2021 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 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, 上席研究員 (60465979)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | タンパク質 / 量子ビーム / 架橋 / 生体材料 |
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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。研究計画として、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、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次構造の変化を考察する。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3年度は、酸分解法および蛍光標識HPLCを組み合わせたアミノ酸組成分析法を用いることで、天然のタンパク質であるゼラチンの量子ビーム架橋メカニズムを明らかにした成果について論文執筆・投稿を行った。また、アミノ酸残基の種類や数の異なるモデルタンパク質を合成し、その量子ビーム架橋メカニズムをLC-MS法により明らかにした研究成果についても、論文執筆・投稿を行った。さらに、競合反応法やパルスラジオリシス法によりモデルタンパク質と放射線誘起活性種の速度論的解析を行った。明らかにした速度論的パラメータをもとに反応シミュレーションを行い、量子ビーム架橋したモデルタンパク質の架橋メカニズムを考察した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
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、酸分解法および蛍光標識HPLCを組み合わせたアミノ酸組成分析法を用いることにより、初めて明らかにした。さらに、チロシン、フェニルアラニン、ヒスチジンの種類・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、アミノ酸組成分析法およびLC-MS法を用いて分析した。その結果、芳香族アミノ酸残基を3つ以上含まないモデルタンパク質は、放射線照射により3次元ネットワーク構造を形成しないことを明らかにした。
令和3年度は、競合反応法やパルスラジオリシス法により、各種モデルタンパク質と放射線誘起活性種の反応速度定数を評価した。さらに、明らかにした速度論的パラメータをもとに反応シミュレーションを行い、実験値により求めた架橋密度と比較した。その結果、水の放射線分解で生成したOHラジカルはモデルタンパク質に含まれる芳香環と反応してタンパク質ラジカルを形成し、2量化反応および分解反応に分岐することを明らかにした。
また新たな発見として、量子ビームの照射条件（線量、溶存酸素濃度、線量率、温度など）を精密に制御することで、80-400 nmの範囲で粒径を制御したモデルタンパク質粒子を作製することに成功した。これらは、がん診断・治療用のドラックデリバリーシステムの母材としての応用が期待される。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。
一方で、当該研究課題申請時において計画していた実験や国際会議が感染症の蔓延によりいずれも延期・中止となったため、研究の進捗、論文の投稿が遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題は令和3年度にて終了する予定であったが、当該研究課題申請時において計画していた実験や国際会議が感染症の蔓延によりいずれも延期・中止となった。そこで、令和4年度まで期間の延長を申請し、令和3年度まで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ついて、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内・国際学会での発表を行う予定である。さらに、国内・国際会議への参加より取り纏められた当該研究成果について、論文執筆・投稿を行う予定である。
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| Causes of Carryover |
当該研究課題申請時において計画していた実験や国際会議が感染症の蔓延によりいずれも延期・中止となったため。令和4年度は実験に必要な消耗品、国内・国際会議の参加、論文の執筆に予算を使用する計画である。
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