RNAのコンフォメーション空間の研究：溶液中のRNase P RNAの動的構造 学術的背景 RNAのコンフォメーション多様性は、生物学において重要な役割を果たしており、特にRNAスプライシング、パッケージング、細胞転写活性化、および環境刺激応答などのプロセスにおいて重要です。しかし、従来の生物物理学的技術では、溶液中のRNAの完全なコンフォメーション空間を直接可視化することはできませんでした。RNase P RNAは、すべての生物界に存在するRNA酵素であり、前駆体tRNA（pre-tRNA）の5’末端を編集する役割を担っています。その基質特異性が広範であることから、RNase P RNAは高いコンフォメーション柔軟性を持つと考えられており、この柔軟性と酵素活性に必要な剛性構造との間には複雑...

学術的背景 RNA（リボ核酸）は生命体において極めて重要な分子であり、遺伝子発現、調節、触媒など多様な生物学的プロセスに関与しています。ヒトゲノムの大部分はRNAに転写されますが、RNA分子の構造研究は依然として大きな課題を抱えています。RNA分子は通常、高い構造的多様性と柔軟性を持ち、これがその機能の前提となっていますが、これが核磁気共鳴（NMR）、X線結晶学、クライオ電子顕微鏡（cryo-EM）などの伝統的な構造解析手法の適用を制限しています。特に大きなRNA分子では、その構造的多様性と大規模なRNA構造データベースの欠如により、既存のタンパク質構造予測手法（例：AlphaFold）を直接RNAに適用することができません。したがって、大きなRNA分子の三次元構造、特にその構造的多様性を正...

海馬ニューロンの特徴選択性のシナプス基盤に関する研究 学術的背景 神経科学における中心的な疑問の一つは、シナプス可塑性が行動中の動物のニューロンの特徴選択性をどのように形作るかである。海馬CA1錐体ニューロン（CA1 pyramidal neurons, CA1PNs）は、空間的および文脈的に選択的な受容野（place fields, PFs）を形成することで、最も顕著な特徴選択性の一つを示す。PFsは、学習と記憶のシナプス基盤を研究するためのモデルとして機能する。これまでに、PFsの形成の細胞基盤としてさまざまな形態のシナプス可塑性が提案されてきた。しかし、数十年にわたる研究にもかかわらず、シナプス可塑性がPFsの形成と記憶の符号化をどのように支えるかについての理解は、依然として限られてい...

熱力学マップを用いた限られた観測からの相転移と臨界指数の推論 学術的背景 相転移（phase transitions）は自然界に普遍的に存在する現象であり、水の沸騰から磁性材料の強磁性-常磁性転移、さらにはタンパク質や核酸などの生体高分子の構造変化に至るまで、さまざまな科学分野で重要な役割を果たしています。しかし、特にデータが少ない場合や複雑な場合、相転移とその温度依存性を正確に定量化することは依然として大きな課題です。従来の統計力学的手法は相転移を研究するための理論的枠組みを提供していますが、実際の応用では、相転移領域のサンプリングが困難であるため、臨界温度、熱容量、臨界指数などの相転移特性を計算するには膨大な計算リソースが必要となります。 この問題を解決するため、Lukas Herron...

MINFLUXナノ顕微鏡の生物組織への応用：蛍光顕微鏡の分解能限界を突破 学術的背景 蛍光顕微鏡は生物学研究において重要な役割を果たしていますが、その分解能は回折限界によって制約され、通常は約200ナノメートル程度に留まります。近年、超解像顕微鏡（super-resolution microscopy, SR）技術の発展により、この限界を突破し、ナノスケールで生物分子の分布を観察することが可能になりました。しかし、複雑な生物組織、特に厚いサンプルでは、光学収差や光の吸収・散乱などの問題が超解像顕微鏡の性能に深刻な影響を与えます。生理学的に関連する環境でナノスケールのタンパク質分布を可視化するために、研究者たちは新しいイメージング技術の探索を続けています。 MINFLUX（minimal ph...

