Protection of biomolecules via molecular shielding effect

• Project Area: Biophysical Chemistry for Material Symbiosis
• Project/Area Number: 21H05516
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Japan Advanced Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 松村 和明 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (00432328)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: タンパク質凝集抑制 / 凍結保護 / 高分子 / Molecular Shielding / 保護作用 / 弱い相互作用 / 両性電解質高分子 / Molecular shielding

Outline of Research at the Start

本研究の目的は、凍結保護活性やタンパク質の凝集抑制活性を持つ保護高分子化合物と、細胞膜やタンパク質との弱い相互作用による保護活性のメカニズムの解明とそれを応用した分子設計である。細胞膜やタンパク質に覆い被さるような形で保護するというMolecular Shielding効果を、分光学的手法や熱測定により定量的に解析し構造活性相関を明確にする。生物が持つ特殊な耐乾燥性保護ペプチドなどとの活性と構造を比較し、生物及び化学の両面からアプローチすることで生体保護材料という新たな物質共生の新展開を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

凍結保護高分子およびタンパク質保護高分子のメカニズム解明に向け、細胞膜およびタンパク質との弱い相互作用を測定し、Molecular Shielding仮説の検証を行った。
双性イオンポリマーに対して疎水性部位を導入することにより、高分子とタンパク質および高分子と細胞膜リン脂質との相互作用が強まることを等温滴定型カロリメトリーにより、定性的に調べた。定量的な議論のため、Pulsed Field Gradient-NMR法により、タンパク質およびリン脂質に対して双性イオンポリマーを添加することで、それらの拡散係数の低下から相互作用を見積もった。その結果、疎水性相互作用による弱い相互作用によるものであることが確認された。次に、分子動力学シミュレーションにてインスリンと双性イオンポリマーの相互作用を評価したところ、疎水性部位を導入することでインスリン分子間に可逆的に挿入されることで、インスリン同士の凝集を抑制していることが示される結果を得た。これらと、実際のタンパク質凝集抑制試験の結果を総合的に判断し、Molecular Shielding仮説の有効性を議論することに成功した。これらの成果は計7本の論文にて発表した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Polyampholyte‐Based Polymer Hydrogels for the Long‐Term Storage, Protection and Delivery of Therapeutic Proteins (2023)
  • Author(s): Rajan Robin、Kumar Nishant、Zhao Dandan、Dai Xianda、Kawamoto Keiko、Matsumura Kazuaki
  • Journal Title: Advanced Healthcare Materials Volume: in press Issue: 17 Pages: 2203253-2203253
  • DOI: 10.1002/adhm.202203253
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Improved fertility of frozen‐thawed porcine spermatozoa with 3,3‐dimethylglutaric anhydride poly‐L‐lysine as a novel cryoprotectant (2023)
  • Author(s): Jin Hansol、Choi Wooyoon、Matsumura Kazuaki、Hyon Suong‐hyu、Gen Yuki、Hayashi Masakazu、Kawabata Tadahiro、Ijiri Moe、Miyoshi Kazuchika
  • Journal Title: Animal Science Journal Volume: 94 Issue: 1
  • DOI: 10.1111/asj.13821
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mechanistic insights and importance of hydrophobicity in cationic polymers for cancer therapy (2023)
  • Author(s): Kumar Nishant、Oqmhula Kenji、Hongo Kenta、Takagi Kengo、Yusa Shin-ichi、Rajan Robin、Matsumura Kazuaki
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry B Volume: 11 Issue: 7 Pages: 1456-1468
  • DOI: 10.1039/d2tb02059a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design of self-assembled glycopolymeric zwitterionic micelles as removable protein stabilizing agents (2023)
  • Author(s): Rajan Robin、Matsumura Kazuaki
  • Journal Title: Nanoscale Advances Volume: 5 Issue: 6 Pages: 1767-1775
  • DOI: 10.1039/d3na00002h
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bridging polymer chemistry and cryobiology (2022)
  • Author(s): Matsumura Kazuaki、Rajan Robin、Ahmed Sana
  • Journal Title: Polymer Journal Volume: 55 Issue: 2 Pages: 105-115
  • DOI: 10.1038/s41428-022-00735-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Polyethylene-glycol-modified zwitterionic polymer assisted protein aggregation arrest and refolding (2022)
  • Author(s): Debas Alisha、Matsumura Kazuaki、Rajan Robin
