Molecular mechanism of how antifreeze glycoproteins adsorb to ice

• Project/Area Number: 18K19060
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 32:Physical chemistry, functional solid state chemistry, and related fields
• Research Institution: Shinshu University
• Principal Investigator: 望月 建爾 信州大学, 学術研究院繊維学系, 助教 (40734554)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2021-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2018: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 不凍タンパク質 / 疎水性相互作用 / 分子動力学計算 / 氷成長 / 刺激応答性高分子 / 水和構造 / 水 / 氷 / 水和水 / 相転移 / 分子シミュレーション / 相転移ダイナミクス

Outline of Annual Research Achievements

今年度は、不凍糖タンパク質と同様に柔軟性を持つ高分子PVCL（ガスハイドレートに吸着）に注目し、添加物（共溶媒）濃度に対する高分子構造の安定性を調べ、以下の点を明らかにした。まず、実験（有限濃度）で確認されているPVCLの共貧溶媒効果のアルコール種依存性（エタノール以上のアルコールでのみ発現）を分子シミュレーションで再現した。無限希薄条件（3万分子溶媒中の50-mer）においてアルコール濃度増加に伴いPVCLのコイルーグロビュールーコイル転移が確認できた。次に、このアルコール濃度に対する高分子の振る舞いがモノマー単位の有効相互作用の変化に帰着できる事を明らかにした。同時に、共貧溶媒効果が最も高まる濃度では、モノマー同士の接触距離の2倍以上の長距離から有効引力が働く事を見つけ、溶媒和構造解析によりモノマー間にアルコールが橋渡し構造を作ることが長距離引力の原因である事を明らかにした。さらに、溶媒和構造だけでなく、バルク領域の水ーアルコールの濃度揺らぎがモノマー間の引力に与える影響について調べた。
研究期間全体を通して、幾つかの不凍タンパク質の氷吸着時と吸着前の水中での振る舞いについて分子シミュレーションを用いて明らかにした：（１）珪藻のfcIBPは氷格子に類似した構造秩序を分子表面に持たないが、氷との間に水と氷の中間の水構造（動的にも遅い）を形成する事で、氷のベーサル面とプリズム面に吸着できる。（２）昆虫のRiAFPは広い疎水面を持つにもかかわらず水中で2量化せず氷吸着機能を保持する。その理由はRiAFP間に氷状の構造を形成しないと2量化できないがその自由エネルギーバリアは高く、常温では越えられないためである。（３）ガスハイドレート形成の阻害剤であるPVCLに注目し、温度・共溶媒濃度に対する水中での構造安定性とその起源を疎水性相互作用、選択的溶媒和、水和構造の観点から明らかにした

Research Products

• [Int'l Joint Research] Alfred Wegener Institute(ドイツ)
• [Journal Article] Reduction of water-mediated repulsion drives poly(N-vinylcaprolactam) collapse upon heating (2020)
  • Author(s): Mochizuki Kenji
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 22 Issue: 3 Pages: 1053-1060
  • DOI: 10.1039/c9cp05491j
• [Journal Article] Stepwise Homogeneous Melting of Benzene Phase I at High Pressure (2019)
  • Author(s): Mahesta Ravi、Mochizuki Kenji
  • Journal Title: Crystals Volume: 9 Issue: 6 Pages: 279-279
  • DOI: 10.3390/cryst9060279
• [Journal Article] Collective Transformation of Water between Hyperactive Antifreeze Proteins: RiAFPs (2019)
  • Author(s): Mochizuki Kenji、Matsumoto Masakazu
  • Journal Title: Crystals Volume: 9 Issue: 4 Pages: 188-188
  • DOI: 10.3390/cryst9040188
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multiple binding modes of a moderate ice-binding protein from a polar microalga (2018)
  • Author(s): Kondo Hidemasa、Mochizuki Kenji、Bayer-Giraldi Maddalena
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 20 Issue: 39 Pages: 25295-25303
  • DOI: 10.1039/c8cp04727h
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 下部臨界温度現象における高分子と水の相互作用 (2020)
  • Author(s): 望月建爾
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会,中長期企画「次世代分子システムが拓く未来の化学」
  • Invited
• [Presentation] Driving forces for poly(N-vinylcaprolactam) collapse upon heating (2019)
  • Author(s): Kenji Mochizuki
  • Organizer: The 2nd International Conference on Chemistry and Material Science (Malang, Indonesia)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Promotion of homogeneous ice nucleation by polyvinyl alcohol (2019)
  • Author(s): Kenji Mochizuki
  • Organizer: 13th Mini-symposium on liquid (Okayama University, Japan)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 分子動力学計算を用いた不凍タンパク質と氷の相互作用の研究 (2019)
  • Author(s): 望月建爾
  • Organizer: ワークショップ：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（北海道大学低温科学研究所）
  • Invited
• [Presentation] 不凍糖タンパク質の氷吸着メカニズム (2019)
  • Author(s): 望月建爾
  • Organizer: 研究会「化学反応のポテンシャル曲面とダイナミクス」（理化学研究所計算科学研究センター R-CCS）
  • Invited