2020 Fiscal Year Research-status Report
Molecular mechanism of extreme environmental resistance revealed from structural properties of proteins embedded in sugar glass
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20K03878
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
平井 光博 群馬大学, その他部局等, 名誉教授 (00189820)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中川 洋 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (20379598)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 糖 / ガラス / 蛋白質 / 中性子散乱 / 放射光X線散乱 / ガラス転移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，極限環境（低温・乾燥など）耐性生物が「適合溶質」として含蓄する糖の役割の分子機構の解明を主たる目的とする。中でも，糖ガラス包埋タンパク質の構造とダイナミックスの特性を実験・計算の両面から明らかにする点に学術的な独自性を有する。「糖のガラス化」と「環境耐性」の関係を直接観測し，分子レベルで解明した例は今までにない。そのための研究手法として，ナノスケールレベルでの構造解析と分子内の拡散的な運動状態（の観測に極めて有効な中性子弾性・非弾性・準弾性散乱法と，大規模分子動力学シミュレーションを組み合わせてその解明を行う。
具体的には，中性子逆コントラストマッチング法を用いて，糖の濃厚溶液状態，ラバー状態，ガラス状態の構造とダイナミックス，それらの各状態下のタンパク質の構造とダイナミックス（分子内の拡散的な運動状態）をそれぞれ分別して観測，解析を行うことが特筆すべき特徴であり，得られる成果は，生物学的な重要性に留まらず，新たな製剤・細胞保存法の開発や食品保存法の創生へ繋がる。
令和２年度は，主に，各種の糖ガラス試料を作成し，放射光X線散乱測定と中性子散乱測定を実施しした。ガラス転移温度は含水率と温度，糖の種類に依存することを見出した。ガラス化条件探索のため，５種類（単糖：グルコース，フルクトース，マンノース，二糖：スクロース，トレハロース）の糖溶液の構造を0.05-0.65 g/mLの広い濃度範囲にわたって調べた。ビリアル係数はすべての糖で反発分子間相互作用の存在を示した。そのような反発力の存在にもかかわらず、短距離の分子間相関はすべての糖において，高濃度で現れることがわかった。特に，トレハロースは，他の糖と比較して溶液中でより無秩序な配置を好むこと、つまりかさばった溶液構造を取ることを明確に示した。 カラス転移温度との関係を現在検討中である。
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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
令和２年度は，5~15%w/wの含水率に依存した糖ガラス試料作成条件の確定を行なった。含水率に依存して，ラバー状態，固体ガラス状態が温度依存的に出現することを散乱測定により見出した。同条件で試料作成を行なった場合でも，糖の種類（グルコース，フルクトース，スクロース，トレハロース）に依存して，ラバー状態から固体ガラス状態への転移温度が異なる。トレハロースのガラス転移温度が最も高くなる。蛋白質を包埋したガラス試料の測定を行なった結果，何の試料においても蛋白質の構造が保存されていることも既に見出した。概ね，当初予定していた実験計画を実施できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和３年度は，前年度のデータの詳細な解析を進めると同時に，特定の含水率の糖ガラス試料中の蛋白質構造の熱安定性に関して，放射光X線・中性子散乱測定を実施する，特に，中性子散乱実験では，重水素化糖を用いた逆コントラスト変化法を用いた測定を行い，蛋白質構造の選択的な抽出を試みる。
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| Causes of Carryover |
研究は概ね予定通りに進捗していたが，新型コロナウィルスの影響により予定されていた学会，シンポジウムが全てWeb開催となったため，出張経費に残額が生じた。
令和３年度に繰り越して使用する予定である。
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