2020 Fiscal Year Research-status Report
Study on the structure and formation mechanism of quantum beam crosslinked protein
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19K12653
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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Principal Investigator |
木村 敦 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員(定常) (60465979)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | タンパク質 / ペプチド / 量子ビーム / 架橋 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、量子ビーム照射がタンパク質の1次構造及び高次構造に与える影響を定性・定量的に明らかにし、架橋タンパク質ゲルの物性（膨潤度、硬さ、粒径）変化の要因を解き明かすことで、量子ビーム架橋タンパク質を利用した医療・創薬応用研究の深化に繋げることを目的とする。具体的には、1.アミノ酸組成を調節したモデルタンパク質を合成し、2.量子ビーム架橋ゲルの1次構造を各種化学分析法（酸分解法、Edman法、蛍光標識HPLCなど）により詳細に明らかにする。さらに、3.量子ビーム架橋タンパク質の各種分光分析を行い、2.の分析結果と対比させながら2次構造および3次構造の変化を明らかにする。本研究成果は、先行する量子ビーム架橋タンパク質を利用した医療・創薬応用研究の深化に繋がる。
令和2年度は、合成したフェニルアラニン、チロシン、ヒスチジンを含むモデルタンパク質の量子ビーム架橋メカニズムを明らかにした。酸分解法、蛍光標識HPLC法、LC-MS法、FT-IRを駆使して、量子ビームによるタンパク質の架橋機構を明らかにした。また、競合反応法により各種モデルタンパク質の架橋反応速度定数を見積もることで、量子ビームの医療・創薬材料への応用に最適なタンパク質の組成を考察した。さらに、従来法である化学架橋タンパク質ゲルと比較して、量子ビーム架橋法の利点について評価を行った。
また、タンパク質はアミノ酸残基であるプロリン、グリシン、ヒドロキシプロリンなどの含有量によって、2次構造であるαヘリックスもしくはβシート構造を形成するため、2次構造に影響を及ぼすこれらのアミノ酸残基の含有量を適切に制御したモデルタンパク質の合成も並行して行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
過去の研究報告により、ゼラチンの量子ビーム架橋部位は、フェニルアラニン、チロシン、ヒスチジンである可能性が高い。令和2年度は、これらのアミノ酸残基とゼラチン中に最も多く存在するグリシンを用いて、アミノ酸残基の種類・含有率の異なるモデルタンパク質を固相合成法により合成した。
既存の化学架橋タンパク質を医療・創薬応用研究のための細胞足場に利用する際、淡褐色に呈色していることから、蛍光視野の顕微鏡観察において細胞の観察が困難になることがあった。量子ビーム架橋タンパク質は、可視領域においてポリスチレン製ディッシュと同等の透過率（96％以上）であり、明視野・蛍光視野における細胞の顕微鏡観察が容易であることを明らかにした。また、量子ビームによるタンパク質の架橋は、溶媒である水の分解により生成するヒドロキシル（OH）ラジカルを駆動とすること、およびタンパク質に含まれる芳香族アミノ酸残基であるチロシン、フェニルアラニン、ヒスチジンが架橋部位になることを初めて明らかにした。さらに、量子ビーム照射によりタンパク質中の細胞接着を司るRGD（アルギニン-グリシン-アスパラギン酸）モチーフを分解しないことから、架橋タンパク質が生体適合性を保持できることがわかった。以上より、量子ビーム架橋法は、医療・創薬応用研究における生体材料作製技術として有用であることがわかった。日本放射線化学会が主催する放射線化学討論会にて招待講演を行うとともに、2020年放射線化学賞を受賞した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度は、令和2年度に明らかにした量子ビームによるタンパク質架橋メカニズムを詳細に明らかにするため、東京大学ライナック研究施設にてパルスラジオリシス法によるタンパク質の架橋反応の速度論的解析を行う。また、プロリン、グリシン、ヒドロキシプロリンの含有量の異なるモデルタンパク質を量子ビームにより架橋し、円二色性分光、FT-IR、ラマン分光により分析することで、タンパク質の2次構造の変化を調べる。研究総括として、一連の研究成果に基づき量子ビームによるタンパク質の物性（生分解性、硬さ、粒径など）変化の要因を考察し、量子ビーム架橋に適したタンパク質の分子設計指針を提案することで、先行する量子ビーム架橋技術を利用した応用研究にフィードバックする。
また、当該研究課題において計画していた国際会議がいずれも延期・中止となっている状況である。令和3年度は感染症予防に配慮しながら、国内学会では放射線化学討論会を中心に成果発表・最新の研究動向調査を行なうとともに、14th Ionizing Radiation and Polymers symposiumなどの放射線化学の研究分野に関連する国際会議に参加して、本成果発表を行なう予定である。
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| Causes of Carryover |
購入予定していた消耗品が他の予算により賄われたこと、および当該年度の社会情勢により予定していた出張や国内外の学会が延期となったため、次年度使用額が生じた。
令和3年度に延期した国内外の学会の開催に備えて、次年度使用額を適正に使用する予定である。
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