2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Novel Taste Sensor Using Allostery
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21H05006
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
都甲 潔 九州大学, 五感応用デバイス研究開発センター, 特任教授 (50136529)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松井 利郎 九州大学, 農学研究院, 教授 (20238942)
重村 憲徳 九州大学, 歯学研究院, 教授 (40336079)
内田 享弘 武庫川女子大学, 薬学部, 教授 (70203536)
巫 霄 福岡工業大学, 工学部, 助教 (20825351)
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| Project Period (FY) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| Keywords | 味覚センサ / アロステリー / 味覚受容体 / 非荷電苦味物質 / 広域選択性 / NMR法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，これまで必ずしも完全とは言えなかった味覚センサの欠点を克服し，味覚センサの非連続的かつ飛躍的深化を図ることにある．膜を構成する分子（脂質，可塑剤，膜修飾分子）の表面での配列・配向を制御し，新しい電気化学的特性を発現させ，非荷電苦味物質を初めとする味物質への応答機能を実現する．これまでのR３～４年度の研究で以下の成果を得た．１）非荷電苦味物質カフェインと2,6-DHBAとの相互作用様態の解明：非破壊での状態分析が可能なNMR法（対象核種：1H）を用いて溶液中のカフェインと2,6-DHBAの分子間相互作用の解析を松井Gと共同で行った．その結果，カフェインは2,6-DHBAとスタッキングし，水素結合およびπ電子相互作用を介して安定な会合体を形成していることが分かった．
２）応答感度の向上：他の膜修飾材料を検討した．方針は低いpKaと高いlogP（疎水性の指標）を持つ材料を用いることである．その結果，カフェインやテオブロミンに高い感度を得ることに成功した．
３）塩味エンハンス効果の検知：Naイオノフォアと完全解離脂質から成る混合膜で塩味エンハンス効果の検知に成功した．
４）甘味受容膜の応答メカニズムの解明：洗浄液中で甘味センサ受容膜のトリメリット酸へNaやKの金属イオンが結合し，糖類測定の際に，結合した金属イオンが糖と錯体形成するという糖検知メカニズムが明らかとなった．
５）アロステリーによる受容体活性メカニズムの解明:味覚受容体遺伝子を培養細胞に発現させた人工味細胞のカルシウムイメージングと，分子動力学等の分子シミュレーションを用いることで，味物質や味覚修飾物質の作用でアロステリーが受容体の上部（生体膜外側）と下部（膜内側）で生じ，甘味情報伝達に重要な役割を果たしていることを明らかにした．
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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
非荷電苦味物質の受容において，NMR法でカフェインと膜修飾物質2,6-DHBAとの相互作用様態を明らかにした．この結果から他の膜修飾物質を検討し，カフェインやテオフィリンへさらに大きな応答を得ることができた．つまり，センサ設計が可能な段階に入った．基礎的な研究という点からは，非荷電苦味物質の受容は既に目的を100％達成したと言えよう．次に塩味エンハンス効果についても，用いる脂質を完全解離型脂質に変更することで目的を達成できた．
うま味の相乗効果の検知については，現有うま味受容膜はうま味物質を正しく認識していないことが分かり，うま味受容の原点に立ち返ることとした．その際，部分荷電型と完全解離型の脂質の特性に関する研究成果の活用が期待できる．水和という視点から分子間相互作用を眺め，現在，生体系のうま味受容機構（結合部位：アミノ基やカルボキシ基）を模倣した受容膜を検討中である．
甘味については市販のセンサ受容膜の応答メカニズムの解明に成功した．さらなる選択性向上を目指し，他のメカニズムでの受容膜を探索した．結果，ボロン酸誘導体を使用した膜について実験を遂行し，電位応答を得ることができ，そのメカニズムを検討中である．
さらに，味覚受容体遺伝子を培養細胞に発現させた人工味細胞のカルシウムイメージングと，分子動力学等の分子シミュレーションから，受容体のアミノ酸残基と味物質の結合様式の解明に成功した．また創薬応用への第一歩として，現有の苦味受容膜を用い，荷電苦味薬物へ及ぼす苦味抑制薬物の効果を明らかにした．
以上，各課題遂行において極めて順調な２年間であった．これらセンサ開発の良いタイミングで，受容体の活性・不活性化メカニズムの解明に成功し，そこではアロステリーが積極的に働いていることが分かった．Ｒ５年度からはこの知見をセンサ開発に活かす．上記成果から順調に研究が進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初予定は確実に遂行してきた．次年度以降は互いの成果を持ち寄り，残された課題であるところの，より多くの種類の非荷電苦味物質への適用，甘味受容膜の開発，うま味受容膜の開発と相乗効果の検知の３つを目指す．なお，塩味エンハンス効果については，既にその検知に成功し，当初目的を達成したため，現時点で研究を終えることとする．R３～４年度の成果を元に次の研究を遂行する．
非荷電苦味物質の検知とセンサの創薬応用:アロステリーを利用したセンサの応用拡張性を確認するため，まずはカフェインやテオブロミン以外のキサンチン類（ジプロフィリン，プロキシフィリン，エトフィリン）の計測を行う．さらにプレドニゾロン，デキサメタゾン，アセトアミノフェンといったステロイド剤の計測も行う．また，果実の苦味成分であるポリフェノール類（非荷電），ナリンギンやヘスペリジン，の計測も試みる．結果を創薬応用へと結びつける．
甘味受容膜の開発:ボロン酸の高い糖選択性に着目し，種々のボロン酸誘導体（フェニルボロン酸等）を混入させた脂質膜の電位計測を遂行する．受容部としてボロン酸誘導体と脂質分子のマトリックス構造の形成，出力に電圧，非荷電味物質（糖類）受容から電位変化への変換にアロステリーの利用，というストラテジーで研究を進める．
うま味受容膜の開発:基本，生体のうま味受容に倣い，うま味検知の研究を進める．例えば，カルボキシ基とアミノ基を有する脂質分子の活用等を試みる．これら甘味とうま味受容膜の研究では，生体受容体活性メカニズムを参考にする．
上記３つの課題を５グループで実施し，意見交換・検討の場を持つことでPDCAサイクルを繰り返し，迅速化を図り本申請課題の達成に向け努力する．
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