透過型電子顕微鏡を用いた１分子トラッキングによるタンパク質の結晶化過程の解明

• Project/Area Number: 18J01470
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Nanobioscience
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 山崎 智也 北海道大学, 低温科学研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: タンパク質結晶 / 結晶化 / その場観察 / 透過型電子顕微鏡 / 溶液セル / “その場”観察

Outline of Annual Research Achievements

溶液セルを用いた透過型電子顕微鏡法（TEM）は、結晶化の初期過程である核生成を明らかにできることが期待される一方、その瞬間を捉えることが非常に困難である。これは、既存の溶液セルを用いたTEMでは、観察視野内において結晶化を促進するように濃度などを変化させることが困難であるためである。これを解決するため、放射線分解と溶解度を極端に低下させる貧溶媒を併せた手法や電極を溶液セルに導入して結晶化を促進させる手法の検討を行った。
前者の手法では、塩素酸ナトリウムが飽和したアセトン溶液に電子ビームを照射すると、塩化ナトリウムが結晶化することが分かった。一方、塩素酸ナトリウムが飽和した水溶液に電子ビームを照射しても結晶化は観察されなかった。これらのことは、まず、塩素酸イオンがアセトンの放射線分解によって生成した還元剤により還元され、塩化物イオンが生成したことを示す。また、アセトンに対する塩化ナトリウムの溶解度が非常に低いため、すぐに塩化ナトリウムが溶け切れなくなって結晶化したと考えられる。一方、水の放射線分解ではアセトンよりも強力な還元剤が生成する。これは水溶液でも塩化物イオンが生成していることが期待され、観察視野で結晶化剤濃度を増加できることが期待できる。
後者の手法では、タンパク質分子を電極周囲に集めるには溶液セル自体を設計、作製しなければならないため、既存の電極が搭載されたチップを用いて溶液セルを作製し、コロイドを試料として、電場を印加したときの応答をその場観察した。電極周囲にコロイド粒子が集まり、それが結晶化する様子が観察された。このことは、今回用いた実験系をスケールダウンすることでタンパク質の結晶化に応用に期待できる。このため、タンパク質の結晶化用の溶液セルを設計し、作製に着手した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Radiolysis-Induced Crystallization of Sodium Chloride in Acetone by Electron Beam Irradiation (2021)
  • Author(s): Yamazaki Tomoya、Kimura Yuki
  • Journal Title: Microscopy and Microanalysis Volume: - Issue: 3 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1017/s1431927621000179
  • NAID: 120007171676
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rapid Ortho-to-para Nuclear Spin Conversion of H2 on a Silicate Dust Surface (2021)
  • Author(s): Tsuge M., Namiyoshi T., Furuya K., Yamazaki T., Kouchi A., Watanabe N.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 908 Issue: 2 Pages: 234-234
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd9c0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In-situ water-immersion experiments on amorphous silicates in the MgO?SiO2 system: implications for the onset of aqueous alteration in primitive meteorites (2021)
  • Author(s): Igami Yohei、Tsuchiyama Akira、Yamazaki Tomoya、Matsumoto Megumi、Kimura Yuki
  • Journal Title: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume: 293 Pages: 86-102
  • DOI: 10.1016/j.gca.2020.10.023
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-Density Liquid Water at a Water?Ice Interface (2020)
  • Author(s): Niinomi Hiromasa、Yamazaki Tomoya、Nada Hiroki、Hama Tetsuya、Kouchi Akira、Okada Junpei T.、Nozawa Jun、Uda Satoshi、Kimura Yuki
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 11 Issue: 16 Pages: 6779-6784
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c01907
  • NAID: 120007140366
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Time-Resolved Observation of Evolution of Amyloid-β Oligomer with Temporary Salt Crystals (2020)
  • Author(s): Nakajima Kichitaro、Yamazaki Tomoya、Kimura Yuki、So Masatomo、Goto Yuji、Ogi Hirotsugu
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 11 Issue: 15 Pages: 6176-6184
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c01487
  • NAID: 120007148352
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High mobility of lattice molecules and defects during the early stage of protein crystallization (2020)
  • Author(s): Yamazaki Tomoya、Van Driessche Alexander E. S.、Kimura Yuki
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 16 Issue: 8 Pages: 1955-1960
  • DOI: 10.1039/c9sm02382h
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electron-Beam-Induced Nucleation in an Antisolvent (2019)
  • Author(s): Yamazaki Tomoya、Kimura Yuki
  • Journal Title: Microscopy and Microanalysis Volume: 25 Issue: S2 Pages: 1480-1481
  • DOI: 10.1017/s1431927619008134
• [Journal Article] Sounding-rocket microgravity experiments on alumina dust (2018)
  • Author(s): Ishizuka Shinnosuke、Kimura Yuki、Sakon Itsuki、Kimura Hiroshi、Yamazaki Tomoya、Takeuchi Shinsuke、Inatomi Yuko
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 9 Issue: 1 Pages: 3820-3820
  • DOI: 10.1038/s41467-018-06359-y
  • NAID: 120006531995
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Immiscibility of Nucleating Aluminum Oxide Nanoparticles in Vapor (2018)
  • Author(s): Ishizuka Shinnosuke、Kimura Yuki、Kawano Jun、Escribano Rafael、Yamazaki Tomoya、Hama Tetsuya、Sato Rikako
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 122 Issue: 43 Pages: 25092-25101
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b08355
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Radiolysis-induced crystallization process of salt in liquid cell transmission electron microscopy (2020)
  • Author(s): Yamazaki Tomoya、Kimura Yuki
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [Presentation] Investigation of liquid cell transmission electron microscopy combined with antisolvent crystallization (2019)
  • Author(s): 山﨑智也、木村勇気
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] 溶液透過型電子顕微鏡を用いた貧溶媒からの結晶化その場観察法の検討 (2019)
  • Author(s): 山﨑智也、木村勇気
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第75回学術講演会
• [Presentation] In situ observation of crystallization of a salt using an antisolvent by transmission electron microscopy (2019)
  • Author(s): Tomoya Yamazaki, Yuki Kimura
  • Organizer: International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-19)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electron-beam-induced nucleation in an antisolvent (2019)
  • Author(s): Tomoya Yamazaki, Yuki Kimura
  • Organizer: Microscopy & Microanalysis 2019 (M&M 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-situ observation of dynamics of defects in a protein crystal (2018)
  • Author(s): Tomoya Yamazaki, Yuki Kimura
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [Presentation] リゾチームタンパク質の結晶化に関わる2種類の非結晶粒子 (2018)
  • Author(s): 山﨑智也、木村勇気、清水洋、藤田咲子、藤原正裕、大野智子
  • Organizer: 分子・物質合成プラットフォーム 平成30年度 シンポジウム
• [Presentation] タンパク質結晶中の欠陥の挙動 (2018)
  • Author(s): 山﨑智也，A. E. S. Van Driessche，木村勇気
  • Organizer: 第47回結晶成長国内会議
• [Presentation] 透過型電子顕微鏡による溶液からの結晶化“その場”観察法の検討 (2018)
  • Author(s): 山﨑智也
  • Organizer: 結晶表面・界面での相転移ダイナミクスに関するその場観察および理論