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Study of temperature resistant mechanisms of papain enzymes by single-molecule measurements

Research Project

Project/Area Number 21K06115
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 43040:Biophysics-related
Research InstitutionTokyo University of Science

Principal Investigator

UMEMURA KAZUO  東京理科大学, 理学部第二部物理学科, 教授 (60281664)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywords原子間力顕微鏡 / パパイン / セルラーゼ / ブロメライン / カーボンナノチューブ / 近赤外 / 耐熱性 / フォトルミネッセンス / 1分子 / 1分子計測 / 酵素 / 近赤外分光 / デジタルホログラフィック顕微鏡 / 1分子計測 / 耐熱性酵素
Outline of Research at the Start

パパインは耐熱性プロテアーゼとして知られ、食品加工などに広く用いられている。本研究課題では、酵素パパインと基質ペプチドの相互作用や反応速度定数が温度によってどのように変化するかを1分子(個々の分子)レベルで明らかにする。具体的には、原子間力顕微鏡やデジタルホログラフィック顕微鏡による構造観察・物性測定、蛋白質分子反応をカーボンナノチューブの光スペクトル変化に置き換える独自な測定法を用い、これらの測定を実現するために新規な試料作製方法を提案する。

Outline of Final Research Achievements

I investigated the heat resistance mechanisms of thermostable proteins, papain, cellulase, and bromelain, at the single molecule level using atomic force microscopy (AFM), near-infrared (NIR) microscopy, and near-infrared spectroscopy. To optimize the experimental procedures, I performed the use of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) as sensor probes for NIR measurements. I proposed a new protocol to mix the biomolecules and SWNTs on a substrate for AFM in liquids. As a result, chirality-specific SWNT NIR emission induced by the addition of heated papain and native papain molecules could be measured. The near-infrared emission can be measured even on a single bead by the NIR microscopy. Deformation and aggregation of the molecules on the substrate were well observed by AFM in liquid.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の学術的な意義はパパイン等の耐熱メカニズムの研究について、1分子計測の視点から知見を得たことにある。AFM測定では、分子の変形や凝集等の分子間相互作用を個々の分子レベルで可視化できた。近赤外測定では、1分子とはいえないがビーズ1個での測定が可能となり、パパイン等の与える効果がSWNTのキラリティ特異的であることがわかり、今後新たな生体分子応答の計測技術として確立できる可能性が示された。本研究の社会的意義は、生体分子の持つさまざまな機能を応用して実用的なバイオデバイス等を開発する場合、耐熱性の欠如は大きな弱点である。耐熱性生体分子の研究は熱に強いバイオデバイスの開発の基盤技術となりえる。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] VNU University/NACENTEC(ベトナム)

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Journal Article] Chirality-specific Near-infrared Photoluminescent Responses of Single-walled Carbon Nanotubes to Detect Papain Adsorption Assisted by the Use of DNA and Frustules2023

    • Author(s)
      Hirayama Kota、Kitamura Masaki、Mayama Shigeki、Umemura Kazuo
    • Journal Title

      Chemistry Letters

      Volume: 52 Issue: 5 Pages: 408-411

    • DOI

      10.1246/cl.230068

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fabrication of a Floatable Micron-Sized Enzyme Device Using Diatom Frustules2023

    • Author(s)
      Lin Nay San、Hirayama Kota、Kitamura Masaki、Koide Shinji、Kitajima Hiromasa、Harada Takunori、Mayama Shigeki、Umemura Kazuo
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 8 Issue: 23 Pages: 21145-21153

    • DOI

      10.1021/acsomega.3c02104

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Hybridization of papain molecules and DNA-wrapped single-walled carbon nanotubes evaluated by atomic force microscopy in fluids2023

    • Author(s)
      Masaki Kitamura, Kazuo Umemura
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 4833-4833

    • DOI

      10.1038/s41598-023-31927-8

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Morphological observation of the amyloid fibrillation of stem bromelain at alkaline pH and under heat treatment2023

    • Author(s)
      Maria Christine Lugo、Masaki Kitamura、Kazuo Umemura
    • Organizer
      第13回日本生物物理学会関東支部会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Structural change of papain molecules with temperature change studied by atomic force microscopy in fluid2023

    • Author(s)
      Masaki Kitamura, Umemura Kazuo
    • Organizer
      ICRAMEN-2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ナノ多孔質バイオシリカを用いたマイクロバイオデバイスの作製2023

    • Author(s)
      梅村 和夫, 平山 航太, 北村 優樹, Nay San Lin,Minh Hieu Nguyen,Binh Duong Le,Anh Tuan Mai,真山 茂樹
    • Organizer
      第70回応用物理学会 春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 単層カーボンナノチューブと珪藻殻の複合による再利用可能な近赤外発光デバイスの作製2023

    • Author(s)
      平山航太、北村優樹、梅村和夫
    • Organizer
      第12回日本生物物理学会関東支部会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 温度変化が引き起こすパパインの構造変化2023

    • Author(s)
      北村優樹、梅村和夫
    • Organizer
      第12回日本生物物理学会関東支部会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 原子間力顕微鏡液中測定によるパパイン分子とDNA で被覆された単層カーボンナノチューブ との相互作用のpH の影響の研究2022

    • Author(s)
      Masaki Kitamura, Kazuo Umemura
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Adsorption of papain molecules on DNA wrapped single-walled carbon nanotubes studied by atomic force microscopy in fluid2022

    • Author(s)
      Masaki Kitamura, Kazuo Umemura
    • Organizer
      THE 22ND INTERNATIONAL VACUUM CONGRESS (IVC-22)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 研究者情報データベース

    • URL

      https://www.tus.ac.jp/ridai/doc/ji/RIJIA01Detail.php?act=nam&kin=ken&diu=5827

    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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