  • Journal Title: Molecular Systems Design & Engineering Volume: 7 Issue: 10 Pages: 1327-1335
  • DOI: 10.1039/d2me00084a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development and structural analysis of dual-thermo-responsive self-assembled zwitterionic micelles (2022)
  • Author(s): Zhao Dandan、Rajan Robin、Yusa Shin-ichi、Nakada Masaru、Matsumura Kazuaki
  • Journal Title: Materials Advances Volume: 3 Issue: 10 Pages: 4252-4261
  • DOI: 10.1039/d1ma01189h
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 温度可変固体NMRを用いた側鎖構造と凍結保護効果の相関 (2022)
  • Author(s): 山﨑椋太、林文晶、長嶋敏雄、Rajan Robin、松村和明
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 凍結保護剤としての応用を目指したトレハロースポリマーの合成 (2022)
  • Author(s): 加藤裕介、ラジャン ロビン、松村和明
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] Thermal hysteresis and ice recrystallization inhibition activities of antifreezing protein-poly(vinyl alcohol) conjugates (2022)
  • Author(s): Yusuke Kato, Sakae Tsuda, Robin Rajan, Kazuaki Matsumura
  • Organizer: The 59th Annual Meeting of the Society for Cryobiology CRYO2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Antifreeze Properties of Antifreeze Protein-Poly(vinyl alcohol) Conjugates (2022)
  • Author(s): Yusuke Kato, Sakae Tsuda, Robin Rajan, Kazuaki Matsumura
  • Organizer: IBP 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高分子による細胞凍結保存-その基礎と応用 (2022)
  • Author(s): 松村和明
  • Organizer: Cryopreservation Conference 2022
  • Invited
• [Presentation] 高分子による細胞・組織の凍結保存と再生医療への応用 (2022)
  • Author(s): 松村和明
  • Organizer: 第２０回日本再生歯科医学会学術大会「シンポジウム」
  • Invited
• [Presentation] 細胞凍結保護高分子化合物の基礎と応用 (2022)
  • Author(s): 松村和明
  • Organizer: 第41回整形外科バイオマテリアル研究会
  • Invited
• [Presentation] Poly-l-lysine-based polymeric system for the protection and delivery of protein (2022)
  • Author(s): Robin Rajan, Kazuaki Matsumura
  • Organizer: PPC17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Zn-coordinated poly-L-lysine based cationic polymers for cancer treatment (2022)
  • Author(s): Nishant Kumar, Robin Rajan, Kazuaki Matsumura
  • Organizer: IUMRS-ICYRAM
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Protection of cells and biomolecules by polyampholytes (2021)
  • Author(s): Kazuaki Matsumura, Robin Rajan
  • Organizer: APA Bioforum International e-Conference on Polymeric Biomaterials & Bioengineering
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Role of Zwitterionic Polymers for Protein Denaturation Protection and Renaturation (2021)
  • Author(s): Alisha Debas, Robin Rajan, Kazuaki Matsumura
  • Organizer: 第70回高分子討論会
• [Presentation] 両性電解質高分子の凍結保護効果の解明と生体材料応用 (2021)
  • Author(s): 松村和明
  • Organizer: 第70回高分子討論会
  • Invited
• [Presentation] Protein Protection based on the Poly-L-Lysine Polymer (2021)
  • Author(s): Dai Xianda, Robin Rajan, Kazuaki Matsumura
  • Organizer: 8th Asian Biomaterials Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Protection of proteins from freezing stress using polyampholyte based graft polymers (2021)
  • Author(s): Robin Rajan, Nishant Kumar, Kazuaki Matsumura
  • Organizer: 8th Asian Biomaterials Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A protein aggregation inhibition microneedle for transdermal drug delivery via dextran-based zwitterionic polymer (2021)
  • Author(s): Harit Pitakjakpipop, Robin Rajan, Pakorn Opaprakasit, Paisan Khanchaitit, Kazuaki Matsumura
  • Organizer: 8th Asian Biomaterials Congress
  • Int'l Joint Research