現在の研究

RNA ポリメラーゼは、細胞内でゲノムDNAの塩基情報をRNAに転写するタンパク質酵素です。地球上の生物の遺伝子発現は、この「転写」と呼ばれる分子過程から始まります。RNAポリメラーゼがDNA上を移動しながら転写反応を行うとき、読み誤りは10万回に1回程度しかおこりません (Imashimizu et al., NAR 2013)。熱揺らぎを利用するしかない状況で、これほど正確な化学反応を行う分子機構は大変面白いのですが謎です。この生物分子機能における謎を説明するため、生体高分子が持つ電荷や極性・疎水性表面から色々な摂動を受けて空間・時間的に不均一化している水分子達（水和水と呼びます）の集団的な運動を捉えようとしています。水和水を含め、水溶媒のダイナミクスを空間的・時間的に均一と考えると、この仕組みを説明できないからです。

生体高分子の水溶液にサブテラヘルツ（sub-THz）周波数領域の電磁波を高強度で照射すると、水分子達と生体高分子の集団的な運動との間に相互作用（分極）が生じます。その直後、照射エネルギーは急速に熱エネルギーに変換されます（熱緩和）。この熱緩和のタイムスケールに対して、生物の化学反応は桁違いに遅いため、sub-THz波は熱と同じ作用しか化学反応に及ぼさないというのが大勢の見方です。しかし、生物機能を生み出す分子反応過程は複雑で一般的にはよくわかっていません。その素過程のタイムスケールが元々とっても短い可能性もありますし、緩和時間が元々とっても長い相互作用に照射エネルギーが入り込む可能性も否定できません。照射中の生体試料で遅い化学反応が進行していて（系が非平衡で）、その反応のタイムスケールを決めるポテンシャル障壁が照射によって変化する可能性だってあります。他にも、印加したsub-THz波のコヒーレントな性質によって、滑らかな形状の分子のエネルギー分布がちょっといびつになったり、系が非平衡の時に強いエネルギーが入った時に起こるかもしれない秩序性に向かう経路（フレーリッヒ凝縮という難しい話）と関係しているのかもしれません。実は、上に書いたような色んな可能性は全部背後でつながっていて、１つのシンプルな概念から引き出されるものかもしれません。

とにかく、sub-THz照射エネルギーが熱に変換される間に起こる分極状態の時間・空間変化の観測から、そういった分子機構を知るヒントが得られると思っています。そう思って、色々挑戦してみると面白いことがわかってきました。これまでに、sub-THz照射に依存した分極の時間変化を高感度で調べられる誘電分光法を開発し、タンパク質へのsub-THz波の照射作用を経時的に調べました。すると、通常の加熱では見られなかったタンパク質と水の相互作用が徐々に変化する様子が捉えられてきました（論文投稿中）。共同研究によってNMRで、照射によるタンパク質ダイナミクスの変化の観測にも成功しています (Tokunaga et al., Biophys J 2021) 。

それから、sub-THz照射に依存した転写反応変化をDNAシーケンサーでハイスループット検出し、その作用を統計的に評価する手法も開発しました。Sub-THz波を適切な条件で水溶液中の転写複合体に照射すると、複数の転写反応過程が変わり、単なる昇温では説明できない現象が得られてきました（この現象の計測と解釈には自信がありますが、すぐに信じてもらえないので、後で投稿する予定）。このような面白い現象の背後にある分子機構を説明するための学問はまだ確立されていませんから、テラバイオロジーという新しい学問に挑戦しています。

興味を持ってくださった方はテラ清水和彦まで連絡ください。