Structural analysis of aquatic functional materials consisting of peptide assembly by solid-state NMR

• Project Area: Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions
• Project/Area Number: 20H05211
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 川村 出 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (20452047)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 固体NMR / ペプチド / 自己組織化 / ハイドロゲル / 水 / 自己集合

Outline of Research at the Start

アミノ酸が結合したペプチドは両親媒性の特徴をもち、新疎水性を適切に配置したペプチドでは水をはじめとする溶媒との相互省によって分子集合体を形成することができる。このようなペプチド分子集合体における水分子の役割を解明することによって、新しいバイオ水圏機能材料の構築が可能となると考え、試料状態に依存しにくい固体NMR分析によって水を含んだペプチド集合体試料の構造を解明する研究を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本申請課題では、水の滴下がトリガーとなって誘発されるペプチド自己集合体の構造を制御し、水圏で機能するペプチド分子集合体の創生を目指すとともに、固体NMR分光法を用いた水分子とペプチド分子集合体の構造解析を行い、水分子の役割を研究する。
側鎖にアクリドン発色団を有する2-アクリドニルアラニン-フェニルアラニン(AAP)を新規に合成し、生理的pH条件下でのAAPの自己組織化プロセスにおいて、ハイドロゲルを形成することを発見した。電子顕微鏡画像によれば数マイクロメートルの長さのペプチドファイバーが形成されており、これらが３次元的にネットワークを構築してハイドロゲルを形成していることが示唆された。また、このハイドロゲルは青色の発光と適度な熱応答性を示すことも明らかにした。このようにアクリドン側鎖を含むジペプチドが効果的なハイドロゲル化剤となることを実証した。1H 固体NMRスペクトルの温度変化を測定し、ペプチドへの吸着水と思われる水分子のNMR信号を検出した。
フェニルアラニン-フェニルアラニン(Phe-Phe)およびトリプトファン-フェニルアラニン(Trp-Phe)からなるジペプチドを高濃度で電極基板上にキャストし、電圧引加状態で水蒸気による自己組織化によって電極間にジペプチドの超分子構造を密集させ、機械的刺激応答が可能な圧電素子として開発した。固体NMRや電子顕微鏡による解析から、バルク成長のNMRスペクトルと比べて、信号の線幅が狭く、構造均一性があることを示した。また電極間に向かってペプチドファイバーが成長し、配向性は良好であった。このようなサンプルを用いた圧電素子では、良好な機械刺激応答を記録することができた。
このように水圏で自己組織化するペプチドを用いて、機能性材料を開発することができた。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Fluorescent hydrogel based on self-assembling acridonylalanine-phenylalanine (2022)
  • Author(s): Yuzuha Araki, Hiroki Shirakata, Tetsuya Nakagawa, Takashi Ubukata, Yasushi Yokoyama, Izuru Kawamura
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: - Issue: 7 Pages: 687-689
  • DOI: 10.1246/cl.220170
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure of a retinal chromophore of dark-adapted middle rhodopsin as studied by solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy (2021)
  • Author(s): Kawamura Izuru、Seki Hayato、Tajima Seiya、Makino Yoshiteru、Shigeta Arisu、Okitsu Takashi、Wada Akimori、Naito Akira、Sudo Yuki
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: advpub Issue: 0 Pages: 177-185
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v18.019
  • NAID: 130008072373
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Microwave Heating of Liquid Crystals and Ethanol-Hexane Mixed Solution and Its Features (Review) (2021)
  • Author(s): Naito Akira、Tasei Yugo、Mijiddorj Batsaikhan、Kawamura Izuru、Ueda Kazuyoshi
  • Journal Title: IntechOpen Volume: - Pages: 97356-97356
  • DOI: 10.5772/intechopen.97356
  • ISBN: 9781839682261, 9781839682278
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Upcycling of Waste Hop Stems into Cellulose Nanofibers: Isolation and Structural Characterization (2021)
  • Author(s): Kanai Noriko、Nishimura Kosuke、Umetani Seiryu、Saito Yosuke、Saito Haru、Oyama Toshiyuki、Kawamura Izuru
  • Journal Title: ACS Agricultural Science & Technology Volume: 1 Issue: 4 Pages: 347-354
  • DOI: 10.1021/acsagscitech.1c00041
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Vibrational circular dichroism of D-amino acid-containing peptide NdWFamide in the crystal form in its current form for publication in Chirality (2021)
  • Author(s): Hiroki Yamagishi, Hisako Sato, Izuru Kawamura
  • Journal Title: Chirality Volume: 33 Issue: 10 Pages: 652-659
  • DOI: 10.1002/chir.23343
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermal and non-thermal microwave effects of ethanol and hexane mixed solution as revealed by in situ microwave irradiation nuclear magnetic resonance spectroscopy and MD simulation (2020)
  • Author(s): Yugo Tasei, Batsaikhan Mijiddorj, Teruaki Fujito, Izuru Kawamura, Kazuyoshi Ueda, Akira Naito
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry B Volume: 124 Issue: 43 Pages: 9615-9624
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c06383
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 食品物理学Food Biophysicsのススメ (2020)
  • Author(s): 川村出
  • Journal Title: ハセガワレター Volume: 39 Pages: 2-11
• [Presentation] Phe-Pheジペプチドの自己組織化におけるヘテロキラリティの影響 (2021)
  • Author(s): 山岸広季、尾澤 夢実、内藤 晶、佐藤 久子、川村出
  • Organizer: 第11回化学フェスタ 2021
• [Presentation] アクリドニルアラニンを含むジペプチドの自己組織化による青色蛍光性ハイドロゲルの形成 (2021)
  • Author(s): 荒木柚葉、白方 宏樹、中川 哲也、生方 俊、横山 泰、川村出
  • Organizer: 第11回化学フェスタ 2021
• [Presentation] 振動円偏光二色性分光法 VCD を用いた結晶状態における D アミノ酸含有ペプチドNdWFamide の構造解析 (2021)
  • Author(s): 山岸広季、佐藤久子、川村出
  • Organizer: 第16回Dアミノ酸学会学術講演会
• [Presentation] Dアミノ酸を含むアニオン性デルマセプチンaDrsのアミロイド線維形成の解析 (2021)
  • Author(s): 中山祥貴、川村出
  • Organizer: 第16回Dアミノ酸学会学術講演会
• [Presentation] The chiral effect of D-phenylalanine on self-assembly of Phe-Phe dipeptide by solid-state NMR (2021)
  • Author(s): Hiroki Yamagishi, Batsaikhan Mijiddorj, Yumi Ozawa, Kazuyoshi Ueda, Hisako Sato, Akira Naito, Izuru Kawamura
  • Organizer: ISMAR-APNMR-SEST-NMRSJ 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 固体NMRによる微生物型ロドプシンの光誘起構造変化の検出 (2021)
  • Author(s): 川村 出
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Solid-state NMR of seven-transmembrane proteins (2020)
  • Author(s): Izuru Kawamura
  • Organizer: 9th (biennial) Western Sydney University & Inaugural Asian Symposium on NMR, MRI & Diffusion symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Solid-state vibrational circular dichroism of tripeptides (2020)
  • Author(s): Izuru Kawamura & Hisako Sato
  • Organizer: Molecular Chirality 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Interaction of amphibian-derived cationic antimicrobial peptides with model membrane (2020)
  • Author(s): 川村 出
  • Organizer: The 58th Annual Meeting of Biophysical Society in Japan
  • Invited