光化学系IIにおける水酸化過程でのプロトン放出メカニズムの研究 学術的背景 光化学系II（Photosystem II, PSII）は自然界で唯一水分解を触媒する酵素であり、その反応は酸素を放出するだけでなく、生物質の合成に必要な電子を提供します。水分解反応で放出されたプロトンはチラコイド腔に入り、プロトン動力（proton-motive force, PMF）を形成し、ATPの合成を駆動します。近年、PSIIの構造と機能に関する研究が大きく進展していますが、水酸化反応の重要なステップ、特に脱プロトン化プロセスのメカニズムについてはまだ議論が続いています。本研究では、量子/古典（QM/MM）自由エネルギー計算と原子分子動力学（MD）シミュレーションを組み合わせ、PSIIにおける酸素発生マンガ...

研究背景 単細胞胚において、タンパク質の非対称分布は細胞極性と発生の重要なステップである。この非対称分布は通常、複雑な反応-拡散メカニズム（reaction-diffusion mechanisms）に依存し、複数のフィードバックループが関与している。Caenorhabditis elegans（線虫）の単細胞胚において、RNA結合タンパク質MEX-5とMEX-6、および有糸分裂キナーゼPLK-1は、細胞極性の確立と維持に重要な役割を果たしている。MEX-5とMEX-6は配列上高度に相同であるが、それらの非対称分布メカニズムとその制御方法は完全には解明されていない。本研究は、MEX-6の勾配形成の生物物理学的メカニズムを明らかにし、MEX-5、MEX-6、およびPLK-1の間の複雑な相互作用...

人工動的RNA構造アンサンブルに基づく普遍的なRNAアプタマーセンシングタグの合理的設計 学術的背景 RNA分子は、自然および合成生物学的システムにおいて多様な役割を果たしており、その機能は動的かつ特定の三次元構造に強く依存しています。RNAの二次構造および三次構造（ヘアピン、疑似結び目、多分岐接合など）は、RNAの機能を理解するための重要な「構築ブロック」です。しかし、既存のRNA構造研究の多くは静的な構造に基づいており、ほとんどのRNA媒介プロセスは構造変化を伴います。したがって、動的構造アンサンブルの記述は、RNAの進化的保存パターンを捉え、その拡張設計を支援することができます。近年、蛍光RNAアプタマー（fluorogenic RNA aptamer, FRAPT）は生物学的応用にお...

MassiveFold：AlphaFoldの潜在能力を最適化と並列化で引き出す 背景と研究課題 タンパク質構造予測は生命科学において重要な研究分野であり、分子生物学の基本的なメカニズムを解明するために不可欠です。近年、DeepMindによるAlphaFoldはこの分野に革命をもたらし、単一タンパク質鎖構造の予測において卓越した性能を発揮し、タンパク質科学研究の基盤となっています。しかし、研究の進展に伴い、AlphaFoldは複雑なタンパク質複合体や抗原-抗体相互作用といった特定のケースで、計算時間が長いことやGPUリソースの高い要求といった課題に直面しています。また、予測精度を向上させるためにリサイクル回数やサンプリング密度を増やす方法もあるものの、これらはさらなる計算負担を招いています。 ...

パーキンソン病研究におけるβ波バースト行動の解析：小波を用いた時間周波数検出の新たな枠組み 背景説明 パーキンソン病（Parkinson’s Disease、PD）は、震え、硬直、動作緩慢を特徴とする運動機能障害を主な症状とする一般的な神経変性疾患です。近年の研究では、PD患者の運動障害がβ帯域（13–35 Hz）の神経活動の過剰な同期性と密接に関連していることが示されています。従来の考え方では、PD患者のβ帯域活動は持続的に高まっているとされていましたが、最新の研究では、この活動は持続的ではなく、短期間の突発的な形式（β波バースト）で現れることが明らかになりました。これらのバーストは、PD患者において強度および持続時間が顕著に増加しています。既存の検出方法は主にβ帯域の単一周波数ピークに焦...