Publicly Offered Research
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
タンパク質などの生体高分子が高正確に働く仕組みを物理化学的に説明するためには、生体高分子と水の相互作用を深く理解する必要がある。タンパク質表面の水和水は特徴的な水素結合ネットワークを形成し、空間的・時間的に不均一な運動を行う。これらの運動は、水と生体高分子材料が一体化した集団運動であり、その主な成分は、室温ではサブテラヘルツ周波数領域に観測される。本研究では、この集団運動を、サブテラヘルツ波で励起し、その非熱的な応答を分光的に調べる。
常温におけるタンパク質水溶液には、サブテラヘルツ（sub-THz）周波数領域に、水和による特徴的な水素結合ネットワークを反映する複数の水の運動モードや、タンパク質の集団振動モードが現れ、それらの運動は相互作用すると考えられている。本研究では、タンパク質水溶液に対して、外場としてsub-THz波を照射し、これらの運動モードを励起し、その外場による水和構造の経時変化を通常の伝熱加熱による温度上昇による変化と比較した。この観測のため、試料の底部からsub-THz波を照射しながら、タンパク質水溶液のマイクロ波帯の誘電緩和を経時的かつ高感度に測定を行うシステムを開発した。この方法では、探索マイクロ波を同軸プローブの先端から試料に浸透させ、反射した電磁波の情報を検出して試料誘電率の変化を評価した。一般的な同軸プローブを用いた誘電緩和測定は試料長が十分長いことが前提となるが、本研究では、sub-THz波照射の影響を観測するために、sub-THz波がタンパク質水溶液に侵入する深さ程度まで試料長を短くする必要があった。しかし、この短い試料長のために一般的な測定を妨げる多重反射が起きる。本研究では、多重反射の信号が、試料の誘電率を反映して変化する現象に着目し、多重反射をあえて利用することでsub-THz波照射による試料のわずかな誘電率変化を鋭敏に検出できることを見出した。この観測の妥当性をTHz分光法とNMR分光法で検証した。その結果、通常は長い時間を要する粉末タンパク質（疎水性の高い領域を含む）のミクロ・メゾスケールにおける再水和過程が、sub-THz波の照射によって大幅に加速された。同様の再水和過程の加速は通常の伝熱加熱では起こらなかったことから、sub-THz波照射による非熱的な作用が強く示唆された。
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Nature Communications
Volume: 14 Issue: 1 Pages: 2825-2825
10.1038/s41467-023-38462-0
https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2023/pr20230522_2/pr20230522_2.html
https://unit.aist.go.jp/cmb5/ja/topics/topics03.html
