by 2D HD-VSFG spectroscopy", Angew. Chem. Int. Ed. 55, 10621 (2016).
5. Matsuzaki, K., Kusaka, R., Nihonyanagi, S., Yamaguchi, S., Nagata, T., and Tahara, T.: “Partially hydrated electrons at the air/water interface observed by UV-excited time-resolved heterodyne-detected vibrational sum frequency generation spectroscopy”, J. Am. Chem. Soc. 138, 7551 (2016).

主要メンバー

アシスタント募集（W21114）

アシスタント募集（W21093）

画像情報処理研究チーム

研究員または特別研究員募集（W20288）

テラヘルツイメージング研究チーム

研究員または特別研究員募集（W20301）

テラヘルツイメージング研究チーム

研究員、特別研究員またはテクニカルスタッフⅠ募集（W20278）

光量子制御技術開発チーム

研究員または特別研究員募集（W20293）

テラヘルツ光源研究チーム

特別研究員または研究員募集（W20044）

アト秒科学研究チーム